Sinyal dan Sistem: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Konvolusi & sistem LTI

Konvolusi diskret
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Konvolusi kontinu
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Panjang dan jumlah
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Awal, akhir, dan luas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Undak ke e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistem orde satu
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekursi orde satu
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoida melalui h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudo deret Fourier
persegi ±A: 4A/(kπ), k ganjil; segitiga ±A: 8A/(π²k²), k ganjil; deretan pulsa: A·D dan (2A/(kπ))|sin kπD|

Metode

  1. Buat sketsa kedua sinyal dan catat di mana masing-masing tidak nol.
  2. Balikkan h dan geser: untuk setiap waktu keluaran, cari rentang tempat kedua sinyal tumpang tindih.
  3. Kalikan dan jumlahkan (diskret) atau kalikan dan integralkan (kontinu) hanya pada tumpang tindih itu.
  4. Periksa hasilnya: keluaran dimulai pada jumlah waktu-waktu awal, berakhir pada jumlah waktu-waktu akhir, dan luas atau jumlahnya adalah hasil kali luas atau jumlah masukan.

2Soal latihan

1.Konvolusi & sistem LTISedang
x(t)t12h(t)t−13

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 1 s dan t = 2 s, dan h(t) hanya antara t = −1 s dan t = 3 s. Cari waktu tend saat y(t) = x(t) ∗ h(t) berakhir.

x: 1 … 2 sh: −1 … 3 s
tend = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
δ(t)y′ + 0,5y = 3xh(t)

Suatu sistem memenuhi y′(t) + 0,5·y(t) = 3·x(t). Cari respons impulsnya pada t = 0,8 s, h(0,8).

y′ + 0,5y = 3xt = 0,8 s
h(0.8) =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−55

Tentukan f(t) untuk F(s) = (4s + 18)/(s² + 2s + 37) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,6).

F(s) = (4s + 18)/(s² + 2s + 37)t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Selesaikan y″ + 5y′ + 6y = 0 dengan y(0) = 5 dan y′(0) = 13 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,3).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 5y′(0) = 13t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 80/(s² + 6s + 80) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.

G(s) = 80/(s² + 6s + 80)
%OS = %
6.Respons langkahSulit
k = 200 N/mc = 23 N·s/mm = 4 kgF = 10 Nx(t)

Sebuah massa m = 4 kg tergantung pada pegas k = 200 N/m dengan peredam kental c = 23 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 10 N tiba-tiba diberikan. Tentukan persen overshoot %OS dari simpangan.

m = 4 kgk = 200 N/mc = 23 N·s/mF = 10 N
%OS = %
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​R = 4,7 kΩC = 2,2 nFvout​

Filter lolos rendah RC yang ditunjukkan memiliki R = 4,7 kΩ, C = 2,2 nF. Masukan sinusoidal 150 kHz diberikan. Cari pergeseran fasa φ dari vout relatif terhadap vin, dalam derajat.

R = 4,7 kΩC = 2,2 nFf = 150 kHz
φ = °
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 190/(s(s + 5)). Cari margin fasa PM dalam derajat.

L(s) = 190/(s(s + 5))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: tend = 5 s

Konvolusi kontinu: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Balikkan h, geser ke posisi t, lalu integralkan hasil kali bagian-bagian yang tumpang tindih. Untuk sinyal kausal integralnya berjalan dari 0 sampai t. Hasil yang berguna: luas y sama dengan luas x dikali luas h; jika x berlangsung dari t₁ sampai t₂ dan h dari t₃ sampai t₄, maka y berlangsung dari t₁ + t₃ sampai t₂ + t₄. Untuk h(t) = e−atu(t) dan undak setinggi A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Awal dan akhir

tstart = 1 + (−1) = 0 s
tend = 2 + 3 = 5 s

Jawaban

tend = 5 s

Jawaban

tend = 5 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: h(0.8) = 2,011

Respons impuls dan deret Fourier: respons impuls h(t) menggambarkan sistem LTI sepenuhnya: untuk y′ + a·y = b·x responsnya h(t) = b·e−atu(t), dan untuk y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] responsnya h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoida cos ωt melewatinya dengan penguatan |H(jω)| dan fase ∠H(jω), dengan H adalah transformasi Fourier dari h. Sinyal periodik adalah jumlah harmonisa pada k/T: gelombang persegi ±A hanya memiliki harmonisa ganjil dengan amplitudo 4A/(kπ), gelombang segitiga dengan puncak A memiliki 8A/(π²k²), dan deretan pulsa setinggi A dengan siklus kerja D memiliki rata-rata A·D dan harmonisa (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Fungsi alih

H(s) = Y(s)/X(s) = 3/(s + 0,5)

Respons impuls

h(t) = 3·e−0,5tu(t)
h(0,8) = 3·e−0,4 = 2,011

Jawaban

h(0,8) = 2,011
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.6) = −2,535

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt mengubah turunan menjadi perkalian dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan baku: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), dan pergeseran s → s + σ mengalikan fungsi waktu dengan e−σt. Untuk membalik F(s) rasional, uraikan menjadi pecahan parsial: residu sebuah kutub tunggal p adalah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorema nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), hanya berlaku jika semua kutub s·F(s) berada di setengah bidang kiri. Teorema nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Lengkapkan kuadrat

s² + 2s + 37 = (s + 1)² + 36 = (s + 1)² + 6²

Cocokkan pembilangnya

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 6²) + (14/6)·6/((s + 1)² + 6²)

Transformasi balik

f(t) = e−t·(4·cos 6t + 2,333·sin 6t)
f(0,6) = e−0,6·(4·cos(6·0,6) + 2,333·sin(6·0,6)) = −2,535

Jawaban

f(0,6) = −2,535
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.3) = 6,016

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt mengubah turunan menjadi perkalian dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan baku: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), dan pergeseran s → s + σ mengalikan fungsi waktu dengan e−σt. Untuk membalik F(s) rasional, uraikan menjadi pecahan parsial: residu sebuah kutub tunggal p adalah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorema nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), hanya berlaku jika semua kutub s·F(s) berada di setengah bidang kiri. Teorema nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformasikan persamaannya

s²Y − 5s − 13 + 5(sY − 5) + 6Y = 0
Y(s) = (5s + 38)/((s + 2)(s + 3))

Pecahan parsial

A = 28/1 = 28
B = 23/(−1) = −23

Hasil

y(t) = 28·e−2t − 23·e−3t
y(0,3) = 6,016

Jawaban

y(0,3) = 6,016

Periksa: y(0) = A + B = 5.

5.Respons langkah

Jawaban: %OS = 32,68 %

Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Bandingkan dengan bentuk baku

Penyebut harus cocok dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 80 → ωₙ = 8,944 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8,944) = 0,3354

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,119 = 32,68 %

Jawaban

%OS = 32,68 %
6.Respons langkah

Jawaban: %OS = 24,71 %

Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Frekuensi alami dan rasio redaman

ωₙ = √(k/m) = √(200/4) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 23/(2·√(200·4)) = 0,4066

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 24,71 %

Jawaban

%OS = 24,71 %
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: φ = −84,14 °

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Frekuensi sudut

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·2,2 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s
fc = 15392 Hz → f/fc = 150000/15392 = 9,745

Fasa

φ = − atan(9,745) = −84,14°

Jawaban

φ = −84,14°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: PM = 20,55 °

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Persilangan penguatan

ω⁴ + 25ω² − 36100 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·36100))/2 = 177,9
ωc = 13,34 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(13,34/5) = −159,5°
PM = 180° + ∠L = 20,55°

Jawaban

PM = 20,55°

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems