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)t5h(t)t1

Masukan x(t) = 5·e−2tu(t) diberikan ke sistem dengan h(t) = e−0,5tu(t). Cari keluaran y(0,5) pada t = 0,5 s.

x(t) = 5·e−2tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)510201−1

Gelombang segitiga naik dan turun secara linear antara −1 dan +1 dengan periode T = 10 ms. Cari amplitudo c1 komponen Fourier-nya pada 100 Hz.

±1T = 10 msf = 100 Hz
c1 =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = (s + 27)/(s² + 8s + 16) dan hitung f(0,5).

F(s) = (s + 27)/(s² + 8s + 16)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Transformasi LaplaceSulit
ReIm−2−4−6−824

Sebuah sistem dinyatakan oleh persamaan diferensial y″ + 2y′ + 17y = 2u′ + 17u, dengan masukan u(t) dan keluaran y(t). Tentukan fungsi alihnya G(s) = Y(s)/U(s) (syarat awal nol) dan hitung respons impuls g(t) pada t = 0,4 s. Tentukan g(0,4).

y″ + 2y′ + 17y = 2u′ + 17ut = 0,4 s
g(0.4) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 12,5/(s² + 2s + 25) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 12,5/(s² + 2s + 25)
tp = s
6.Respons langkahSulit
k = 5000 N/mc = 10 N·s/mm = 0,5 kgF = 20 Nx(t)

Sebuah massa m = 0,5 kg tergantung pada pegas k = 5000 N/m dengan peredam kental c = 10 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 20 N tiba-tiba diberikan. Tentukan simpangan terbesar xmax dalam mm.

m = 0,5 kgk = 5000 N/mc = 10 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​R = 2,2 kΩC = 47 nFvout​

Filter lolos rendah RC yang ditunjukkan memiliki R = 2,2 kΩ, C = 47 nF. Masukan sinusoidal 770 Hz diberikan. Cari penguatan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 2,2 kΩC = 47 nFf = 770 Hz
|H| = dB
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 54/(s(s + 2)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 54/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(0.5) = 1,37

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).

Integral konvolusi

y(t) = 5e−0,5t∫₀ᵗ e−(2 − 0,5)τ dτ = 5(e−0,5t − e−2t)/(1,5)

Hitung nilainya

y(0,5) = 5·(0,7788 − 0,3679)/(1,5) = 1,37

Jawaban

y(0,5) = 1,37
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c1 = 0,8106

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)|.

Nomor harmonisa

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 1

Amplitudo

c1 = 8·1/(π²·1²) = 0,8106

Jawaban

c1 = 0,8106
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.5) = 1,692

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).

Faktorkan penyebut

s² + 8s + 16 = (s + 4)²

Pecahan parsial

s + 27 = 1(s + 4) + 23
F(s) = 1/(s + 4) + 23/(s + 4)²

Transformasi balik

f(t) = e−4t + 23·t·e−4t
f(0,5) = (1 + 23·0,5)·e−4·0,5 = 1,692

Jawaban

f(0,5) = 1,692
4.Transformasi Laplace

Jawaban: g(0.4) = 2,473

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).

Fungsi alih

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 17)/(s² + 2s + 17)

Pecahan parsial

s² + 2s + 17 = (s + 1)² + 4²
G(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (15/4)·4/((s + 1)² + 4²)

Respons impuls

g(t) = e−t·(2·cos 4t + 3,75·sin 4t)
g(0,4) = 2,473

Jawaban

g(0,4) = 2,473
5.Respons langkah

Jawaban: tp = 0,6413 s

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 = 25 → ωₙ = 5 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5) = 0,2

Hasil

ωd = 5·√(1 − 0,2²) = 4,899 rad/s → tp = π/ωd = 0,6413 s

Jawaban

tp = 0,6413 s
6.Respons langkah

Jawaban: xmax = 6,917 mm

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) = √(5000/0,5) = 100 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 10/(2·√(5000·0,5)) = 0,1

Hasil

xst = F/k = 20/5000 m = 4 mm
%OS = 72,92 %
xmax = 4·(1 + 0,7292) = 6,917 mm

Jawaban

xmax = 6,917 mm
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |H| = −0,97 dB

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/(2200·4,7 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 770/1539 = 0,5003

Penguatan

|H| = 1/√(1 + 0,5003²) = 0,8943
20·log₁₀(0,8943) = −0,97 dB

Jawaban

|H| = −0,97 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 7,214 rad/s

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 + 4ω² − 2916 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·2916))/2 = 52,04
ωc = 7,214 rad/s

Jawaban

ωc = 7,214 rad/s

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