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)t1h(t)t0,21

Suatu sistem memiliki respons impuls h(t) = e−5tu(t). Masukannya adalah undak x(t) = 1·u(t). Cari keluaran y(0,4) pada t = 0,4 s.

h(t) = e−5tu(t)x(t) = 1·u(t)t = 0,4 s
y(0.4) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)510201

Gelombang persegi berpindah antara 1 dan 0 dengan periode T = 10 ms (setengah periode pada setiap level). Cari amplitudo c5 komponen Fourier-nya pada 500 Hz.

0 … 1T = 10 msf = 500 Hz
c5 =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16

Tentukan f(t) untuk F(s) = (s + 14)/(s² + 4s + 5) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,25).

F(s) = (s + 14)/(s² + 4s + 5)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformasi LaplaceSulit
ReIm−2−4−6−8−10−12−142

Sebuah sistem dinyatakan oleh persamaan diferensial y″ + 2y′ + 10y = u′ + 13u, 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 = 0,75 s. Tentukan g(0,75).

y″ + 2y′ + 10y = u′ + 13ut = 0,75 s
g(0.75) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1ts​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 20/(s² + 7s + 20) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 20/(s² + 7s + 20)
ts = s
6.Respons langkahSulit
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = K/(s(s + 8)). Tentukan penguatan K yang memberi respons langkah dengan overshoot 15 %.

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 15 %
K =
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,010,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 0,5

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 187/((s + 1)(s + 17)) pada ω = 0,5 rad/s, dalam dB.

G(s) = 187/((s + 1)(s + 17))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = K/(s(s + 1)(s + 7)). Cari penguatan K yang memberi margin penguatan 4 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 7))GM = 4 dB
K =

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(0.4) = 0,1729

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).

Konvolusi dengan undak

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

Hitung nilainya

y(0,4) = 0,2·(1 − e−2) = 0,1729

Jawaban

y(0,4) = 0,1729
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c5 = 0,1273

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 = 500/100 = 5

Amplitudo

c5 = 4·0,5/(5π) = 0,1273

Jawaban

c5 = 0,1273
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.25) = 2,388

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 + 4s + 5 = (s + 2)² + 1 = (s + 2)² + 1²

Cocokkan pembilangnya

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (12/1)·1/((s + 2)² + 1²)

Transformasi balik

f(t) = e−2t·(cos 1t + 12·sin 1t)
f(0,25) = e−2·0,25·(cos(1·0,25) + 12·sin(1·0,25)) = 2,388

Jawaban

f(0,25) = 2,388
4.Transformasi Laplace

Jawaban: g(0.75) = 1,173

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) = (s + 13)/(s² + 2s + 10)

Pecahan parsial

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 3²
G(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (12/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Respons impuls

g(t) = e−t·(cos 3t + 4·sin 3t)
g(0,75) = 1,173

Jawaban

g(0,75) = 1,173
5.Respons langkah

Jawaban: ts = 1,143 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 = 20 → ωₙ = 4,472 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4,472) = 0,7826

Hasil

ζωₙ = 3,5 → ts ≈ 4/3,5 = 1,143 s

Jawaban

ts = 1,143 s
6.Respons langkah

Jawaban: K = 59,88

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).

Fungsi alih loop tertutup

T(s) = K/(s² + 8s + K)

Rasio redaman dari overshoot

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Penguatan

ωₙ = 8/(2ζ) = 7,738 rad/s
K = ωₙ² = 59,88

Jawaban

K = 59,88
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = 19,85 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.

Kalikan besar

|G(j0,5)| = 187/(√(0,5² + 1²)·√(0,5² + 17²)) = 187/(1,118·17,01) = 9,834

Hasil

20·log₁₀(9,834) = 19,85 dB

Jawaban

|G(jω)| = 19,85 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: K = 35,33

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 fasa

(ω/1)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2,646 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 49)) = K/(1·7·(1 + 7)) = K/56

Penguatan yang diperlukan

56/K = 104/20 = 1,585
K = 56/1,585 = 35,33

Jawaban

K = 35,33

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