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)t24h(t)t1

Pulsa x(t) = 4 untuk 0 ≤ t < 2 s (nol di tempat lain) diberikan ke sistem dengan h(t) = e−2tu(t). Cari keluaran y(3,5) pada t = 3,5 s, setelah pulsa berakhir.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−2tu(t)t = 3,5 s
y(3.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)14810

Suatu deretan pulsa memiliki tinggi 10, lebar pulsa 1 ms, dan periode 4 ms. Cari amplitudo c1 harmonisa nomor 1, pada 250 Hz.

A = 10τ = 1 msT = 4 ms
c1 =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−2−4−6−8−10

F(s) = (3s + 27)/(s² + 8s + 15). Transformasi baliknya berbentuk f(t) = A·e−3t + B·e−5t. Tentukan koefisien A dengan pecahan parsial.

F(s) = (3s + 27)/(s² + 8s + 15)
A =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Selesaikan y″ + 10y′ + 24y = 0 dengan y(0) = 2 dan y′(0) = −4 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,25).

y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = 2y′(0) = −4t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)2ts​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 186/(s² + 5s + 93) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 186/(s² + 5s + 93)
ts = s
6.Respons langkahSulit
+−12 VR = 316 ΩL = 100 mHC = 1 µFvC​

Rangkaian RLC seri dengan R = 316 Ω, L = 100 mH, dan C = 1 µF dihubungkan ke langkah 12 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan persen overshoot %OS dari tegangan kapasitor.

R = 316 ΩL = 100 mHC = 1 µFV = 12 V
%OS = %
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​L = 50 mHC = 1 µFR = 20 Ωvout​

Pada filter lolos pita RLC seri yang ditunjukkan, keluaran diambil di seberang R = 20 Ω, dengan L = 50 mH dan C = 1 µF. Cari frekuensi pusat (resonansi) f0 dalam Hz.

R = 20 ΩL = 50 mHC = 1 µF
f0 = Hz
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) = 92/(s(s + 4)). Cari margin fasa PM dalam derajat.

L(s) = 92/(s(s + 4))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(3.5) = 0,09775

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).

Keluaran di akhir pulsa

y(2) = (4/2)(1 − e−4) = 1,963

Peluruhan setelah pulsa

y(3,5) = 1,963·e−2·1,5 = 0,09775

Jawaban

y(3,5) = 0,09775
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c1 = 4,502

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)|.

Siklus kerja

D = 1/4 = 0,25

Amplitudo harmonisa

c1 = (2·10/(1π))·|sin(1π·0,25)| = 4,502

Jawaban

c1 = 4,502
3.Transformasi Laplace

Jawaban: A = 9

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 + 15 = (s + 3)(s + 5)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 5)

Aturan tutup (cover-up)

Kalikan dengan (s + 3) dan masukkan s = −3: suku B lenyap.

A = (3s + 27)/(s + 5) |s = −3 = 18/2 = 9

Jawaban

A = 9
(B = −6, jadi f(t) = 9·e−3t − 6·e−5t)
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.25) = 1,025

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 − 2s − (−4) + 10(sY − 2) + 24Y = 0
Y(s) = (2s + 16)/((s + 4)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 8/2 = 4
B = 4/(−2) = −2

Hasil

y(t) = 4·e−4t − 2·e−6t
y(0,25) = 1,025

Jawaban

y(0,25) = 1,025

Periksa: y(0) = A + B = 2.

5.Respons langkah

Jawaban: ts = 1,6 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 = 93 → ωₙ = 9,644 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,644) = 0,2592

Hasil

ζωₙ = 2,5 → ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Jawaban

ts = 1,6 s
6.Respons langkah

Jawaban: %OS = 16,33 %

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (316/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,1) = 0,4996

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,33 %

Jawaban

%OS = 16,33 %
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: f0 = 711,8 Hz

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 resonansi

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·1 × 10⁻⁶) = 4472 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 711,8 Hz

Jawaban

f0 = 711,8 Hz
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: PM = 23,53 °

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 + 16ω² − 8464 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·8464))/2 = 84,35
ωc = 9,184 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(9,184/4) = −156,5°
PM = 180° + ∠L = 23,53°

Jawaban

PM = 23,53°

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