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)t15h(t)t22

Pulsa x(t) = 5 untuk 0 ≤ t < 1 s dikonvolusikan dengan h(t), sebuah segitiga yang turun secara linear dari 2 pada t = 0 ke 0 pada t = 2 s. Cari luas Ay di bawah y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 5, 0 ≤ t < 1 sh(0) = 2, h(2) = 0
Ay =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
u[n]2+y[n]−0,5·z⁻¹+

Suatu sistem memenuhi y[n] = −0,5·y[n − 1] + 2·x[n] dan mulai dari keadaan diam. Masukannya adalah undak satuan x[n] = u[n]. Cari y[5].

y[n] = −0,5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = (2s + 29)/(s² + 10s + 25) dan hitung f(0,4).

F(s) = (2s + 29)/(s² + 10s + 25)t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t), dengan y(0) = 1 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 1. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,25).

y″ + 8y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)0,5

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 14,5/(s² + 6s + 29) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan frekuensi alami ωn dalam rad/s.

G(s) = 14,5/(s² + 6s + 29)
ωn = rad/s
6.Respons langkahSulit
R(s)+40s(s + 6)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 40/(s(s + 6)). Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah loop tertutup, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 40/(s(s + 6))
ts = s
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 3

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 25(s + 3)/(s(s + 11)) pada ω = 3 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 25(s + 3)/(s(s + 11))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
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 15 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 7))GM = 15 dB
K =

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ay = 10

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).

Luas masukan-masukan

∫x dt = 5·1 = 5
∫h dt = ½·2·2 = 2

Luas keluaran

Ay = 5·2 = 10

Jawaban

Ay = 10
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y[5] = 1,313

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)|.

Iterasi

y[0] = 2
y[1] = 1
y[2] = 1,5
y[3] = 1,25
y[4] = 1,375
y[5] = 1,313

Hasil

y[5] = 2·(1 − (−0,5)6)/(1 − (−0,5)) = 1,313

Jawaban

y[5] = 1,313
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.4) = 1,299

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

Pecahan parsial

2s + 29 = 2(s + 5) + 19
F(s) = 2/(s + 5) + 19/(s + 5)²

Transformasi balik

f(t) = 2·e−5t + 19·t·e−5t
f(0,4) = (2 + 19·0,4)·e−5·0,4 = 1,299

Jawaban

f(0,4) = 1,299
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.25) = 1,605

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

(s² + 8s + 12)·Y(s) = 1s + 8 + 48/s
Y(s) = (s² + 8s + 48)/(s(s + 2)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 48/(2·6) = 4
B = 36/((−2)·4) = −4,5
C = 36/((−6)·(−4)) = 1,5

Hasil

y(t) = 4 − 4,5·e−2t + 1,5·e−6t
y(0,25) = 1,605

Jawaban

y(0,25) = 1,605

Periksa: y(0) = A + B + C = 1.

5.Respons langkah

Jawaban: ωn = 5,385 rad/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 = 29 → ωₙ = 5,385 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5,385) = 0,5571

Hasil

ωₙ = 5,385 rad/s

Jawaban

ωn = 5,385 rad/s
6.Respons langkah

Jawaban: ts = 1,333 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).

Fungsi alih loop tertutup

T(s) = 40/(s² + 6s + 40): ωₙ = 6,325 rad/s, ζ = 0,4743

Waktu penetapan

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,333 s

Jawaban

ts = 1,333 s

Untuk loop ini ζωₙ = a/2 berapa pun K: menaikkan K menambah overshoot tetapi tidak memperpendek waktu penetapan.

7.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −60,26 °

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.

Jumlahkan sudut

∠G = atan(3/3) − 90° − atan(3/11) = 45° − 90° − 15,26°

Hasil

∠G(j3) = −60,26°

Jawaban

∠G(jω) = −60,26°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: K = 9,958

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 = 1015/20 = 5,623
K = 56/5,623 = 9,958

Jawaban

K = 9,958

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