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)t310h(t)t42

Pulsa x(t) = 10 untuk 0 ≤ t < 3 s dikonvolusikan dengan pulsa h(t) = 2 untuk 0 ≤ t < 4 s. Cari luas Ay di bawah y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 10, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 4 s
Ay =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
δ[n]3+h[n]0,5·z⁻¹+

Suatu sistem memenuhi y[n] = 0,5·y[n − 1] + 3·x[n] dan mulai dari keadaan diam. Cari sampel respons impulsnya h[5].

y[n] = 0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,75f(0,75) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 6)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,75).

F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 6))t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 8y′ + 12y = 36·u(t), dengan y(0) = 4 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 1. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,6).

y″ + 8y′ + 12y = 36·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,6 s
y(0.6) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 117/(s² + 6s + 39) dan menerima masukan langkah satuan. Cari rasio redaman ζ.

G(s) = 117/(s² + 6s + 39)
ζ =
6.Respons langkahSulit
k = 800 N/mc = 48 N·s/mm = 2 kgF = 5 Nx(t)

Sebuah massa m = 2 kg tergantung pada pegas k = 800 N/m dengan peredam kental c = 48 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 5 N tiba-tiba diberikan. Tentukan persen overshoot %OS dari simpangan.

m = 2 kgk = 800 N/mc = 48 N·s/mF = 5 N
%OS = %
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​C = 22 nFR = 3,3 kΩvout​

Filter lolos tinggi RC yang ditunjukkan memiliki R = 3,3 kΩ, C = 22 nF. Masukan sinusoidal 4,4 kHz diberikan. Cari pergeseran fasa φ dari vout relatif terhadap vin, dalam derajat.

R = 3,3 kΩC = 22 nFf = 4,4 kHz
φ = °
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 24/(s(s + 10)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 24/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ay = 240

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 = 10·3 = 30
∫h dt = 2·4 = 8

Luas keluaran

Ay = 30·8 = 240

Jawaban

Ay = 240
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: h[5] = 0,09375

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

h[0] = 3
h[1] = 1,5
h[2] = 0,75
h[3] = 0,375
h[4] = 0,1875
h[5] = 0,09375

Hasil

h[5] = 3·(0,5)5 = 0,09375

Jawaban

h[5] = 0,09375
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.75) = 1,398

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).

Pecahan parsial

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 6)
A = 25/(2·6) = 2,083
B = 25/((−2)·4) = −3,125
C = 25/((−6)·(−4)) = 1,042

Transformasi balik

f(t) = 2,083 − 3,125·e−2t + 1,042·e−6t

Hitung nilainya

f(0,75) = 2,083 − 3,125·e−2·0,75 + 1,042·e−6·0,75 = 1,398

Jawaban

f(0,75) = 1,398
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.6) = 3,438

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) = 4s + 32 + 36/s
Y(s) = (4s² + 32s + 36)/(s(s + 2)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 36/(2·6) = 3
B = −12/((−2)·4) = 1,5
C = −12/((−6)·(−4)) = −0,5

Hasil

y(t) = 3 + 1,5·e−2t − 0,5·e−6t
y(0,6) = 3,438

Jawaban

y(0,6) = 3,438

Periksa: y(0) = A + B + C = 4.

5.Respons langkah

Jawaban: ζ = 0,4804

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 = 39 → ωₙ = 6,245 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·6,245) = 0,4804

Hasil

ζ = 0,4804

Jawaban

ζ = 0,4804
6.Respons langkah

Jawaban: %OS = 9,478 %

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) = √(800/2) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 48/(2·√(800·2)) = 0,6

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,478 %

Jawaban

%OS = 9,478 %
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: φ = 26,48 °

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/(3300·2,2 × 10⁻⁸) = 13774 rad/s
fc = 2192 Hz → f/fc = 4400/2192 = 2,007

Fasa

φ = 90° − atan(2,007) = 26,48°

Jawaban

φ = 26,48°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 2,337 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 + 100ω² − 576 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·576))/2 = 5,462
ωc = 2,337 rad/s

Jawaban

ωc = 2,337 rad/s

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