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)t14h(t)t−10

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 1 s dan t = 4 s, dan h(t) hanya antara t = −1 s dan t = 0 s. Cari durasi D dari y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 1 … 4 sh: −1 … 0 s
D = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
δ[n]3+h[n]0,4·z⁻¹+

Suatu sistem memenuhi y[n] = 0,4·y[n − 1] + 3·x[n] dan mulai dari keadaan diam. Cari sampel respons impulsnya h[5].

y[n] = 0,4y[n − 1] + 3x[n]x[n] = δ[n]
h[5] =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 25/(s(s + 4)(s + 5)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,25).

F(s) = 25/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 7y′ + 12y = 24·u(t), dengan y(0) = 3 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 10. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,3).

y″ + 7y′ + 12y = 24·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 78/(s² + 4s + 26) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 78/(s² + 4s + 26)
tp = s
6.Respons langkahSulit
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = K/(s(s + 4)). Tentukan penguatan K yang memberi respons langkah dengan overshoot 15 %.

G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 15 %
K =
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​C = 100 nFR = 10 kΩvout​

Filter lolos tinggi RC yang ditunjukkan memiliki R = 10 kΩ, C = 100 nF. Masukan sinusoidal 1,6 kHz diberikan. Cari pergeseran fasa φ dari vout relatif terhadap vin, dalam derajat.

R = 10 kΩC = 100 nFf = 1,6 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) = 12/(s(s + 4)). Cari margin fasa PM dalam derajat.

L(s) = 12/(s(s + 4))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: D = 4 s

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).

Awal dan akhir

tstart = 1 + (−1) = 0 s
tend = 4 + 0 = 4 s

Jawaban

D = 4 s

Jawaban

D = 4 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: h[5] = 0,03072

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] = 1,2
h[2] = 0,48
h[3] = 0,192
h[4] = 0,0768
h[5] = 0,03072

Hasil

h[5] = 3·(0,4)5 = 0,03072

Jawaban

h[5] = 0,03072
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.25) = 0,3833

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 + 4) + C/(s + 5)
A = 25/(4·5) = 1,25
B = 25/((−4)·1) = −6,25
C = 25/((−5)·(−1)) = 5

Transformasi balik

f(t) = 1,25 − 6,25·e−4t + 5·e−5t

Hitung nilainya

f(0,25) = 1,25 − 6,25·e−4·0,25 + 5·e−5·0,25 = 0,3833

Jawaban

f(0,25) = 0,3833
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.3) = 7,714

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 + 7s + 12)·Y(s) = 3s + 21 + 240/s
Y(s) = (3s² + 21s + 240)/(s(s + 3)(s + 4))

Pecahan parsial

A = 240/(3·4) = 20
B = 204/((−3)·1) = −68
C = 204/((−4)·(−1)) = 51

Hasil

y(t) = 20 − 68·e−3t + 51·e−4t
y(0,3) = 7,714

Jawaban

y(0,3) = 7,714

Periksa: y(0) = A + B + C = 3.

5.Respons langkah

Jawaban: tp = 0,6698 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 = 26 → ωₙ = 5,099 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·5,099) = 0,3922

Hasil

ωd = 5,099·√(1 − 0,3922²) = 4,69 rad/s → tp = π/ωd = 0,6698 s

Jawaban

tp = 0,6698 s
6.Respons langkah

Jawaban: K = 14,97

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 + 4s + K)

Rasio redaman dari overshoot

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

Penguatan

ωₙ = 4/(2ζ) = 3,869 rad/s
K = ωₙ² = 14,97

Jawaban

K = 14,97
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: φ = 5,681 °

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/(10000·1 × 10⁻⁷) = 1000 rad/s
fc = 159,2 Hz → f/fc = 1600/159,2 = 10,05

Fasa

φ = 90° − atan(10,05) = 5,681°

Jawaban

φ = 5,681°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: PM = 57,64 °

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 − 144 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·144))/2 = 6,422
ωc = 2,534 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(2,534/4) = −122,4°
PM = 180° + ∠L = 57,64°

Jawaban

PM = 57,64°

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