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)t12h(t)t−10

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 1 s dan t = 2 s, dan h(t) hanya antara t = −1 s dan t = 0 s. Cari waktu tend saat y(t) = x(t) ∗ h(t) berakhir.

x: 1 … 2 sh: −1 … 0 s
tend = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
u[n]2+y[n]0,9·z⁻¹+

Suatu sistem memenuhi y[n] = 0,9·y[n − 1] + 2·x[n] dan mulai dari keadaan diam. Masukannya adalah undak satuan x[n] = u[n]. Cari y[2].

y[n] = 0,9y[n − 1] + 2x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,8f(0,8) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 2)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,8).

F(s) = 45/(s(s + 1)(s + 2))t = 0,8 s
f(0.8) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t), dengan y(0) = 6 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 2. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,3).

y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1ts​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 48/(s² + 9s + 48) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 48/(s² + 9s + 48)
ts = s
6.Respons langkahSulit
+−5 VR = 12 ΩL = 10 mHC = 100 µFvC​

Rangkaian RLC seri dengan R = 12 Ω, L = 10 mH, dan C = 100 µF dihubungkan ke langkah 5 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan persen overshoot %OS dari tegangan kapasitor.

R = 12 ΩL = 10 mHC = 100 µFV = 5 V
%OS = %
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 15

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 510/((s + 3)(s + 10)) pada ω = 15 rad/s, dalam dB.

G(s) = 510/((s + 3)(s + 10))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 270/(s(s + 10)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 270/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: tend = 2 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 = 2 + 0 = 2 s

Jawaban

tend = 2 s

Jawaban

tend = 2 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y[2] = 5,42

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] = 3,8
y[2] = 5,42

Hasil

y[2] = 2·(1 − (0,9)3)/(1 − 0,9) = 5,42

Jawaban

y[2] = 5,42
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.8) = 6,823

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 + 1) + C/(s + 2)
A = 45/(1·2) = 22,5
B = 45/((−1)·1) = −45
C = 45/((−2)·(−1)) = 22,5

Transformasi balik

f(t) = 22,5 − 45·e−t + 22,5·e−2t

Hitung nilainya

f(0,8) = 22,5 − 45·e−0,8 + 22,5·e−2·0,8 = 6,823

Jawaban

f(0,8) = 6,823
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.3) = 6,555

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) = 6s + 42 + 96/s
Y(s) = (6s² + 42s + 96)/(s(s + 3)(s + 4))

Pecahan parsial

A = 96/(3·4) = 8
B = 24/((−3)·1) = −8
C = 24/((−4)·(−1)) = 6

Hasil

y(t) = 8 − 8·e−3t + 6·e−4t
y(0,3) = 6,555

Jawaban

y(0,3) = 6,555

Periksa: y(0) = A + B + C = 6.

5.Respons langkah

Jawaban: ts = 0,8889 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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,928) = 0,6495

Hasil

ζωₙ = 4,5 → ts ≈ 4/4,5 = 0,8889 s

Jawaban

ts = 0,8889 s
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 = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁴) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (12/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,01) = 0,6

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,478 %

Jawaban

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

Jawaban: |G(jω)| = 5,34 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(j15)| = 510/(√(15² + 3²)·√(15² + 10²)) = 510/(15,3·18,03) = 1,849

Hasil

20·log₁₀(1,849) = 5,34 dB

Jawaban

|G(jω)| = 5,34 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 14,99 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 − 72900 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·72900))/2 = 224,6
ωc = 14,99 rad/s

Jawaban

ωc = 14,99 rad/s

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