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)t34h(t)t24

Pulsa x(t) = 4 untuk 0 ≤ t < 3 s dikonvolusikan dengan h(t), sebuah segitiga yang turun secara linear dari 4 pada t = 0 ke 0 pada t = 2 s. Cari luas Ay di bawah y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 4, h(2) = 0
Ay =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
5cos(5t)h(t) = 10e−5t​u(t)y(t)

Masukan x(t) = 5·cos(5t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 10·e−5tu(t). Cari amplitudo Ym keluaran keadaan tunak.

h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 5cos(5t)
Ym =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = (5s + 33)/(s² + 10s + 25) dan hitung f(0,2).

F(s) = (5s + 33)/(s² + 10s + 25)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t). Sistem mulai dari keadaan diam (y(0) = 0, y′(0) = 0) dan masukannya adalah fungsi langkah u(t) = 2 untuk t ≥ 0. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari keluaran y(0,4).

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 282/(s² + 4s + 94) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 282/(s² + 4s + 94)
tp = s
6.Respons langkahSulit
+−5 VR = 57 ΩL = 200 mHC = 10 µFvC​

Rangkaian RLC seri dengan R = 57 Ω, L = 200 mH, dan C = 10 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 = 57 ΩL = 200 mHC = 10 µFV = 5 V
%OS = %
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,1110100−40−2002040ω (rad/s)ω = 8

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 297/((s + 3)(s + 9)) pada ω = 8 rad/s, dalam dB.

G(s) = 297/((s + 3)(s + 9))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 40/(s(s + 2)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 40/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ay = 48

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 = 4·3 = 12
∫h dt = ½·2·4 = 4

Luas keluaran

Ay = 12·4 = 48

Jawaban

Ay = 48
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ym = 7,071

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)|.

Respons frekuensi

H(jω) = 10/(5 + jω)

Penguatan pada frekuensi masukan

|H(j5)| = 10/√(5² + 5²) = 1,414
Ym = 5·1,414 = 7,071

Jawaban

Ym = 7,071
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.2) = 2,428

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

5s + 33 = 5(s + 5) + 8
F(s) = 5/(s + 5) + 8/(s + 5)²

Transformasi balik

f(t) = 5·e−5t + 8·t·e−5t
f(0,2) = (5 + 8·0,2)·e−5·0,2 = 2,428

Jawaban

f(0,2) = 2,428
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.4) = 2,048

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

Y(s) = 60/(s(s + 2)(s + 5))

Pecahan parsial

A = 60/(2·5) = 6
B = 60/((−2)·3) = −10
C = 60/((−5)·(−3)) = 4

Haluaran

y(t) = 6 − 10·e−2t + 4·e−5t
y(0,4) = 2,048

Jawaban

y(0,4) = 2,048
5.Respons langkah

Jawaban: tp = 0,3312 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 = 94 → ωₙ = 9,695 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9,695) = 0,2063

Hasil

ωd = 9,695·√(1 − 0,2063²) = 9,487 rad/s → tp = π/ωd = 0,3312 s

Jawaban

tp = 0,3312 s
6.Respons langkah

Jawaban: %OS = 52,39 %

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/√(0,2·1 × 10⁻⁵) = 707,1 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (57/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,2) = 0,2015

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 52,39 %

Jawaban

%OS = 52,39 %
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = 9,208 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(j8)| = 297/(√(8² + 3²)·√(8² + 9²)) = 297/(8,544·12,04) = 2,887

Hasil

20·log₁₀(2,887) = 9,208 dB

Jawaban

|G(jω)| = 9,208 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 6,168 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 + 4ω² − 1600 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·1600))/2 = 38,05
ωc = 6,168 rad/s

Jawaban

ωc = 6,168 rad/s

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