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)t1

Pulsa x(t) = 4 untuk 0 ≤ t < 1 s (nol di tempat lain) diberikan ke sistem dengan h(t) = e−1tu(t). Cari keluaran y(1,5) pada t = 1,5 s, setelah pulsa berakhir.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−1tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)0,41210

Suatu deretan pulsa memiliki tinggi 10, lebar pulsa 0,4 ms, dan periode 1 ms. Cari amplitudo c1 harmonisa nomor 1, pada 1000 Hz.

A = 10τ = 0,4 msT = 1 ms
c1 =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−2−4−6−8−10−12−142

Tentukan f(t) untuk F(s) = (2s + 25)/(s² + 2s + 10) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,4).

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

Sebuah sistem memenuhi y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t), dengan y(0) = 4 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 4. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,2).

y″ + 10y′ + 24y = 96·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1ts​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 62/(s² + 10s + 62) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 62/(s² + 10s + 62)
ts = s
6.Respons langkahSulit
R(s)+220s(s + 6)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 220/(s(s + 6)). Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah loop tertutup, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 220/(s(s + 6))
ts = s
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​R = 4,7 kΩC = 100 nFvout​

Filter lolos rendah RC yang ditunjukkan memiliki R = 4,7 kΩ, C = 100 nF. Masukan sinusoidal 1 kHz diberikan. Cari pergeseran fasa φ dari vout relatif terhadap vin, dalam derajat.

R = 4,7 kΩC = 100 nFf = 1 kHz
φ = °
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) = 242/(s(s + 6)(s + 10)). Cari frekuensi persilangan fasa ω180, tempat ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 242/(s(s + 6)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(1.5) = 1,534

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).

Keluaran di akhir pulsa

y(1) = (4/1)(1 − e−1) = 2,528

Peluruhan setelah pulsa

y(1,5) = 2,528·e−1·0,5 = 1,534

Jawaban

y(1,5) = 1,534
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c1 = 6,055

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)|.

Siklus kerja

D = 0,4/1 = 0,4

Amplitudo harmonisa

c1 = (2·10/(1π))·|sin(1π·0,4)| = 6,055

Jawaban

c1 = 6,055
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.4) = 5,276

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).

Lengkapkan kuadrat

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

Cocokkan pembilangnya

F(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (23/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Transformasi balik

f(t) = e−t·(2·cos 3t + 7,667·sin 3t)
f(0,4) = e−0,4·(2·cos(3·0,4) + 7,667·sin(3·0,4)) = 5,276

Jawaban

f(0,4) = 5,276
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.2) = 7,053

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 + 10s + 24)·Y(s) = 4s + 40 + 384/s
Y(s) = (4s² + 40s + 384)/(s(s + 4)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 384/(4·6) = 16
B = 288/((−4)·2) = −36
C = 288/((−6)·(−2)) = 24

Hasil

y(t) = 16 − 36·e−4t + 24·e−6t
y(0,2) = 7,053

Jawaban

y(0,2) = 7,053

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

5.Respons langkah

Jawaban: ts = 0,8 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 = 62 → ωₙ = 7,874 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7,874) = 0,635

Hasil

ζωₙ = 5 → ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Jawaban

ts = 0,8 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) = 220/(s² + 6s + 220): ωₙ = 14,83 rad/s, ζ = 0,2023

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: φ = −71,29 °

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/(4700·1 × 10⁻⁷) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 1000/338,6 = 2,953

Fasa

φ = − atan(2,953) = −71,29°

Jawaban

φ = −71,29°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ω180 = 7,746 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 fasa

(ω/6)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(6·10) = 7,746 rad/s

Jawaban

ω180 = 7,746 rad/s

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