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)t31h(t)t24

Pulsa x(t) = 1 untuk 0 ≤ t < 3 s dikonvolusikan dengan pulsa h(t) = 4 untuk 0 ≤ t < 2 s. Cari luas Ay di bawah y(t) = x(t) ∗ h(t).

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

Suatu sistem memenuhi y[n] = 0,5·y[n − 1] + 2·x[n] dan mulai dari keadaan diam. Cari sampel respons impulsnya h[2].

y[n] = 0,5y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[2] =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−5−10−15−20

F(s) = (s + 20)/(s² + 8s + 12). Transformasi baliknya berbentuk f(t) = A·e−2t + B·e−6t. Tentukan koefisien A dengan pecahan parsial.

F(s) = (s + 20)/(s² + 8s + 12)
A =
4.Transformasi LaplaceSulit
ReIm−0,5−1−1,5−20,51

Sebuah sistem dinyatakan oleh persamaan diferensial y″ + 3y′ + 2y = 9u, dengan masukan u(t) dan keluaran y(t). Tentukan fungsi alihnya G(s) = Y(s)/U(s) (syarat awal nol) dan hitung respons impuls g(t) pada t = 0,2 s. Tentukan g(0,2).

y″ + 3y′ + 2y = 9ut = 0,2 s
g(0.2) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 39/(s² + 3s + 39) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 39/(s² + 3s + 39)
tp = s
6.Respons langkahSulit
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = K/(s(s + 10)). Tentukan penguatan K yang memberi respons langkah dengan overshoot 5 %.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 5 %
K =
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​R = 47 kΩC = 2,2 nFvout​

Filter lolos rendah RC yang ditunjukkan memiliki R = 47 kΩ, C = 2,2 nF. Masukan sinusoidal 770 Hz diberikan. Cari pergeseran fasa φ dari vout relatif terhadap vin, dalam derajat.

R = 47 kΩC = 2,2 nFf = 770 Hz
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) = K/(s(s + 8)(s + 10)). Cari penguatan K yang memberi margin penguatan 20 dB.

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))GM = 20 dB
K =

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ay = 24

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 = 1·3 = 3
∫h dt = 4·2 = 8

Luas keluaran

Ay = 3·8 = 24

Jawaban

Ay = 24
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: h[2] = 0,5

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] = 2
h[1] = 1
h[2] = 0,5

Hasil

h[2] = 2·(0,5)2 = 0,5

Jawaban

h[2] = 0,5
3.Transformasi Laplace

Jawaban: A = 4,5

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 + 8s + 12 = (s + 2)(s + 6)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 6)

Aturan tutup (cover-up)

Kalikan dengan (s + 2) dan masukkan s = −2: suku B lenyap.

A = (s + 20)/(s + 6) |s = −2 = 18/4 = 4,5

Jawaban

A = 4,5
(B = −3,5, jadi f(t) = 4,5·e−2t − 3,5·e−6t)
4.Transformasi Laplace

Jawaban: g(0.2) = 1,336

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).

Fungsi alih

G(s) = Y(s)/U(s) = 9/(s² + 3s + 2)

Pecahan parsial

s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
A = 9, B = −9

Respons impuls

g(t) = 9·e−t − 9·e−2t
g(0,2) = 1,336

Jawaban

g(0,2) = 1,336
5.Respons langkah

Jawaban: tp = 0,5182 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 = 39 → ωₙ = 6,245 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6,245) = 0,2402

Hasil

ωd = 6,245·√(1 − 0,2402²) = 6,062 rad/s → tp = π/ωd = 0,5182 s

Jawaban

tp = 0,5182 s
6.Respons langkah

Jawaban: K = 52,49

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 + 10s + K)

Rasio redaman dari overshoot

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Penguatan

ωₙ = 10/(2ζ) = 7,245 rad/s
K = ωₙ² = 52,49

Jawaban

K = 52,49
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: φ = −26,58 °

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/(47000·2,2 × 10⁻⁹) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 770/1539 = 0,5003

Fasa

φ = − atan(0,5003) = −26,58°

Jawaban

φ = −26,58°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: K = 144

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/8)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(8·10) = 8,944 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 64)·√(ω² + 100)) = K/(8·10·(8 + 10)) = K/1440

Penguatan yang diperlukan

1440/K = 1020/20 = 10
K = 1440/10 = 144

Jawaban

K = 144

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