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)t0,51h(t)t1

Pulsa x(t) = 1 untuk 0 ≤ t < 0.5 s (nol di tempat lain) diberikan ke sistem dengan h(t) = e−0,5tu(t). Cari keluaran y(1,5) pada t = 1,5 s, setelah pulsa berakhir.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
10cos(30t)h(t) = 10e−10t​u(t)y(t)

Masukan x(t) = 10·cos(30t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 10·e−10tu(t). Cari fase φ keluaran keadaan tunak relatif terhadap masukan, dalam derajat.

h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 10cos(30t)
φ = °
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,1f(0,1) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 30/(s(s + 4)(s + 6)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,1).

F(s) = 30/(s(s + 4)(s + 6))t = 0,1 s
f(0.1) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t), dengan y(0) = 5 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 4. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 30·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 15/(s² + 3s + 15) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan frekuensi alami ωn dalam rad/s.

G(s) = 15/(s² + 3s + 15)
ωn = rad/s
6.Respons langkahSulit
t (s)y(t)15 %

Sebuah sistem orde dua tanpa nol harus memiliki respons langkah dengan overshoot 5 %. Tentukan rasio redaman ζ.

%OS = 5 %
ζ =
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​L = 10 mHR = 100 Ωvout​

Filter lolos rendah RL yang ditunjukkan memiliki R = 100 Ω, L = 10 mH. Masukan sinusoidal 16 kHz diberikan. Cari penguatan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 100 ΩL = 10 mHf = 16 kHz
|H| = dB
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) = 140/(s(s + 2)(s + 9)). Cari frekuensi persilangan fasa ω180, tempat ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 140/(s(s + 2)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(1.5) = 0,2683

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(0,5) = (1/0,5)(1 − e−0,25) = 0,4424

Peluruhan setelah pulsa

y(1,5) = 0,4424·e−0,5·1 = 0,2683

Jawaban

y(1,5) = 0,2683
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: φ = −71,57 °

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/(10 + jω)

Fase pada frekuensi masukan

φ = −atan(30/10) = −71,57°

Jawaban

φ = −71,57°
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.1) = 0,1083

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 + 6)
A = 30/(4·6) = 1,25
B = 30/((−4)·2) = −3,75
C = 30/((−6)·(−2)) = 2,5

Transformasi balik

f(t) = 1,25 − 3,75·e−4t + 2,5·e−6t

Hitung nilainya

f(0,1) = 1,25 − 3,75·e−4·0,1 + 2,5·e−6·0,1 = 0,1083

Jawaban

f(0,1) = 0,1083
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.2) = 4,701

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 + 11s + 30)·Y(s) = 5s + 55 + 120/s
Y(s) = (5s² + 55s + 120)/(s(s + 5)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 120/(5·6) = 4
B = −30/((−5)·1) = 6
C = −30/((−6)·(−1)) = −5

Hasil

y(t) = 4 + 6·e−5t − 5·e−6t
y(0,2) = 4,701

Jawaban

y(0,2) = 4,701

Periksa: y(0) = A + B + C = 5.

5.Respons langkah

Jawaban: ωn = 3,873 rad/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 = 15 → ωₙ = 3,873 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·3,873) = 0,3873

Hasil

ωₙ = 3,873 rad/s

Jawaban

ωn = 3,873 rad/s
6.Respons langkah

Jawaban: ζ = 0,6901

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).

Rasio redaman

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 2,996/√(9,87 + 8,974) = 0,6901

Jawaban

ζ = 0,6901
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |H| = −20,09 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.

Frekuensi sudut

ωc = R/L = 100/0,01 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 16000/1592 = 10,05

Penguatan

|H| = 1/√(1 + 10,05²) = 0,09898
20·log₁₀(0,09898) = −20,09 dB

Jawaban

|H| = −20,09 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ω180 = 4,243 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/2)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(2·9) = 4,243 rad/s

Jawaban

ω180 = 4,243 rad/s

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