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)t45

Pulsa x(t) = 4 untuk 0 ≤ t < 1 s (nol di tempat lain) diberikan ke sistem dengan respons impuls h(t) = 5 untuk 0 ≤ t < 4 s (nol di tempat lain). Cari keluaran y(4,5) pada t = 4,5 s.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 4,5 s
y(4.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
δ(t)y′ + 10y = 10xh(t)

Suatu sistem memenuhi y′(t) + 10·y(t) = 10·x(t). Cari respons impulsnya pada t = 0,25 s, h(0,25).

y′ + 10y = 10xt = 0,25 s
h(0.25) =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−5−10−15−20−25−30−35−40

Tentukan f(t) untuk F(s) = (s + 38)/(s² + 8s + 32) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,25).

F(s) = (s + 38)/(s² + 8s + 32)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

Selesaikan y″ + 5y′ + 4y = 0 dengan y(0) = 10 dan y′(0) = 5 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(1).

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 10y′(0) = 5t = 1 s
y(1) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 156/(s² + 10s + 52) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.

G(s) = 156/(s² + 10s + 52)
%OS = %
6.Respons langkahSulit
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = K/(s(s + 6)). Tentukan penguatan K yang memberi respons langkah dengan overshoot 5 %.

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 5 %
K =
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)1101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 10

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 792/((s + 11)(s + 18)) pada ω = 10 rad/s, dalam dB.

G(s) = 792/((s + 11)(s + 18))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 5/(s(s + 5)). Cari margin fasa PM dalam derajat.

L(s) = 5/(s(s + 5))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(4.5) = 10

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).

Tumpang tindih pulsa yang dibalik

h(t − τ) adalah pulsa h yang dibalik dan digeser sehingga berakhir di τ = t.

τ ∈ [0,5, 1] → panjang 0,5 s

Integral

y(4,5) = 4·5·0,5 = 10

Jawaban

y(4,5) = 10

y(t) berbentuk trapesium: naik dari 0, bertahan di 20, dan turun kembali ke 0 pada t = 5 s.

2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: h(0.25) = 0,8208

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)|.

Fungsi alih

H(s) = Y(s)/X(s) = 10/(s + 10)

Respons impuls

h(t) = 10·e−10tu(t)
h(0,25) = 10·e−2,5 = 0,8208

Jawaban

h(0,25) = 0,8208
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.25) = 2,83

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 + 8s + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

Cocokkan pembilangnya

F(s) = 1·(s + 4)/((s + 4)² + 4²) + (34/4)·4/((s + 4)² + 4²)

Transformasi balik

f(t) = e−4t·(cos 4t + 8,5·sin 4t)
f(0,25) = e−4·0,25·(cos(4·0,25) + 8,5·sin(4·0,25)) = 2,83

Jawaban

f(0,25) = 2,83
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(1) = 5,427

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

s²Y − 10s − 5 + 5(sY − 10) + 4Y = 0
Y(s) = (10s + 55)/((s + 1)(s + 4))

Pecahan parsial

A = 45/3 = 15
B = 15/(−3) = −5

Hasil

y(t) = 15·e−t − 5·e−4t
y(1) = 5,427

Jawaban

y(1) = 5,427

Periksa: y(0) = A + B = 10.

5.Respons langkah

Jawaban: %OS = 4,866 %

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 = 52 → ωₙ = 7,211 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7,211) = 0,6934

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,023 = 4,866 %

Jawaban

%OS = 4,866 %
6.Respons langkah

Jawaban: K = 18,9

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 + 6s + K)

Rasio redaman dari overshoot

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

Penguatan

ωₙ = 6/(2ζ) = 4,347 rad/s
K = ωₙ² = 18,9

Jawaban

K = 18,9
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = 8,257 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(j10)| = 792/(√(10² + 11²)·√(10² + 18²)) = 792/(14,87·20,59) = 2,587

Hasil

20·log₁₀(2,587) = 8,257 dB

Jawaban

|G(jω)| = 8,257 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: PM = 78,9 °

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 + 25ω² − 25 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·25))/2 = 0,9629
ωc = 0,9813 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(0,9813/5) = −101,1°
PM = 180° + ∠L = 78,9°

Jawaban

PM = 78,9°

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