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)t5h(t)t11

Suatu sistem memiliki respons impuls h(t) = e−1tu(t). Masukannya adalah undak x(t) = 5·u(t). Cari keluaran y(0,5) pada t = 0,5 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
5cos(20t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

Masukan x(t) = 5·cos(20t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 10·e−20tu(t). Cari fase φ keluaran keadaan tunak relatif terhadap masukan, dalam derajat.

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 5cos(20t)
φ = °
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−2−42

Tentukan f(t) untuk F(s) = (5s + 26)/(s² + 2s + 10) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,3).

F(s) = (5s + 26)/(s² + 2s + 10)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Selesaikan y″ + 11y′ + 30y = 0 dengan y(0) = −9 dan y′(0) = 9 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,1).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = −9y′(0) = 9t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)0,5ts​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 35/(s² + 11s + 70) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 35/(s² + 11s + 70)
ts = s
6.Respons langkahSulit
t (s)y(t)1tp​ = 2 s50 %

Respons langkah sebuah sistem orde dua tanpa nol menunjukkan overshoot 50 %, dan puncak pertama terjadi pada t = 2 s. Tentukan frekuensi alami ωn.

%OS = 50 %tp = 2 s
ωn = rad/s
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 15

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 15(s + 7)/(s(s + 9)) pada ω = 15 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 15(s + 7)/(s(s + 9))ω = 15 rad/s
∠G(jω) = °
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 + 2)(s + 3)). Cari penguatan K yang memberi margin penguatan 10 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))GM = 10 dB
K =

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(0.5) = 1,967

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).

Konvolusi dengan undak

y(t) = 5·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (5/1)·(1 − e−1t)

Hitung nilainya

y(0,5) = 5·(1 − e−0,5) = 1,967

Jawaban

y(0,5) = 1,967
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: φ = −45 °

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/(20 + jω)

Fase pada frekuensi masukan

φ = −atan(20/20) = −45°

Jawaban

φ = −45°
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.3) = 6,365

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) = 5·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (21/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Transformasi balik

f(t) = e−t·(5·cos 3t + 7·sin 3t)
f(0,3) = e−0,3·(5·cos(3·0,3) + 7·sin(3·0,3)) = 6,365

Jawaban

f(0,3) = 6,365
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.1) = −7,537

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 − (−9)s − 9 + 11(sY − (−9)) + 30Y = 0
Y(s) = (−9s − 90)/((s + 5)(s + 6))

Pecahan parsial

A = −45/1 = −45
B = −36/(−1) = 36

Hasil

y(t) = −45·e−5t + 36·e−6t
y(0,1) = −7,537

Jawaban

y(0,1) = −7,537

Periksa: y(0) = A + B = −9.

5.Respons langkah

Jawaban: ts = 0,7273 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 = 70 → ωₙ = 8,367 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,367) = 0,6574

Hasil

ζωₙ = 5,5 → ts ≈ 4/5,5 = 0,7273 s

Jawaban

ts = 0,7273 s
6.Respons langkah

Jawaban: ωn = 1,609 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).

Rasio redaman

ζ = −ln(0,5)/√(π² + ln²(0,5)) = 0,6931/√(9,87 + 0,4805) = 0,2155

Frekuensi alami

ωd = π/tp = π/2 = 1,571 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 1,571/0,9765 = 1,609 rad/s

Jawaban

ωn = 1,609 rad/s
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −84,05 °

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.

Jumlahkan sudut

∠G = atan(15/7) − 90° − atan(15/9) = 64,98° − 90° − 59,04°

Hasil

∠G(j15) = −84,05°

Jawaban

∠G(jω) = −84,05°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: K = 9,487

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/3) = 1 → ω180 = √(2·3) = 2,449 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 9)) = K/(2·3·(2 + 3)) = K/30

Penguatan yang diperlukan

30/K = 1010/20 = 3,162
K = 30/3,162 = 9,487

Jawaban

K = 9,487

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