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)t02h(t)t−11

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 0 s dan t = 2 s, dan h(t) hanya antara t = −1 s dan t = 1 s. Cari waktu tstart saat y(t) = x(t) ∗ h(t) dimulai.

x: 0 … 2 sh: −1 … 1 s
tstart = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
10cos(30t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

Masukan x(t) = 10·cos(30t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 5·e−10tu(t). Cari fase φ keluaran keadaan tunak relatif terhadap masukan, dalam derajat.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 10cos(30t)
φ = °
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 50/(s(s + 3)(s + 4)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,2).

F(s) = 50/(s(s + 3)(s + 4))t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Selesaikan y″ + 4y′ + 3y = 0 dengan y(0) = 3 dan y′(0) = 0 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,2).

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 3y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 46/(s² + 14s + 92) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 46/(s² + 14s + 92)
tp = s
6.Respons langkahSulit
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = K/(s(s + 16)). Tentukan penguatan K yang memberi respons langkah dengan overshoot 15 %.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 15 %
K =
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 8

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 1320/((s + 11)(s + 15)) pada ω = 8 rad/s, dalam dB.

G(s) = 1320/((s + 11)(s + 15))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = dB
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 750/(s(s + 10)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 750/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: tstart = −1 s

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).

Awal dan akhir

tstart = 0 + (−1) = −1 s
tend = 2 + 1 = 3 s

Jawaban

tstart = −1 s

Jawaban

tstart = −1 s
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) = 5/(10 + jω)

Fase pada frekuensi masukan

φ = −atan(30/10) = −71,57°

Jawaban

φ = −71,57°
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.2) = 0,6364

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 + 3) + C/(s + 4)
A = 50/(3·4) = 4,167
B = 50/((−3)·1) = −16,67
C = 50/((−4)·(−1)) = 12,5

Transformasi balik

f(t) = 4,167 − 16,67·e−3t + 12,5·e−4t

Hitung nilainya

f(0,2) = 4,167 − 16,67·e−3·0,2 + 12,5·e−4·0,2 = 0,6364

Jawaban

f(0,2) = 0,6364
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.2) = 2,861

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 − 3s − 0 + 4(sY − 3) + 3Y = 0
Y(s) = (3s + 12)/((s + 1)(s + 3))

Pecahan parsial

A = 9/2 = 4,5
B = 3/(−2) = −1,5

Hasil

y(t) = 4,5·e−t − 1,5·e−3t
y(0,2) = 2,861

Jawaban

y(0,2) = 2,861

Periksa: y(0) = A + B = 3.

5.Respons langkah

Jawaban: tp = 0,4791 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 = 92 → ωₙ = 9,592 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·9,592) = 0,7298

Hasil

ωd = 9,592·√(1 − 0,7298²) = 6,557 rad/s → tp = π/ωd = 0,4791 s

Jawaban

tp = 0,4791 s
6.Respons langkah

Jawaban: K = 239,5

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 + 16s + K)

Rasio redaman dari overshoot

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Penguatan

ωₙ = 16/(2ζ) = 15,48 rad/s
K = ωₙ² = 239,5

Jawaban

K = 239,5
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = 15,13 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(j8)| = 1320/(√(8² + 11²)·√(8² + 15²)) = 1320/(13,6·17) = 5,709

Hasil

20·log₁₀(5,709) = 15,13 dB

Jawaban

|G(jω)| = 15,13 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 26,49 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 penguatan

ω⁴ + 100ω² − 562500 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·562500))/2 = 701,7
ωc = 26,49 rad/s

Jawaban

ωc = 26,49 rad/s

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