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)t21h(t)t44

Pulsa x(t) = 1 untuk 0 ≤ t < 2 s dikonvolusikan dengan h(t), sebuah segitiga yang turun secara linear dari 4 pada t = 0 ke 0 pada t = 4 s. Cari luas Ay di bawah y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 4, h(4) = 0
Ay =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)510204−4

Gelombang persegi berpindah antara +4 dan −4 dengan periode T = 10 ms (setengah periode pada setiap level). Cari amplitudo c7 komponen Fourier-nya pada 700 Hz.

±4T = 10 msf = 700 Hz
c7 =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−22

Tentukan f(t) untuk F(s) = (5s + 11)/(s² + 6s + 18) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,3).

F(s) = (5s + 11)/(s² + 6s + 18)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 6y′ + 8y = 48·u(t). Sistem mulai dari keadaan diam (y(0) = 0, y′(0) = 0) dan masukannya adalah fungsi langkah u(t) = 1 untuk t ≥ 0. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari keluaran y(0,4).

y″ + 6y′ + 8y = 48·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,4 s
y(0.4) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 39/(s² + 5s + 13) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 39/(s² + 5s + 13)
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 30 %.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 30 %
K =
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 0,5

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 9(s + 1)/(s(s + 8)) pada ω = 0,5 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 9(s + 1)/(s(s + 8))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 175/(s(s + 5)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 175/(s(s + 5))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ay = 16

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 = 1·2 = 2
∫h dt = ½·4·4 = 8

Luas keluaran

Ay = 2·8 = 16

Jawaban

Ay = 16
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c7 = 0,7276

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)|.

Nomor harmonisa

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 700/100 = 7

Amplitudo

c7 = 4·4/(7π) = 0,7276

Jawaban

c7 = 0,7276
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.3) = 0,839

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 + 6s + 18 = (s + 3)² + 9 = (s + 3)² + 3²

Cocokkan pembilangnya

F(s) = 5·(s + 3)/((s + 3)² + 3²) + (−4/3)·3/((s + 3)² + 3²)

Transformasi balik

f(t) = e−3t·(5·cos 3t − 1,333·sin 3t)
f(0,3) = e−3·0,3·(5·cos(3·0,3) − 1,333·sin(3·0,3)) = 0,839

Jawaban

f(0,3) = 0,839
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.4) = 1,819

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

Y(s) = 48/(s(s + 2)(s + 4))

Pecahan parsial

A = 48/(2·4) = 6
B = 48/((−2)·2) = −12
C = 48/((−4)·(−2)) = 6

Haluaran

y(t) = 6 − 12·e−2t + 6·e−4t
y(0,4) = 1,819

Jawaban

y(0,4) = 1,819
5.Respons langkah

Jawaban: tp = 1,209 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 = 13 → ωₙ = 3,606 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3,606) = 0,6934

Hasil

ωd = 3,606·√(1 − 0,6934²) = 2,598 rad/s → tp = π/ωd = 1,209 s

Jawaban

tp = 1,209 s
6.Respons langkah

Jawaban: K = 195,2

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(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Penguatan

ωₙ = 10/(2ζ) = 13,97 rad/s
K = ωₙ² = 195,2

Jawaban

K = 195,2
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −67,01 °

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(0,5/1) − 90° − atan(0,5/8) = 26,57° − 90° − 3,576°

Hasil

∠G(j0,5) = −67,01°

Jawaban

∠G(jω) = −67,01°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 12,77 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 + 25ω² − 30625 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·30625))/2 = 162,9
ωc = 12,77 rad/s

Jawaban

ωc = 12,77 rad/s

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