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)t10h(t)t1

Masukan x(t) = 10·e−5tu(t) diberikan ke sistem dengan h(t) = e−4tu(t). Cari keluaran y(2) pada t = 2 s.

x(t) = 10·e−5tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 2 s
y(2) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)2,55102−2

Gelombang segitiga naik dan turun secara linear antara −2 dan +2 dengan periode T = 5 ms. Cari amplitudo c1 komponen Fourier-nya pada 200 Hz.

±2T = 5 msf = 200 Hz
c1 =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,8f(0,8) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = (3s + 25)/(s² + 4s + 4) dan hitung f(0,8).

F(s) = (3s + 25)/(s² + 4s + 4)t = 0,8 s
f(0.8) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Selesaikan y″ + 6y′ + 8y = 0 dengan y(0) = 1 dan y′(0) = −14 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,5).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 1y′(0) = −14t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 16/(s² + 2s + 16) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.

G(s) = 16/(s² + 2s + 16)
%OS = %
6.Respons langkahSulit
R(s)+Ks(s + 8)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = K/(s(s + 8)). Tentukan penguatan K yang memberi respons langkah dengan overshoot 5 %.

G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 5 %
K =
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​R = 47 ΩL = 2,2 mHvout​

Filter lolos tinggi RL yang ditunjukkan memiliki R = 47 Ω, L = 2,2 mH. Masukan sinusoidal 1,7 kHz diberikan. Cari pergeseran fasa φ dari vout relatif terhadap vin, dalam derajat.

R = 47 ΩL = 2,2 mHf = 1,7 kHz
φ = °
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10)). Cari penguatan K yang memberi margin penguatan 4 dB.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))GM = 4 dB
K =

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(2) = 0,002901

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).

Integral konvolusi

y(t) = 10e−4t∫₀ᵗ e−(5 − 4)τ dτ = 10(e−4t − e−5t)/(1)

Hitung nilainya

y(2) = 10·(0,0003355 − 4,54 × 10⁻⁵)/(1) = 0,002901

Jawaban

y(2) = 0,002901
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c1 = 1,621

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 = 200 Hz → k = 1

Amplitudo

c1 = 8·2/(π²·1²) = 1,621

Jawaban

c1 = 1,621
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.8) = 3,675

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).

Faktorkan penyebut

s² + 4s + 4 = (s + 2)²

Pecahan parsial

3s + 25 = 3(s + 2) + 19
F(s) = 3/(s + 2) + 19/(s + 2)²

Transformasi balik

f(t) = 3·e−2t + 19·t·e−2t
f(0,8) = (3 + 19·0,8)·e−2·0,8 = 3,675

Jawaban

f(0,8) = 3,675
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.5) = −1,027

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 − 1s − (−14) + 6(sY − 1) + 8Y = 0
Y(s) = (s − 8)/((s + 2)(s + 4))

Pecahan parsial

A = −10/2 = −5
B = −12/(−2) = 6

Hasil

y(t) = −5·e−2t + 6·e−4t
y(0,5) = −1,027

Jawaban

y(0,5) = −1,027

Periksa: y(0) = A + B = 1.

5.Respons langkah

Jawaban: %OS = 44,43 %

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 = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4) = 0,25

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,8112 = 44,43 %

Jawaban

%OS = 44,43 %
6.Respons langkah

Jawaban: K = 33,6

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 + 8s + K)

Rasio redaman dari overshoot

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

Penguatan

ωₙ = 8/(2ζ) = 5,796 rad/s
K = ωₙ² = 33,6

Jawaban

K = 33,6
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: φ = 63,44 °

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 = 47/0,0022 = 21364 rad/s
fc = 3400 Hz → f/fc = 1700/3400 = 0,5

Fasa

φ = 90° − atan(0,5) = 63,44°

Jawaban

φ = 63,44°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: K = 605,7

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/6)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(6·10) = 7,746 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 100)) = K/(6·10·(6 + 10)) = K/960

Penguatan yang diperlukan

960/K = 104/20 = 1,585
K = 960/1,585 = 605,7

Jawaban

K = 605,7

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