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)t−12h(t)t13

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = −1 s dan t = 2 s, dan h(t) hanya antara t = 1 s dan t = 3 s. Cari durasi D dari y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: −1 … 2 sh: 1 … 3 s
D = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
δ(t)y′ + 2y = 2xh(t)

Suatu sistem memenuhi y′(t) + 2·y(t) = 2·x(t). Cari respons impulsnya pada t = 0,25 s, h(0,25).

y′ + 2y = 2xt = 0,25 s
h(0.25) =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16−18

F(s) = (2s + 32)/(s² + 9s + 20). Transformasi baliknya berbentuk f(t) = A·e−4t + B·e−5t. Tentukan koefisien A dengan pecahan parsial.

F(s) = (2s + 32)/(s² + 9s + 20)
A =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Selesaikan y″ + 9y′ + 18y = 0 dengan y(0) = 5 dan y′(0) = −1 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,1).

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = 5y′(0) = −1t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 6/(s² + 3s + 6) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 6/(s² + 3s + 6)
tp = s
6.Respons langkahSulit
+−5 VR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µFvC​

Rangkaian RLC seri dengan R = 40 Ω, L = 100 mH, dan C = 10 µF dihubungkan ke langkah 5 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan frekuensi alami tak teredam ωn dalam rad/s.

R = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µFV = 5 V
ωn = rad/s
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,11101001000−100−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 20

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 24/((s + 1)(s + 8)) pada ω = 20 rad/s, dalam dB.

G(s) = 24/((s + 1)(s + 8))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 378/(s(s + 6)(s + 8)). Cari margin penguatan GM dalam dB.

L(s) = 378/(s(s + 6)(s + 8))
GM = dB

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: D = 5 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 = −1 + 1 = 0 s
tend = 2 + 3 = 5 s

Jawaban

D = 5 s

Jawaban

D = 5 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: h(0.25) = 1,213

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) = 2/(s + 2)

Respons impuls

h(t) = 2·e−2tu(t)
h(0,25) = 2·e−0,5 = 1,213

Jawaban

h(0,25) = 1,213
3.Transformasi Laplace

Jawaban: A = 24

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 + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 5)

Aturan tutup (cover-up)

Kalikan dengan (s + 4) dan masukkan s = −4: suku B lenyap.

A = (2s + 32)/(s + 5) |s = −4 = 24/1 = 24

Jawaban

A = 24
(B = −22, jadi f(t) = 24·e−4t − 22·e−5t)
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.1) = 4,6

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 − 5s − (−1) + 9(sY − 5) + 18Y = 0
Y(s) = (5s + 44)/((s + 3)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 29/3 = 9,667
B = 14/(−3) = −4,667

Hasil

y(t) = 9,667·e−3t − 4,667·e−6t
y(0,1) = 4,6

Jawaban

y(0,1) = 4,6

Periksa: y(0) = A + B = 5.

5.Respons langkah

Jawaban: tp = 1,622 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 = 6 → ωₙ = 2,449 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·2,449) = 0,6124

Hasil

ωd = 2,449·√(1 − 0,6124²) = 1,936 rad/s → tp = π/ωd = 1,622 s

Jawaban

tp = 1,622 s
6.Respons langkah

Jawaban: ωn = 1000 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).

Frekuensi alami dan rasio redaman

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁵) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (40/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,1) = 0,2

Hasil

ωₙ = 1000 rad/s

Jawaban

ωn = 1000 rad/s
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = −25,09 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(j20)| = 24/(√(20² + 1²)·√(20² + 8²)) = 24/(20,02·21,54) = 0,05564

Hasil

20·log₁₀(0,05564) = −25,09 dB

Jawaban

|G(jω)| = −25,09 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: GM = 4,998 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.

Persilangan fasa

(ω/6)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(6·8) = 6,928 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 64)) = K/(6·8·(6 + 8)) = K/672

Margin penguatan

GM = 20·log₁₀(672/378) = 4,998 dB

Jawaban

GM = 4,998 dB

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