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)t35

Pulsa x(t) = 1 untuk 0 ≤ t < 2 s (nol di tempat lain) diberikan ke sistem dengan respons impuls h(t) = 5 untuk 0 ≤ t < 3 s (nol di tempat lain). Cari keluaran y(3) pada t = 3 s.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 3 st = 3 s
y(3) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
5cos(3,75t)h(t) = 10e−5t​u(t)y(t)

Masukan x(t) = 5·cos(3,75t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 10·e−5tu(t). Cari amplitudo Ym keluaran keadaan tunak.

h(t) = 10e−5tu(t)x(t) = 5cos(3,75t)
Ym =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 30/(s(s + 2)(s + 4)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,6).

F(s) = 30/(s(s + 2)(s + 4))t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t), dengan y(0) = 4 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 2. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,5).

y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,5 s
y(0.5) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 144/(s² + 5s + 48) dan menerima masukan langkah satuan. Cari rasio redaman ζ.

G(s) = 144/(s² + 5s + 48)
ζ =
6.Respons langkahSulit
+−12 VR = 89 ΩL = 500 mHC = 10 µFvC​

Rangkaian RLC seri dengan R = 89 Ω, L = 500 mH, dan C = 10 µF dihubungkan ke langkah 12 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan waktu tp puncak tegangan pertama, dalam ms.

R = 89 ΩL = 500 mHC = 10 µFV = 12 V
tp = ms
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​L = 50 mHC = 0,22 µFR = 10 Ωvout​

Pada filter lolos pita RLC seri yang ditunjukkan, keluaran diambil di seberang R = 10 Ω, dengan L = 50 mH dan C = 0,22 µF. Cari lebar pita −3 dB BW dalam Hz.

R = 10 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF
BW = Hz
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) = 148/(s(s + 3)(s + 8)). Cari frekuensi persilangan fasa ω180, tempat ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 148/(s(s + 3)(s + 8))
ω180 = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(3) = 10

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).

Tumpang tindih pulsa yang dibalik

h(t − τ) adalah pulsa h yang dibalik dan digeser sehingga berakhir di τ = t.

τ ∈ [0, 2] → panjang 2 s

Integral

y(3) = 1·5·2 = 10

Jawaban

y(3) = 10

y(t) berbentuk trapesium: naik dari 0, bertahan di 10, dan turun kembali ke 0 pada t = 5 s.

2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ym = 8

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/(5 + jω)

Penguatan pada frekuensi masukan

|H(j3,75)| = 10/√(5² + 3,75²) = 1,6
Ym = 5·1,6 = 8

Jawaban

Ym = 8
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.6) = 1,831

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 + 2) + C/(s + 4)
A = 30/(2·4) = 3,75
B = 30/((−2)·2) = −7,5
C = 30/((−4)·(−2)) = 3,75

Transformasi balik

f(t) = 3,75 − 7,5·e−2t + 3,75·e−4t

Hitung nilainya

f(0,6) = 3,75 − 7,5·e−2·0,6 + 3,75·e−4·0,6 = 1,831

Jawaban

f(0,6) = 1,831
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.5) = 3,117

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

(s² + 7s + 10)·Y(s) = 4s + 28 + 20/s
Y(s) = (4s² + 28s + 20)/(s(s + 2)(s + 5))

Pecahan parsial

A = 20/(2·5) = 2
B = −20/((−2)·3) = 3,333
C = −20/((−5)·(−3)) = −1,333

Hasil

y(t) = 2 + 3,333·e−2t − 1,333·e−5t
y(0,5) = 3,117

Jawaban

y(0,5) = 3,117

Periksa: y(0) = A + B + C = 4.

5.Respons langkah

Jawaban: ζ = 0,3608

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 = 48 → ωₙ = 6,928 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6,928) = 0,3608

Hasil

ζ = 0,3608

Jawaban

ζ = 0,3608
6.Respons langkah

Jawaban: tp = 7,168 ms

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/√(0,5·1 × 10⁻⁵) = 447,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (89/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,5) = 0,199

Hasil

ωd = 438,3 rad/s
tp = π/ωd = 7,168 ms

Jawaban

tp = 7,168 ms
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: BW = 31,83 Hz

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 resonansi

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2,2 × 10⁻⁷) = 9535 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1517 Hz

Lebar pita

BW = R/L = 10/0,05 = 200 rad/s = 31,83 Hz

Jawaban

BW = 31,83 Hz
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ω180 = 4,899 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 fasa

(ω/3)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(3·8) = 4,899 rad/s

Jawaban

ω180 = 4,899 rad/s

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