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)t24h(t)t23

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 2 s dan t = 4 s, dan h(t) hanya antara t = 2 s dan t = 3 s. Cari durasi D dari y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 2 … 4 sh: 2 … 3 s
D = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
5cos(1,5t)h(t) = 10e−2t​u(t)y(t)

Masukan x(t) = 5·cos(1,5t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 10·e−2tu(t). Cari fase φ keluaran keadaan tunak relatif terhadap masukan, dalam derajat.

h(t) = 10e−2tu(t)x(t) = 5cos(1,5t)
φ = °
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = (s + 39)/(s² + 6s + 9) dan hitung f(0,5).

F(s) = (s + 39)/(s² + 6s + 9)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Selesaikan y″ + 7y′ + 6y = 0 dengan y(0) = 8 dan y′(0) = −15 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,2).

y″ + 7y′ + 6y = 0y(0) = 8y′(0) = −15t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1ts​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 57/(s² + 9s + 57) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 57/(s² + 9s + 57)
ts = s
6.Respons langkahSulit
k = 500 N/mc = 9 N·s/mm = 2 kgF = 25 Nx(t)

Sebuah massa m = 2 kg tergantung pada pegas k = 500 N/m dengan peredam kental c = 9 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 25 N tiba-tiba diberikan. Cari rasio redaman ζ.

m = 2 kgk = 500 N/mc = 9 N·s/mF = 25 N
ζ =
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​L = 2,2 mHR = 47 Ωvout​

Filter lolos rendah RL yang ditunjukkan memiliki R = 47 Ω, L = 2,2 mH. Masukan sinusoidal 34 kHz diberikan. Cari penguatan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 47 ΩL = 2,2 mHf = 34 kHz
|H| = 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) = 740/(s(s + 10)). Cari margin fasa PM dalam derajat.

L(s) = 740/(s(s + 10))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: D = 3 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 = 2 + 2 = 4 s
tend = 4 + 3 = 7 s

Jawaban

D = 3 s

Jawaban

D = 3 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: φ = −36,87 °

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/(2 + jω)

Fase pada frekuensi masukan

φ = −atan(1,5/2) = −36,87°

Jawaban

φ = −36,87°
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.5) = 4,239

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

Pecahan parsial

s + 39 = 1(s + 3) + 36
F(s) = 1/(s + 3) + 36/(s + 3)²

Transformasi balik

f(t) = e−3t + 36·t·e−3t
f(0,5) = (1 + 36·0,5)·e−3·0,5 = 4,239

Jawaban

f(0,5) = 4,239
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.2) = 5,825

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 − 8s − (−15) + 7(sY − 8) + 6Y = 0
Y(s) = (8s + 41)/((s + 1)(s + 6))

Pecahan parsial

A = 33/5 = 6,6
B = −7/(−5) = 1,4

Hasil

y(t) = 6,6·e−t + 1,4·e−6t
y(0,2) = 5,825

Jawaban

y(0,2) = 5,825

Periksa: y(0) = A + B = 8.

5.Respons langkah

Jawaban: ts = 0,8889 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 = 57 → ωₙ = 7,55 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·7,55) = 0,596

Hasil

ζωₙ = 4,5 → ts ≈ 4/4,5 = 0,8889 s

Jawaban

ts = 0,8889 s
6.Respons langkah

Jawaban: ζ = 0,1423

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 = √(k/m) = √(500/2) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(500·2)) = 0,1423

Hasil

ζ = 0,1423

Jawaban

ζ = 0,1423
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: |H| = −20,04 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.

Frekuensi sudut

ωc = R/L = 47/0,0022 = 21364 rad/s
fc = 3400 Hz → f/fc = 34000/3400 = 10

Penguatan

|H| = 1/√(1 + 10²) = 0,09951
20·log₁₀(0,09951) = −20,04 dB

Jawaban

|H| = −20,04 dB
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: PM = 20,82 °

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 − 547600 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·547600))/2 = 691,7
ωc = 26,3 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(26,3/10) = −159,2°
PM = 180° + ∠L = 20,82°

Jawaban

PM = 20,82°

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