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)t23h(t)t43

Pulsa x(t) = 3 untuk 0 ≤ t < 2 s (nol di tempat lain) diberikan ke sistem dengan respons impuls h(t) = 3 untuk 0 ≤ t < 4 s (nol di tempat lain). Cari keluaran y(0,5) pada t = 0,5 s.

x(t) = 3, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 4 st = 0,5 s
y(0.5) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
u[n]4+y[n]−0,5·z⁻¹+

Suatu sistem memenuhi y[n] = −0,5·y[n − 1] + 4·x[n] dan mulai dari keadaan diam. Masukannya adalah undak satuan x[n] = u[n]. Cari y[5].

y[n] = −0,5y[n − 1] + 4x[n]x[n] = u[n]
y[5] =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−55

Tentukan f(t) untuk F(s) = (5s + 30)/(s² + 4s + 29) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,25).

F(s) = (5s + 30)/(s² + 4s + 29)t = 0,25 s
f(0.25) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t), dengan y(0) = 3 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 2. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,3).

y″ + 9y′ + 20y = 20·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3ts​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 195/(s² + 2s + 65) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 195/(s² + 2s + 65)
ts = s
6.Respons langkahSulit
t (s)y(t)1tp​ = 0,1 s15 %

Respons langkah sebuah sistem orde dua tanpa nol menunjukkan overshoot 15 %, dan puncak pertama terjadi pada t = 0,1 s. Tentukan frekuensi alami ωn.

%OS = 15 %tp = 0,1 s
ωn = rad/s
7.Plot Bode dan marginSedang
vin​L = 50 mHC = 4,7 µFR = 20 Ωvout​

Pada filter lolos pita RLC seri yang ditunjukkan, keluaran diambil di seberang R = 20 Ω, dengan L = 50 mH dan C = 4,7 µF. Cari frekuensi pusat (resonansi) f0 dalam Hz.

R = 20 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
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) = 128/(s(s + 4)). Cari margin fasa PM dalam derajat.

L(s) = 128/(s(s + 4))
PM = °

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(0.5) = 4,5

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, 0,5] → panjang 0,5 s

Integral

y(0,5) = 3·3·0,5 = 4,5

Jawaban

y(0,5) = 4,5

y(t) berbentuk trapesium: naik dari 0, bertahan di 18, dan turun kembali ke 0 pada t = 6 s.

2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y[5] = 2,625

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)|.

Iterasi

y[0] = 4
y[1] = 2
y[2] = 3
y[3] = 2,5
y[4] = 2,75
y[5] = 2,625

Hasil

y[5] = 4·(1 − (−0,5)6)/(1 − (−0,5)) = 2,625

Jawaban

y[5] = 2,625
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.25) = 3,259

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 + 4s + 29 = (s + 2)² + 25 = (s + 2)² + 5²

Cocokkan pembilangnya

F(s) = 5·(s + 2)/((s + 2)² + 5²) + (20/5)·5/((s + 2)² + 5²)

Transformasi balik

f(t) = e−2t·(5·cos 5t + 4·sin 5t)
f(0,25) = e−2·0,25·(5·cos(5·0,25) + 4·sin(5·0,25)) = 3,259

Jawaban

f(0,25) = 3,259
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.3) = 2,613

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 + 9s + 20)·Y(s) = 3s + 27 + 40/s
Y(s) = (3s² + 27s + 40)/(s(s + 4)(s + 5))

Pecahan parsial

A = 40/(4·5) = 2
B = −20/((−4)·1) = 5
C = −20/((−5)·(−1)) = −4

Hasil

y(t) = 2 + 5·e−4t − 4·e−5t
y(0,3) = 2,613

Jawaban

y(0,3) = 2,613

Periksa: y(0) = A + B + C = 3.

5.Respons langkah

Jawaban: ts = 4 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 = 65 → ωₙ = 8,062 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·8,062) = 0,124

Hasil

ζωₙ = 1 → ts ≈ 4/1 = 4 s

Jawaban

ts = 4 s
6.Respons langkah

Jawaban: ωn = 36,7 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).

Rasio redaman

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 1,897/√(9,87 + 3,599) = 0,5169

Frekuensi alami

ωd = π/tp = π/0,1 = 31,42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31,42/0,856 = 36,7 rad/s

Jawaban

ωn = 36,7 rad/s
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: f0 = 328,3 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/√(0,05·4,7 × 10⁻⁶) = 2063 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 328,3 Hz

Jawaban

f0 = 328,3 Hz
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: PM = 20,04 °

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 + 16ω² − 16384 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·16384))/2 = 120,2
ωc = 10,97 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(10,97/4) = −160°
PM = 180° + ∠L = 20,04°

Jawaban

PM = 20,04°

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