ANALISIS FREKUENSI SINYAL DAN SISTEM
Analisis frekuensi sinyal waktu kontinu
Analisis frekuensi sinyal waktu diskrit
Sifat-sifat transformasi Fourier
Domain frekuensi sistem LTI
Peristiwa Dispersi
Newton (1672)
Fraunhofer (1787)
Kirchoff & Bunsen (1800)
Cahaya tampak
Cahaya bintang dan matahari
Bahan kimia
Prisma
Cahaya Warna
Matematical Tools
Sinyal Sinyal sinusoidal
Instrument
Software program Speech
ECG
EEG
Pitch
Denyut jantung
, ,
Analisis frekuensi sinyal waktu kontinu
Deret Fourier untuk sinyal waktu kontinu
periodik
Power spektral density (
psd
) sinyal periodik
Transformasi Fourier untuk sinyal kontinu
aperiodik
Energy spectral density (
esd
) sinyal
perioda
T
T
1
F
e
c
)
t
(
x
pp o
k
t kF 2 j
k o
Deret Fourier untuk sinyal periodik
kompleks
c
dt
e
)
t
(
x
T
1
c
kT
0
t kF 2 j
p k
p
o
* k k
c
c
nyata
)
t
(
x
k
k j
k k
j k
k
c
e
c
c
e
c
1 k
k o
k
o 2 c cos(2 kF t )
c )
t ( x
k o
k o
k
ot ) cos(2 kF t) cos sin(2 kF t) sin
kF 2
cos(
) t kF 2
sin( b
) t kF 2
cos( a
a )
t (
x k o
1 k
o k
o
k k
k k
k k
o
o c a 2 c cos b 2 c sin
a
k
t kF 2 j
ke o
c )
Power spectral density (
psd
) dari sinyal periodik
k
2 k T
0
2 p
x x(t) dt c
T 1 P
p
Energinya tak terbatas, dayanya terbatas
) b a
( 2
1 a
c 2
c
P 2k
1 k
2 k 2
o 1
k
2 k 2
o
x
2 k
c
sebagai fungsi dari frekuensi Fpsd
F
Power spectral density dari sinyal periodik
2 k
c
-4Fo -3Fo - 3Fo -Fo 0 Fo 2Fo 3Fo 4Fo 2
1
c
2 3
c
2 2
c
2 4
Contoh Soal 7.1
Tentukan deret Fourier dan power spectral density dari sinyal pulsa persegi panjang di bawah ini.
) t ( x
t
0
2 2
Tp
p
T
Jawab :
p 2
2 p 2
T
2 T p
o
T A Adt
T 1 dt
) t ( x T
1 c
p
p
2 2 t kF 2 j o
p 2
T
2 T
t kF 2 j p
k o
p
p
o e
kF 2
j 1 T
A dt
Ae T
1 c
o o p
kF j kF
j p
o k
kF
) kF sin(
T A 2
j e e
T kF
A
Power spectral density :
, 2 ,
1 k
, kF
) kF sin(
T A
0 k
, T
A
c
2
o o 2
p 2
p 2
X(F)e dF
) t (
x j2 Ft
Transformasi Fourier untuk sinyal aperiodik
x(t)e dt
) F (
X j2 Ft
Energy spectral density (
esd
) dari sinyal periodik
Energinya terbatas :
x(t) dt X(F) dF
Ex 2 2
2 xx
(
F
)
X
(
F
)
S
esd
Contoh Soal 7.2
Tentukan transformasi Fourier dan energy spectral density dari sinyal yang didefinisikan sebagai :
) t ( x
t 0
2 2
A
2 t
, 0
2 t
, A )
Jawab :
F F sin
A dt
Ae )
F ( X
2
2
Ft 2 j
2 2
xx
F F sin
A )
F (
S
X(F) x(t)
Analisis frekuensi sinyal waktu diskrit
Deret Fourier untuk sinyal waktu diskrit
periodik
Power spektral density (psd) sinyal diskrit
periodik
Transformasi Fourier untuk sinyal diskrit
aperiodik
Deret Fourier untuk sinyal diskrit periodik
2 1 f
2 1 N
k f
N k 2 e
s
s c e
c )
n ( x
k k
k k
n j k
1 N
0 k
k k 1
N 0 k
N / kn 2 j k
k
dasar
perioda
N
)
n
(
x
)
N
n
(
x
k N
k 1
N 0 n
N / kn 2
j c c
e ) n ( x N
1 )
k (
c
Contoh Soal 7.3
Tentukan spektrum dari sinyal-sinyal di bawah ini.
1, 1, 0, 0
N 4 ).b 3
n cos
) n ( x ).
a
Jawab :
6 N
6 1 f
n 6 1 2
cos 3
n cos
) n ( x ). a
o
5 0 n 6 / kn 2 j 1 N 0 n N / kn 2j x(n)e
e ) n ( x ) k ( c 6 / n 2 j 6 / n 2 j e 2 1 e 2 1 n 6 1 2 cos ) n (
x
1 N 0 k 6 / kn 2 j k 1 N 0 k N / kn 2 jke c e
2 1 c
c c
0 c
c c
c 2
1 c
2 1 c
1 6
1 5
4 3
2 o
1 1
j k / 2
3 0 n
4 / kn 2
j 1 e
4 1 e
) n ( x 4
1 )
k (
c
1, 1, 0, 0
N 4 ).b
1 N
0 n
N / kn 2 j
e ) n ( x N
1 )
k ( c
) j 1
( 4 1 c
0 c
) j 1
( 4 1 c
2 1
) j 1
( 4 1 c
0 c
) j 1
( 4 1 c
2 1
Contoh Soal 7.4
Tentukan spektrum dari sinyal di bawah ini.
n 5 2 sin n 3 2 cos ) n (
x
Jawab : n 15 3 2 sin n 15 5 2 cos n 5 2 sin n 3 2 cos ) n (
x
j 2 e e 2 e e ) n ( x n ) 15 / 3 ( 2 j n ) 15 / 3 ( 2 j n ) 15 / 5 ( 2 j n ) 15 / 5 ( 2
j
n ) 15 / 5 ( 2 j n ) 15 / 5 ( 2 j n ) 15 / 3 ( 2 j n ) 15 / 3 ( 2 j e 2 1 e 2 1 e 2 j e 2 j ) n (
x
n ) 15 / 5 ( 2 j n
) 15 / 5 ( 2 j n
) 15 / 3 ( 2 j n
) 15 / 3 ( 2
j e
2 1 e
2 1 e
2 j e
2 j )
n (
x
14 0 k
15 / kn 2 j k 1
N 0 k
N / kn 2 j
ke c e
c )
n ( x
2 1 c
2 j c
2 j c
2 1
1/2
k
c
90o
k
c
Power Spectral Density (psd) sinyal diskrit periodik
1 N
0 k
2 k 2
1 N
0 k
x x(n) c
N 1
P Relasi Parseval
psd
Energi satu perioda
Bila x(n) nyata :
1 N
0 k
2 k 1
N 0 k
2
N x(n) N c
E
k *
k c
c ck c k ck c k
k N k
k N k
k N k
N k k
c c
c c
c c
c c
0 c
c c
c0 N 0 N
1 N 1
1 N
1 c c c
c
0 c
c
cN/2 N/2 N/2
2 / ) 1 N ( 2
/ ) 1 N ( 2
/ ) 1 N ( 2
/ ) 1 N
( c c c
c
Bila N genap
Bila N ganjil
k N k
k N k
k N k
N k k
c c
c c
c c
c c
2 / ) 1 N
( ,
2 , 1 , 0 k
, c ganjil
N
2 / N ,
2 , 1 , 0 k
, c genap
N
k k
Contoh Soal 7.5
Tentukan koefisien deret Fourier dan power spectral density dari sinyal diskrit periodik di bawah ini.
Jawab :
1 L
0 n
N / kn 2 j 1
N 0 n
N / kn 2 j
k Ae
N 1 e
) n ( x N
Transformasi Fourier dari sinyal diskrit aperiodik
n
n j
e ) n ( x )
( X
X( )e d
2 1 )
n (
x j n
n
n j n
kn 2 j n
j n
n ) k 2 (
j
) ( X e
) n ( x e
e ) n ( x
e ) n ( x )
k 2 (
X
Contoh Soal 7.6
Tentukan sinyal diskrit yang transformasi Fouriernya adalah :
Jawab :
c
c
, 0
, 1 )
( X
X( )e d
2 1 )
n (
x j n
c
c
c
d 2
1 )
0 ( x 0
n n sin
n n sin
j 2
e e
n 1 )
n ( x
e jn
1 2
1 d
e 2
1 )
n ( x 0
n
c c c
c n
j n
j
n j n
j
c c
c
c c
c
n
n j
e ) n ( x )
(
X
N N n
n j c
N e
n n sin
Energy spectral density (esd) sinyal diskrit aperiodikRelasi Parseval
d ) ( X 2
1 )
n ( x
E 2
n
2 x
2 xx( ) X( )
S
Spektrum magnituda
) ( X )
( )
( X e
) ( X )
(
X j()
Spektrum fasa
x(n) nyata X*() X( )
) (
X )
( X )
( X )
(
Contoh Soal 7.7
Tentukan energy spectral density dari sinyal diskrit :
Jawab :
1 a
1 )
n ( u a )
n (
x n
0 n
n j
0 n
n j n
n
n
j a e (ae )
e ) n ( x )
( X
) ( X ) ( X )
( x )
( S ae
1
1 )
(
X j xx 2 *
2 j
j xx
a cos
a 2 1
1 ae
1
1 ae
1
1 )
( S
Contoh Soal 7.8
Tentukan transformasi Fourier dari sinyal diskrit :
lainnya n
, 0
1 L
n 0
, A )
n ( x
Jawab :
) 2 / sin(
) 2 / L sin(
Ae
e 1
e 1
A Ae
) ( X
) 1 L )( 2 / ( j
j L j 1
L 0 n
n j
) ( j )
1 L )( 2 / (
j X( ) e
) 2 / sin(
) 2 / L sin(
Ae )
(
X
lainnya ,
) 2 / sin(
) 2 / L sin(
A
0 ,
AL )
( X
) 2 / sin(
) 2 / L sin(
) 1 L
( 2 A
) ( X )
(
Spektrum fasa Spektrum magnituda A = 1
Hubungan transformasi Z dengan transformasi Fourier
n
n j n
n
n j
n
z x(n)(re ) [x(n)r ]e
e ) n ( x )
z ( X
Transformasi Fourier :
n
n
j X( )
e ) n ( x )
z ( X 1
r 1
z
Transformasi Z
z z
r re
z j
Contoh Soal 7.9
Tentukan transformasi Fourier dari : x(n) ( 1)u(n)
Jawab :
1 z
z z
1
1 )
z (
X 1
) 2 / 1 k
( 2 )
2 / cos( 2
e
) e
e )( e
(
) e
)( e
(
1 re
re 1
z z z
1
1 )
( X
2 / j
2 / j 2
/ j 2
/ j
2 / j 2
/ j
j j 1
Klasifikasi sinyal dalam domain frekuensiSinyal frekuensi tinggi :
Daerah frekuensi pada beberapa sinyal asliSinyal-sinyal biologi :
Tipe sinyal Daerah frekuensi (Hz)
Electroretinogram 0 - 20
Electronystagmogram 0 - 20
Pneumogram 0 - 40
Electrocardiogram (ECG) 0 - 100
Electroencephalogram (EEG) 0 - 100
Electromyogram 10 - 200
Aphygmomanogram 0 - 200
Sinyal-sinyal seismik :
Tipe sinyal Daerah frekuensi (Hz)
Wind noise 100 - 1000
Seismic exploration signals 10 - 100 Earthquake and nuclear
explosion signsld 0.01 - 10
Sinyal-sinyal elektromagnetik :
Tipe sinyal Daerah frekuensi (Hz)
Radio broadcast 3x104 – 3x106
Shortwave radio signals 3x106 – 3x1010
Radar, sattellite comunications 3x108 – 3x1010
Infrared 3x1011 – 3x1014
Visible light 3,7x1014 – 7,7x1014
Ultraviolet 3x1015 – 3x1016
Sifat-sifat transformasi Fourier
Sifat-sifat simetri dari transformasi Fourier
Linieritas
Pergeseran waktu
Pembalikan waktu
Teorema konvolusi
Pergeseran frekuensi
Sifat-sifat simetri dari transformasi Fouriern j 1
n
n j
e ) ( X 2
1 )}
( X { F )
n ( x
e ) n ( x )}
n ( x { F )
( X
) ( X )
n (
x F
n sin
j n
cos e
sin j
n cos
] n sin ) n ( x n cos ) n ( x [ ) ( X ] n sin ) n ( x n cos ) n ( x [ ) ( X R n I I n I R R
) ( jX ) ( X ) ( X ) n ( jx ) n ( x ) n ( x R I R x(n) dan X () kompleks
x(n) nyata xR (n) x(n) xI(n) 0
) ( X )
( X n
sin )
n ( x )
( X
) ( X )
( X n
cos )
n ( x )
( X
I I
n I
R n
R R
n sin
) n sin(
n cos
) n
cos(
) ( X )
( X )
( X )
(
XR R I I
) (
X )
(
) ( X ) ( X tg ) ( X ) ( X ) ( X ) ( X I I 1 2 I 2 R
X( ) X( )
x(n) nyata dan fungsi genap
d n cos ) ( X 1 ) n ( x 0 ) ( X n cos ) n ( x 2 ) 0 ( x ) ( X ) n ( x ) n ( x 0 R I 1 n Rx(n) nyata dan fungsi ganjil
x(n) imajiner murni
d ] n cos
) ( X n
sin )
( X [ 1
) n ( x
n cos
) n ( x )
( X
n sin
) n ( x )
( X
) n ( jx )
n ( x 0
) n ( x
0 R I
I
n
I I
n
I R
x(n) imajiner murni dan genap
d n sin ) ( X 1 ) n ( x 0 ) ( X n sin ) n ( x 2 ) ( X ) n ( x ) n ( x 0 R I I 1 n I R I Ix(n) imajiner murni dan ganjil
Contoh Soal 7.10
Tentukan dan buat sketsa XR(), XI(), X() dan
X( dari transformasi Fourier :
Jawab :
1 a
1 e
a 1
1 )
(
X j
2 2
j j
j j j j
a cos
a 2 1
sin ja
cos a
1 a
) e
e ( a 1
e a 1
e a 1
e a 1
e a 1
1 )
( X
Linieritas ) ( X a ) ( X a ) ( X )} n ( x { F ) n ( x a ) n ( x a ) n ( x ) ( X )} n ( x { F ) ( X )} n ( x { F 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 Contoh Soal 7.11
Tentukan transformasi Fourier dari : x(n) a n 1 a 1
Pergeseran waktu) ( X e
)} n ( x { F )
k n
( x )
n ( x
) ( X )}
n ( x { F
1 k j 1
1 1
Pembalikan waktu) (
X )}
n ( x { F )
n ( x )
n ( x
) ( X )}
n ( x { F
1 1
1 1
Teorema konvolusi) ( X ) ( X )}
n ( x { F )
n ( x * ) n ( x )
n ( x
) ( X )}
n ( x { F )
( X )}
n ( x { F
2 1
1 1
2 2
1 1
Jawab :
Contoh Soal 7.12
Tentukan konvolusi antara x1(n) dan x2(n), dengan : x1(n) = x2(n) ={1, 1, 1}
cos 2
1 e
e 1
e e
) n ( x )
( X
j j
n
1 1 n
n j n
j 1
) e e ( ) e e ( 2 3 2 cos 2 cos 4 3 2 2 cos 1 4 cos 4 1 cos 4 cos 4 1 ) cos 2 1 ( ) ( X ) ( X ) ( X cos 2 1 ) ( X ) ( X 2 j 2 j j j 2 2 2 1 2 1
j2 j j j2n
n
j e 2e 3 2e e
Pergeseran frekuensi) (
X )}
n ( x { F )
n ( x e
) n ( x
) ( X )}
n ( x { F
o 1
1 n j
1 1
o
Teorema modulasin cos
) n ( x )
n ( x )
( X )}
n ( x {
F 1 1 1 o
) n ( x e
2 1 )
n ( x e
2 1 )
n ( x ) e
e ( 2 1 )
n (
x jon jon 1 jon 1 jon 1
) (
X 2 1 )
( X 2 1 )
( X )}
n ( x {
Diferensiasi frekuensi ) n ( nx ) n ( x ) ( X )} n ( x {F 1 1 1
Domain frekuensi sistem LTI
Fungsi respon frekuensi
Respon steady-state dan respon transien
Respon terhadap sinyal input periodik
Respon terhadap sinyal input aperiodik
Hubungan antara fungsi sistem dan fungsi
respon frekuensi
Fungsi respon frekuensi
k
n j k
j k
) k n ( j
n j k
e ] Ae
) k ( h [ A
Ae )
k ( h )
n ( y
Ae )
n ( x kompleks
Input
) k n
( x ) k ( h )
n ( y
n j
k
k
j y(n) AH( )e
e ) k ( h )
(
H
Eigen function
Contoh Soal 7.12
Respon impuls dari suatu sistem LTI adalah :
) n ( u 2
1 )
n ( h
n
Jawab :
Tentukan outputnya bila mendapat input : x(n) Aejn / 2
2 1 j 1
1
e 2 1 1
1 )
( H e
2 1 1
1 )
( H
e 2 1 e
2 1 )
( H )
n ( h F
2 / j j
n
n j
n
n j n
) 6 , 26 2 / n ( 2
/ n j 6 , 26 j
n j
6 , 26 j
o o
o
e 5 A 2 e
e 5 2 A
e ) ( AH )
n ( y
e 5 2
2 1 j 1
1 )
( H
Amplituda
Frekuensi
Fasa
3 2
2 1 1
1
e 2 1 1
1 )
( H Ae
) n ( x
j n
j
n j Ae 3
2 )
n (
y
n j j n j j n j n j j n j e e H A e e H A n y Ae n x e e H A n y Ae n x ) ( ) ( 2 2 ) ( 1 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )] ( cos[ ) ( )] ( ) ( [ 2 1 ) ( cos ] [ 2 1 )] ( ) ( [ 2 1 ) ( 2 1 2 1 n H A n y n y n y n A Ae Ae n x n x n
x j n j n
)] ( sin[ ) ( )] ( ) ( [ 2 1 ) ( sin ] [ 2 1 )] ( ) ( [ 2 1 ) ( 2 1 2 1 n H A n y n y j n y n A Ae Ae j n x n x j n
Contoh Soal 7.13
Respon impuls dari suatu sistem LTI adalah :
) n ( u 2
1 )
n ( h
n
Jawab :
Tentukan outputnya bila mendapat input :
n n
n
x 20cos
2 sin 5 10 )
(
j
e H
2 1 1
1 )
3 2 )
(
5 2 )
2 / (
2
2 1 1
1 )
0 (
2 1 1
1 )
(
6 , 26
H
e H
H
e H
o
j
n n
n
x cos
3 40 2
sin 5
10 20
)
Contoh Soal 7.14
Suatu sistem LTI dinyatakan dengan persamaan beda :
1 0
) ( )
1 (
)
(n ay n bx n a
y
) 4 cos(
20 2
sin 12 5
)
(n n n
x
9 , 0 1
) ( ).
) ( ).
dan a
H Untuk b
H Tentukan a
maks
Jawab : ) ( ) ( ) ( ) 1 ( )
(n ay n bx n h n ba u n y n
a b
a b H
H maks
1 1
1 )
0 ( )
(
cos 1
sin )
( cos
2 1
1 )
( 1
2 a
a tg
a a
a H
0 )
( 1
) 0
(
H
o
tg
H 0,074 ( ) 0,9 42
9 , 0 1
1 , 0 )
2 /
( 1
2
0 )
( 053
, 0 9
, 1
1 , 0 1
1 )
(
) 4 cos(
20 2
sin 12 5
)
(n n n
x
)] ( 4
cos[ )
( 20
)] 2 / ( 2
sin[ )
2 / ( 12 )
0 ( 5 )
(
n H
n H
H n
y
] 4 cos[
06 , 1 ] 42 2
sin[ 888
, 0 5
)
(n n n
Respon steady-state dan respon transien ) n ( x ) 1 n ( ay ) n (y
n 0 k k 1n y( 1) a x(n k)
Respon transien
Respon steady state
n j j n j j ) 1 n ( j 1 n 1 n e ae 1 A e ae 1 e a A ) 1 ( y a ) n ( y 1 a
Stabil
n j n j j n
ss e AH( )e
ae 1 A ) n ( y ) n (
y
lim
Respon steady state terhadap sinyal input periodik
1 N 0 k N / kn 2 j ke c ) n ( x Fourier Deret N / kn 2 j k k N / kn 2 j k k e N k 2 H c ) n ( y e cx
N k 2 ) ( H N k 2 H
1 N 0 k N / kn 2 j k 1 N 0 k k e N k 2 H c ) n ( y ) n ( y
N k 2 H c d e d ) n (y N 1 k k
Respon steady state terhadap sinyal input aperiodik
X( ) H) ( Y konvolusi
Teori
X( ) Y( ) H( ) X( ) H) (
Y
X( ) S ( ) H
S ( ) H) (
Y 2 2 2 yy 2 xx
H S ( ) d
2 1 E
:
Contoh Soal 7.15
Suatu sistem LTI mempunyai respon impuls : )
n ( u 2
1 )
n ( h
n
Tentukan spektrum dan esd-nya bila mendapat input :
) n ( u 4
1 )
n ( x
n
Jawab :
j 0
n
n j n
e 2 1 1
1 e
2 1 )
( H
j e 4 1 1
1 )
j
j e
4 1 1
1
e 2 1 1
1 )
( X H
) ( Y
) e
16 1 e
4 1 1
(
1
) e
4 1 e
1 (
1 )
( S
j 2 j
j 2 j
y
2 2 yy( ) H X( )S
cos 2
1 16
17
1
cos 4
5
1 )
Hubungan antara fungsi sistem dan fungsi respon
frekuensi
n
n j e
z
j H( ) H z h(n)e
e
z j
H( )H ( ) H( )H( ) H 2 *
j
e z 1 2
Contoh Soal 7.16
Suatu sistem LTI dinyatakan dengan :
) 1 n
( x )
n ( x )
2 n
( y 2 , 0 )
1 n
( y 1 , 0 )
n (
y
Tentukan H() 2
Jawab :
2 1
1
z 2 , 0 z
5 , 0 1
z 1
) z (
H
2 2
1 1 1
z 2 , 0 z
5 , 0 1
z 1
z 2 , 0 z
5 , 0 1
z 1
) z ( H ) z ( H
2 2 1 1 1 z 2 , 0 z 5 , 0 1 z 1 z 2 , 0 z 5 , 0 1 z 1 ) z ( H ) z ( H ) z z ( 2 , 0 ) z z ( 08 , 0 05 . 1 z z 2 ) z ( H ) z (
H 1 2 2
1 1 ) e e ( 2 , 0 ) e e ( 08 , 0 05 . 1 e e 2 ) ( H e
z j j j2 j2
j j 2 j 2 cos 4 , 0 cos 16 , 0 05 . 1 cos 2 2 ) ( H 2
2 2 2