5. Signal Dan Noise

ANALISIS INSTRUMEN ANALISIS INSTRUMEN

SIGNAL DAN NOISE

Signal danNoise

A. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIO

Pengukuran analitik terdiri dari 2 komponen, yaitu:• respon instrumen

• fluktuasi random (noise)

NoiseNoise - - fluktuasi fluktuasi random dari perulangan random dari perulangan pengukuran yang terjadi pada suatu basis pengukuran yang terjadi pada suatu basis kontinyu.kontinyu.

-- standard deviasi (s atau s) standard deviasi (s atau s) dari suatu sinyal instrumen.dari suatu sinyal instrumen.

s

x

N

S

deviation standard

signalmean

RSDN

S 1

Signal to Noise Ratio:Signal to Noise Ratio:

Signal-to-Noise


Signal

Noise High = Stand Dev. Noise Low = Stand Dev.

Signal-to-Noise


Low SignalHigh Noise

High SignalLow Noise

spektrspektraa

Signal-to-Noise


Estimating Signal-to-Noise Ratio

s = Nt/5 = 1.0 x 10-15/5 = 0.2 x 10-15

x = 0.9 x 10x = 0.9 x 10-15 -15 AA

NNtt = 1.0 x 10 = 1.0 x 10-15-15 A A

x = 0.9 x 10-15

S/N = x/s = 0.9 x 10-15/0.2 x 10-15 = 45

Signal-to-Noise

B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISE

Terdapat 2 tipe noise yg akan Terdapat 2 tipe noise yg akan mempengaruhi analisis:mempengaruhi analisis:• Chemical Noise

• Instrumental Noise

Chemical Noise - berasal dari banyak variabel yg mempengaruhi sifat kimia sistem yg diamati.Sumber chemical noise:

• Temperatur• Tekanan• Kelembaban• Interaksi kimia

Chemical Noise sangat tergantung pada metode yg digunakan (preparasi sampel, penyimpanan sampel, dll)

Signal-to-Noise

B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISE

Instrumental Noise - tiap komponen instrumen (sumber, input transducer, output transducer, dll.) berkontribusi pada noise total dalam sinyal analitik suatu instrumen.

• Thermal Noise• Shot Noise• Flicker Noise• Environmental Noise

Instrumental noise sangat kompleks dan sulit dikarakterisasi, hanya beberapa jenis saja yg bisa dimengerti.

Terdapat 2 tipe noise yg akan Terdapat 2 tipe noise yg akan mempengaruhi analisis:mempengaruhi analisis:• Chemical Noise

• Instrumental Noise

Signal-to-Noise

B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEInstrumental Noise

1. Thermal Noise

Disebabkan oleh perubahan termal dari elektron atau pembawa muatan lain dalam komponen elektronik (mis: resistor, kapasitor, radiation transducer, dll). Sering disebut juga : Sering disebut juga : Johnson NoiseJohnson Noise Thermal Noise tidak terjadi pada 0Thermal Noise tidak terjadi pada 0ooK K

(- 273(- 273ooC)C) Magnitude of Magnitude of thermal noise : thermal noise :

fkTRrms 4rmsrms= root-mean-square noise voltage = root-mean-square noise voltage

k = k = Boltzmann constant (1.38 x 10Boltzmann constant (1.38 x 10-23-23 J/K) J/K)

TT = Temperature (K) = Temperature (K)

RR = Resistance of a resistive element ( = Resistance of a resistive element () )

ff = frequency bandwidth (Hz) = frequency bandwidth (Hz)

Signal-to-Noise


1. Thermal Noise Magnitude of Magnitude of

thermal noise : thermal noise : fkTRrms 4

magnitude of thermal noise bergantung pada frequency bandwidth, bukan pada frequency sinyal.

f f bergantung pada response time dari suatu bergantung pada response time dari suatu

instrumeninstrumen..

rtf

3

1 ttrr = = response time response time

Cara untuk mereduksi thermal noise: Cara untuk mereduksi thermal noise: 1)1) Persempit bandwidth Persempit bandwidth 2)2) Kurangi jumlah resistive elementKurangi jumlah resistive element3)3) Kurangi temperatur komponen electronikKurangi temperatur komponen electronik

Signal-to-Noise


2. Shot NoiseDisebabkan oleh fluktuasi arue karena elektron melewati junction (tempat yg tidak semestinya). Magnitude of shot Magnitude of shot

noise : noise : iirmsrms = root-mean-square current fluctuations = root-mean-square current fluctuations

II = average direct current (A) = average direct current (A)

ee = charge of an electron e = charge of an electron e-- (1.60 x 10 (1.60 x 10-9-9 C) C)

ff = frequency bandwidth (Hz) = frequency bandwidth (Hz)

fIeirms 2

Signal-to-Noise


3. Flicker NoiseMerupakan kebalikan dari frekuensi dari sinyal.

tergantung pada frekuensi. tergantung pada frekuensi.

signifikan pada frekuensi < 100 Hz signifikan pada frekuensi < 100 Hz

dapat direduksi dengan penggunaan resistor dapat direduksi dengan penggunaan resistor khusus (metalik) khusus (metalik)

Signal-to-Noise


4. Environmental Noise

Kebanyakan berasal dari konduktor di Kebanyakan berasal dari konduktor di instrumen yg bertindak seolah-oleh seperti instrumen yg bertindak seolah-oleh seperti antena, melakukan “pick up” sinyal dari antena, melakukan “pick up” sinyal dari sumber listrik, radio transmitters, dll. sumber listrik, radio transmitters, dll.

Disebabkan oleh Disebabkan oleh induksiinduksi

– – aliran arus listrik melalui/dekat dengan aliran arus listrik melalui/dekat dengan sumber panas. sumber panas.

Cara untuk mereduksi environmental noise: Cara untuk mereduksi environmental noise: 1)1) pindahkan/jauhkan dari sumber noise. pindahkan/jauhkan dari sumber noise. 2)2) penggunaan sumber listrik yg stabil.penggunaan sumber listrik yg stabil.3)3) mengontrol temperatur ruanganmengontrol temperatur ruangan

Signal-to-Noise

C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT

•• Beberapa metode hanya memerlukan S/N minimal Beberapa metode hanya memerlukan S/N minimal (misal: MS)(misal: MS)

•• Jika suatu metode membutuhkan Jika suatu metode membutuhkan sensitivity dan sensitivity dan accuracy yg tinggi, S/N dapat dijadikan parameter accuracy yg tinggi, S/N dapat dijadikan parameter dalam precision. dalam precision.

•• Terdapat 2 jenis metode untuk meningkatkan Terdapat 2 jenis metode untuk meningkatkan S/N : S/N :

1)1) Hardware DevicesHardware Devices2)2) Software MethodsSoftware Methods

Signal-to-Noise

C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT1) Hardware Devices for S/N EnhancementHardware Devices for S/N Enhancement

Grounding, shielding, dan minimizing panjang Grounding, shielding, dan minimizing panjang sirkuit elektronik dalam instrumen untuk sirkuit elektronik dalam instrumen untuk mereduksi environmental electromagnetic mereduksi environmental electromagnetic noise.noise.

Difference and instrumentation amplifiersDifference and instrumentation amplifiers digunakan untuk mereduksi noise dalam digunakan untuk mereduksi noise dalam transducer. transducer. Analog filtersAnalog filters digunakan untuk memilih frekuensi. digunakan untuk memilih frekuensi.Jenis analog filters: a)Jenis analog filters: a) Low pass Low pass

filtersfilters b)b)High pass filtersHigh pass filters

c)c) Band pass filtersBand pass filters ModulationModulation – mengkonversi frekuensi sinyal – mengkonversi frekuensi sinyal

analitik analitik untuk menghilangkan untuk menghilangkan noise khusus. noise khusus.

Signal-to-Noise


a. Low Pass Filter

•• menghilangkan menghilangkan high frequency noisehigh frequency noise, seperti , seperti thermal noisethermal noise dan dan shot noiseshot noise, dan , dan mengijinkan mengijinkan low frequency signalslow frequency signals untuk untuk lewat.lewat.

•• digunakan dalam instrumen yg merekam digunakan dalam instrumen yg merekam low frequency analytical signalslow frequency analytical signals..

Raw DataRaw Data Filtered DataFiltered Data

Low Pass Filter

Signal-to-Noise


b. High Pass Filter•• menghilangkan menghilangkan low frequency noiselow frequency noise, seperti , seperti

flicker noiseflicker noise (1/ (1/ff), dan mengijinkan ), dan mengijinkan high high frequency signalsfrequency signals untuk lewat. untuk lewat.•• digunakan dalam instrumen yg merekam digunakan dalam instrumen yg merekam high frequency analytical signalshigh frequency analytical signals..

High PassFilter

Raw DataRaw Data

Time

i

Time

0

Filtered DataFiltered Data

Signal-to-Noise


c. Band Pass Filter•• menghilangkan semua frekuensi kecuali menghilangkan semua frekuensi kecuali

frekuensi yg diinginkan.frekuensi yg diinginkan.

•• merupakan gabungan dari merupakan gabungan dari low pass filterlow pass filter dan dan high pass filterhigh pass filter..

Band PassFilter

High Pass Low Pass 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.01 0.1 10 1.0 100 1000 10,000

Frequency, Hz

Rel

ativ

e S

ign

al

Signal-to-Noise


ModulationModulation – – mengkonversi mengkonversi low frequencylow frequency atau sinyal atau sinyal DC dari tranducer DC dari tranducer menjadi menjadi high frequencyhigh frequency..

Signal-to-Noise

C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT2) Software Methods for S/N EnhancementSoftware Methods for S/N Enhancement

Yang umum digunakan adalah :Yang umum digunakan adalah :

a.a. Ensemble averaging Ensemble averaging

b.b. Boxcar averaging Boxcar averaging

c.c. Digital filtering Digital filtering

1.1. Fourier transform Fourier transform

2.2. Least-squares polynomial Least-squares polynomial smoothingsmoothing

Metode ini diterapkan menggunakan Metode ini diterapkan menggunakan kecanggihan komputer yang digabungkan pada kecanggihan komputer yang digabungkan pada suatu insrumen. suatu insrumen.

Signal-to-Noise


a. Ensemble Averaging

n

SSN

n

SS

n

iix

n

ii

x

1

2

1 )noise rms( AND

DimanaDimana SSxx = average signal (point) = average signal (point)

SSii = individual measurement of the = individual measurement of the

signalsignal

nn = number of measurements = number of measurements

sehingga:sehingga:

n

iix

x

n

iix

xx

SS

Sn

n

SS

S

N

S

1

2

1

2

Signal-to-Noise



Average of Sixteen Spectra

0.0

0.5

1.0

1.5

0 100 200 300 400 500 600Time (s)

Sign

al

S N S/N 0.90 0.070 12.81

A Single Spectrum

0.0

0.5

1.0

1.5

0 100 200 300 400 500 600

Time (s)

Sign

al

S N S/N 0.91 0.289 3.14

56.1214.316N

Sn

N

S

1

1x

Signal-to-Noise



Contoh :pH dari suatu sampel cairan diukur berulang dengan hasil sebagai beikut:

7.034, 7.047, 7.012, 7.041, 7.026,

7.038

Hitung S/N untuk data pengukuran tersebut!

Signal-to-Noise



Jawab :

No. Si Sx-Si (Sx-Si)2

1 7.034 -0.001 0.000001

2 7.047 -0.014 0.000196

3 7.012 0.021 0.000441

4 7.041 -0.008 0.000064

5 7.026 0.007 0.000049

6 7.038 -0.005 0.000025

∑ ∑ = 42.198 ∑∑ = 0.000776

033.76

198.42

n

SS i

x

6

000776.02

n

SSN ix

011372.0

4.618011372.0

033.7

N

S x

Signal-to-Noise

C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT

b. Boxar Averaging

•• digunakan untuk digunakan untuk sinyal kompleks yg sinyal kompleks yg berubah cepat berubah cepat terhadap waktu.terhadap waktu.

2) Software Methods for S/N Software Methods for S/N EnhancementEnhancement

Signal-to-Noise


c. Digital FilteringFourier Transformmengkonversi data waktu mengkonversi data waktu

menjadi frekuensi.menjadi frekuensi.

Signal-to-Noise


c. Digital FilteringLeast-squares polynomial smoothing

Mereduksi high frequency noise menjadi Mereduksi high frequency noise menjadi bentuk low frequency.bentuk low frequency.

ANALISIS INSTRUMEN ANALISIS INSTRUMEN II

PENDAHULUAN SPEKTROSKOPI

Materi Materi selanjutnya……….selanjutnya……….

5. Signal Dan Noise

Documents

Transcript of 5. Signal Dan Noise