Ida Bagus Gede Putra Pratama

10/300429/PA/13251

Teknik Antarmuka (Analog to Digital Converter)Perangkat elektronika modern kebanyakan melakukan pengolahan data secara digital. Karena sinyal pada umumnya secara alamiah merupakan sinyal analog, maka keberadaan peranti pengubah (konversi) data dari analog ke digital, dan sebaliknya menjadi sangat vital. Sebuah pengubah analog-ke-digital (analog-to-digital converter, disingkat ADC) adalah sebuah alat yang mengubah sinyal berkelanjutan menjadi angka digital terpisah. Biasanya, sebuah ADC mengubah sebuah voltase ke sebuah angka digital.

Sistem Pengolahan Sinyal Digital

Proses pengolahan sinyal digital, diawali dengan proses mengubah sinyal masukan yang berupa sinyal analog. Proses ini mengubah representasi sinyal yang tadinya berupa sinyal analog menjadi sinyal digital. Proses ini dilakukan oleh suatu unit ADC (Analog to Digital Converter).

Unit ADC ini terdiri dari sebuah bagian Sample/Hold dan sebuah bagian quantiser. Unit sample/hold merupakan bagian yang melakukan pengubahan orde ke-0, yang berarti nilai masukan selama kurun waktu T dianggap memiliki nilai yang sama. pengubahan dilakukan setiap satu satuan waktu yang lazim disebut sebagai waktu peubah (sampling time). Bagian quantiser akan merubah menjadi beberapa level nilai, pembagian level nilai ini bisa secara uniform ataupun secara non-uniform misal pada Gaussian quantiser.

Unjuk kerja dari suatu ADC bergantung pada beberapa parameter, parameter utama yang menjadi pertimbangan adalah sebagai berikut :

1. Kecepatan maksimum dari waktu cuplik.

2. Kecepatan ADC melakukan konversi.

3. Resolusi dari quantiser, misal 8 bit akan mengubah menjadi 256 tingkatan nilai.

4. Metoda kuantisasi akan mempengaruhi terhadap kekebalan noise.

Sinyal input asli yang tadinya berupa sinyal analog, x(T) akan diubah dan diquantise sehingga menjadi sinyal digital x(kT). Dalam representasi yang baru inilah sinyal diolah.

Keuntungan dari metoda ini adalah pengolahan menjadi mudah dan dapat memanfaatkan program sebagai pengolahnya. Dalam proses sampling ini diasumsikan kita menggunakan waktu cuplik yang sama dan konstan, yaitu Ts. Parameter cuplik ini menentukan dari frekuensi harmonis tertinggi dari sinyal yang masih dapat ditangkap oleh proses cuplik ini. Frekuensi sampling minimal adalah 2 kali dari frekuensi harmonis dari sinyal.

Untuk mengurangi kesalahan cuplik maka lazimnya digunakan filter anti-aliasing sebelum dilakukan proses pencuplikan. Filter ini digunakan untuk meyakinkan bahwa komponen sinyal yang dicuplik adalah benar-benar yang kurang dari batas tersebut. Sebagai ilustrasi, proses pencuplikan suatu sinyal digambarkan pada gambar berikut ini. Setelah sinyal diubah representasinya menjadi deretan data diskrete, selanjutnya data ini dapat diolah oleh prosesor menggunakan suatu algoritma pemrosesan yang diimplementasikan dalam program. Hasil dari pemrosesan akan dilewatkan ke suatu DAC (Digital to Analog Converter) dan LPF (Low Pass Filter) untuk dapat diubah menjadi sinyal kontinyu kembali. Secara garis besar, blok diagram dari suatu pengolahan sinyal digital adalah sebagai berikut :

Proses pengolahan sinyal digital dapat dilakukan oleh prosesor general seperti halnya yang lazim digunakan di personal komputer, misal processor 80386, 68030, ataupun oleh prosesor RISC seperti 80860. Untuk kebutuhan pemrosesan real time, dibutuhkan prosesor yang khusus dirancang untuk tujuan tersebut, misal ADSP2100, DSP56001, TMS320C25, atau untuk kebutuhan proses yang cepat dapat digunakan paralel chip TMS320C40. Chip-chip DSP ini memiliki arsitektur khusus yang lazim dikenal dengan arsitektur Harvard, yang memisahkan antara jalur data dan jalur kode. Arsitektur ini memberikan keuntungan yaitu adanya kemampuan untuk mengolah perhitungan matematis dengan cepat, misal dalam satu siklus dapat melakukan suatu perkalian matrix. Untuk chip-chip DSP, instruksi yang digunakan berbeda pula. Lazimnya mereka memiliki suatu instruksi yang sangat membantu dalam perhitungan matrix, yaitu perkalian dan penjumlahan dilakukan dalam siklus (bandingkan dengan 80386, proses penjumlahan saja dilakukan lebih dari 1 siklus mesin).

Fungsi Transfer Ideal Konverter Analog-ke-DigitalSecara teoritis, fungsi transfer ideal untuk ADC berbentuk garis lurus. Bentuk ideal garis lurus hanya dapat dicapai dengan konverter data beresolusi tak-hingga. Karena tidak mungkin mendapatkan resolusi tak hingga, maka secara praktis fungsi tranfer ideal tersebut berbentuk gelombang tangga seragam. Semakin tinggi resolusi ADC, semakin halus gelombang tangga tersebut.

ADC ideal secara unik dapat merepresentasikan seluruh rentang masukan analog tertentu dengan sejumlah kode keluaran digital. Pada gambar 1 ditunjukkan bahwa setiap kode digital merepresentasikan sebagian dari rentang masukan analog total. Oleh karena skala analog bersifat kontinyu sedangkan kode digital bersifat diskrit, maka ada proses kuantisasi yang menimbulkan kekeliruan (galat). Apabila jumlah kode diskritnya (yang mewakili rentang masukan analog) ditambah, maka lebar undak (step width) akan semakin kecil dan fungsi transfer akan mendekati garis lurus ideal.

Lebar satu undak (step) didefinisikan sebagai 1 LSB (least significant bit) dan unit ini digunakan sebagai unit rujukan untuk besaran-besaran lain dalam spesifikasi peranti konversi data. Unit 1 LSB itu juga digunakan untuk mengukur resolusi konverter karena ia juga menggambarkan jumlah bagian atau unit dalam rentang analog penuh.

Resolusi ADC selalu dinyatakan sebagai jumlah bit-bit dalam kode keluaran digitalnya. Misalnya, ADC dengan resolusi n-bit memiliki 2n kode digital yang mungkin dan berarti juga memiliki 2n tingkat undak (step level). Meskipun demikian, karena undak pertama dan undak terakhir hanya setengah dari lebar penuh, maka rentang skala-penuh (FSR, full-scale range) dibagi dalam (2n-1) lebar undak. Karenanya,

1 LSB = FSR/(2n-1)untuk konverter n-bit.

Sampling

Teknik ini memungkinkan perubahan sinyal analog menjadi bit-bit digital. Teknik itu disebut teknik sampling. Jika telah menjadi sinyal digital maka sinyal ini jauh lebih baik, sedikit noisenya dan juga dapat diproses dengan mudah. Digital Signal Prosessing merupakan perkembangan dari teknik ini yang memungkinkan kita membentuk sample-sample yang berupa suara seperti yang ada pada keyboard, syntitizer, Audio Prosessing, dll.

Pada dasarnya semua suara audio, baik vokal maupun bunyi tertentu merupakan suatu bentukan dari getaran. Ini menandakan semua audio memiliki bentuk gelombangnya masing-masing. Umumnya bentukan gelombangnya disebut dengan sinyal analog. Sinyal analog adalah sinyal yang bentuknya seperti pada Gambar dibawah. Namun sebuah teknik memungkinkan sinyal ini diubah dan diproses sehingga menjadi lebih baik.

Proses sampling

Pada proses ini terjadi suatu pencuplikan dari bentukan sinyal analog. Pencuplikan dilakukan pada bagian-bagian sinyal analog. Ini dilakukan dengan sinyal-sinyal sample. Ada suatu aturan tertentu dari sinyal ini. Teori Shannon menyatakan frekuensi sinyal ini paling sedikit adalah 2 kali frekuensi sinyal yang akan disampling (sinyal analog). Ini adalah batas minimum dari frekuensi sample agar nantinya cuplikan yang diambil menunjukkan bentukan sinyal yang asli (analog). Lebih besar tentunya lebih baik, karena cuplikan akan lebih menggambarkan sinyal yang asli. Setelah dilakukan proses ini maka terbentuklah suatu sinyal analog-diskrit yang bentuknya menyerupai aslinya namun hanya diambil diskrit-diskrit saja.Sampling frequency (sampling rate), sampling periode dan nyquist frequencyTingkat sampling, sample rate, atau frekuensi sampling (fs) berfungsi untuk mendefinisikan jumlah sampel per unit waktu (biasanya detik ) diambil dari sinyal kontinu untuk membuat sinyal diskrit . Untuk waktu-domain sinyal, unit untuk sampling rate adalah hertz (s-1), kadang-kadang tercatat sebagai Sa/s (sampel per detik). Kebalikan dari frekuensi sampling adalah periode sampling atau sampling interval, yang adalah waktu antara sampel. Sampling rate menentukan rentang frekuensi suara (sesuai dengan pitch) yang dapat direpresentasikan dalam bentuk gelombang digital. Kisaran frekuensi yang direpresentasikan dalam bentuk gelombang sering disebut bandwidth. Bentuk gelombang sampel pada sampling rate yang tinggi dapat mewakili berbagai frekuensi dan karenanya cukup lebar. Bahkan, bandwidth maksimum gelombang sampel ditentukan persis dengan sampling rate-nya, yang representable frekuensi maksimum dalam bentuk gelombang sampel disebut frekuensi Nyquist, dan sama dengan satu setengah laju sampling. Jadi, misalnya, bentuk gelombang sampel pada 16.000 Hz dapat mewakili semua frekuensi hingga frekuensi Nyquist atas 8.000 Hz.Sebuah masalah yang disebut aliasing terjadi ketika sinyal menjadi sampel mengandung energi pada frekuensi di atas frekuensi sampling Nyquist. Gambar berikut menggambarkan bagaimana aliasing akan terjadi ketika sampling rate jauh terlalu rendah untuk frekuensi dari sinyal masukan. Kurva padat mewakili sinyal analog pada frekuensi yang relatif tinggi. Lingkaran menunjukkan dimana sampel diambil dengan sampling rate yang relatif rendah. Garis putus-putus menggambarkan frekuensi tampak dari bentuk gelombang sampel, menyelesaikan sekitar dua siklus dalam periode itu sinyal asli menyelesaikan 20 siklus.

Jelas, aliasing memiliki efek memproduksi suara dari frekuensi yang lebih rendah dari suara yang lebih tinggi dalam frekuensi dari frekuensi Nyquist. Setelah aliasing telah terjadi, benar-benar mustahil untuk membedakan komponen yang dihasilkan oleh aliasing dari satu yang benar-benar hadir dalam sinyal input. Efek ini adalah salah satu sumber paling umum dari distorsi dalam bentuk gelombang digital. Untungnya, paling modern perangkat keras komputer untuk suara digitalisasi memiliki filter builtin yang sesuai untuk menghapus energi suara pada frekuensi di luar frekuensi Nyquist untuk apa sampling rate yang digunakan.