Sistem Pengolahan Sinyal

Pengolahan sinyal adalah spesialisasi dalam teknik elektro yang mempelajari dan mengembangkan metode (algoritma) manipulasi, analisa dan interpretasi sinyal. Meskipun termasuk dalam spesialisasi dalam teknik elektro, diluar ilmu ilmu dalam teknik elektro, pengolahan sinyal berkaitan erat juga dengan statistik, teori informasi dan matematika terapan. 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. Blok Diagram Sistem Pengolahan SinyalA/D konverter D/A konverter

X(t)

HPf(s)

Digital Filter

Hre(s)

Tujuan Pengolahan Sinyal Tujuan dilakukannya pengolahan sinyal bisa berbeda-beda, diantaranya adalah 1. penapisan signal, untuk memisahkan suatu sinyal yang tercampur dengan derau atau sinyal lain yang tidak diperlukan. Misal, ketika kita mengukur gelombang laut dengan alat yang bernama waverecorder, maka sinyal yang didapatkan sebenarnya adalah kombinasi 'sinyal' gelombang dan 'sinyal' pasang surut. Penapisan signal dapat dilakukan untuk meisahkan kedua sinyal tersebut. 2. Pendeteksian Signal, untuk mengetahui keberadaan suatu sinyal dalam sinyal kompleks yang diolah. Contoh, dalam sinyal EKG misalnya terkadang pengetahuan tentang keberadaan gelombang QRS diperlukan. 3. Kompresi Signal, untuk memperkecil ukuran sinyal tanpa harus kehilangan informasi yang terdapat pada sinyal. Contoh, untuk dapat menggunakan bandwidth yang tersedia, maka sinyal yang akan ditranfer lewat internet biasanya akan dikompres terlebih dahulu. 4. pengenalan pola 5. restorasi signal dan rekonstruksi signal

Sinyal Analog & Sinyal Digital Sinyal adalah suatu isyarat untuk melanjutkan atau meneruskan suatu kegiatan. Biasanya sinyal ini berbentuk tanda-tanda, lampu-lampu, suara-suara, dll. Dalam kereta api, misalnya, sinyal berarti suatu tanda untuk melanjutkan atau meneruskan perjalanan ke tempat/stasiun berikutnya, dan biasanya sinyal ini dikirimkan oleh stasiun yang terkait. Dalam dunia elektronika, dikenal dua macam sinyal yaitu sinyal analog dan sinyal digital. 1. Sinyal analog bekerja dengan mentransmisikan suara dan gambar dalam bentuk gelombang kontinu (continous varying).

Dua parameter/karakteristik terpenting yang dimiliki oleh isyarat analog adalah amplitude dan frekuensi. Isyarat analog biasanya dinyatakan dengan gelombang sinus, mengingat gelombang sinus merupakan dasar untuk semua bentuk isyarat analog. Hal ini didasarkan kenyataan bahwa berdasarkan analisis fourier, suatu sinyal analog dapat diperoleh dari perpaduan sejumlah gelombang sinus. Dengan menggunakan sinyal analog, maka jangkauan transmisi data dapat mencapai jarak yang jauh, tetapi sinyal ini mudah terpengaruh oleh noise. Gelombang pada sinyal analog yang umumnya berbentuk gelombang sinus memiliki tiga variable dasar, yaitu amplitudo, frekuensi dan phase.

Amplitudo merupakan ukuran tinggi rendahnya tegangan dari sinyal analog. Frekuensi adalah jumlah gelombang sinyal analog dalam satuan detik. Phase adalah besar sudut dari sinyal analog pada saat tertentu.(wikipedia) Salah satu contoh sinyal analog yang paling mudah adalah suara.

2. Sinyal digital merupakan hasil teknologi yang dapat mengubah signal menjadi kombinasi urutan bilangan 0 dan 1 (juga dengan biner), sehingga tidak mudah terpengaruh oleh derau, proses informasinya pun mudah, cepat dan akurat, tetapi transmisi dengan sinyal digital hanya mencapai jarak jangkau pengiriman data yang relatif dekat.

Biasanya sinyal ini juga dikenal dengan sinyal diskret. Sinyal yang mempunyai dua keadaan ini biasa disebut dengan bit. Bit merupakan istilah khas pada sinyal digital. Sebuah bit dapat berupa nol (0) atau satu (1). Kemungkinan nilai untuk sebuah bit adalah 2 buah (2^1). Kemungkinan nilai untuk 2 bit adalah sebanyak 4 (2^2), berupa 00, 01, 10, dan 11. Secara umum, jumlah kemungkinan nilai yang terbentuk oleh kombinasi n bit adalah sebesar 2^n buah. System digital merupakan bentuk sampling dari sytem analog. digital pada dasarnya di codekan dalam bentuk biner (atau Hexa). besarnya nilai suatu system digital dibatasi oleh lebarnya / jumlah bit (bandwidth). jumlah bit juga sangat mempengaruhi nilai akurasi system digital. Signal digital ini memiliki berbagai keistimewaan yang unik yang tidak dapat ditemukan pada teknologi analog yaitu :

Mampu mengirimkan informasi dengan kecepatan cahaya yang dapat membuat informasi dapat dikirim dengan kecepatan tinggi. Penggunaan yang berulang ulang terhadap informasi tidak mempengaruhi kualitas dan kuantitas informsi itu sendiri. Informasi dapat dengan mudah diproses dan dimodifikasi ke dalam berbagai bentuk. Dapat memproses informasi dalam jumlah yang sangat besar dan mengirimnya secara interaktif. Pengolahan sinyal digital memerlukan komponen-komponen digital, register, counter, decoder, mikroprosessor, mikrokontroler dan sebagainya. Saat ini pengolahan sinyal banyak dilakukan secara digital, karena kelebihannya antara lain : 1. untuk menyimpan hasil pengolahan, sinyal digital lebih mudah dibandingkan sinyal analog. Untuk menyimpan sinyal digital dapat menggunakan media digital seperti CD, DVD, Flash Disk, Hardisk. Sedangkan media penyimpanan sinyal analog adalah pita tape magnetik. 2. lebih kebal terhadap noise karena bekerja pada level 0 dan 1. 3. lebih kebal terhadap perubahan temperatur. 4. lebih mudah pemrosesannya.

Nah, Sinyal digital inilah yang bisa dibaca oleh perangkat digital kita (mikrokontroler,komputer). Agar sinyal analog dapat diolah oleh komputer, maka harus dirubah dulu menjadi sinyal digital Pengolahan Sinyal Analog dan Digital Lazimnya sinyal yang dijumpai dalam bidang sains dan teknologi merupakan sinyal analog, dengan demikian sinyal tersebut merupakan fungsi dari satu atau beberapa pengubah kontinu. Sinyal analog ada yang diproses secara langsung dengan menggunakan sistem pengolahan sinyal analog khusus (semisalnya untuk penapis, penganalisis frekuensi atau pengali frekuensi), dalam hal ini masukan dan keluaran dari sistem tersebut berbentuk analog.Sistem tersebut dapat dijelaskan dengan blok diagram gambar 2.1

Pengolahan sinyal digital merupakan metode alternatif dalam pengolahan sinyal analog. Pengolahan sinyal secara digital memerlukan antar muka antara sinyal analog dan pengolah sinyal digital (digital signal processor) yaitu berupa pengubah data analog ke digital atau Analog to Digital Converter (ADC). Keluaran dari ADC (berupa sinyal digital) diumpankan ke pengolah sinyal digital ang akan memproses sinyal tersebut, hasilnya (yang juga berupa sinyal digital) kemudian melalui pengubah data digital ke analog atau Digital to Analog Converter (DAC) sinyal digital dikembalikan ke bentuk analog. Sistem di atas dapat dijelaskan dengan blok diagram gambar 2.2.

ADC (Analog To Digital Converter) ADC adalah kepanjangan dari Analog To Digital Converter yang berfungsi untuk mengubah input analog menjadi kode kode digital. ADC banyak digunakan sebagai Pengatur proses industri, komunikasi digital dan rangkaian pengukuran/atau pengujian.Umumnya ADC digunakan sebagai perantara antara sensor yang kebanyakan analog dengan sistim komputer seperti sensor suhu, cahaya, tekanan atau berat, aliran dan sebagainya kemudian diukur dengan menggunakan sistim digital (komputer).

Secara singkat prinsip kerja dari konverter A/D adalah semua bit-bit diset kemudian diuji, dan bilamana perlu sesuai dengan kondisi yang telah ditentukan. Dengan rangkaian yang paling cepat, konversi akan diselesaikan sesudah 8 clock, dan keluaran D/A merupakan nilai analog yang ekivalen dengan nilai register SAR. Apabila konversi telah dilaksanakan, rangkaian kembali mengirim sinyal selesai konversi yang berlogika rendah. Sisi turun sinyal ini akan menghasilkan data digital yang ekivalen ke dalam register buffer. Dengan demikian, keluaran digital akan tetap tersimpan sekalipun akan di mulai siklus konversi yang baru Proses pengubahan ini dikenal juga dengan nama sistem akusisi data. Terdapat empat macam ADC yang memenuhi standar industri, yaitu integrating, tracking converter, successive approximation dan flash/paralel. Keempat jenis ADC tersebut mewakili beberapa macam pertimbangan diantaranya resolusi, kecepatan konversi dan biaya. Menurut cara pengkonversiannya, ADC dapat dikelompokkan kedalam beberapa jenis yaitu : 1.Tipe Integrating Tipe Integrating menawarkan resolusi tertinggi dengan biaya terendah. ADC tipe ini tidak dibutuhkan rangkaian sample hold. Tipe ini memiliki kelemahan yaitu waktu konversi yang agak lama, biasanya beberapa milidetik. 2.Tipe Tracking Tipe tracking menggunakan prinsip up down counter (pencacah naik dan turun). Binary counter (pencacah biner) akan mendapat masukan clock secara kontinyu dan hitungan akan bertambah atau berkurang tergantung pada kontrol dari pencacah apakah sedang naik (up counter) atau sedang turun (down counter). ADC tipe ini tidak menguntungkan jika dipakai pada sistem yang memerlukan waktu konversi masukan keluaran singkat, sekalipun pada bagian masukan pada tipe ini tidak memerlukan rangkaian sample hold. ADC tipe ini sangat tergantung pada kecepatan clock pencacah, semakin tinggi nilai clock yang digunakan, maka proses konversi akan semakin singkat.

3.Tipe flash atau paralel Tipe ini dapat menunjukkan konversi secara lengkap pada kecepatan 100 MHz dengan rangkaian kerja yang sederhana. Sederetan tahanan mengatur masukan inverting dari tiap-tiap konverter menuju tegangan yang lebih tinggi dari konverter sebelumnya, jadi untuk tegangan masukan Vin, dengan full scale range, komparator dengan bias dibawah Vin akan mempunyai keluaran rendah. Keluaran komparator ini tidak dalam bentuk biner murni. Suatu dekoder dibutuhkan untuk membentuk suatu keluaran yang biner. Beberapa komparator berkecepatan tinggi, dengan waktu tunda (delay) kurang dari 6 ns banyak digunakan, karena itu

dihasilkan kecepatan konversi yang sangat tinggi. Jumlah komparator yang dibutuhkan untuk suatu konversi n bit adalah 2^n 1. 4.Tipe successive approximation Tipe successive approximation merupakan suatu konverter yang paling sering ditemui dalam desain perangkat keras yang menggunakan ADC. Tipe ini memiliki kecepatan konversi yang cukup tinggi, meskipun dari segi harga relatif mahal. Prinsip kerja konverter tipe ini adalah, dengan membangkitkan pertanyaan-pertanyaan yang pada intinya berupa tebakan nilai digital terhadap nilai tegangan analog yang dikonversikan. Apabila resolusi ADC tipe ini adalah 2^n maka diperlukan maksimal n kali tebakan.Sinyal digital merupakan sinyal yang bersifat diskrit/dapat dihitung banyak jumlahnya (jumlahnya berhingga). Sinyal ini dapat direpresentasikan dengan digit. Artinya sinyal ini dapat dibuat ke dalam bentuk bilangan binari 0 atau 1. Sinyal digital merupakan sinyal yang bersifat diskrit/dapat dihitung banyak jumlahnya (jumlahnya berhingga). Sinyal ini dapat direpresentasikan dengan digit. Artinya sinyal ini dapat dibuat ke dalam bentuk bilangan binari 0 atau 1. Sedangkan sinyal analog merupakan sinya yang bersifat kontinu/terus menerus sehingga tidak dapat dihitung banyak jumlahnya (karena banyak jumlahnya adalah tak berhingga).

Konverter Digital ke Analog (DAC) Sebuah DAC menerima informasi digital dan mentransformasikannya ke dalam bentuk suatu tegangan ananlog. Informasi digital adalah dalam bentuk angka biner dengan jumlah digit yang pasti. Khususnya ketika dipergunakan sebagai penghubung dengan sebuah komputer, angka biner ini disebut word biner atau word komputer. Digit-digit tersebut disebut bit word. Sehingga, sebuah word 8 bit akan memberikan sebuah angka biner yang memiliki delapan digit, seperti 101101102. Konverter D/A mengonversi sebuah word digital ke dalam sebuah tegangan analog dengan memberikan skala output analog berharga nol ketika semua bit adalah nol dan sejumlah nilai maksmum ketika semua bit adalah satu. Hal ini dapat direpresentasikan secara matematis dengan memperlakukan angka biner sebagai angka pecahan. Dalam konteks ini, output dari konverter D/A dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan (3.1) yang memberikan skala dari sejumlah tegangan referensi.

Vx = VR [b121 + b22 2 + . . . + bn2 n ] (3-3) Dimana Vx = output tegangan analog

VR = tegangan referensi b1 b2 . . . bn = word biner n-bit Perlu diketahui bahwa minimum dari Vx adalah nol, dan harga maksimum ditentukan oleh ukuran dari word biner, karena dengan semua bit yang diset berharga satu, ekivalen desimal mendekati harga VR sesuai dengan peningkatan jumah bit. Sehingga sebuah word 4-bit memiliki harga maksimum Vmax = VR [21 + 2 2 + 2 3+ 2 4 ] = 09375 VR Sedangkan sebuah word 8-bit mamiliki harga maksimum Vmax = VR [21 + 2 2 + 2 3 + 2 4+ 25 + 2 6 + 2 7+ 2 8 ] = 09961 VR

RESOLUSI KONVERSI Resolusi konversi juga merupakan sebuah fungsi jumlah dari bit-bit yang ada dalam word. Lebih banyak bit, lebih kecil perubahan di dalam output analog untuk perubahan 1-bit di dalam word biner sehingga resolusi semakin besar. Perubahan terkecil yang mungkin terjadi secara sederhana dinyatakan oleh

Vx = VR 2 n

(3-4)

Dimana Vx = perubahan output terkecil VR = tegangan referensi n = jumlah bit-bit di dalam word sehingga, sebuah konverter D/A word 5-bit dengan tegangan revferensi 10 volt akan menghasilkan perubahan sebesar Vx = (10) (2 5) = 0.3125 volt per volt.

KARAKTERISTIK DAC Untuk aplikasi modern hampir semua DAC berupa rangkaian terintegrasi (IC), yang diperlihatkan sebagai kotak hitam memiliki karakteristik input dan output tertentu. Dalam Gambar 3.6, kita lihat elemen penting dari DAC dengan input dan output yang diinginkan. Karakteristik yang berkaitan dapat diringkas oleh referensi dari gambar ini. 1. Input Digital. Secara khusus, jumlah bit dalam sebuah word biner paralel disebutkan di dalam lembar spesifikasi. Biasanya, level logika TTL dipergunakan kecuali dikatakan lain. 2. Catu Daya. Merupakan bipolar pada level 12 V hingga 18 V seperti yang dibutuhkan oleh amplifier internal. 3. Suplai Referensi. Diperlukan untuk menentukan jangkauan tegangan output dan resolusi dari konverter. Suplai ini harus stabil, memiliki riple yang kecl. Dalam beberapa unit, diberikan referensi internal. 4. Output. Sebuah tegangan yang merepresentasikan input digital. Tegangan ini berubah dengan step sama dengan perubahan bit input digital dengan step yang ditentukan oleh Persamaan (3-4). Output aktual dapat berupa bpolar jika konverter didesain untuk menginterpretasikan input digital negatif. 5. Offset. Karena DAC biasanya diimplementasikan dengan op-amp, maka mungkin adanya tegangan output offset dengan sebuah input nol. Secara khusus, koneksi akan diberikan untuk mendukung pengesetan ke harga nol dari output DAC dengan input word nol.

6. Mulai konversi. Sejunlah rangkaian DAC memberikan sebuah logika input yang mempertahankan konversi dari saat terjadinya hingga diterimanya sebuah perintah logika tertentu (1 atau 0). Dalam ini, word input digital diabaikan hingga diterimanya input logka tertentu. Dalam sejumlah hal, sebuah buffer input diberikan untuk memegang (hold) word digital selama dilakukannya konversi hingga selesai, bahkan word ini sendiri dapat muncuk pada jalur input hanya dalam waktu singkat. Buffer-buffer ini biasanya 40berupa flip-flop (FF) yang yang dimasukkan di antara terminal-terminal input dari konverter dan jalur digital. Filter Filter adalah adalah sebuah rangkaian yang dirancang agar melewatkan suatu pitra frekuensi tertentu seraya memperlemah semua isyarat di luar pita ini. Pengertian lain dari filter adalah rangkaian pemilih frekuensi agar dapat melewatkan frekuensi yang diinginkan dan menahan (couple)/membuang (by pass) frekuensi lainnya. Jenis jenis filter Low Pass Filter adalah jenis filter yang melewatkan frekuensi rendah serta meredam/menahan frekuensi tinggi. Bentuk respon LPF seperti ditunjukkan gambar di bawah ini.

High Pass Filter adalah jenis filter yang melewatkan frekuensi tinggi dan meredam frekuensi rendah

Band pass filter (tapis lolos pita) = membagi kedua komponen frekwensi atas maupun bawah dan meneruskan komponen frekuensi tangan

bandstop filter (tapis tengah pita) = membuang frekuensi tengah, dan meneruskan komponen frekuensi, atas dan bawah

Tapis digital dapat pula dikategorikan berdasarkan tanggap impulsnya, yaitu: a. Tapis tanggap impuls tak hingga (Infinite impulse response, IIR filter) b. Tapis tanggap impuls berhingga (Finite impulse response, FIR filter)

Keuntungan utama dari tapis IIR adalah dengan struktur orde yang relatif rendah dapat memperoleh karakteristik frekuensi pancung (cutoff) yang tajam. Di lain pihak keuntungan dari tapis FIR adalah mempunyai karakteristik fase linear yang tepat. Keempat tipe tapis, yaitu: lolos atas, lolos bawah, lolos pita maupun cegah pita, dapat direalisasikan dengan kategori IIR maupun FIR.