Digital Signal Processing
Dosen : Totok Chamidy, M.Kom
Oleh :
Teguh Santoso (08650051)
JURUSAN TEKNIK INFORMATIKA FAKULTAS SAINTEK UNIVERSITAS ISLAM NEGERI (UIN) MAULANA MALIK IBRAHIM MALANG
APRIL 2010
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Dalam dekade terakhir ini, kita menyaksikan revolusi besar-besaran Teknologi Komputer dan ledakan dalam berbagai macam aplikasi yang mudah digunakan (userfriendly applications). Revolusi ini masih berlanjut hingga saat ini dengan sistem komputer personal yang harganya relatif lebih murah dibandingkan dengan sebuah server workstation yang mahal. Teknologi ini sudah seharusnya dimanfaatkan untuk meningkatkan proses pembelajaran sedemikian hingga menghasilkan proses pembelajaran yang efektif.
Pada jaman ini, ketika kita menelpon kebanyakan perusahaan besar, seseorang biasanya tidak menjawab telepon tersebut. Sebaliknya, jawabannya adalah rekaman suara otomatis jawaban dan memerintahkan anda untuk menekan tombol melalui pilihan menu. Seringkali Anda bisa berbicara kata-kata tertentu (sekali lagi, seperti yang diperintahkan oleh rekaman) untuk mendapatkan apa yang Anda butuhkan. Sistem yang membuat hal ini mungkin adalah jenis program pengenalan suara - sebuah sistem telepon otomatis. Anda juga dapat menggunakan perangkat lunak pengenalan suara di rumah-rumah dan bisnis. Berbagai produk perangkat lunak yang memungkinkan pengguna untuk mendikte komputer dan memiliki kata-kata untuk dikonversikan ke teks dalam pengolah kata atau e-mail dokumen. Anda dapat mengakses perintah fungsi, seperti membuka file dan mengakses menu, dengan petunjuk suara. Orang-orang cacat yang membuat mereka tidak dapat mengetik juga telah mengadopsi sistem pengenalan ucapan. Jika seorang pengguna telah kehilangan fungsi tangannya, atau bagi pengguna tunanetra jika tidak mungkin atau mudah untuk menggunakan keyboard Braille, sistem memungkinkan ekspresi pribadi melalui dikte dan juga kontrol dari banyak tugas komputer.
Perkembangan teknologi yang semakin pesat telah banyak membawa pengaruh dalam berbagai bidang kehidupan. Termasuk didalamnya penggunaan sinyal digital dalam pengolahan sinyal suara. Suara manusia yang ditangkap oleh mikrofon menghasilkan sinyal listrik yang dapat diolah lagi menjadi sinyal suara. Sinyal analog hasil tanggapan dari mikrofon, dapat dilakukan pengolahan secara digital. Masalah yang seringkali muncul adalah suara yang dihasilkan speaker hasil dari tanggapan mikrofon, tidak sesuai dengan yang diharapkan. Terkadang kualiatasnya jauh dibawah dari kualitas sumber suara.
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Digital Signal Processing
Pemrosesan Sinyal Digital telah digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dalam berbagai bidang aplikasi seperti komunikasi, pencitraan medis, radar dan sonar, telepon, TV digital, faksimil, multimedia dan lain sebagainya. Keistimewaan dari Pemrosesan Sinyal Digital (PSD) diantaranya adalah sebagai berikut:
1. Versality (Serbaguna)
- Sistem digital dapat dengan mudah diprogram-ulang untuk berbagai macam aplikasi
- Sistem digital dapat dihubungkan dengan perangkat keras yang berbeda
- Bekerja pada dunia digital mempermudah meningkatkan pemrosesan sinyal
2. Repeatability and tenacity (pengulangan dan ketahanan)
- Sistem digital dapat dengan mudah diproduksi secara missal
- Sistem digital tidak tergantung pada batas ketelitian komponen
- Reaksi dalam sistem digital tidak terpengaruh oleh suhu
- Sinyal digital bisa dikirim lebih jauh dari sinyal analog tanpa kerusakan data
- Sinyal digital dapat diduplikasi secara sempurna, misalnya data lagu atau video dalam bentuk keeping cd, sangat memungkinkan untuk membuat duplikat dengan kualitas sama seperti aslinya, dibanding dengan salinan analog (misal pita kaset) yang akan menurun kualitasnya setelah disalin
3. Simplicity (Kesederhanaan)
- Beberapa hal dapat dikerjakan lebih mudah secara digital daripada secara analog
- Proses filterisasi atau pembersihan sinyal analog membutuhkan komponen yang banyak dan mahal sedangkan filterisasi secara digital dibuat dengan program yang fleksibel
Digital Signal Processing adalah sebuah metode untuk memproses sinyal analog (diwakili oleh rangkaian bilangan) menggunakan teknik matematis untuk melakukan transformasi atau mengambil informasi. Atau definisi lain yang bagus: metode untuk memproses sinyal analog pada domain digital.
Sinyal analog: yang kita rasakan, misal bunyi, cahaya, suhu, tekanan, tegangan listrik.
Sinyal digital: diwakili bilangan 0 dan 1 (biner)
Urutan sistem biasanya seperti ini: Sinyal analog » transducer » ADC » prosesing » DAC » sinyal analog
Hasilnya adalah suara yang bersih, tanpa echo. Inilah penjelasan dasar dari apa yang dilakukan DSP. DSPs mengambil sinyal digital dan memprosesnya untuk memperbaiki kualitas sinyal. Perbaikan ini mungkin dengan suara yang lebih jernih, gambar yang tajam atau data yang sangat cepat. Kemampuan untuk memperbaiki sinyal ini membuat terobosan baru seperti membawa musik internet dan broadband ke rumah menjadi mungkin.
Aplikasi-aplikasi seperti handphone, audio/video player dan yang disebut diatas bekerja dengan sebuah sinyal atau aliran data. Dan selama beberapa dekade lalu, dapat diambil beberapa kelebihan untuk memproses data dalam dunia digital dibanding dengan dunia analog:
• Sinyal digital bisa dikirim lebih jauh dari sinyal analog tanpa kerusakan data
• Proses filterisasi atau pembersihan sinyal analog membutuhkan komponen yang banyak dan mahal sedangkan filterisasi secara digital dibuat dengan program yang fleksibel
• Bekerja pada dunia digital mempermudah meningkatkan pemrosesan sinyal. Termasuk efeknya, pengaturan resolusi atau kecepatan proses, dan berganti protokol untuk meningkatkan kerjasama antar divais
• Sinyal digital dapat diduplikasi secara sempurna, misalnya data lagu atau video dalam bentuk keping, sangat memungkinkan untuk membuat dulpikat dengan kualitas sama seperti aslinya, dibanding dengan salinan analog (misal pita kaset) yang akan menurun kualitasnya setelah disalin
• Perbaikan kualitas sinyal atau kepadatan kanal merupakan persoalan dari peningkatan unjuk kerja dari DSP itu sendiri
• DSPs dapat diprogram ulang, sehingga Anda dapat meningkatkan kualitas barang tersebut dengan memprogram lagi, tanpa harus mengganti perangkat kerasnya.
2.1.1 Dasar Teori Pemfilteran
Sinyal di dunia nyata ada dalam bentuk analog dan selalu merupakan sinyal komposit antara bagian yang diketahui dan yang tidak diketahui. Misalnya, suara di jalur telepon adalah gabungan dari suara speaker di ujung dan derau. Pendengar di ujung harus mem-filter suara dominan agar pembicaraan dapat berlangsung. Contoh ini menunjukkan bahwa telepon mem-filter hampir semua derau kanal dan selanjutnya terserah pengguna untuk mem-filter dan mengartikan suara. Karenanya, pem-filter-an adalah teknik pemrosesan sinyal yang mendasar untuk mengekstrak sinyal yang diperlukan dari bentuk aslinya.
Semua teknik pem-filter-an analog –low-pass, high-pass, band-pass, dan band-stop– dapat diimplementasikan di domain dijital bila sinyalnya di-sampling dengan tepat. Sampel sinyal ini dikirim melalui struktur filter dijital untuk melakukan pem-filter-an.
Filter digital diklasifikasi menjadi filter FIR (Finite Impulse Response) dan IIR (Infinite Impulse Response). Masing-masing filter ini dapat melakukan hal yang serupa dengan filter analog.
input analog → h(t) → output analog
input analog → A/D → h(n) → D/A → output analog
Filter analog mengambil input analog dan menghasilkan output analog. Filter digital, dengan adanya perangkat pencuplikan dan konverter, melakukan hal yang sama dengan filter analog. Pada kasus pem-filter-an digital, fungsi transfernya akan berupa model filter FIR ataupun IIR. Sinyal keluarannya dapat ditulis sebagai persamaan perbedaan agar model filter dapat diimplementasikan ke hardware dijital.
Filter FIR adalah sistem waktu diskrit yang respon impulsnya terbatas:
h[n]=(h0, h1, h2, ..., hN-1)
Fungsi transfer H(z) berupa polinom dalam z-1, yaitu
H(z)=h0+h1z-1+ h2z-2+ h3z-3+ ... + hN-1z(N-1)
Karenanya filter ini memiliki N-1 zero dan tidak memiliki pole.
Persamaan perbedaan filter FIR tidak rekursif, Σ−=−=1N0k)kn(x)k(h)n(y)
2.1.2 Keuntungan filter FIR :
• Selalu stabil (karena fungsi transfer tidak memiliki pole)
• Dapat dirancang untuk memiliki fasa linier
• Lebih mudah untuk diimplementasikan ke hardware
• Respon transien memiliki durasi yang terbatas
Tetapi filter ini juga memiliki beberapa kelemahan yaitu membutuhkan banyak orde untuk memperoleh respons filter yang semakin baik sehingga otomatis delay-nya pun lebih lama.
2.2. Konvolusi dan Dekonvolusi
Konvolusi adalah satu cara matematis untuk mengkombinasikan dua sinyal untuk membentuk sinyal baru. Sistem LTI (Linear Time Invariant) dapat dikarakteristikkan dengan tanggapan unit sample-nya h(n). Unit sample h(n) memberikan seluruh informasi yang dibutuhkan untuk menentukan tanggapan bagi setiap masukan. Pada sistem diskrit, proses yang terjadi adalah proses serial (baris) untuk suatu sample sinyal yang dicuplik. Suatu sinyal analog dicuplik 20
kali tiap detik, maka proses DSP akan dilakukan sebanyak 20 kali pula untuk satu sample sinyal analog tersebut.
Hukum-hukum yang berlaku pada operasi konvolusi, antara lain:
1. Asosiatif
2. Komutatif
3. Distributif
4. Time Shift
5. Konvolusi terhadap Impuls
6. Lebar
Pada waktu kontinyu, jika durasi (f1)=T1 dan durasi (f2)=T2, maka
Durasi
7. Causality
Jika f dan h keduanya kausal, maka hasil f * h juga kausal.
Pada sebagian besar aplikasi DSP, panjang sinyal masukan mencapai ratusan, ribuan, atau bahkan jutaan. Sedangkan panjang tanggapan impuls biasanya lebih pendek, yaitu hanya ratusan titik. Secara matematis konvolusi tidak membatasi berapapun panjang sinyalnya. Panjang sinyal keluaran yang dihasilkan jumlah dari panjang sinyal masukan dan panjang tanggapan impuls, dikurangi satu. Jadi misalkan panjang sinyal masukan adalah 81, dan panjang tanggapan impuls adalah 31, maka panjang sinyal keluaran yang dihasilkan adalah 111.
Sedangkan Dekonvolusi adalah proses kebalikan dari konvolusi, yaitu memperoleh sinyal masukan, jika diketahui keluaran dan panjang semua.
BAB III
KESIMPULAN
3.1 Kesimpulan
Ada beberapa alasan mengapa digunakan pemrosesan sinyal digital pada suatu sinyal analog. Pertama, suatu sistem digital terprogram memiliki fleksibilitas dalam merancang-ulang operasi-operasi pemrosesan sinyal digital hanya dengan melakukan perubahan pada program yang bersangkutan, sedangkan proses merancang-ulang pada sistem analog biasanya melibatkan rancang-ulang perangkat keras, uji coba dan verifikasi agar dapat bekerja seperti yang diharapkan.
Masalah ketelitian atau akurasi juga memainkan peranan yang penting dalam menentukan bentuk dari pengolah sinyal. Pemrosesan sinyal digital menawarkan pengendalian akurasi yang lebih baik. Faktor toleransi yang terdapat pada komponen-komponen rangkaian analog menimbulkan kesulitan bagi perancang dalam melakukan pengendalian akurasi pada sistem pemrosesan sinyal analog. Di lain pihak, sistem digital menawarkan pengendalian akurasi yang lebih baik. Beberapa persyaratan yang dibutuhkan, antara lain penentuan akurasi pada konverter A/D (analog ke digital) serta pengolah sinyal digital, dalam bentuk panjang word (word length), floating-point versus fixed-point arithmetic dan faktor-faktor lain.
Sinyal-sinyal digital dapat disimpan pada media magnetik (berupa tape atau disk) tanpa mengalami pelemahan atau distorsi data sinyal yang bersangkutan. Dengan demikian sinyal tersebut dapat dipindah pindahkan serta diproses secara offline di laboratorium. Metode-metode pemrosesan sinyal digital juga membolehkan implementasi algoritma-algoritma pemrosesan sinyal yang lebih canggih. Umumnya sinyal dalam bentuk analog sulit untuk diproses secara matematik dengan akurasi yang tinggi.
Implementasi digital sistem pemrosesan sinyal lebih murah dibandingkan secara analog. Hal ini disebabkan karena perangkat keras digital lebih murah, atau mungkin karena implementasi digital memiliki fleksibilitas untuk dimodifikasi. Kelebihan-kelebihan pemrosesan sinyal digital yang telah disebutkan sebelumnya menyebabkan pemrosesan sinyal digital lebih banyak digunakan dalam berbagai aplikasi. Misalnya, aplikasi pengolahan suara pada kanal telepon, pemrosesan citra serta transmisinya, dalam bidang seismologi dan geofisika, eksplorasi minyak, deteksi ledakan nuklir, pemrosesan sinyal yang diterima dari luar angkasa, dan lain sebagainya. Namun implementasi digital tersebut memiliki keterbatasan, dalam hal kecepatan konversi A/D dan pengolah sinyal digital yang bersangkutan.
DAFTAR PUSTAKA
Proakis, John G. dan Dimitris G. Manolakis, 1992, “Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and Applications“, Macmillan Publishing Company, New York, USA.
Lapsley, P., Bier, J., Shoham, A. dan Lee, E., 1997, DSP Processor Fundamentals, IEEE Press, New York
Tan, Li, 2008, Digital Signal Processing: Fundamentals and Applications, Academic Press, Elsevier, USA
Andi, Harlianto Tanudjaja.2007. “Pengolahan Sinyal Digital dan Pemrosesan Sinyal”. Penerbit
