Makalah Seminar Proyek Akhir PENS-ITS 2004
PEMBUATAN 10 CHANNEL DIGITAL AUDIO EQUALIZER DAN DIGITAL AUDIO EFFECT BERBASIS PERANGKAT LUNAK Linda Ratnawati1, Fanny Setyowati, Miftahul Huda2 , Tribudi Santoso3 Jurusan Teknik Telekomunikasi, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember (IT S) Surabaya Kampus ITS, Keputih Sukolilo Surabaya Telepon +62 -31-5947280 Fax +62 -31-6946114 Email :
[email protected] Abstrak - Pengolahan sinyal digital dapat di modelkan dengan perangkat lunak. Pada proyek akhir ini menampilkan pengolahan sinyal digital pada sinyal audio untuk membuat equalizer dan efek suara. Equalizer adalah sistem filter yang tersusun atas lebih dari satu filter dengan karakteristik masing-masing filter berbeda -beda. Equalizer berfungsi meloloskan frekuensi sesuai dengan frekuensi yang diinginkan. Sedangkan efek suara berdasarkan penambahan waktu tunda pada sinyal masukan meliputi echo, reverberation, flanging dan chorus. Kata kunci – Pengolahan sinyal digital, Filter, Equalizer, Efek suara. Abstract – Digital signal processing (DSP) can be implemented by using software. This final project described DSP on audio signal to provide equalizer and audio effect. Equalizer is filter system that structed from more than one filter which is different characteristic each other. Function of equalizer is pass the frequency that we wanted. While, audio effct is based on adding time-delayed at input signal consisted of echo, reverberation, flanging and chorus. Keyword – DSP, filter, equalizer, audio effect I. LATAR BELAKANG Dewasa ini komputer memegang peranan penting dalam perkembangan produksi teknologi audio. Dengan penerapan hardware dan software yang tepat sistem kompuer dapat digunakan untuk perekaman, pengeditan, mixing, mastering dan streaming di internet. Hal ini membuat penerapan pengolahan sinyal audio seperti equalizer dan efek audio dengan sistem komputer semakin luas [1]. Demikian halnya dengan pengolahan sinyal secara digital yang telah diterapkan begitu luas. Dari peralatan instrumentasi dan kontrol, peralatan musik, peralatan kesehatan dan peralatan lainnya. Sebagai penerapan dari pengolahan sinyal digital menggunakan sistem komputer, untuk itu pembuatan 10 channel digital audio equalizer dan digital audio effect ini merupakan salah satu aplikasi dari perkembangan teknologi pengolahan sinyal. Jonas Ekeroot dalam tesesnya yang berjudul “Implementing a parametric EQ plug-in in C++ using the multi -platform
VST specification” mengimplementasikan algoritma spesifik efek audio digital pada equalizer dengan VST (Virtual Studio Technology) menggunakan C++. Equalizer yang dibuat hanya memiliki satu band filter dengan parameter yang terdiri atas pengaturan frekuensi, gain dan pengaturan nilai Q. Hartama Tjandra, Yigit Tanol dan Nima Tshering dalam proyek akhinya yang berjudul “ Audio Effect Using DSP” mengimplementasikan pengolahan sinyal digital menggunakan MATLAB. Dalam proyek akhir tersebut yang dirancang adalah equalizer yang memiliki tiga band. Equalizer yang dirancang terdiri dari filter low -pass , filter band-pass dan filter highpass. Dalam pembuatan 10 channel digital audio equalizer dan digital audio effect ini digunakan Graphical User Interface (GUI), yang merupakan sebuah display atau interface yang sering digunakan untuk mempermudah pemakainya dalam mengakses audio player tersebut.
1
Makalah Seminar Proyek Akhir PENS-ITS 2004
Sedangkan untuk audio effect menu pilihannya meliputi, echo effect, reverb effect, flanger effect dan chorus effect.
frekuensi 330 Hz sampai 3 KHz dan suara treble dengan range frekuensi sekitar 3.3 KHZ sampai 10 KHz [2].
II. DASAR TEORI 2.1 Equalizer Equalizer adalah system filter yang tersusun atas lebih dari satu filter dengan karakteristik masing-masing filter berbedabeda. Equalizer berfungsi menyaring atau meloloskan frekuensi sesuai dengan frekuensi yang diinginkan. Sebuah equalizer dapat dibangun oleh kombinasi low-pass, high-pass, dan band pass filter. Hal ini memperbolehkan penggunanya untuk mengatur frekuensi sesuai yang mereka inginkan, yakni dengan memperbesar atau memperkecil frekuensi-frekuensi yang telah mereka pilih. Pada umumnya equalizer dipakai pada peralatan audio untuk memfilter s inyal suara, agar nantinya suara, yang terdengar lebih bagus dan lebih jernih sehingga lebih enak untuk didengar. Seperti diketahui bahwa sinyal suara atau audio yang bisa didengar oleh telinga manusia normal adalah antara frekuensi 20 Hz sampai 20KHz sehiungga fungsi dari equalizer disini untuk memfilter frekuensi berapa saja yang akan diloloskan nantinya. Sedangkan equalizer yang dipakai bisa menggunakan equalizer analog dan bisa menggunakan equalizer digital. Kedua macam equalizer tadi mempunyai perbedaan pada proses pemfilterannya. Pada equalizer analog proses pemfilteran frekuensinya dengan system analog sedangkan equalizer digital proses pemfilteran frekuensinya dengan system digital. Karena proses pemfilterannya secara digital, maka equalizer digital dapat menghasilkan linear phase response yang sempurna dibanding dengan equalizer analog. Equalizer terdiri atas lebih dari satu band frekuensi yang diloloskan . Masing-masing band frekuensi mengandung range atau batasan frekuensi bawah dan frekuensi atas serta frekuensi cutoffnya yang berbeda-beda tergantung dari desainnya. Pada umumnya bandpass filter banyak digunakan untuk desain di equalizer. Sedangkan untuk sinyal audio suara yang keluar dari hasil filter secara umum terdiri atas suara Bass dengan range frekuensi sekitar 20 Hz sampai 300 Hz kemudian suara middle denganrange
2.2
Filter Digital Filter digital merupakan algoritma mat ematika yang diimplementasikan dalam bentuk hardware atau software yang beroperasi pada sinyal input digital menghasilkan output berupa sinyal output digital untuk mencapai sasaran pemfilteran. Filter digital merupakan bagian yang sangat penting dari digital Signal Processing (DSP) dan sebuah filter digital menggunakan suatu pengolah digital dalam melakukan kalkulasi terhadap nilai-nilai sample dari sinyal. Pengolah yang dapat dipergunakan mungkin adalah suatu PC, atau suatu pengolah khusus chip DSP. Dibandingkan dengan filter analog, filter digital memiliki banyak keunggulan untuk beberapa aplikasi (seperti data compressing, biomedical signal processing, speech processing, image proceesing, data transmission, digital audio) dikarenakan kelebihan-kelebihan berikut ini: 1. Filter digital dapat mempunyai karakteristik yang tidak mungkin dimiliki oleh filter analog yaitu linier phase response yang sempurna. 2. Unjuk kerja dari filter digital tidak terpengaruh oleh perubahan lingkungan sekitar seperti perubahan suhu. 3. Frekuensi response dari filter digital dapat secara otomatis ditentukan bila digunakan pada programmable processor. 4. Beberapa sinyal input dapat difilter oleh satu filter digital. 5. Filter digital lebih presisi. Secara garis besar filter digital dapat dibagi menjadi dua kelas yaitu filter IIR yang memiliki durasi tak terbatas dan FIR yang memiliki durasi terbatas. IIR lebih tepat digunakan pada filter dengan kemampuan penentuan frekuensi cut-off yang tajam, karena filter ini membutuhkan koefisien lebih sedikit untuk mendapatkan frekuensi cut-off tersebut, sedangkan FIR mempunyai kondisi linier phase response yang sangat baik [2]. Persamaan differensial untuk FIR filter adalah [3 ]: N −1
y (n) = ∑ h( k ) x (n − k ) k =0
(2.1)
2
Makalah Seminar Proyek Akhir PENS-ITS 2004
Sedangkan persamaan differensial dari filter IIR adalah [3] : N
M
k=1
k =0
y(n) = −∑ ak y(n − k ) + ∑bk x (n − k )
(2.2)
Bentuk dari persamaan (2. 2) merupakan perelisasian bentuk langsung pertama dari IIR filter. Blok diagram dari bentuk langsung pertama filter IIR ini adalah seperti pada gambar 2.8.
∑
Gambar 2.1 Bentuk langsung pertama filter IIR
2.3 Audio Effect Berikut ini efek suara yang didasarkan pada penambahan waktu penundaan pada sinyal masukannya. 2.3.1 Efek Echo Efek echo merupakan hasil penambahan dari sinyal masuk an dengan sebuah sinyal tertunda. Hasil ini berupa echo tunggal. Sinyal tertunda adalah sinyal yang dimainkan beberapa saat setelah sinyal masukan dimainkan. Waktu tunda echo sekitar 50 – 70 milidetik [4].
Gamabr 2.2 Blok Diagram echo
Efek echo melibatkan dua operasi dasar yaitu waktu tunda dan penjumlahan. Atenusi diberikan pada sinyal tertunda (kurang dari 1) yang menunjukkan seberapa cepat echo berakhir. Efek echo digambarkan dengan persamaan berikut [5]: y (t ) = x(t ) + α ⋅ x (t − ∆t ) ...... (2.5)
dimana, x(t) adalah masukan α adalah nilai atenuasi (kurang dari 1) x (t − ∆ t ) adalah sinyal tertunda y(t) adalah keluaran 2.3.2 Reverberation Reverberation (gema) adalah hasil pemantulan suatu bunyi yang terjadi di dalam suatu ruang. Ada gelombang suara yang langsu ng mencapai pendengar dan ada juga gelombang suara yang memantul pada dinding, langit -langit ruangan dan lantai sebelum mencapai pendengar, yang kemudian disebut sebagai gelombang terpantul. Peristiwa tersebut ditunjukkan pada gambar 2. 3[6].
Gambar 2.3 Gelombang suara pindah ke beberapa bagian berbeda sebelum mencapai pendengar.
Gambaran umum dari efek reverberation sebagai sistem digital ditunjukkan pada algoritma berikut : y(n)= x(n)+α1 ⋅ x(n−d1)+α2 ⋅ x(n−d2 )+α3 ⋅x(n−d3)+α4 ⋅ x(n−d4 ) (2.6)
Gambar 2. 4 Blok diagram reverberation
2.3.3 Flanging Flanging diciptakan dengan mencampurkan sebuah sinyal dengan sinyal terdelay dari sinyal masukannya sendiri, dimana panjang delay secara konstan berubah.
Gambar 2.5 Blok diagram flanging
3
Makalah Seminar Proyek Akhir PENS-ITS 2004
Efek ini memiliki waktu tunda yang pendek yaitu sekitar 1 – 10 milidetik. Efek flanging menciptakan serangkaian notch dalam respon frekuensi, seperti terlihat pada gambar 2.6. Saat respon frekuensi mendekati nilai nol berarti frekuensi suara tersebut dihilangkan , sedangkan frekuansi lain dilewatkan dengan beberapa amplitudo berubah. Reapon frekuensi ini disebut “comb filter” karena bentuknya menyerupai gigi sebuah sisir [7].
(a)
III. PERENCANAAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT LUNAK Pada proyek akhir ini dibuat digital equalizer yang terdiri atas 10 channel dan juga ditampilkan adanya efek audio.
(b)
Gambar 2.6 Respon Frekuensi dari Flangig dengan waktu tunda yang berbeda. (a) memiliki waktu delay lebih besar daripada (b)
2.3.4 Chorus Efek chorus dapat membuat instrument tunggal tampak seperti beberapa instrument sedang dimainkan. Efek chorus dapat diciptakan dengan mengubah secara acak waktu penundaannya, sehingga amplitudo dari sinyal tertunda berubah -ubah [8].
Gambar 2. 7 Blok Diagram Chorus
Blok diagram chorus pada dasarnya sama dengan flanging. Bedanya pada jumlah penundaan yang digunakan dan waktu penundaannya. Waktu penundaan efek chorus adalah lebih besar dari suatu efek flanging. Pada umumnya waktu penundaan chorus sekitar 20 milidetik sampai 30 milidetik, sedangkan flanging pada 1 milidetik sampai 10 milidetik. Waktu penundaan yang lebih panjang ini tidak menghasilkan karakteristik respon frekuensi yang sama dengan efek flanging. Efek chorus juga berbeda dengan efek flanging dalam hal itu, biasanya tidak menggunakan umpan balik.
Gambar 3.1 : Blok diagram sistem
IV. PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Pengujian Digital Equalizer Pada prinsipnya pengujian ini bertujuan untuk menguji sinyal keluaran dari tiap bagian perset equalizer yang dibuat dalam domain frekuensi. Pengujian dilakukankan dalam domain frekuensi karena spectrum sinyal sinyal keluaran lebih mudah diamati untuk melihat perbedaannya pada beberapa macam preset. Jenis preset yang ada pada equalizer ini ada 8 macam yakni classic, pop, rock, live, full bass, full treble, full bass&treble, dan flat. Perbedaan dari beberapa macam preset ini terletak pada pemilihan nilai gain yang diset untuk masing-masing keluaran filter. Pada gambar 4.1 dapat dilihat gambar sinyal masukan dari file audio ’bragi.wav’ yang diamati dalam domain waktu dan domain frekuensi.
Gambar 4.1 : Sinyal masukan dalam domain waktu (atas) dan dalam domain frekuensi (bawah)
4
Makalah Seminar Proyek Akhir PENS-ITS 2004
File audio ini memiliki panjang data 688128 dan frekuensi sampling (fs) yang digunakan sebesar 22050 Hz. Untuk mengetahui secara jelas kerja dari equalizer ini, diberikan gambaran sinyal keluaran saat preset classic. Tampilan GUI untuk preset classic ini dapat dilihat pada gambar.4.2.
Suatu sinyal yang terlihat pada gambar 4.4 merupakan sinyal masukan efek echo. Sinyal ini yang kemudian ditambahkan dengan sinyal tertunda. Pada sinyal masukan diberi matrik 0 sebanyak 5513 di ahkir data sehingga pada gambar 4.4 terlihat garis lurus pada akhir sinyal. Hal ini bertujuan agar panjang matriknya sama dengan panjang matrik dari sinyal tertunda. Dalam proses penjumlahan sinyal, kedua sinyal yang ditambahkan harus memiliki panjang matrik yang sama. §
Sinyal keluaran efek echo
Gambar 4.2 : GUI saat preset classic.
Sedangkan untuk sinyal keluaran dalam domain frekuensi dari preset classic ini, dapat diamati pada gambar 4.3. Gambar 4. 5 : Sinyal keluaran efek echo
Dari gambar 4.5 terlihat gambar sinyal yang telah mengalami efek echo. Sinyal keluaran efek echo merupakan hasil penjumlahan dari sinyal masukan dengan sinyal tertunda yang mengalami atenuasi. Gambar 4.3 : Sinyal keluaran preset classic.
Dengan membandingkan gambar 4.3 dengan gambar sinyal masukan dalam domain frekuensi pada gambar 4.1 tampak bahwa sinyal yang diloloskan dominan berada disebelah kiri dan tampak ada perubahan terhadap besarnya level sinyal keluaran. Dari gambar dapat dilihat bahwa level sinyal keluaran lebih kecil dari pada sinyal masukan. Dengan cara yang sama dapat dilakukan untuk pengujian preset pop, rock, live,full bass, full treble, full bass&treble, dan flat. 4.2 Pengujian Efek Audio 4.2.1 Efek Echo § Sinyal Masukan
4.2.2 Efek Reverberation § Sinyal masukan
Gambar 4.6 Sinyal masukan efek reverberation
Suatu siny al yang terlihat pada gambar 4.6 merupakan sinyal masukan efek reverberation. Sinyal ini telah diberi matrik 0 sebanyak 22052 sehingga pada akhir sinyal terlihat garis lurus. Pemberian matrik 0 sesuai dengan nilai waktu tunda terlama yang aka n diberikan pada sinyal tertunda. Dalam hal ini sinyal echo4 dimainkan setelah 1 detik dari sinyal masukan sehingga matrik 0 diberikan sebanayk 22052 di akhir sinyal echo4.
Gambar 4.4 Sinyal Masukan
5
Makalah Seminar Proyek Akhir PENS-ITS 2004
§
Sinyal efek reverberation
Gambar 4.7 Sinyal efek Reverberation dalam dom ain waktu
Dari gambar 4.7 terlihat gambar sinyal yang telah mengalami efek reverberation. Sinyal keluaran efek reverberation merupakan hasil penjumlahan dari sinyal masukan dengan sinyal -sinyal tertunda yang mengalami atenuasi.
V. KESIMPULAN § Filter merupakan sIstem atau rangkaian yang secara selektif merubah karakteristik sinyal meliputi bentuk sinyal, amplitude, frekuensi dan nilai phase frekuensi pada nilai yang dikehendaki. § Equalizer adalah sistem filter yang tersusun atas lebih dari satu filter dengan karakteristik masing-masing filter berbeda-beda. § Filter digital merupakan agoritma matematika yang diimplementasikan dalam bentuk hardware atau software yang beroperasi pada sinyal input digital menghasilkan output berupa sinyal output digital untuk mencapai sasaran pemfilteran. § Efek suara yang berdasarkan pada penambahan waktu tunda pada sinyal masukan meliputi echo, reverberation, flanging dan chorus. § Efek echo merupakan hasil penjumlahan sinyal masukan dengan sebuah sinyal tertunda. Waktu tunda echo sekitar 50 – 70 milidetik. § Efek reverberation merupakan hasil dari sejumlah pengulangan yang terjadi di sebuah ruangan. § Efek flanging merupakan gabungan sinyal masukan dengan sinyal tertunda yang dicopynya sendiri. Waktu delay sekitar 1 – 10 milidetik. § Efek chorus tercapai dengan menjumlahkan sebuah echo ke sinyal aslinya dan kemudian merubah -ubah
delay echo antara maksimum dan minimum nilai delay pada angka tertentu. Waktu tunda sekitar 40 – 60 milidetik. VI. DAFTAR PUSTAKA [1] Jonas Ekeroot, “Implementing a parametric EQ plug-in in C++ using the multi-platform VST specification”, Division of Saound Recording, Lulea University of Technology. 2003 [2] Muhammad Amin, “Equalizer Digital Berbasis Teknologi FPGA (versi 2.0)”, Proyek Akhir PENS-ITS. 2003 [3] Lonnie C. Ludeman, “Fundamentals of Digital Signal Processing”, New Mexico State University.1987 [4] URL:http://users.iafrica.com/k/ku/kur ient/ dsp/effect.html#timedelay [5] Mihai V Micea, Mircea Stratulat, Dan Arrdelean dan Daniel Aioanei, “Implemented Audio Effect Profesional with DSP”, Software and computer Engineering Department, politehnica University of Timisiora.2001. [6] ScottLehman. (1996) Reverberation. URL : http://www.harmonycentral.com/Effects/Articles/Reverb/. [7] Scott Lehman. (1996) Flanging. http://www.harmonycentral.com/Effects/Articles/Flanging/. [8] Scott Lehman. (1996) Chorus. http://www.harmonycentral.com/Effects/Articles/Chorus/. Keterangan : *1 = Mahasiswa PENS – ITS *2 dan 3 = Dosen Pembimbing
6
Makalah Seminar Proyek Akhir PENS-ITS 2004
7
