Perancangan dan Implementasi Percobaan Pengolahan Sinyal Digital Secara Online

1

Perancangan dan Implementasi Percobaan Pengolahan Sinyal Digital Secara Online Clara Sergian Swaritantika, Yusuf Bilfaqih, Josaphat Pramudijanto Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected], [email protected]

Abstrak—Keterbatasan waktu dalam pelaksanaan praktikum di laboratorium merupakan kendala bagi mahasiswa yang memerlukan waktu tambahan untuk melakukan percobaan. Untuk mengatasinya diperlukan adanya percobaan berjarak atau dikenal dengan sebutan remote experiment. Pada Tugas Akhir ini dibuat suatu perangcangan percobaan Pengolahan Sinyal Digital (PSD) yang dapat dioperasikan secara berjarak melalui antarmuka. Antarmuka percobaan dibuat dengan menggunakan GUI MATLAB dan disimpan pada komputer server yang berada dalam laboratorium. Antarmuka terhubung dengan Digital Signal Processor Starter Kit (DSK) TMS320C6713 yang digunakan sebagai pengolah sinyal. Pada antarmuka terdapat percobaan pengolahan sinyal dengan dengan berbagai macam metode filter digital. Dengan adanya percobaan berjarak ini diharapkan dapat mengoptimalkan kinerja mahasiswa untuk melakukan percobaan PSD dimanapun, kapanpun tanpa harus menyediakan alatalat lainnya selain PC, dan tanpa harus datang ke laboratorium secara langsung, sehingga pelaksanaannya lebih efektif dan efisien Kata Kunci—Digital Signal Processor (DSP), DSP Starter Kit (DSK) TMS320C6713, remote, antarmuka, filter, internet, online, sinyal, digital.

Sistem ini dibangun dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB. Antarmuka percobaan dibuat dengan menggunakan GUI MATLAB. Sedangkan pemodelan percobaan dibangun dengan menggunakan Simulink MATLAB. Antarmuka terhubung dengan Simulink, sehingga nilai-nilai parameter pada setiap blok dari model Simulink dapat diubah dengan mudah melalui antarmuka. DSP digunakan sebagai processor untuk mengolah sinyal masukan yang diberikan melalui antarmuka. Selanjutnya hasil keluaran dari DSP ditampilkan pada antarmuka. Antarmuka dari sistem diintegrasikan dengan TeamViewer. TeamViewer adalah software yang digunakan untuk mengendalikan suatu komputer melalui koneksi internet. Dengan TeamViewer percobaan dapat dioperasikan secara berjarak. Dengan demikian sistem ini dapat membantu praktikan untuk melanjutkan percobaan yang belum terselesaikan diluar jam praktikum.Penelitian Tugas Akhir ini bertujuan untuk mengembangkan kerja laboratorium mahasiswa dengan melakukan percobaan praktikum Pengolahan Sinyal Digital (PSD) secara online. Makalah ini disusun dalamlima bagian. Bagian I berisi pendahuluan, pada bagian berikutnya dipaparkan mengenai Konsep filter FIR ideal. Bagian III menjelaskan tentang rancangan dan implementasi sistem. Pada bagian IV menjelaskan tentang hasil uji sistem. Kesimpulan dari makalah ini disampaikan pada bab V.

I. PENDAHULUAN

L

aboratorium adalah tempat dimana para mahasiswa melakukan percobaan atau praktikum. Untuk melakukan percobaan ataupun praktikum, mahasiswa diharuskan hadir di laboratorium. Keterbatasan waktu dalam penggunaan laboratorium merupakan kendala bagi mahasiswa yang memerlukan waktu tambahan yang lebih banyak dari waktu yang diberikan untuk menyelesaikan praktikum ataupun percobaan yang sedang dikerjakan. Kendala yang lainnya adalah keterbatasan alat yang tersedia di laboratorium. Untuk menyelesaikan masalah tersebut diperlukan sebuah remote experiment. Remote experiment adalah sistem terintegrasi untuk melakukan percobaan yang dapat dioperasikan berjarak melalui suatu antarmuka dengan koneksi internet [1]. Dengan begitu mahasiswa tidak harus hadir langsung di laboratorium untuk melakukan percobaan. Tentu saja hal ini merupakan solusi yang tepat, efektif dan rendah biaya untuk melakukan kegiatan laboratorium selama 24 jam. Pada tugas akhir ini dibuatlah suatu pengembangan dari remote experiment dengan membuat antarmuka untuk melakukan percobaan filter sinyal secara online.

II. KONSEP FILTER FIR Pada bab ini dijelaskan mengenai teori apa saja yang mendukung penyelesaian Tugas Akhir. 2.1 Filter Ideal [2] Seperti yang telah diketahui bahwa respon filter terdiri dari beberapa macam seperti lowpass, highpass, bandpass, dan bandstop. Filter ideal lowpassmelewatkan semua sinyal yangmemiliki frekuensi dibawah nilai cutoff sedangkan sinyal dengan frekuensi diatas frekuensi cutoff tidak dilewatkan. Filter ini memiliki respon frekuensi seperti pada Gambar 1 di bawah.

Gambar 1. Respon Frekuensi LPF Ideal

2

Dimana ωc merupakan nilai cutoff pada filter. Sedangkan respon frekuensi pada highpass filter dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Respon Frekuensi HPF ideal

Tabel1.Parameter Desain Filter FIR metode Equiripple

Respon Filter Lowpass

Highpass

Kebalikan dari filter ideal lowpass, sinyal yang dihentikan pada filter ideal highpass adalah sinyal rendah dibawah frekuensi cutoff. Sedangkan sinyal yang dilewatkan adalah sinyal dengan frekuensi diatas frekuensi cutoff. 2.2 Desain Filter dengan FDATool Filter FIR adalah salah satu tipe filter digital yang dipakai pada aplikasi Digital Signal Processing. FIR merupakan singkatan dari Finite Impulse Response yang berarti bahwa filter tipe ini memiliki impulse response yang terbatas.Filter digital memerlukan nilai-nilai konstan yang disebut koefisien filter. Koefisien tersebut akan dikonvolusikan dengan sinyal masukan untuk menghasilkan sinyal keluaran. Untuk melakukan percobaan filter, sebelumnya perlu dibuat desain filter terlebih dahulu untuk menentukan sinyal mana yang ingin dilewatkan dan sinyal mana yang tidak ingin dilewatkan. Desain filter dapat dibuat dengan memanfaatkan FDATool yang sudah tersedia pada MATLAB. Untuk mendesain suatu filter diperlukan Koefisien-koefisien filter. Dalam hal ini FDATool secara otomatis menghitung nilai koefisien filter hingga didapatkan respon frekuensi filter yang dibuat.

Parameter  Filter - Specify orde / minimum orde  Frequency - Units (Hz/kHz/MHz/GHz) - Fs - Fpass - Fstop  Magnitude - Wpass - Wstop  Filter - Specify orde / minimum orde  Frequency - Units (Hz/kHz/MHz/GHz) - Fs - Fstop - Fpass  Magnitude - Wstop - Wpass

Pada FDATool terdapat berbagai macam metode, namun tidak semua metode dapat bekerja dengan sembarang respon filter. Ada beberapa metode yang hanya bekerja dengan respon frekuensi LPF dan HPF saja.. 2.3 Teori Sampling [3] Kecepatan pengambilan sampel (frekuensi sampling) dari sinyal haruslah memenuhi kriteria Nyquist. dimana frekuensi sampling (Fs) minimum adalah 2 kali frekuensi sinyal input (Finmax). Finmax merupakan frekuensi terbesar dari suatu sinyal input diantara frekuensi sinyal input lainnya. Misalnya bila sinyal input mempunyai frekuensi sebesar 50Hz maka frekuensi sampling minimum yang digunakan adalah 100Hz. Begitu juga sebaliknya, bila frekuensi sampling yang digunakan sebesar 100Hz maka sinyal input harus mempunyai frekuensi maksimum 50Hz. III. RANCANGAN SISTEM DAN IMPLEMENTASI

Gambar 3. FDATool pada MATLAB

Filter Design and Analysis Tool (FDATool) merupakan tool untuk mendesain filter FIR maupun IIR berupa GUI.Parameter-parameter yang muncul pada FDATool berbeda-beda sesuai dengan metode filter yang dipilih.Bila pada percobaan dibuat suatu desain filter FIR dengan metode equiripple maka pada FDATool muncul beberapa parameter seperti yang ada pada Tabel 1. Selain equiripple pada FDATool juga terdapat beberapa metode lainnya.

Pada Tugas Akhir ini terdapat dua macam percobaan filter yang telah dibuat. Satu percobaan filter sinyal dengan input sine wave dan satu percobaan filter sinyal dengan input suara. 3.1. Racangan Umum Sistem Pada tahap ini akan dijelaskan secara keseluruhan mengenai perancangan sistem percobaan pengolahan sinyal. Pada perancangan sistem dibuat dua macam rancangan sistem percobaan filter sinyal dengan menggunakan FDATool untuk desain filter yang digunakan. GUI dengan Simulink

1. Memberi sinyal input 2. Merancang desain filter

TMS320C6416

1. Proses filtering 2. Menghasilkan sinyal keluaran

Gambar 4. Rancangan Sistem Dengan Input Sine Wave

TeamVi ewer

3

Gambar 4 di atas adalah rancangan umum sistem untuk percobaan filter dengan menggunakan input sine wave yang dibangkitkan dari Simulink. Simulink model terintegrasi dengan antarmuka yang dibangun dari GUI MATLAB. Sehingga nilai parameter yang pada setiap blok Simulink yang digunakan pada pemodelan dapat diubah-ubah melalui antarmuka. Nilai parameter dari masukan user diperlukan untuk membuat desain filter yang akan digunakan user. Dari desain filter yang dibuat selanjutnya akan didapatkan respon frekuensi. Untuk mendesain filter digunakan bantuan FDA Tool yang sudah tersedia pada MATLAB. Kemudian hasil filter dari DSP ditampilkan melalui antarmuka. Antarmuka percobaan yang telah dibuat dapat dioperasikan dari jarak jauh dengan menggunakan software TeamViewer. Sedangkan rancangan umum untuk percobaan filter dengan menggunakan input suara dapat dilihat pada Gambar 5 di bawah.

Gambar 5. Rancangan Sistem dengan Input Suara

Sinyal masukan dari microphone yang masih berupa data analog dirubah terlebih dahulu menjadi data digital. Selanjutnya diberikan filter dengan respon frekuensi yang diinginkan melalui bantuan FDATool. Keluaran data setelah difilter dirubah kembali menjadi data analog agar keluaran filter dapat dilihat melalui spectrum scope. 3.2. Rancangan Antarmuka Pada Tugas Akhir ini dibuatlah suatu antarmuka dengan menggunakan GUI MATLAB untuk menjalankan percobaaan Pengolahan Sinyal Digital (PSD) khususnya filter digital. Antarmuka dibangun dengan tujuan untuk mempermudah praktikan dalam melakukan percobaan filter sinyal.

ini berperan sebagai prosesor atau eksekutor dari proses filter digital.

Gambar 7. Perangkat yang Dibutuhkan

Pada Gambar 7 terlihat beberapa peralatan atau perlengkapan yang dibutuhkan untuk membangun dan mengimplementasikan Tugas Akhir ini. Beberapa komponen yang dibutuhkan dalam implementasi Tugas Akhir antara lain : 1. Kabel konektor yang menghubungkan power supply DSKC6713 (4) dengan sumber tegangan. 2. Kabel audio dengan dua jack pada tiap ujungnya 3. DSK TMS320C6713 4. Power supply DSKC6713 5. Kabel USB Awalnya kabel konektor (1) dihubungkan dengan power supply (4). Kemudian kabel konektor tersebut dihubungkan pada sumber tegangan dan ujung dari kabel power supply ini dihubungkan pada DSK TMS320C6713. Kemudian untuk menghubungkan PC dengan DSK, kabel USB (5) ditancapkan pada DSK sedangkan ujung lainnya ditancapkan pada USB port pada PC server. Kemudian hubungkan salah satu ujung kabel audio (2) pada LINE OUT DSK sedangkan ujung lainnya ditancapkan pada konektor microphone yang ada pada PC server.

Gambar 8.Komunikasi Alat

Gambar 6. Antarmuka Percobaan

Pada antarmuka tersebut terdapat beberapa elemen GUI dimana setiap elemen mempunyai tagname yang berbedabeda dan tidak boleh sama antara satu dengan yang lain. Dengan kata lain, tagname merupakan identitas dari tiap elemen GUI dan bersifat unique. 3.3. Komunikasi Hardware Pada bagian ini bagaimana caranya menghubngkan PC server dengan hardware DSK TMS 320C6713. Sebelumnya telah dijelaskan bahwa pada komputer server telah dibuat program dengan Simulink model. Program yang dibuat adalah program yang digunakan untuk mendukung proses percobaan filter digital. Sedangkan DSP pada Tugas Akhir

Perangkat yang telah dihubungkan terlihat seperti pada Gambar 8. IV. HASIL UJI SISTEM Pada bab ini akan membahas mengenai hasil-hasil yang didapatkan dari percobaan dengan cara mengakses komputer server pada laboratorium yang telah terhubung dengan DSK TMS320C6713 kemudian mengoperasikan antarmuka percobaan yang terdapat pada komputer tersebut. Untuk mengakses komputer server diharuskan memiliki software TeamViewer dan terhubung dengan internet. 4.1. Percobaan Filter Sinyal Digital dengan FIR Lowpass Sinyal pertama di bangkitkan dengan besar frekuensi 1 KHz, sedangkan pada sinyal kedua diberikan frekuensi

4 sinyal sebesar 3 KHz. Pada percobaan ini diberikan nilai frekuensi sampling sebesar 8 KHz.

time yang diberikan juga bernilai 8 kHz, namun untuk percobaan kali ini respon filter yang dipilih adalah highpass. Desain filter percobaan FIR highpass terlihat pada gambar 12. Pada FDATool Gambar 12 dapat dilihat bahwa sinyal yang ingin diloloskan adalah sinyal dengan frekuensi 3 kHz. sedangkan sinyal yang ingin diredam adalah sinyal rendah dengan frekuensi 1 kHz.

Gambar 9. Antarmuka Percobaan

Setelah sinyal input dimasukkan, langkah selanjutnya adalah mendesain filter yang digunakan. Desain filter dilakukan dengan mengklik tombol FDATool yang ada pada antarmuka seperti yang terlihat pada Gambar 10. Pada percobaan ini diberikan frekuensi cutoff pada 2 kHz. Gambar 12. Desain Filter FIR Highpass

Keluaran percobaan filter FIR Highpass terlihat pada gambar 13.

Gambar 10. Desain Filter FIR Lowpass

Pada FDATool Gambar 10 terlihat bahwa sinyal yang ingin diloloskan adalah sinyal dengan frekuensi rendah 1 kHz. Ssedangkan sinyal yang ingin diredam adalah sinyal diatas frekuensi cutoff. Setelah di implementasikan pada DSK TMS320C6713 terlihat keluaran percobaan. Hasil keluaran dari percobaan filter FIR lowpass dapat dilihat seperti pada gambar 11.

Gambar 13.Keluaran Percobaan Filter FIR Highpass

Pada Gambar 13 terlihat bahwa keluaran sesuai dengan yang diinginkan. Sinyal dengan frekuensi 3 kHz berhasil di loloskan. Sinyal yang lebih rendah dari frekuensi cutoff berhasil diredam. 4.3. Percobaan Filter Sinyal Digital dengan FIR Bandpass Pada percobaan filter FIR bandpass diberikan sinyal pertama dengan frekuensi 2 kHz, sedangkan pada sinyal kedua diberikan frekuensi sinyal sebesar 3.5 kHz dengan frekuensi sampling sebesar 8 KHz.

Gambar 11. Keluaran Percobaan Filter FIR Lowpass

Pada Gambar 11 terlihat bahwa sinyal yang paling dominan muncul adalah sinyal dengan nilai frekuensi 1 kHz. Sinyal mulai melemah saat mencapai frekuensi cutoff 2 kHz. Hal ini berarti bahwa sinyal rendah dengan frekuensi 1 kHz berhasil diloloskan dan sinyal diatas frekuensi cutoff berhasil diredam. Gambar 14.Desain FilterFIR Bandpass

4.2. Percobaan Filter Sinyal Digital dengan FIR Highpass Sama seperti pada percobaan filter sinyal FIR lowpass, pada percobaan filter sinyal digital highpass juga diberikan dua sinyal input sine wave sebesar 1 kHz dan 8 kHz. Sample

Sinyal yang ingin diloloskkan adalah sinyal yang berada pada frekuensi 1.5 kHz sampai dengan frekuensi 2.5 kHz. Frekuensi cutoff pertama sebesar 500 Hz dan frekuensi

5 cutoff kedua sebesar 3 kHz. Sinyal yang ingin diredam adalah sinyal yang berada pada frekuensi di bawah frekuensi cutoff pertama 500 Hz dan sinyal lebih tinggi dari frekuensi cutoff kedua 3 kHz. Keluaran percobaan filter FIR bandpass dapat dilihat pada Gambar 15.

Gambar 17.Keluaran Percobaan Filter FIR Bandstop

Pada Gambar 17 dapat terlihat bahwa sinyal yang lolos filter sesuai dengan yang diinginkan. Sedangkan sinyal pada frekuensi 5 kHz sampai dengan frekuensi 10 kHz terlihat melemah. Gambar 15. Keluaran Percobaan FIR Bandpass

Pada Gambar 15 terlihat bahwa sinyal pada frekuensi 1.5 kHz sampai dengan 2.5 kHz berhasil diloloskan. Frekuensi cutoff pertama berhasil meredam sinyal dibawah frekuensi 500 Hz. Fekuensi cutoff kedua berhasil meredam sinyal yang berada diatas frekuensi 3 kHz.

4.5. Percobaan Filter Suara dengan FIR Lowpass Pada percobaan filter FIR lowpass kali ini sinyal input yang diberikan bukan berupa sinyal sinus yang dibangkitkan dari MATLAB. Sinyal input berupa suara praktikan yang diberikan melalui microphone. Pada Gambar 18 di bawah adalah desain filter yang digunakan untuk percobaan.

4.4. Percobaan Filter Sinyal Digital dengan FIR Bandstop Pada percobaan filter FIR bandstop diberikan sinyal pertama dengan frekuensi 1 kHz, sedangkan pada sinyal kedua diberikan frekuensi sinyal sebesar 15 kHz dengan frekuensi sampling sebesar 32 KHz.

Gambar 18. Desain Filter FIR Lowpass

Gambar 16. Desain Filter FIR Bandstop

Pada Gambar 16 dapat diketahui pada percobaan ini diberikan frekuensi cutcoff pertama pada 5 kHz dan frekuensi cutoff kedua pada 10 kHz. Sinyal yang ingin diloloskan pada percobaan filter FIR bandstop ada pada dua daerah. Daerah lolos sinyal pertama berada di bawah frekuensi cutoff pertama. Daerah lolos sinyal kedua berada di atas frekuensi cutoff kedua. Keluaran dari percobaan filter FIR bandstop dapat dilihat seperti pada Gambar 17.

Pada Gambar 18 di atas terlihat spesifikasi desain filter yang dignakan untuk percobaan. Fekuensi cuoff berada pada 3 kHz. Pada percobaan sinyal suara yang ingin diloloskan adalah sinyal suara dengan nilai frekuensi dibawah 3 kHz. Sedangkan sinyal suara yang berada di atas frekuensi 3 kHz tidak diloloskan. Setelah diimplementasikan dengan DSK TMS320C6713 hasil percobaan terlihat seperti pada Gambar 19 di bawah.

Gambar 19. Keluaran Percobaan Filter Suara FIR Lowpass

6 Pada Gambar 19 di atas terlihat bahwa sinyal yang lolos adalah sinyal yang berada pada fekuensi rendah di bawah frekuensi cutoff 3 kHz saja. Sedangkan ketika diberikan teriakan suara dengan frekuensi tinggi melalui microphone, teriakan tersebut tiak lolos filter karena suara teriakan berada di atas frekuensi 3 kHz. V. KESIMPULAN Dari hasil pengujian sistem percobaan Pengolahan Sinyal Digital yang dilakukan secara berjarak dengan menggunakan DSK TMS320C6713 dalam Tugas Akhir Ini dapat diambil kesimpulan bahwa :  Pratikum pengolahan sinyal digital dapat dioperasikan secara berjarak sehingga dapat menghemat waktu pratikan dalam melakukan percobaan.  Percobaan Pengolahan Sinyal Digital dapat dilakukan tanpa menggunakan function generator sebagai pemberi sinyal input dan juga tidak membutuhkan oscilloscope untuk melihat hasil percobaan.

DAFTAR PUSTAKA [1]

[2]

[3]

D. Shin, E.S. Yoon, K.Y.Lee, E.S. Lee, ―A Web-Based, Interactive Virtual Laboratory System For Unit Operations and Process Systems Engineering Education: Issues, Design and Implementation‖, IEEE Computers and Chemical Engineering, pp. 319–330, 2002. Tampubolon Leonard. Rustamaji dan Ramadhan Darlis Arsyad, ―Simulasi Perancangan Filter Analog dengan Respon Butterworth‖, Tugas Akhir, Vol.1 No.3, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2013. Santoso Tri Budi, Octavianto Hary, Implementasi Filter FIR secara Real Time pada TMS 32C5402, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya (ITS), 2004.