PENGOLAHAN SINYAL DIGITAL Materi : 1. Sinyal dan sistem diskrit 2. Analisa Frekuensi 3. Sampling dan rekonstruksi sinyal 4. Transformasi – Z 5. Perencanaan Filter digital 6. Realisasi Filter digital
Pustaka : 1. Alan V. Oppenheim, R. W. Schafer “Discrete Time Signal Processing”, Prentice Hall, second edition, 1999. 2. J. G. Proakis, “Digtital Signal Processing”, Prentice Hall, 3. Monson H. Hayes, “Digtital Signal Processing”, Schaum’s Outlines Series, 1999. 4. L. C. Ludeman, “Fundamentals of Digital Signal Processing”, Harper & Row, 1986.
Evaluasi : 1. Kehadiran = 10 % 2. Tugas + Kuis = 20 % 3. UTS
= 30 %
4. UAS
= 40 %
BAB I PENDAHULUAN PENGOLAHAN SINYAL DIGITAL
1.1. Pengertian Sinyal diartikan sebagai suatu fungsi dari sekumpulan variabel bebas,
membawa suatu informasi yang
kemungkinan besar terdapat dalam suatu pengamatan. Pengolahan diartikan sebagai suatu operasi dalam suatu bentuk tertentu pada suatu sinyal, yang untuk selanjutnya diekstrak ke dalam suatu bentuk yang lebih bermanfaat. Dalam banyak kasus, pengolahan akan berlaku sebagai suatu
transformasi
yang
bersifat
non
destruktif
(merusak/memusnahkan) yang menghasilkan sinyal data.
Digital memberi arti bahwa pengolahan yang dilakukan menggunakan
komputer digital atau perangkat keras
digital khusus. 1.2.Sejarah Perkembangan Perkembangan sekilas dari pengolahan sinyal :
Tahun 1807 : Foirier mengembangkan Transformasi Fourier untuk menyelesaikan permasalahan pada suatu persamaan yang sulit.
Awal abad 18 : Laplace memodifikasi Transformasi Fourier di atas untuk menyelesaikan persamaan-persamaan diferensial yang lebih luas.
Masih di awal abad 18 : Gauss menemukan suatu metode yang dapat secara cepat digunakan untuk menghitung Transformasi Fourier.
Gauss kemudian mengembangkan dasar-dasar filter digital untuk proses penelitian tentang planet dan komet.
Tahun 1900-an : Bunsen
menggunakan
analisis
spektral
untuk
menemukan elemen-elemen baru.
Awal 1900-an : Einstein menunjukkan hubungan yang penting antara spektrum daya dan fungsi korelasi.
Tahun 1940-an : Teknologi radar dan sonar telah dikembangkan . Kemajuan-kemajuan dalam bidang pemrosesan sinyal digunakan pada sistem komunikasi.
Tahun 1960-an : Kalman mengembangkan filter yang praktis untuk menunjukkan optimasi dari suatu filter/kontrol.
Tahun 1960-an : Filter digital yang lebih kompleks berikut sistem-sistem kontrol digital diimplementasikan di NASA dan tempattempat lain. Pada masa ini pula filter adaptif (perangkat komputasi yang mencoba untuk memodelkan hubungan antara dua sinyal secara real time secara berulang-ulang) telah mulai dikembangkan.
Tahun 1964 : Kecepatan Transformasi Fourier dikembangkan kembali. Algoritma-algoritma
Markov
yang
penting
telah
dikembangkan.
Tahun 1970 : Teori dn pengertian dari filter/kontrol digital telah
mapan.
Awal tahun 1980-an :
Filter digital sudah sangat populer dikenal.
Tahun 1980-an : Terjadi kemajuan yang pesat pada bidang pengkodean gambar dan sinyal bicara, pengenalan sinyalbicara, pencitraan bentuk radar, pencitraan di bidang medis, dsb.
Akhir tahun 1980-an : Jaringan syaraf, Wavelets, dan fractal mulai ditemukan. TV digital mulai semakin dikembangkan.
Tahun 1990-an : Terjadi “ledakan” di dalam penggunaan teknik-teknik pengolahan sinyal digital untuk menggantikan sirkitsirkit elektronik konvensional (seperti : filter, kode-kode, modulator, dsb).
1.3. Kapabilitas (Kemampuan) Pengolahan Sinyal Digital Perkembangan Chip tidak lepas dari teknologi IC yaitu LSI (Large Scale Integration) dan VLSI (Very Large Scale Integration), ULSI (Ultra Large Scale Integration) serta GSI (Giant Scale Integration).
LSI mengandung 1.000 sampai 9.999 transistor per chip.
VLSI mengandung 10.000 sampai 99.999 transistor per chip.
ULSI mengandung 100.000 sampai 999.999 transistor
per chip.
GSI mengandung jutaan transistor per chip.
Dilihat dari fungsinya, Chip DSP sebagai pengolah suatu sinyal , maka disebut juga sebagai prosesor DSP. Semakin handal perangkat yang dikendalikan oleh chip tersebut, maka semakin cepat proses pengolahan sinyalnya. Kecepatan suatu prosesor juga tergantung waktu siklus (cycle time) yaitu selang waktu antara pemanggilan (call) akan informasi dan penyerahannya (delivery) dari piranti penyimpan. Waktu siklus ini merupakan parameter unjuk kerja dari kecepatan prosesor yang terkait dengan proses pengepakan rangkaian.
Gambar 1. menunjukkan evolusi kinerja prosesor DSP.
Gambar 1. Evolusi Kinerja Prosesor DSP Contoh chip DSP yang sering digunakan adalah tipe TMS. Berikut aplikasi yang menggunakan chip DSP tipe TMS 320, keluaran
Texas
Instrument
yang
merupakan
keluarga
mekroprosesor khusus pengolah sinyal digital. Grafik menunjukkan bahwa semakin rumit aplikasi, maka nilai BIPS (Billion Input Per Second)/GFLOPS (Giga Floating Point Solutions) juga semakin tinggi. Nilai BIPS/GFLOPS menunjukkan input dalam satu detik sebagai solusi pengolahan bagi banyaknya data floating.
Aplikasi yang menggunakan Chip DSP sebagai unjuk data perbandingan adalah :
Video Conferencing
Graphics Processing
Speech Processing
Virtual reality
Video Recognisers
Radar/Sonar Processing dsb.
Gambar 2. Kebutuhan Kinerja Berdasarkan Servis
Kecepatan untuk konverter Analog ke Digital (ADC) terus bertambah seiring dengan perkembangan jaman. Sebagai contoh kecepatan konverter A/D untuk 12 bit setiap tahunnya menunjukkan pertambahan kecepatan yang pesat. Halini terlihat dari pertambahan sampel sinyal yang dapat dikodekan per detiknya terus bertambah. Sebagai gambaran pertumbuhan kecepatan konverter A/D dari tahun ke tahun untuk tipe 12 bi adalah : Tahun 1983 : 100.000 sampel / detik. Tahun 1987 : dalam jutaan sampel / detik. Tahun 1993 : 30 juta sampel / detik. Tahun 1996 : 50 juta sampel / detik. Saat ini : ????
Dari sisi harga dapat ditunjukkan bahwa : Tahun 1982 : Chip TMS320C10 biayanya berkisar US$300 Tahun 1996 : Chip TMS320C30 (kecepatannya lebih tinggi dibanding TMS320C10) biayanya berkisar US$30 Grafik pertumbuhan pasar Chip DSP dapat ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3. Grafik Pertumbuhan Pasar Chip DSP 1.4. Sekilas Pengolahan Sinyal Digital Pengolahan sinyal Digital secara umum meliputi 3 tahap yaitu : Sinyal analog didigitasi melalui proses pencuplikan dan
kuantisasi , sehingga sinyal dikuantisasi ke bentuk bit-bit sejumlah terbatas. Proses ini disebut konversi Analog ke Digital.
Sampel-sampel terdigitasi diolah oleh Digital Signal Processor (DSP).
Sinyal keluaran DSP dikonversi kembali ke bentuk analog oleh analog reconstructor (yang disebut dengan proses Digital to Analog Convertion/DAC) . DSP dapat diprogram dan dapat dibuat untuk mengolah sinyal secara adaptif dengan menambahkan suatu algoritma adaptasi. 1.4.1. Keuntungan dan Kerugian Pengolahanan secara Digital Keuntungan Pengolahanan secara Digitalantara lain :
Toleransi terhadap harga komponen tidak kritis
Performansi relatif tidak sensitif terhadap lingkungan ,misalnya temperatur.
Akurasi tinggi, karena dapat dikontrol secara presisi.
Keakurasian tergantung dari panjang ”word”.
Rangkaian mudah direproduksi.
Dapat merealisasikan sistem yang relatif ideal, misal
filter berfasa linear.
Parameter-parameter filter seperti frekuensi cut-off, dapat dikontrol dengan mudah.
Mudah dikembangkan ke sistem adaptif.
Teori
matematika
yang
komplek
diimplementasikan seperti :
sekalipun
dapat
Aljabar linear untuk
Coding/Decoding dalam error control, Transformasi Diskrit (DFT, DCT dsb), Teori filter kalman untuk pemrosesan sinyal acak.
Simulasi
software
dapat
secara
menunjukkan/mewakili performansi hasil.
eksak
Dengan perkembangan teknologi VLSI : Reliabilitas tinggi, Ukuran Kecil, Pemrosesan kompleks, Harga murah.
Dan sebaginya Kerugian Pengolahanan secara digital antara lain :
DSP selalu menggunakan daya listrik, tidak ada rangkaian dijital pasif.
Keterbatasan frekuensi tinggi yang diolah, karena keterbatasan frekuensi ADC.
Sinyal alamadalah sinyal analog.
Dan sebagainya
1.4.2. Bidang Ilmu yang terkait :
Teori Komunikasi
Analisis Numerik
Statistik dan Probabilitas
Pemrosesan Sinyal Analog
Teori Keputusan
Elektronika Dijital dan Elektronika Analog
Dan sebagainya
1.4.3. Aplikasi Pengolahan Sinyal Digital Medical :
Pencitraan untuk diagnosis
Analisis Elektrokardiogram
Medical Image
Komersial :
Kompresi Suara dan Citra untuk Multimedia
Efek Spesial pada film
Video Conferencing
Telephon :
Kompresi data dan Voice
Echo
Multipleksing Sinyal
Filtering
Pengkodean sinyal bicara, Pemrosesan Sinyal bicara dan Audio, Pengenalan sinyal Bicara Militer :
Radar
Sonar
Pemandu Koordinat
Keamanan Komunikasi
Industri :
Kontrol dan monitoring proses
Pengetesan non destruktif
CAD
Scientific :
Perekaman dan analisis gempa
Akuisisi data
Analisis Spektral
Simulasi dan pemodelan
Ruang angkasa :
Perbaikan kualitas foto udara
Kompresi data
Remote sensing
1.4.4. Penyebab Perkembangan Pengolahan Sinyal Digital Tiga hal utama yang menyebabkan perkembangan pengolahan sinyal secara dijital adalah :
Teknologi Piranti : Mikroelektronik, Superkonduktor,
dsb
Teknologi Sensor : Sistem Intelegen, Interface
mesinmanusia. Teknologi algoritma : Sistem adaptif, Sistem Expert, Algoritma pemodelan (jaringan syaraf tiruan, Fuzzy logic, algoritma genertika dsb) . 1.4.5.
Pengolahan Sinyal Digital di masa depan
W : Wireless (GSM,CDMA)
A : Autonomous (single chip MP)
M : Mobile (GSM,CDMA,…)
D : Digital (SSI, MSI, LSI,VLSI,…) S : Signal
L : Low Price
A : Adaptive (filtering, estimation,…)
M : Multimedia (coding, compression,…).
P : Processing
