Digital Signal Processor (DSP)

Ketika saya masih di bangku kuliah, saya mengikuti recruitment assistant untuk laboratorium Telekomunikasi di Universitas Brawijaya. Salah satu bagian dari rekrutmen, setiap peserta diwajibkan membuat suatu paper yang temanya ditentukan secara acak oleh panitia (senior). Saat itu saya mendapat judul Digital Signal Processor (DSP), dan berikut ini hasil tulisan saya yang dikumpulkan dari berbagai sumber. Suatu makalah sederhana yang mengantarkan saya ke laboratorium telekomunikasi (dengan segala dinamika di dalamnya) ini saya harap dapat menambah pengetahuan Anda.🙂
——————————————————————————————————

DIGITAL SIGNAL PROCESSOR (DSP)

oleh : Pradini Puspitaningayu

BAB I
PENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANG

Pemrosesan sinyal digital adalah suatu bagian dari sains dan teknik yang berkembang pesat selama 30 tahun terakhir. Perkembangan yang pesat ini merupakan hasil kemajuan teknologi komputer digital dan industri rangkaian terintegrasi. Komputer dan hardware digital selama tiga dekade yang lampau relatif besar dan mahal sehingga konsekuensinya perangkat tersebut hanya digunakan untuk komputasi ilmiah dan aplikasi bisnis. Kemudian kemajuan yang sangat signifikan dimulai dengan integrasi skala medium (MSI), besar (LSI), hingga sangat besar (VLSI) dari rangkaian elektronik memacu perkembangan yang sangat kuat, lebih kecil, lebih cepat, dan lebih murah dari komputer dan perangkat keras digital untuk maksud khusus. Rangkaian digital yang murah dan relatif cepat ini memungkinkan untuk mengkonstruksi sistem digital canggih yang dapat melakukan fungsi dan tugas pemrosesan sinyal yang dilakukan secara konvensional dengan piranti analog kini dapat dilakukan dengan perangkat keras digital yang lebih praktis dan ekonomis.

Rangkaian digital tidak hanya menghasilkan sistem yang lebih murah dan terpercaya untuk pemrosesan sinyal, tetapi juga memiliki keuntungan-keuntungan lain. Terutama perangkat keras pemrosesan digital memungkinkan operasi yang dapat diprogram (programmable). Sehingga antara hardware dan software saling berkesinambungan menghasilkan suatu derajat fleksibilitas desain sistem yang lebih besar. Juga acap kali ditemui suatu tingkat presisi yang lebih tinggi dapat dicapai oleh hardware dan software digital dibanding perangkat analog.

1.2. RUMUSAN MASALAH

  • Apa yang disebut Digital Signal Processor?
  • Bagaimana prinsip kerja Digital Signal Processor?
  • Apa aplikasi Digital Signal Processor?
  • Apa keuntungan dan kerugian penggunaan DSP?

1.3. TUJUAN

  • Mengetahui pengertian Digital Signal Processor
  • Memahami cara kerja DSP.
  • Mengetahui aplikasi DSP.
  • Mengetahui kelebihan dan kekurangan penggunaan DSP.

1.4. BATASAN MASALAH

Pada makalah ini saya akan membahas mengenai pengertian Digital Signal Processor. Kemudian dasar-dasar pengolahan sinyal digital yang merupakan prinsip kerja digital signal processor. Setelah mengetahui prinsip kerja DSP, perlu juga dibahas mengenai aplikasi DSP. Aplikasi yang akan saya angkat adalah peredaman noise akustik secara aktif menggunakan DSP TMS320C50.

BAB II
DASAR TEORI

2.1. Digital Signal Processor
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 (misalnya 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.

Gambar 2.1. Sistem Pengolahan Sinyal Analog

Pada masa sekarang ini, pengolahan sinyal secara digital yang merupakan alternatif dalam pengolahan sinyal analog telah diterapkan begitu luas. Dari peralatan instrumentasi dan kontrol, peralatan musik, peralatan kesehatan dan peralatan lainnya. Istilah pengolahan sinyal digital sebenarnya kurang begitu tepat, yang lebih tepat adalah pengolahan sinyal diskrit. Tetapi karena istilah ini sudah luas digunakan, maka istilah pengolahan sinyal digital tetap digunakan dalam makalah ini. 

BAB III
PEMBAHASAN

3.1. PRINSIP KERJA

DSP (Digital signal processor) merupakan suatu rangkaian terintegrasi yang menyerupai mikroprosessor, tetapi arsitekturnya memiliki spesialisasi untuk melakukan pemrosesan data diskrit dengan kecepatan tinggi seperti proses filtering dan fast fourier transform. Kelebihan itulah yang membuat DSP lebih baik dari mikrokomputer ataupun mikrokontroler dalam hal memproses sinyal.

Dalam pemrosesan data oleh DSP mula – mula data yang berupa sinyal analog diubah menjadi sinyal elektronik oleh tranduser (microphone) kemudian dilakukan proses pencuplikan sinyal masukan yang berupa sinyal kontinyu. Proses ini mengubah representasi sinyal yang tadinya berupa sinyal kontinyu menjadi sinyal diskrit. Proses ini dilakukan oleh suatu unit ADC (Analog to Digital Converter). Unit ADC ini terdiri dari sebuah bagian Sample/Hold dan sebuah bagian quantiser. Unit sample/hold merupakan bagian yang melakukan pencuplikan orde ke-0, yang berarti nilai masukan selama kurun waktu T dianggap memiliki nilai yang sama. Pencuplikan dilakukan setiap satu satuan waktu yang lazim disebut sebagai waktu cuplik (sampling time). Bagian quantiser akan merubah menjadi beberapa level nilai.

Gambar 3.1 Sampling & Quantizing

Sinyal input asli yang tadinya berupa sinyal kontinyu, x(T) akan dicuplik dan diquantise sehingga berubah menjadi sinyal diskrit x(kT). Dalam representasi yang baru inilah sinyal diolah. Keuntungan dari metode ini adalah pengolahan menjadi mudah dan dapat memanfaatkan program sebagai pengolahnya. Dalam proses sampling ini diasumsikan kita menggunakan waktu cuplik yang sama dan konstan, yaitu Ts. Parameter cuplik ini menentukan dari frekuensi harmonis tertinggi dari sinyal yang masih dapat ditangkap oleh proses cuplik ini. Frekuensi sampling minimal adalah 2 kali dari frekuensi harmonis dari sinyal.

Untuk mengurangi kesalahan cuplik maka lazimnya digunakan filter anti-aliasing sebelum dilakukan proses pencuplikan. Filter ini digunakan untuk meyakinkan bahwa komponen sinyal yang dicuplik adalah benar-benar yang kurang dari batas tersebut. Sebagai ilustrasi, proses pencuplikan suatu sinyal digambarkan pada gambar berikut ini.

Gambar 3.2. Pengubahan dari sinyal kontinyu ke sinyal diskrit

Setelah sinyal diubah representasinya menjadi deretan data diskrit, 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. Secara garis besar, blok diagram dari suatu pengolahan sinyal digital adalah sebagai berikut :

Gambar 3.3. Blok diagram sistem pemrosesan sinyal pada DSP

Chip-chip DSP memiliki arsitektur khusus yang lazim dikenal dengan arsitektur Harvard, yang memisahkan antara jalur data dan jalur kode. Arsitektur ini memberikan keuntungan yaitu adanya kemampuan untuk mengolah perhitungan matematis dengan cepat, misal dalam satu siklus dapat melakukan suatu perkalian matrix. Untuk chip-chip DSP, instruksi yang digunakan berbeda pula. Lazimnya mereka memiliki suatu instruksi yang sangat membantu dalam perhitungan matrix, yaitu perkalian dan penjumlahan dilakukan dalam siklus (bandingkan dengan 80×86, proses penjumlahan saja dilakukan lebih dari 1 siklus mesin).

Sebenarnya perhitungan yang dilakukan untuk chip jenis DSP ini tidaklah terlalu komplek, namun volume data yang diolahnya sangat besar dan bekerja terus menerus mengingat data yang diolah tersebut adalah berupa data streaming, atau selalu mengucur melewati chip tersebut, sehingga general purpose processor sering tidak mampu untuk melakukannya.

Anggaplah prosesor ini dapat mengerjakan beragam pekerjaan, namun hanya untuk aplikasi tertentu. Karena strukturnya yang sangat sederhana, maka tentu saja chip ini dapat menterjemahkan pekerjaannya dengan kecepatan tinggi.

3.2. APLIKASI

Pada makalah ini akan saya kemukakan aplikasi DSP yang digunakan untuk peredaman noise akustik secara aktif menggunakan DSP TMS320C50.

Metode peredaman suara secara aktif bekerja berdasarkan prinsip superposisi yang destruktif, dimana sumber suara bising (noise), dilawan dengan sumber suara anti-noise. Sumber suara anti-noise ini memiliki amplitudo yang sama besar dengan sumber noise utama, namun phasenya berbeda 180o. Akibatnya kedua sumber suara ini akan saling melemahkan. Konsep ini dapat dilihat dengan jelas seperti gambar di bawah ini.

Gambar 3.4. Ilustrasi sumber suara yang saling melemahkan

Sebagai media simulasi, digunakan saluran pipa PVC sebagai tempat perambatan gelombang suara. Pipa ini dilengkapi dengan speaker noise, speaker anti-noise, microphone input, dan microphone error. Dalam hal ini, speaker berfungsi sebagai sumber suara, baik noise maupun anti-noise. Sedangkan microphone berfungsi sebagai sensor penangkap sinyal suara.

Gambar 3.5 Simulasi peredaman aktif

Kondisi real dari jalur-jalur akustik tempat perambatan gelombang suara diimplementasikan dalam bentuk filter-filter digital. Sedangkan untuk membantu pemroses sinyal-sinyal digital tersebut, digunakan Digital Signal Processing (DSP) TMS320C50. Processor ini memiliki kecepatan pemrosesan yang cukup tinggi dengan mnemonic-mnemonic yang dikhususkan untuk pemrosesan sinyal digital.

Dalam penerapannya, sistem diuji dengan berbagai variasi step size, frekwensi noise, orde filter dan level sinyal noise. Selain itu juga dilakukan pengujian respon sistem terhadap sinyal noise multiple frekwensi dan pengujian respon parameter akustik yang terdapat pada saluran pipa PVC.

Dari pengujian terhadap masing-masing variasi tersebut, ternyata sistem yang dibuat ini cukup efektif untuk meredam sinyal noise yang frekwensinya narrow-band. Frekwensi-frekwensi sinyal noise yang dapat diredam bernilai 428, 476, 502, 550, 569, 600, 625 dan 643 Hz. Dari nilai-nilai tersebut, diperoleh nilai reduksi yang optimal sebesar 21.03 dBV, pada frekwensi noise 569 Hz. Sedangkan untuk sinyal noise multiple frekwensi, sistem efektif untuk meredam hingga 4 frekwensi sinyal input (quadruple-tone signal). Pada variasi level sinyal input, diperoleh hasil reduksi yang maksimal sebesar 33.86 dBV pada level sinyal input –5.99 dBV dengan frekwensi 428 Hz.

Akhirnya, pemanfaatan dan pengembangan peredaman suara secara aktif ini diharapkan dapat menjadi dasar bagi pengembangan metode peredaman noise multiple frekwensi secara aktif yang banyak dijumpai pada pabrik, pada interior pesawat, mobil dan lain-lain.

Gambar 3.6. Hardware Active Noise Control

Keterangan Gambar :
PRE-AMP MIC. = Penguat Depan
POWER AMP. = Penguat Akhir
AIC EX = AIC Expansion
STPC = Serial Communication to PC
IM = Input Microphone
EM = Error Microphone
SN = Speaker Noise
SA = Speaker Anti-Noise
SI = Sinyal Input
SM = Saklar Mute

Gambar 3.7. Spectrum Analyzer yang digunakan sebagai alat ukur.

Gambar 3.8. Contoh grafik hasil pengukuran.

BAB IV
PENUTUP

4.1. KESIMPULAN

DSP (Digital signal processor) merupakan suatu rangkaian terintegrasi yang menyerupai mikroprosessor yang digunakan untuk melakukan pemrosesan data diskrit dengan kecepatan tinggi.

Prinsip kerja DSP adalah mengubah sinyal analog menjadi sinyal diskrit oleh ADC (Analog to Digital Converter) sebelum diolah dalam DSP itu sendiri. Kemudian keluaran DSP dikonversikan lagi dalam bentuk analog oleh DAC (Digital to Analog Converter).
DSP dapat diaplikasikan untuk peredaman noise akustik secara aktif dengan menggunakan DSP TMS320C50 untuk membantu dalam pengolahan sinyal digital.

Kelebihan penggunaan DSP :

1. Suatu sistem digital terprogram memiliki fleksibilitas dalam merancang ulang operasi-operasi pengolahan sinyal digital hanya dengan melakukan pengubahan 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.

2. Masalah ketelitian atau akurasi juga memainkan peranan yang penting dalam menentukan bentuk dari pengolah sinyal. Pengolahan 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 pengolahan sinyal analog. Di lain pihak, sistem digital menawarkan pengendalian akurasi yang lebih baik.

Kekurangan penggunaan DSP :

1. Bertambahnya sistem yang komplek dalam pengolahan digital untuk sinyal analog karena diperlukan alat sebelum dan sesudah pengolahan seperti konverter A/D dan D/A, beserta penapis dan rangkaian digital lainnya.

2. Terbatasnya jangkauan frekuensi yang dapat diproses: pada umumnya sinyal analog kontinyu harus disampel pada frekuensi paling sedikit dua kali komponen frekuensi terbesarnya yang ada pada sinyal tersebut, apabila kondisi ini tidak dipenuhi maka komponen sinyal dengan frekuensi di atas setengah dari frekuensi sampling muncul sebagai komponen sinyal di bawah frekuensi sebenarnya.

3. Kerugian ketiga berawal dari kenyataan bahwa sistem digital disusun dengan menggunakan alat aktif yang mengkonsumsi power listrik, sedangkan algoritma pengolahan analog diimplementasikan dengan rangkaian pasif. Dalam hal ini alat aktif kurang dapat dipercaya daripada alat pasif untuk mengolah sinyal karena dapat mempengaruhi sinyal yang diolahnya.

Walaupun demikian keunggulan pengolahan sinyal digital jauh lebih banyak daripada kerugiannya dalam banyak aplikasi. Dengan terus berlangsungnya pengurangan biaya perangkat keras pengolahan digital, karena berkembangnya teknologi, aplikasi pengolahan sinyal digital bertambah dengan pesat.

4.2. SARAN

  • Peningkatan kinerja DSP dengan meminimalkan kerugian
  • Dengan peningkatan teknologi yang bersifat kontinu maka diharapkan pengembangan DSP menjadi lebih efektif, efisien, dan ekonomis.
  • Pemanfaatan DSP dengan baik untuk kemaslahatan umat manusia.

DAFTAR PUSTAKA

Proakis, John G dan Dimitris G. Manolakis, 1995. Digital Signal Processing. Prentice-Hall Inc, New Jersey

Patrick, Marco. 1999. Asia Pasific International Congress on Engineering computational modeling and Signal processing.

http://www.total.or.id

http://tf.lib.itb.ac.id

http://www.elektroindonesia.com

http://henry-toruan.blogspot.com/2009/10/sistem-pengolahan-sinyal-digital.html

Majalah EDNAsia

http://faculty.petra.ac.id/resmana/projects/noise-control/

About dinipus

a big, big, big dreamer

Posted on May 6, 2011, in Knowledge. Bookmark the permalink. 2 Comments.

  1. bos ijin copas y, buat makalah ane. makasih banyak.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: