loading...
MODUL 4
PEMFILTERAN PADA SINYAL WICARA
I.
TUJUAN
Mahasiswa
mampu menyusun filter digital dan melakukan pemfilteran pada sinyal wicara
II.DASAR
TEORI
2.1.
Filter IIR
Yang
perlu diingat disini bahwa infinite inpulse response (IIR) dalam hal ini
bukan berarti filter yang bekerja dari nilai negatif tak hingga sampai positif
tak hingga.Pengertian sederhana untuk infinite impulse respon filter
disini adalah bahwa output filtermerupakan fungsi dari kondisi input sekarang,
input sebelumnya dan output di waktu sebelumnya. Konsep ini kemudian lebih kita
kenal sebagai recursive filter, yang manamelibatkan proses feedback
dan feed forward. Dalam bentuk persamaan beda yangmenghubungkan input
dengan output dinyatakan seperti persmaaan (1) berikut ini.
…… (1)
dimana:
-
{bk} koefisien feed forward
-
{al} koefisien feed back
-
banyaknya (total koefisien) = M+N+1
-
N ditetapkan sebagai orde filter IIR
Untuk
merealisasikan ke dalam sebuah program simulasi atau perangkat keras maka
bentuk persamaan diatas dapat disederhanakan ke dalam diagram blok Gambar
1.
Untuk
implementasi sebuah low pass filter bersifat narrow-band
menggunakan sebuah filter IIR merupakan pilihan yang sangat sulit tetapi masih
mungkin dilakukan.Satu alasannya adalah penentuan orde yang tepat sehingga
menghasilkan bentuk yangtajam pada respon frekuensi relative sulit.Pada domain unit
circle bidang-z seringditandai dengan letak pole-pole yang ada
diluar lingkaran, hal ini secara fisis memberikanarti bahwa filter yang
dihasilkan tidak stabil.
Gambar 1. Diagram
blok Filter IIR
Kita
coba untuk merealisasikan dalam program Matlab secara sederhana dengan melihat
pada masing-masing kasus, dalam hal ini adalah low pass filter (LPF) dan
highpass filter (HPF).
Contoh
1:
Kita
akan mencoba merancang sebuah low pass filter (LPF) IIR dengan memanfaatkan filter Butterworth.
Frekuensi cut off ditetapkan sebesar 2000 Hz. Dalam hal ini frekuensi sampling
adalah 10000 Hz. Langkah realisasi dalam Matlab adalahsebagai berikut.
clear all;
R=0.2;
N=16;
Wn=0.2;
figure(1);
[B,A] = butter(N,Wn);
[H,w]=freqz(B,A,N);
len_f=length(H);
f=1/len_f:1/len_f:1;
plot(f,20*log10(abs(H)),'linewidth',2)
Dari
langkah ini akan didapatkan respon frekuensi
seperti gambar berikut.
Gambar 2.Respon
Frekuensi Filter IIR, LPF
Contoh
2:
Pada
contoh kedua ini kita akan mencoba merancang sebuah filter IIR untuk high
passfilter (HPF). Tetap dengan frekuensi cut off 2000 Hz, dan
frekuensi sampling 10000.Langkah pemrogramanya adalah dengan sedikit
memodifikasi bagian berikut.
[B,A] = butter(N,Wn,'high');
Ini
akan memberikan respon frekuensi seperti berikut.
Gambar 3.Respon
Frekuensi Filter IIR, HPF
2.2.
Filter FIR
Sebuah
finite impulse respon filter (filter FIR) memiliki hubungan input dan
output dalam domain waktu diskrit sebagai berikut:
…. (2)
dimana:
-{bk}= koefisien feed forward
-
banyaknya (total koefisien) L = M + 1
-
M ditetapkan sebagai orde filter FIR
Dalam
realisasi diagram blok akan dapat digambarkan seperti pada Gambar 4 berikut ini
Gambar 4.
Diagram blok FIR Filter
Untuk
tujuan simulasi perangkat lunak kita bisa memanfaatkan fungsi standar berikut
ini:
B = FIR1(N,Wn)
Ini
merupakan sebuah langkah untuk merancang filter digital FIR dengan orde sebesar
N, dan frekuensi cut off Wn. Secara default oleh Matlab ditetapkan bahwa
perintah tersebutakan menghasilkan sebuah low pass filter (LPF).
Perintah ini akan menghasilkankoefisien-koesifien filter sepanjang (N+1) dan
akan disimpan pada vektor B. Karenadalamdomain digital, maka nilai frekuensi cut
off harus berada dalam rentang 0<Wn<1.0.Nilai 1.0 akan memiliki
ekuivalensi dengan nilai 0,5 dari sampling rate (fs/2).Yang perluanda
ketahui juga adalah bahwa B merupakan nilai real dan memiliki fase yang linear.
Sedangkan gain ternormalisasi filter pada Wn sebesar -6 dB.
Contoh
3:
Kita
akan merancang sebuah LPF dengan frekuensi cut off sebesar 2000 Hz.
Frekuensi sampling yang ditetapkan adalah 10000 Hz. Orde filter ditetapkan
sebesar 32.Maka langkah pembuatan programnya adalah sebagai berikut:
fs=10000;
[x,fs]=wavread('a.wav');
Wn = .20;
N = 32;
LP = fir1(N,Wn);
[H_x,w]=freqz(LP);
len_f=length(H_x);
f=1/len_f:1/len_f:1;
plot(f,20*log10(abs(H_x)))
grid
Hasilnya
adalah respon frekuensi seperti Gambar 5 berikut
Gambar 5.
Respon Frekuensi Low Pass Filter
Contoh
4:
Kita
akan merancang sebuah Band Pass Filter (BPF) dengan frekuensi cut off
sebesar 2000 Hz (untuk daerah rendah) dan 5000 Hz (untuk daerah tinggi).
Frekuensi samplingyang ditetapkan adalah 10000 Hz. Orde filter ditetapkan
sebesar 32. Beberapa bagianprogram diatas perlu modifikasi seperti berikut.
Wn1 = [.20, .50];
BP = fir1(N,Wn1);
Hasilnya
akan didapatkan respon frekuensi seperti pada Gambar 6 berikut ini.
Gambar 6. Respon Frekuensi Band Pass
Filter
Contoh
5:
Kita
akan merancang sebuah High Pass Filter (HPF) dengan frekuensi cut offsebesar 5000 Hz (untuk daerah tinggi). Frekuensi
sampling yang ditetapkan adalah 10000 Hz.Orde filter ditetapkan sebesar 32.
Beberapa bagian program diatas perlu modifikasiseperti berikut.
Wn2 = .50;
HP =
fir1(N,Wn2,'high');
Hasilnya
berupa akan didapatkan respon frekuensi seperti pada Gambar 7 berikut ini.
Gambar 7
Respon Frekuensi High Pass Filter
2.3.
Filter Pre-Emphasis
Dalam
proses pengolahan sinyal wicara pre emphasis filter diperlukan setelah
proses sampling. Tujuan dari pemfilteran ini adalah untuk mendapatkan bentukspectralfrekuensi
sinyal wicara yang lebih halus.Dimana bentukspectral yang relatif
bernilaitinggi untuk daerah rendah dan cenderung turun secara tajam untuk
daerah fekuensi diatas2000 Hz.
Gambar 8.
Posisi Filter Pre-Emphasis pada sistem pengolah wicara
Filter
pre-emphasis didasari oleh hubungan input/output dalam domain waktu yang
dinyatakan dalam persamaan beda seperti berikut:
y(n)
= x(n) – ax(n-1) (3)
dimana:
a
merupakan konstanta filter pre-emhasis, biasanya bernilai 0.9 < a
< 1.0
Dalam
bentuk dasar operator z sebagai unit filter, persamaan diatas akan memberikan
Sebuah
transfer function filterpre-emphasis seperti berikut.
H(z) = 1-az-1(4)
Bentuk ini kemudian akan memberikan dasar
pembentukan diagram blok yang menggambarkan hubungan input dan output seperti
pada Gambar 8.
Gambar 9.Diagram
blokpre-emphasis filter
Dengan
memanfaatan perangkat lunak Matlab kita akan dengan mudah mendapatkan bentuk
respon frekuensi filter pre-empasis.
clear all;
w=0:.01:3.14;
a=0.93;
H=1-a*exp(-j*w);
plot(w/3.14,20*log10(abs(H)),'linewidth',2)
grid
axis([0 1.00 -25
10])
xlabel('frekuensi
ternormalisasi')
ylabel('magnitudo
(dB)')
title('Pre-Emphasis
filter')
Gambar 10.
Respon frekuensi filter pre-emphasis
Dengan
nilai a = 0,93 akan mampu melakukan penghalusan spectral sinyal wicara
yang secara umum mengalami penurunsan sebesar 6 dB/octav. Sekarang yang menjadi
pertanyaan adalah bagaimana pengaruh sebenarnya filter inipada sebuah sinyal
wicara? Untuk itu anda dapat memanfaatkan program dibawah ini.
clear all;
fs=10000;[x,fs]=wavread('a.wav');
xx=length(x)+1;x(xx)=0;
alpha=0.96;
for i=2:xx
y0(i)=x(i-1);
end
for i=1:xx
y(i) = x(i) -
alpha*y0(i);
end
subplot(211)
t=1:xx;
plot(t/fs,y);legend('input');grid
xlabel('waktu
(dt)'); ylabel('magnitudo');axis([0 0.7 -0.25 0.25]);
subplot(212)
plot(t/fs,y0);
legend('output');grid
xlabel('waktu
(dt)'); ylabel('magnitudo'); axis([0 0.7 -1 1.5])
Hasilnya
adalah berupa sebuah gambaran bentuk sinyal input dan output dari file sinyal wicara
’
a.wav’
dalam domain waktu.
Gambar 11.
Sinyal input dan output dari pre-emphasis filter dalam domain waktu
Sedangkan
hasil yang didapatkan dalam bentuk domain frekuensi adalah seperti berikut.
Gambar 12.
Sinyal input dan output dari pre-emphasis filter dalam domain frekuensi
III.PERANGKAT
YANG DIPERLUKAN
-1
(satu) buah PC Multimedia lengkap sound card dan microphone
-Satu perangkat lunak Matlab
IV.
LANGKAH-LANGKAH PERCOBAAN
4.1.
Penataan Perangkat
Sebelum
melakukan percobaan harus dilakukan penataan seperti pada Gambar 13 berikut
ini.
Gambar 13.
Penataan perangkat percobaan filtering sinyal wicara
PC
harus dilengkapi dengan peralatan multimedia seperti sound card, speaker
aktif dan microphone. Untuk microphone dan speaker aktif bisa
juga digantikan dengan head setlengkap. Sebelum anda memulai praktikum,
sebaiknya dites dulu, apakah seluruh perangkat multimedia anda sudah
terintegrasi dengan PC.
4.2.
Pemfilteran Sinyal Wicara dengan IIR
Pada
bagian ini akan dilakukan perancangan filter IIR, mengamati bentuknya respon frekuensi,
melakukan pemfilteran pada sinyal wicara, dan melihat pengaruhnya dalamdomain
waktu dan domain frekuensi. Langkah-langkahnya adalah seperti berikut:
1. Rancang
sebuahlow pass filter IIR dengan spesifikasi seperti berikut :
fc= 4000 Hz, frekuensi sampling fs=10000 Hz,
dan pembentukan filter didasarkan pada
metode yang sederhana yaitu Butterworth
filter.
2. Amati
bentuk respon frekuensi yang dihasilkannya, usahakan untuk menampilkan dengan
sumbu mendatar frekuensi (Hz) dan sumbu tegak berupa magnitudo dalambesaran dB.
3. Tambahkan
program untuk memangil sebuah file ‘*.wav’, dalam hal ini bisa
digunakanhasil perekaman yang telah dilakukan pada percobaan 1, misal file ’u.wav’.
[s,fs]=wavread('FILE_U.wav');
4. Lakukan
pemfilteran dengan menggunakan koefisien-koefisien IIR yang telah dirancang
pada langkah 1.
s0=filter(B,A,s);
5. Buat
sebuah tambahan program untuk mengamati bentuk spectralnya, bandingkan sinyal
wicara tersebut sebelum pemfilteran dan sesudah pemfilteran.
6. Coba
tambahkannoiseGausian dengan varianss2 = 0.2 pada sinyal wicara yangdipanggil pada
langkah ke 3. Dan lakukan proses pemfilteran ulang seperti padalangkah 4.
7. Ulangi
langkah 5 untuk melihat pengaruhnoise pada spectral sinyal wicara, dan
lihatpengaruh pemfilteran pada spectal sinyal bernois tersebut.
8. Setelah
menyelesaikan langkah 1 sampai 7, cobalah untuk membuat sebuah filterhighpass
filter IIR dengan spesifikasi yang sama dengan yang telah dilakukan dengan lowpass
filter, kecuali frekuensi cut off dirubah menjadi fc = 200
Hz.
4.3.
Pemfilteran Sinyal Wicara dengan FIR
Pada
bagian ini akan dilakukan perancangan filter FIR, mengamati bentuknya respon frekuensi,
melakukan pemfilteran pada sinyal wicara, dan melihat pengaruhnya dalamdomain
waktu dan domain frekuensi. Langkah-langkahnya adalah seperti berikut:
1. Rancang
sebuah low pass filter FIR dengan spesifikasi seperti berikut:
fc= 4000 Hz, frekuensi sampling fs=10000 Hz,
dan pembentukan filter didasarkan padametode yang sederhana yaitu seperti pada
contoh yang ada di bagian teori.
2. Amati
bentuk respon frekuensi yang dihasilkannya, usahakan menampilkan dengan sumbu
mendatar frekuensi (Hz) dan sumbu tegak berupa magnitudo dalam besaran dB.
3. Tambahkan
program untuk memangil sebuah file ‘*.wav’, dalam hal ini bisa kitagunakan hasil perekaman yang telah
dilakukan pada percobaan 1, misal file’FILE_U.wav’.
[s,fs]=wavread('FILE_U.wav');
4. Lakukan
pemfilteran dengan menggunakan koefisien-koefisien FIR yang telah dirancang
pada langkah 1
y1 = conv(LP,x);
5. Buat
sebuah tambahan program untuk mengamati bentuk spectralnya, bandingkan sinyal
wicara tersebut sebelum pemfilteran dan sesudah pemfilteran.
6. Coba
tambahkan noise Gausian dengan varianss2 =
0.2 pada sinyal wicara yangdipanggil pada langkah ke 3. Dan lakukan proses
pemfilteran ulang seperti padalangkah 4.
7. Ulangi
langkah 5 untuk melihat pengaruh noise pada spectral sinyal wicara, dan
lihatpengaruh pemfilteran pada spectal sinyal bernois tersebut.
8. Setelah
menyelesaikan langkah 1 sampai 7, cobalah untuk membuat sebuah filterhighpass
filter FIR dengan spesifikasi yang sama dengan yang telah dilakukan dengan lowpass
filter, kecuali frekuensi cut off anda rubah menjadi fc = 200
Hz.
9. Ulangi
langkah 8 dengan band pass filter yang memiliki spesifikasifL = 200 HzdanfH= 4000 Hz
4.4.
Pre Emphasis Filter pada Sinyal Speech
Pada
bagian ini akan dilakukan perancangan filter pre-emphasis, mengamati bentuknya
respon frekuensi, melakukan pemfilteran pada sinyal wicara, dan
melihatpengaruhnya dalam domain waktu dan domain frekuensi. Langkah-langkahnya
adalahseperti berikut:
1. Lakukan
perancangan filterpre-empashis dengan nilai a = 0,95. Dalam hal ini kita
bisa memanfaatkan program yang ada pada bagian teori.
2. Panggil
sebuah file ’*.wav’, dalam hal ini bisa memilih file ’aiueo.wav’
atau jika tidak keberatan lakukan perekaman lebih dulu dan anda gunakan sebagai
file ’*.wav’ yangakan dianalisa.
3. Amati
bentukspectral sinyal, sebelum dan sesudah diperlakukan dengan pre-empashis.
4. Cobalah
rancang sebuah filterde-emphasis. Jika mengalami kesulitan dengan hal
ini, tanyakan kepada instruktur atau dosen praktikum.
5.
ANALISA DATA DAN TUGAS
1. Anda
telah melakukan serangkaian percobaan dengan filter digital untuk sinyal
wicara, yang harus dilakukan sekarang adalah membuat analisa tentang filter
digital tersebutdan jawab berbagai masalah berikut:
a) Mengapa
pemfilteran sinyal wicara dilakukan pada daerah 200 Hz sampai 4000 Hz?
b) Apa
pengaruh filer pre-emphasis pada bentuk spectral sinyal wicara?
c) Seberapa
besar redaman yang dihasilkan sebuah filter FIR dan filter IIR yang telah anda
rancang terhadap spectral sinyal wicara tepat pada daerah frekuensicut-off?
2. Berikan
analisa tentang sinyal wicara bernoise, dan pengaruh filter low pass yang
dirancang.
loading...
Comments
Post a Comment