Download Signal dan Noise

ANALISIS INSTRUMEN I
SIGNAL DAN NOISE
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal danNoise
A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO
Pengukuran analitik terdiri dari 2 komponen, yaitu:
• respon instrumen
• fluktuasi random (noise)
Noise - fluktuasi random dari perulangan pengukuran yang terjadi
pada suatu basis kontinyu.
- standard deviasi (s atau s) dari suatu sinyal instrumen.
Signal to Noise Ratio:
S
mean signal
x


N standard deviation
s
Arie BS
S
1

N RSD
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO
Signal
Noise High = Stand Dev.
Arie BS
Noise Low = Stand Dev.
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO
spektra
Low Signal
High Noise
High Signal
Low Noise
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
A. SIGNAL-TO-NOISE RATIO
Estimating Signal-to-Noise Ratio
x = 0.9 x 10-15 A
Nt = 1.0 x 10-15 A
s = Nt/5 = 1.0 x 10-15/5 = 0.2 x 10-15
x = 0.9 x 10-15
S/N = x/s = 0.9 x 10-15/0.2 x 10-15 = 45
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISE
Terdapat 2 tipe noise yg akan mempengaruhi analisis:
• Chemical Noise
• Instrumental Noise
Chemical Noise -
berasal dari banyak variabel yg mempengaruhi
sifat kimia sistem yg diamati.
Sumber chemical noise:
• Temperatur
• Tekanan
• Kelembaban
• Interaksi kimia
Arie BS
Chemical Noise sangat tergantung
pada metode yg digunakan
(preparasi sampel, penyimpanan
sampel, dll)
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISE
Arie BS
Terdapat 2 tipe noise yg akan mempengaruhi analisis:
• Chemical Noise
• Instrumental Noise
Instrumental Noise - tiap komponen instrumen (sumber, input
transducer, output transducer, dll.)
berkontribusi pada noise total dalam sinyal
analitik suatu instrumen.
Instrumental noise sangat kompleks dan sulit dikarakterisasi, hanya
beberapa jenis saja yg bisa dimengerti.
• Thermal Noise
• Shot Noise
• Flicker Noise
• Environmental Noise
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISE
Instrumental Noise
1. Thermal Noise
Disebabkan oleh perubahan termal dari elektron atau pembawa
muatan lain dalam komponen elektronik (mis: resistor, kapasitor,
radiation transducer, dll).
 Sering disebut juga : Johnson Noise
 Thermal Noise tidak terjadi pada 0oK (- 273oC)
 Magnitude of thermal noise :
 rms  4kTRf
Arie BS
rms= root-mean-square noise voltage
k = Boltzmann constant (1.38 x 10-23 J/K)
T = Temperature (K)
R = Resistance of a resistive element (W)
f = frequency bandwidth (Hz)
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISE
Instrumental Noise
1. Thermal Noise
 Magnitude of thermal noise :
 rms  4kTRf
magnitude of thermal noise bergantung pada frequency
bandwidth, bukan pada frequency sinyal.
 f
bergantung pada response time dari suatu instrumen.
f 
1
3t r
tr = response time
 Cara untuk mereduksi thermal noise:
1) Persempit bandwidth
2) Kurangi jumlah resistive element
3) Kurangi temperatur komponen electronik
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISE
Instrumental Noise
2. Shot Noise
Disebabkan oleh fluktuasi arue karena elektron melewati junction
(tempat yg tidak semestinya).
 Magnitude of shot noise :
irms  2Ief
Arie BS
irms
I
e
f
= root-mean-square current fluctuations
= average direct current (A)
= charge of an electron e- (1.60 x 10-9 C)
= frequency bandwidth (Hz)
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISE
Instrumental Noise
3. Flicker Noise
Merupakan kebalikan dari frekuensi dari sinyal.
 tergantung pada frekuensi.
 signifikan pada frekuensi < 100 Hz
 dapat direduksi dengan penggunaan resistor khusus (metalik)
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISE
Instrumental Noise
4. Environmental Noise
 Kebanyakan berasal dari konduktor di instrumen yg bertindak
seolah-oleh seperti antena, melakukan “pick up” sinyal dari
sumber listrik, radio transmitters, dll.
 Disebabkan oleh induksi
– aliran arus listrik melalui/dekat dengan sumber panas.
 Cara untuk mereduksi environmental noise:
1) pindahkan/jauhkan dari sumber noise.
2) penggunaan sumber listrik yg stabil.
3) mengontrol temperatur ruangan
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
• Beberapa metode hanya memerlukan S/N minimal
(misal: MS)
• Jika suatu metode membutuhkan sensitivity dan accuracy yg tinggi,
S/N dapat dijadikan parameter dalam precision.
• Terdapat 2 jenis metode untuk meningkatkan S/N :
1) Hardware Devices
2) Software Methods
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
1) Hardware Devices for S/N Enhancement
 Grounding, shielding, dan minimizing panjang sirkuit elektronik
dalam instrumen untuk mereduksi environmental
electromagnetic noise.
 Difference and instrumentation amplifiers digunakan untuk
mereduksi noise dalam transducer.
 Analog filters digunakan untuk memilih frekuensi.
Jenis analog filters:
a) Low pass filters
b) High pass filters
c) Band pass filters
 Modulation – mengkonversi frekuensi sinyal analitik
untuk menghilangkan noise khusus.
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
1) Hardware Devices for S/N Enhancement
a. Low Pass Filter
• menghilangkan high frequency noise, seperti thermal noise dan
shot noise, dan mengijinkan low frequency signals untuk lewat.
• digunakan dalam instrumen yg merekam
low frequency analytical signals.
Raw Data
Filtered Data
Low Pass
Filter
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
1) Hardware Devices for S/N Enhancement
b. High Pass Filter
• menghilangkan low frequency noise, seperti flicker noise (1/f),
dan mengijinkan high frequency signals untuk lewat.
• digunakan dalam instrumen yg merekam
high frequency analytical signals.
Filtered Data
Raw Data
i
High Pass
Filter
Time
Arie BS
0
Time
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
1) Hardware Devices for S/N Enhancement
c. Band Pass Filter
• menghilangkan semua frekuensi kecuali frekuensi yg
diinginkan.
• merupakan gabungan dari low pass filter dan high pass filter.
0.6
0.4
0.2
0.01
1.0
0.8
0.8
0.1
0.6
Band Pass
Filter
0.4
0.2
0.01
1.0 0.110
1.0
100
101000 100
10,0001000
Hz
Frequency,Frequency,
Hz
Arie BS
10,000
Relative Signal
0.8
1.0
Low Pass Low Pass High Pass High Pass
Relative Signal
Relative Signal
1.0
Band Pass
0.6
0.4
0.2
0.01
0.1
1.0
10
100
Frequency, Hz
1000
10,000
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
1) Hardware Devices for S/N Enhancement
 Modulation – mengkonversi low frequency atau sinyal
DC dari tranducer menjadi high frequency.
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
2) Software Methods for S/N Enhancement
 Metode ini diterapkan menggunakan kecanggihan komputer
yang digabungkan pada suatu insrumen.
 Yang umum digunakan adalah :
a.
b.
c.
Arie BS
Ensemble averaging
Boxcar averaging
Digital filtering
1. Fourier transform
2. Least-squares polynomial smoothing
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
2) Software Methods for S/N Enhancement
a. Ensemble Averaging
n
Sx 
n
 Si
i 1
n
sehingga:
Sx
n
 S x  Si 
2
i 1

n
n
Sx
n
2


S

S
 x i
i 1
n
Dimana
Arie BS
2
i 1
N (rms noise ) 
AND
Sx

N
 S x  Si 
Sx = average signal (point)
Si = individual measurement of the signal
n = number of measurements
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
2) Software Methods for S/N Enhancement
a. Ensemble Averaging
A Single Spectrum
Signal
1.5
S
0.91
N
0.289
S/N
3.14
1.0
0.5
0.0
0
100
200
300
Time (s)
400
500
600
Average of Sixteen Spectra
Signal
1.5
S
0.90
N
0.070
S/N
12.81
1.0
0.5
0.0
0
Arie BS
100
200
300
Time (s)
400
500
Sx
S
 n 1  16  3.14  12.56
N
N1
600
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
2) Software Methods for S/N Enhancement
a. Ensemble Averaging
Contoh :
pH dari suatu sampel cairan diukur berulang dengan
hasil sebagai beikut:
7.034, 7.047, 7.012, 7.041, 7.026, 7.038
Hitung S/N untuk data pengukuran tersebut!
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
2) Software Methods for S/N Enhancement
a. Ensemble Averaging
Jawab :
Si
Sx-Si
(Sx-Si)2
1
7.034
-0.001
0.000001
2
7.047
-0.014
0.000196
3
7.012
0.021
0.000441
4
7.041
-0.008
0.000064
5
7.026
0.007
0.000049
6
7.038
-0.005
0.000025
∑ = 42.198
∑ =
No.
Arie BS
0.000776
Sx
S


N
n
i
42.198

 7.033
6
2


S

S
 x i
n

0.000776
6
 0.011372
Sx
7.033

 618.4
N 0.011372
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
2) Software Methods for S/N
Enhancement
b. Boxar Averaging
• digunakan untuk sinyal
kompleks yg berubah cepat
terhadap waktu.
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
2) Software Methods for S/N Enhancement
c. Digital Filtering
Fourier Transform mengkonversi data waktu menjadi frekuensi.
Arie BS
Analisis Instrumen I
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
2) Software Methods for S/N Enhancement
c. Digital Filtering
Least-squares polynomial smoothing
 Mereduksi high frequency noise menjadi bentuk low frequency.
Arie BS
Materi selanjutnya……….
ANALISIS INSTRUMEN I
PENDAHULUAN
SPEKTROSKOPI
Arie BS