5. signal dan noise
DESCRIPTION
kimia instrumenTRANSCRIPT
ANALISIS INSTRUMEN ANALISIS INSTRUMEN
SIGNAL DAN NOISE
Signal danNoise
A. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIO
Pengukuran analitik terdiri dari 2 komponen, yaitu:• respon instrumen
• fluktuasi random (noise)
NoiseNoise - - fluktuasi fluktuasi random dari perulangan random dari perulangan pengukuran yang terjadi pada suatu basis pengukuran yang terjadi pada suatu basis kontinyu.kontinyu.
-- standard deviasi (s atau s) standard deviasi (s atau s) dari suatu sinyal instrumen.dari suatu sinyal instrumen.
s
x
N
S
deviation standard
signalmean
RSDN
S 1
Signal to Noise Ratio:Signal to Noise Ratio:
Signal-to-Noise
A. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIO
Signal
Noise High = Stand Dev. Noise Low = Stand Dev.
Signal-to-Noise
A. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIO
Low SignalHigh Noise
High SignalLow Noise
spektrspektraa
Signal-to-Noise
A. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIOA. SIGNAL-TO-NOISE RATIO
Estimating Signal-to-Noise Ratio
s = Nt/5 = 1.0 x 10-15/5 = 0.2 x 10-15
x = 0.9 x 10x = 0.9 x 10-15 -15 AA
NNtt = 1.0 x 10 = 1.0 x 10-15-15 A A
x = 0.9 x 10-15
S/N = x/s = 0.9 x 10-15/0.2 x 10-15 = 45
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISE
Terdapat 2 tipe noise yg akan Terdapat 2 tipe noise yg akan mempengaruhi analisis: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
Chemical Noise sangat tergantung pada metode yg digunakan (preparasi sampel, penyimpanan sampel, dll)
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISE
Instrumental Noise - tiap komponen instrumen (sumber, input transducer, output transducer, dll.) berkontribusi pada noise total dalam sinyal analitik suatu instrumen.
• Thermal Noise• Shot Noise• Flicker Noise• Environmental Noise
Instrumental noise sangat kompleks dan sulit dikarakterisasi, hanya beberapa jenis saja yg bisa dimengerti.
Terdapat 2 tipe noise yg akan Terdapat 2 tipe noise yg akan mempengaruhi analisis:mempengaruhi analisis:• Chemical Noise
• Instrumental Noise
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEInstrumental 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 : Sering disebut juga : Johnson NoiseJohnson Noise Thermal Noise tidak terjadi pada 0Thermal Noise tidak terjadi pada 0ooK K
(- 273(- 273ooC)C) Magnitude of Magnitude of thermal noise : thermal noise :
fkTRrms 4rmsrms= root-mean-square noise voltage = root-mean-square noise voltage
k = k = Boltzmann constant (1.38 x 10Boltzmann constant (1.38 x 10-23-23 J/K) J/K)
TT = Temperature (K) = Temperature (K)
RR = Resistance of a resistive element ( = Resistance of a resistive element () )
ff = frequency bandwidth (Hz) = frequency bandwidth (Hz)
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEInstrumental Noise
1. Thermal Noise Magnitude of Magnitude of
thermal noise : thermal noise : fkTRrms 4
magnitude of thermal noise bergantung pada frequency bandwidth, bukan pada frequency sinyal.
f f bergantung pada response time dari suatu bergantung pada response time dari suatu
instrumeninstrumen..
rtf
3
1 ttrr = = response time response time
Cara untuk mereduksi thermal noise: Cara untuk mereduksi thermal noise: 1)1) Persempit bandwidth Persempit bandwidth 2)2) Kurangi jumlah resistive elementKurangi jumlah resistive element3)3) Kurangi temperatur komponen electronikKurangi temperatur komponen electronik
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEInstrumental Noise
2. Shot NoiseDisebabkan oleh fluktuasi arue karena elektron melewati junction (tempat yg tidak semestinya). Magnitude of shot Magnitude of shot
noise : noise : iirmsrms = root-mean-square current fluctuations = root-mean-square current fluctuations
II = average direct current (A) = average direct current (A)
ee = charge of an electron e = charge of an electron e-- (1.60 x 10 (1.60 x 10-9-9 C) C)
ff = frequency bandwidth (Hz) = frequency bandwidth (Hz)
fIeirms 2
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEInstrumental Noise
3. Flicker NoiseMerupakan kebalikan dari frekuensi dari sinyal.
tergantung pada frekuensi. tergantung pada frekuensi.
signifikan pada frekuensi < 100 Hz signifikan pada frekuensi < 100 Hz
dapat direduksi dengan penggunaan resistor dapat direduksi dengan penggunaan resistor khusus (metalik) khusus (metalik)
Signal-to-Noise
B. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEB. SUMBER NOISEInstrumental Noise
4. Environmental Noise
Kebanyakan berasal dari konduktor di Kebanyakan berasal dari konduktor di instrumen yg bertindak seolah-oleh seperti instrumen yg bertindak seolah-oleh seperti antena, melakukan “pick up” sinyal dari antena, melakukan “pick up” sinyal dari sumber listrik, radio transmitters, dll. sumber listrik, radio transmitters, dll.
Disebabkan oleh Disebabkan oleh induksiinduksi
– – aliran arus listrik melalui/dekat dengan aliran arus listrik melalui/dekat dengan sumber panas. sumber panas.
Cara untuk mereduksi environmental noise: Cara untuk mereduksi environmental noise: 1)1) pindahkan/jauhkan dari sumber noise. pindahkan/jauhkan dari sumber noise. 2)2) penggunaan sumber listrik yg stabil.penggunaan sumber listrik yg stabil.3)3) mengontrol temperatur ruanganmengontrol temperatur ruangan
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
•• Beberapa metode hanya memerlukan S/N minimal Beberapa metode hanya memerlukan S/N minimal (misal: MS)(misal: MS)
•• Jika suatu metode membutuhkan Jika suatu metode membutuhkan sensitivity dan sensitivity dan accuracy yg tinggi, S/N dapat dijadikan parameter accuracy yg tinggi, S/N dapat dijadikan parameter dalam precision. dalam precision.
•• Terdapat 2 jenis metode untuk meningkatkan Terdapat 2 jenis metode untuk meningkatkan S/N : S/N :
1)1) Hardware DevicesHardware Devices2)2) Software MethodsSoftware Methods
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT1) Hardware Devices for S/N EnhancementHardware Devices for S/N Enhancement
Grounding, shielding, dan minimizing panjang Grounding, shielding, dan minimizing panjang sirkuit elektronik dalam instrumen untuk sirkuit elektronik dalam instrumen untuk mereduksi environmental electromagnetic mereduksi environmental electromagnetic noise.noise.
Difference and instrumentation amplifiersDifference and instrumentation amplifiers digunakan untuk mereduksi noise dalam digunakan untuk mereduksi noise dalam transducer. transducer. Analog filtersAnalog filters digunakan untuk memilih frekuensi. digunakan untuk memilih frekuensi.Jenis analog filters: a)Jenis analog filters: a) Low pass Low pass
filtersfilters b)b)High pass filtersHigh pass filters
c)c) Band pass filtersBand pass filters ModulationModulation – mengkonversi frekuensi sinyal – mengkonversi frekuensi sinyal
analitik analitik untuk menghilangkan untuk menghilangkan noise khusus. noise khusus.
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT1) Hardware Devices for S/N EnhancementHardware Devices for S/N Enhancement
a. Low Pass Filter
•• menghilangkan menghilangkan high frequency noisehigh frequency noise, seperti , seperti thermal noisethermal noise dan dan shot noiseshot noise, dan , dan mengijinkan mengijinkan low frequency signalslow frequency signals untuk untuk lewat.lewat.
•• digunakan dalam instrumen yg merekam digunakan dalam instrumen yg merekam low frequency analytical signalslow frequency analytical signals..
Raw DataRaw Data Filtered DataFiltered Data
Low Pass Filter
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT1) Hardware Devices for S/N EnhancementHardware Devices for S/N Enhancement
b. High Pass Filter•• menghilangkan menghilangkan low frequency noiselow frequency noise, seperti , seperti
flicker noiseflicker noise (1/ (1/ff), dan mengijinkan ), dan mengijinkan high high frequency signalsfrequency signals untuk lewat. untuk lewat.•• digunakan dalam instrumen yg merekam digunakan dalam instrumen yg merekam high frequency analytical signalshigh frequency analytical signals..
High PassFilter
Raw DataRaw Data
Time
i
Time
0
Filtered DataFiltered Data
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT1) Hardware Devices for S/N EnhancementHardware Devices for S/N Enhancement
c. Band Pass Filter•• menghilangkan semua frekuensi kecuali menghilangkan semua frekuensi kecuali
frekuensi yg diinginkan.frekuensi yg diinginkan.
•• merupakan gabungan dari merupakan gabungan dari low pass filterlow pass filter dan dan high pass filterhigh pass filter..
Band PassFilter
High Pass Low Pass 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.01 0.1 10 1.0 100 1000 10,000
Frequency, Hz
Rel
ativ
e S
ign
al
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT1) Hardware Devices for S/N EnhancementHardware Devices for S/N Enhancement
ModulationModulation – – mengkonversi mengkonversi low frequencylow frequency atau sinyal atau sinyal DC dari tranducer DC dari tranducer menjadi menjadi high frequencyhigh frequency..
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT2) Software Methods for S/N EnhancementSoftware Methods for S/N Enhancement
Yang umum digunakan adalah :Yang umum digunakan adalah :
a.a. Ensemble averaging Ensemble averaging
b.b. Boxcar averaging Boxcar averaging
c.c. Digital filtering Digital filtering
1.1. Fourier transform Fourier transform
2.2. Least-squares polynomial Least-squares polynomial smoothingsmoothing
Metode ini diterapkan menggunakan Metode ini diterapkan menggunakan kecanggihan komputer yang digabungkan pada kecanggihan komputer yang digabungkan pada suatu insrumen. suatu insrumen.
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT2) Software Methods for S/N EnhancementSoftware Methods for S/N Enhancement
a. Ensemble Averaging
n
SSN
n
SS
n
iix
n
ii
x
1
2
1 )noise rms( AND
DimanaDimana SSxx = average signal (point) = average signal (point)
SSii = individual measurement of the = individual measurement of the
signalsignal
nn = number of measurements = number of measurements
sehingga:sehingga:
n
iix
x
n
iix
xx
SS
Sn
n
SS
S
N
S
1
2
1
2
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT2) Software Methods for S/N EnhancementSoftware Methods for S/N Enhancement
a. Ensemble Averaging
Average of Sixteen Spectra
0.0
0.5
1.0
1.5
0 100 200 300 400 500 600Time (s)
Sign
al
S N S/N 0.90 0.070 12.81
A Single Spectrum
0.0
0.5
1.0
1.5
0 100 200 300 400 500 600
Time (s)
Sign
al
S N S/N 0.91 0.289 3.14
56.1214.316N
Sn
N
S
1
1x
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT2) Software Methods for S/N EnhancementSoftware 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!
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT2) Software Methods for S/N EnhancementSoftware Methods for S/N Enhancement
a. Ensemble Averaging
Jawab :
No. 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 ∑∑ = 0.000776
033.76
198.42
n
SS i
x
6
000776.02
n
SSN ix
011372.0
4.618011372.0
033.7
N
S x
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT
b. Boxar Averaging
•• digunakan untuk digunakan untuk sinyal kompleks yg sinyal kompleks yg berubah cepat berubah cepat terhadap waktu.terhadap waktu.
2) Software Methods for S/N Software Methods for S/N EnhancementEnhancement
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT2) Software Methods for S/N EnhancementSoftware Methods for S/N Enhancement
c. Digital FilteringFourier Transformmengkonversi data waktu mengkonversi data waktu
menjadi frekuensi.menjadi frekuensi.
Signal-to-Noise
C. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENTC. SIGNAL-TO-NOISE ENHANCEMENT2) Software Methods for S/N EnhancementSoftware Methods for S/N Enhancement
c. Digital FilteringLeast-squares polynomial smoothing
Mereduksi high frequency noise menjadi Mereduksi high frequency noise menjadi bentuk low frequency.bentuk low frequency.
ANALISIS INSTRUMEN ANALISIS INSTRUMEN II
PENDAHULUAN SPEKTROSKOPI
Materi Materi selanjutnya……….selanjutnya……….