Abstrak —Pemberian  informasi  seperti  pengumuman,  ceramah, dan  musik  sering  dilakukan  dalam  berbagai  acara  yang memerlukan  ruangan  yang  luas.  Supaya  pemberian  informasi hanya  mencapai  target  yang  dituju  dan  tidak  mengganggu pengunjung  lain  maka  suara  harus  diarahkan  untuk  lokasi tertentu. Pada penelitian ini telah dilakukan sebuah perancangan dan realisasi sistem deret speaker dimana intensitas sinyal suara dapat diarahkan dengan sudut kemiringan antara -90 o sampai 90 o . Untuk  menghindari  munculnya  intensitas  suara  pada  arah  yang berlawanan maka jarak antar titik pusat speaker untuk frekuensi 2 kHz adalah 8,6 centimeter. Pengarahan suara dilakukan dengan cara  memberikan  waktu  tunda  di  setiap  speaker  dengan menggunakan  Field  Programable  Gate  Array  ALTERA  DE-2. Sinyal  audio  dikonversi  dengan  menggunakan  Analog  to  Digital Converter  24-bit.  Waktu  tunda  tersebut  dihasilkan  dengan menggunakan  sub  program  8-bit  D  flip-flop  dengan  clock  input sebasar  1  mikro  detik.  Data  pengujian  dengan  menggunakan osiloskop menunjukkan untuk waktu tunda pada beda phasa -90 o sampai  90 o memiliki  rata-rata  kesalahan  3,5%.  Data  hasil pengujian  lobe  deret  speaker  menunjukkan  rerata  kesalahan pengarahan  suara  sebesar  19%.  Sistem  ini  diharapkan  dapat diterapkan  pada  berbagai  aplikasi  sehingga  meningkatkan efisiensi  penggunaan  daya  penguat  audio  dan  mengurangi  noise lingkungan.
Kata  Kunci — Audio  beam  steering ,  Beda  phasa,  Deret  Speaker, Field Programable Gate Array.

## I. PENDAHULUAN
UDIEN yang banyak dalam gedung olah raga, konser, dan aula perlombaan  memerlukan sistem penguat suara  yang memadai.  Konfigurasi  speaker  yang  tetap  posisinya  tidak optimal  karena  posisi  audien  selalu  berubah.  Intensitas  suara yang  difokuskan  ke  audien  akan  membuat  sistem  lebih  baik karena  pantulan  suara  yang  tidak  diinginkan  menimbulkan gema dan  menurunkan  kualitas suara  [1]. Salah  mengarahkan suara  dapat  mengganggu  orang  lain.  Selain  itu,  seseorang cenderung  mengalami  gangguan  pendengaran  jika  secara kontinyu  mendengarkan  kebisingan  dengan  intensitas  suara sebesar  85  dB  [2].  Gema  dapat  diantisipasi  dengan menambahkan  peredam  pada  dinding,  sedangkan  kesalahan arah dapat diatasi dengan mengganti arah speaker.
Pada penelitian ini dirancang sebuah sistem pengarah suara yang  terdiri  dari  rangkaian analog  to  digital  converter , pengaturan  waktu  tunda  dengan  menggunakan Field Programmable  Gate  Array ,  rangkaian digital  to  analog , rangkaian penguat, dan speaker. Waktu tunda digunakan untuk mengubah arah suara tanpa mengganti posisi speaker.

## II. TEORI PENUNJANG
Deret  speaker  merupakan  sejumlah  elemen  speaker  yang identik  dan  disusun  dalam  satu  garis  yang  disebut line  array speakers .  Teori  dari  deret  speaker  didasarkan  pada  geometri dan  eksperimen  pada  bidang  bebas  dimana  suara  dapat menyebar secara bebas dari faktor lingkungan seperti gangguan pantulan pada ruangan dan pembelokan arah yang dikarenakan temperatur. Deret speaker juga sering digunakan di area lokal atau auditorium untuk penguatan suara terarah [3].
Speaker  tunggal  atau  suara  dari  satu  sumber  merupakan speaker yang memiliki keunggulan penyebaran yang luas, dan ukuran  speaker  bervariasi.  Speaker  tunggal  memiliki  tingkat penyebaran  sesuai  ukurannya  dan  desain  frekuensi  kerjanya. Tetapi  bila  diinginkan  suara  dapat  sampai  pada  jarak  dan pendengar  yang banyak  maka suara  satu sumber  memerlukan daya  yang  besar  bila  dibandingkan  output  sejumlah  speaker secara bersamaan.
Suara  deret  speaker  memiliki  pola  yang  dapat  diatur penyebarannya ( main lobe ), selain itu suara deret speaker dapat terdengar sama kuatnya dengan suara satu sumber dengan daya yang  lebih  kecil.  Interferensi  suara  satu  sama  lain mengakibatkan  suara  pada  deret  speaker  tidak  menyebar melainkan terfokus sehingga jangkauan suara lebih jauh dengan daya yang lebih kecil.
Audio beam steering merupakan teknik untuk mengarahkan sinyal  suara  dengan  menggunakan  perangkat  keluaran  berupa speaker yang dijajar tanpa menggerakkan speaker tersebut [4]. Constructive  interference merupakan  insterferensi  dari  dua gelombang  atau  lebih  dengan  frekuensi  dan  fasa  yang  sama yang  menghasilkan  penguatan  dan  amplitudo  berupa  total kedua gelombang, ditunjukkan pada gambar 1.
Gambar 1. Contructive Interference [4]

## Pengarah Suara Pada Sistem Audio Berdasarkan Beda Phasa Menggunakan Fpga
Olly Bangon Baskhoro, Muhammad Rivai, dan Fajar Budiman Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) e-mail : muhammad_rivai@ee.its.ac.id, fajarbudiman@ee.its.ac.id
A

## Gambar 2. Logic Cell pada FPGA [5]
Apabila  sinyal  yang  keluar  dari  dua  buah  speaker  koheren atau  keluar  bersamaan  dengan  sudut  fasa  yang  sama,  maka sinyal  akan  saling  menguatkan  pada  arah  lurus  di  depan speaker.  Jika  arah  yang  diinginkan  oleh  pengguna  tidak  lurus maka akan terdapat perbedaan panjang gelombang suara yang keluar  dari  speaker,  sehingga  jika  diinginkan  terjadi constructive interference pada kemiringan sudut tertentu akan diperlukan  waktu  tunda  pada  speaker  supaya  panjang gelombang yang sampai ke titik pendengar sama [6].
Field  Programmable  Gate  Array (FPGA)  merupakan komponen  elektronika  dan  semikonduktor  yang  mempunyai komponen  gerbang  terprogram  dan  sambungan  terprogram. Secara  umum  FPGA  terdiri  dari logic  block dan  blok  input- output. Semua blok didalamnya dapat diprogram sampai pada skala  tertentu.  Generasi  FPGA  terbaru  memiliki  kemampuan yang tinggi dalam proses logika dengan konfigurasi mencapai 550MHz,  dibandingkan  dengan  mikrokontroler  yang  hanya mampu sampai 24 Mhz [7].
FPGA dapat digunakan untuk perancangan hardware digital yang  terprogram  seperti flip-flop , counter , shift  register, dan komponen-komponen  elektronika  lainnya  [8].  Bentuk  FPGA tidak  berbeda  jauh  dengan  bentuk  IC  lainnya.  Dilihat  dari fungsi dan rangkaiannya, FPGA memiliki bagian yang berbeda dengan  komponen  IC  pada  umumnya.  Berikut  isi  dari  FPGA pada umumnya:
 Configure  Logic  Blocks (CLB).  Bagian  yang memproses  segala  bentuk  rangkaian  logika  yang dibuat oleh user atau pemakai.
 I/O Blocks . Sebagai interface antara external pin dari device dan internal user logic .
 Programmable  Interconnect. Bagian  ini  berisi wire segments dan programmable  switches ,  selain  itu bagian ini juga akan menghubungkan antara CLB satu dengan CLB lainnya.
Gambar 3. Bagian isi dari FPGA buatan Xilinx [5]
FPGA tersusun dari sebuah bagian yang bernama logic-cell atau Logic  Blocks seperti  ditunjukkan  pada  gambar  2,  yang saling  terhubung  satu  sama  lain.  Kumpulan  dari logic  cell ini berjumlah ratusan bahkan ribuan dan membentuk fungsi yang kompleks seperti gambar 3. Logic cell pada dasarnya terdiri atas sebuah lookup  table (LUT), D  flip-flop ,  dan  sebuah 2-to-1 multiplexer [5].  LUT  merupakan random  access  memory (RAM)  yang  berkapasitas  kecil.  LUT  pada  FPGA  memegang peranan  penting  dalam  proses  implementasi  berbagai  fungsi logika.
Konverter  digital  ke  analog  adalah  perangkat  elektronika yang  digunakan  untuk  mengubah  data  digital  menjadi  sinyal analog.  Metode  yang  sering  digunakan  untuk  membuat  DAC adalah binary  weighted dan  R-2R ladder .  DAC  0808  yang menggunakan  metode  R-2R  dapat  mencapai  tingkat  presisi tinggi  dalam  konversi  data.  Kriteria  pertama  untuk  menilai DAC  adalah  resolusinya  yang  merupakan  fungsi  dari  jumlah input biner [9].
Impedansi  merupakan  ukuran  resistansi  pada  sumber  arus AC.  Impedansi  adalah  resistansi  yang  lebih  kompleks  dan akurat  pada  arus  AC.  Walaupun  dalam  speaker  terdapat impedansi dan tidak mempengaruhi kualitas secara keseluruhan,  tetapi  secara  otomatis  akan  mempengaruhi  kerja sebuah  sistem  audio  [10].  Speaker  biasanya  mempunyai impedansi  sekitar  4  ohm,  8  ohm  dan  sebagainya.  Impedansi berhubungan dengan arus. Semakin besar impedansi maka akan semakin kecil arus yang lewat, dan sebaliknya. Besar arus yang mengalir mempengaruhi daya maksimal yang dikeluarkan oleh suatu rangkaian.

## III. PERANCANGAN SISTEM
Perancangan sistem dibagi menjadi 3 bagian yaitu kerangka speaker,  rangkaian  elektrik  DAC0808,  dan  perangkat  lunak waktu tunda pada board FPGA ALTERA DE-2. Pada gambar 4 menunjukkan diagram blok sistem.  Deret speaker terdiri dari 5 buah speaker  mengeluarkan suara dari rangkaian DAC0808 yang  telah  diberikan  waktu  tunda  dari  perangkat  lunak pengaturan waktu tunda pada FPGA. Proses waktu tunda yang digunakan adalah memanfaatkan system kerja D flip-flop yang menahan data sampai terdapat rising edge pada clock yang telah ditentukan.  Data  yang  dikeluarkan  D  flip-flop  disimpan  pada variabel  yang  ditentukan  untuk  penentuan  waktu  tunda  yang diinginkan.
Gambar 4. Diagram blok sistem deret speaker.
(6)
(7)

## Gambar 5. Perancangan jarak antara speaker
Sinyal  input  berupa  audio  dari handphone atau  komputer diubah  menjadi  data  digital  oleh audio  codec Wolfson WM8731  yang  ada  pada build  in  board ALTERA  DE-2. Resolusi  dari audio  codec Wolfson  WM8731  adalah  24-bit sedangkan  DAC  yang  digunakan  adalah  8-bit,  sehingga  data yang diproses untuk diterapkan waktu tunda adalah 8-bit MSB dari data 24-bit ADC.
Deret  speaker  dirancang  dengan  memperhitungkan  jarak antar titik tengah speaker, ditunjukkan pada gambar 5. Hal ini bertujuan untuk mencegah munculnya sinyal dengan intensitas yang  sama  tetapi  dengan  arah  yang  berlawanan  atau  biasa disebut  grating  lobe.  Untuk  menghindari  grating  lobe  dapat diterapkan persamaan 1.

## 𝑑 < 𝜆 1 + sin 𝑥
dimana x merupakan nilai dari sudut kemiringan terbesar dalam perancangan  system  deret  speaker,  λ  panjang  gelombang  dari gelombang suara, c kecepatan suara dalam udara 344 m/d pada 20 °C,  f  frekuensi  gelombang,  d  jarak  antara  titik  pusat speaker.
𝑑 < 𝜆 1 + sin 90 𝜆 = 𝑐 f 𝑑 = 𝑐 2 ∗ f
Dengan  memperhitungkan  lebar  speaker  dan  frekuensi maksimum  suara  maka  didapatkan  hasil  dengan  frekuensi tertinggi yaitu:
Tabel 1. Hasil perhitungan jarak titik pusat speaker. Frekuensi (Hz) d (cm) 1700 10,11765 1800 9,555556 1900 9,052632 2000 8,6
Gambar 6. Rangkaian DAC0808.
 Spesifikasi speaker 10watt, 4ohm, diameter 7.4 cm
 Frekuensi 300Hz – 20KHz
Hasil  dari  perhitungan  dapat  dilihat  pada  tabel  1.  Untuk frekuensi  2  Khz  dengan  diameter  speaker  7,4cm  maka  jarak antara titik pusat sebesar:
𝑑 = 34400 𝑐𝑚

## 2000 ℎ𝑧 ∗ 2
= 8,6 𝑐𝑚
Gambar  6  menunjukkan  perancangan  rangkaian  DAC0808 yang  berfungsi  untuk  merubah  data  dari  GPIO board Altera DE2 menjadi sinyal audio sehingga sinyal dapat dikuatkan dan dikeluarkan pada speaker. Tegangan referensi yang digunakan adalah  5  volt.  Opamp  pada  rangkaian  DAC  ini  berfungsi sebagai  komponen  yang  mengubah  arus  menjadi  tegangan. Sinyal  analog  yang  dihasilkan  kemudian  dilewatkan  melalui kapasitor untuk menghilangkan nilai tegangan DC nya.
Berdasarkan teknik beam steering bahwa pada deret speaker merupakan interferensi dari dua gelombang atau lebih dengan frekuensi dan phasa yang sama akan menghasilkan amplitudo dari  jumlah  gelombangnya.  Bila  diinginkan  suara  yang dikeluarkan  oleh  deret  speaker  terdengar  pada  titik  tertentu dengan sudut kemiringan x, maka suara yang dikeluarkan oleh speaker  harus  memiliki  phasa  yang  sama  pada  titik  dengar. Oleh  karena  itu  suara  pada  speaker  harus  diterapkan  waktu tunda  supaya  suara  pada  sudut  kemiringan  tersebut  dapat dikuatkan  pada  titik  dengar.  Gambar  7  menunjukkan interferensi suara di titik dengar dengan jarak antara titik pusat speaker (d).
Dari segitiga siku-siku pada gambar 8 dapat dicari persamaan waktu tunda dengan penurunan persamaan sebagai berikut:
y = 180 o - 90 o - (90 - x)
y = x (2) (4) (6) (5)
(1)
(8)
(12)
Gambar 7. Pengarahan suara pada deret speaker
Gambar 8. Segitiga siku – siku dari hasil pengarahan suara.
Dari persamaan 7 dimana sudut x sama dengan sudut y dan berdasarkan  persamaan  trigonometri  pada  kuadran  pertama dimana Sin α = y r (y adalah sisi tegak dan r adalah sisi miring), didapatkan persamaan:
𝑆𝑖𝑛 𝑥 = 𝑠 𝑑 𝑠 = 𝑑 ∗ 𝑠𝑖𝑛 𝑥
Bila ‘s’ merupakan hasil kali dari ‘𝑐 ∗  ’, maka persamaan 9 dapat diturunkan menjadi:

## 𝑐 ∗  = 𝑑 ∗ 𝑠𝑖𝑛 𝑥
Nilai dari kecepatan suara di udara (c) dan jarak antara titik pusat  pada  speaker  (d)  merupakan  suatu  kostanta.  Jika  sudut kemiringan sinyal output pada pada sistem deret speaker ingin diubah, maka nilai yang dapat dirubah adalah nilai  atau waktu tundanya, sehingga persamaan 10 dapat diturunkan menjadi:
 = (𝑑 ∗ sin 𝑥)/𝑐
Dari  persamaan  11  dapat  dihitung  waktu  yang  diperlukan untuk  setiap  speaker  supaya  suara  dapat  mengarahkan  suara pada  sudut  kemiringan  tertentu.  Jika  diinginkan  kemiringan pada sudut 30 0 , maka nilai waktu tundanya adalah
 = (0,086 ∗ sin 30)/344
 = 125 µ𝑺
Hasil perhitungan pada masing sudut kemiringan 0 o sampai 90 0 dapat  dilihat  pada  table  2.  Sebuah  program  waktu  tunda dapat  menirukan  sistem  kerja  D  flip  -  flop  dimana  data input ditahan  sampai  terdapat triger dari clock .  Karena  DAC  untuk sistem  pengarah  suara  ini  memiliki  konversi  data input 8-bit maka perlu dirancang program D  flip-flop untuk 8-bit. Untuk mempermudah  perancangan  dan  menghemat  memori,  maka clock yang digunakan untuk D flip - flop adalah 1 mikro detik.
Tabel 2.
Hasil perhitungan waktu tunda Sudut (  ) Waktu tunda ( µs ) 10 0 43.5 20 85.5 30 125 40 160.75 50 191.5 60 216.5 70 234.75 80 246.25 90 250
Gambar 9. Diagram alir program waktu tunda
Perangkat keras FPGA Altera DE-2 memiliki clock internal sebesar  20  nano  detik  sehingga  dibutuhkan  program clock devider untuk  dapat  digunakan  pada  perancangan  program waktu tunda.
Gambar 9 menunjukkan diagram alir program waktu tunda. FPGA mendapat sinyal input memalui line in pada board dan kemudian  diproses  oleh Wolfson  codec sehingga  didapatkan data  24-bit.  Data  ADC  tersebut  diproses  untuk  diambil  8  bits MSB untuk dimasukkan ke variabel array data ke-0. Dari 8-bit data ke-0 dilakukan pemanggilan sub program D flip-flop 8-bit dengan triger clock sebesar 1 mikro detik untuk dimasukkan ke variabel array data  ke-1.    Proses  ini  akan  dilakukan pemanggilan sub program  D  flip-flop  8-bit  kembali  untuk proses  data  ke-1  menuju  data  ke-2  dan  seterusnya  sampai variabel data ke-1000.
(9)
(10)
(11)

## IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA
Pengujian waktu tunda dilakukan dengan memberikan sinyal sinus dari function generator ke line in pada board altera DE2. Kemudian diterapkan waktu tunda dari 43,5 mikro detik untuk kemiringan 10 o sampai 250 mikrodetik untuk kemiringan sudut 90 o . Hasil pengujian ini ditunjukkan pada gambar 10.
Pengujian sound lobe untuk sistem deret speaker  dilakukan dengan memetakan hasil pengukuran dari besar itensitas suara (dB) menggunakan sound level meter dengan sudut kemiringan -90 o sampai 90 o . Hasil pemetaan sound lobe pada system deret speaker dapat dilihat pada gambar 11, 12, 13 dan tabel 3. Hasil pengukuran tersebut dilakukan pemetaan dan diproses dengan pendekatan  kurva  polinomial  orde  6  supaya  dapat  ditentukan nilai tertingginya.
Gambar 10. Pengujian waktu tunda untuk variasi beda phasa: (a) 20 o , (b) 50 o , (c) 60 o , (d) 80 o ,
Tabel 3. Hasil pengukuran itensitas suara
Gambar 11. Hasil pengujian lobe untuk beda phasa 0 o
Gambar 12. Hasil pengujian lobe untuk beda phasa -60 o .
Gambar 13. Hasil pengujian lobe untuk beda phasa +60 o
Hasil  pengambilan  data  pada  sound  lobe  dilakukan perhitungan  kesalahan  terhadap  sudut  referensi,  ditunjukkan pada  persamaan  12.  Hasil  kesalahan  sistem  pengarahan  dapat dilihat pada tabel 4.
% e =  Referensi−Pengukuran 180o  x 100%
Tabel 4. Hasil perhitungan kesalahan sistem pengarahan pada jarak pengukuran 4m . Sudut Pengarahan (derajat) Sudut Terukur (derajat) Kesalahan (%) -90 -10 44,4 -60 -28 17,8 -30 -3 15,0 0 0 0,0 30 1 16,1 60 15 25,0 90 18 40,0 (12)

## V. KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  telah  dilakukan  rancang  bangun  sebuah sistem  pengarah  suara  yang  terdiri  dari  rangkaian  analog  to digital converter 24-bit, pengaturan  waktu tunda (0  – 250 µs) yang diterapkan dalam modul Field Programmable Gate Array Altera  DE-2,  rangkaian  digital  to  analog  converter  8-bit, rangkaian  penguat  audio,  dan  deret  5  speaker.  Dengan menerapkan waktu tunda dapat mengubah arah suara mulai dari -90 o sampai  90 o tanpa  merubah  posisi  speaker.  Hasil pengukuran menunjukkan bahwa waktu tunda yang dihasilkan pada  perancangan  ini  terdapat  rerata  kesalahan  sebesar  3,5%. Hasil pengukuran intensitas suara dengan menggunakan sound level  meter  diperlukan  untuk  menggambarkan  profil  lobe intensitas  suara  yang  dihasilkan  ke  segala  arah.  Rerata kesalahan pengukuran lobe suara pada jarak 1 m adalah 17%, 2 m adalah 19% dan 4 m adalah 22%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] J. G. V. M. A. Martin O., Steﬀen S., Daniel F., “Digital Directivity Control of Loudspeakers for Sound Reinforcement.,” 2008.
[2]
A. H. R. Foundation, “Noise  Induced Hearing Loss,” Graphics are courtesy of Northwestern University, 2012.
[3] and  K.  L.  G.  Brian  E.  Anderson,  Brad  Moser,  “Loudspeaker  line array educational demonstration,” Brigham Young University, 2011.
[4] and  Q.  H.  YTang,  Y  Fang,  “Multi-Beam  Steering  for  3D  Audio Rendering in Linear Phased Loudspeaker Arrays,” in Image Analysis and Signal Processing (IASP), International Conference , 2010.
[5] dan  N.  M.  Karen  Parnel, Programable  Logic  Design  Quick  Start Handbook , Fourth Edi. 2003.
[6] H.  Habib,  “Perancangan  Audio  Beam  Steering  Untuk  Sistem Pengusiran Hama Burung,” Inst. Teknol. Sepuluh Nop. , 2017.
[7]
R. D. Reza B. H., Muhammad Rivai, “Metode Pencacahan Frekuensi
Reciprocal untuk Sensor Gas Resonator Kuarsa yang Diimplementasikan pada Field Programmable  Gate  Array,” J.  Tek. ITS , vol. 4, no. 1, pp. 2301–9271, 2017.
[8] dan M. R. Hari Agus S, “Vapor Identification System Using Quartz Resonator Sensor Array and Support Vector Machine,” ARPN J. Eng. Appl. Sci. , pp. 2426–2430, 2017.
[9] S. S. G. Tripathi, Shubhangi M., “DAC Interfacing with 805.1,” Int. J. Res. Advent Technol. , vol. 2, no. 2, pp. 963–2321, 2014.
[10] Altious, “Apa itu Impedansi pada Speaker,” www.audioengine.co.id/ apa-itu-impedansi-pada-speaker , 2017. [Online]. Available: www.audioengine.co.id/ apa-itu-impedansi-pada-speaker.