Implementasi Filter Digital FIR dan IIR pada Mikrokontroler STM32 Cortex-M4 untuk Pengolahan Sinyal Sensor: Studi Simulasi Fixed-Point

Abstract

Sinyal sensor yang dibaca mikrokontroler hampir selalu bercampur dengan derau acak dan interferensi jala-jala 50 Hz, sehingga perlu difilter di perangkat sebelum diolah lebih lanjut. Pada mikrokontroler tanpa unit titik mengambang atau ketika efisiensi memori dan energi menjadi prioritas, filter dijalankan dalam aritmetika fixed-point yang menimbulkan galat kuantisasi koefisien dan galat pembulatan. Penelitian ini membandingkan filter lolos-rendah FIR equiripple dan IIR eliptik dengan spesifikasi identik (frekuensi sampling 500 Hz, tepi pita lolos 20 Hz, tepi pita henti 40 Hz, riak 0,5 dB, atenuasi 60 dB) untuk mikrokontroler STM32 berinti ARM Cortex-M4. Implementasi dimodelkan secara bit-true mengikuti perilaku kernel CMSIS-DSP dalam format Q15, Q31, dan float32, kemudian diuji dengan sinyal sensor sintetis yang mengandung komponen 1,5–12 Hz, interferensi 50/150 Hz, derau putih, dan kuantisasi ADC 12-bit. Spesifikasi dipenuhi oleh FIR 59 tap dan IIR orde 5 (tiga seksi orde-dua). Pada Q15, FIR mencapai SQNR 81,4 dB dan SNR keluaran 31,65 dB, praktis sama dengan referensi float64. IIR Q15 tanpa penskalaan hanya mencapai SQNR 28,1 dB dan SNR keluaran 26,68 dB; penskalaan norma L∞ antarseksi menaikkan SQNR menjadi 47,0 dB dan SNR keluaran menjadi 32,20 dB. Realisasi IIR bentuk langsung orde tinggi dengan koefisien terkuantisasi menempatkan kutub pada lingkaran satuan, sedangkan realisasi seksi orde-dua tetap stabil. IIR membutuhkan 15 MAC per sampel dan memori 60 byte (Q15), dibandingkan 59 MAC dan 298 byte pada FIR, tetapi fasenya tidak linear dengan tunda grup 27–102 ms pada pita lolos, sedangkan FIR memiliki tunda konstan 58 ms. Hasil ini memberi pedoman pemilihan struktur dan format bilangan filter pada mikrokontroler STM32 sebelum diimplementasikan pada perangkat keras.