BAGIAN II Komunikasi Data Dasar-Dasar Media, Encoding, Transmisi, Modulasi, Multiplexing,
Bab 10 Modulasi dan Modem
10.1 Pembawa, Frekuensi, dan Propagasi
Banyak sistem komunikasi jarak jauh menggunakan gelombang elektromagnetik berosilasi terus menerus yang disebut pembawa. Sistem membuat perubahan kecil pada operator yang mewakili informasi yang dikirim. Untuk memahami mengapa pembawa penting, ingat kembali dari Bab 7 bahwa frekuensi energi elektromagnetik menentukan bagaimana energi menyebar. Salah satu motivasi untuk penggunaan pembawa muncul dari keinginan untuk memilih frekuensi yang akan merambat dengan baik, terlepas dari kecepatan pengiriman data.
10.2 Skema Modulasi Analog
Kami menggunakan istilah modulasi untuk merujuk pada perubahan yang dibuat pada pembawa sesuai dengan informasi yang dikirim. Secara konseptual, modulasi mengambil dua input, pembawa dan sinyal, dan menghasilkan pembawa termodulasi sebagai output, seperti yang diilustrasikan Gambar 10.1.
Gambar 10.1 Konsep modulasi dengan dua input.
Intinya, seorang pengirim harus mengubah salah satu karakteristik fundamental dari gelombang.
Jadi, ada tiga teknik utama yang memodulasi pembawa elektromagnetik menurut sinyal:
• Modulasi amplitudo
• Modulasi frekuensi
• Modulasi pergeseran fasa
Dua metode modulasi pertama adalah yang paling dikenal dan telah digunakan secara luas.
Memang, mereka tidak berasal dari jaringan komputer — mereka dirancang dan digunakan untuk siaran radio, dan juga digunakan untuk siaran televisi.
10.3 Modulasi Amplitudo
Sebuah teknik yang dikenal sebagai modulasi amplitudo memvariasikan amplitudo pembawa sebanding dengan informasi yang dikirim (yaitu, menurut sinyal). Pembawa terus berosilasi pada frekuensi tetap, tetapi amplitudo gelombang bervariasi. Gambar 10.2 mengilustrasikan gelombang pembawa yang tidak termodulasi, sinyal informasi analog, dan pembawa termodulasi amplitudo yang dihasilkan.
Modulasi amplitudo mudah dipahami karena hanya amplitudo (yaitu, besarnya) dari gelombang sinus yang dimodifikasi. Selanjutnya, grafik domain waktu dari pembawa termodulasi memiliki bentuk yang mirip dengan sinyal yang digunakan. Misalnya, jika seseorang membayangkan sebuah amplop yang terdiri dari kurva yang menghubungkan puncak gelombang sinus pada Gambar 10.2c, kurva yang dihasilkan memiliki bentuk yang sama dengan sinyal pada Gambar 10.2b.
Gambar 10.2 Ilustrasi (a) gelombang pembawa tidak termodulasi, (b) sinyal informasi analog, dan (c) pembawa termodulasi amplitudo.
10.4 Modulasi Frekuensi
Sebuah alternatif untuk modulasi amplitudo dikenal sebagai modulasi frekuensi. Ketika modulasi frekuensi digunakan, amplitudo pembawa tetap, tetapi frekuensi berubah sesuai dengan sinyal: ketika sinyal lebih kuat, frekuensi pembawa meningkat sedikit, dan ketika sinyal lebih lemah, frekuensi pembawa sedikit berkurang. Gambar 10.3 mengilustrasikan gelombang pembawa yang dimodulasi dengan modulasi frekuensi menurut sinyal pada Gambar 10.2b.
Seperti yang ditunjukkan gambar, modulasi frekuensi lebih sulit untuk divisualisasikan karena sedikit perubahan frekuensi tidak terlihat dengan jelas. Namun, orang dapat melihat bahwa gelombang termodulasi memiliki frekuensi yang lebih tinggi ketika sinyal yang digunakan untuk modulasi lebih kuat.
Gambar 10.3 Ilustrasi gelombang pembawa dengan modulasi frekuensi sesuai sinyal pada Gambar 10.2b.
10.5 Modulasi Pergeseran Fase
Properti ketiga dari gelombang sinus adalah fasenya, offset dari waktu referensi di mana gelombang sinus dimulai. Dimungkinkan untuk menggunakan perubahan fase untuk mewakili sinyal.
Kami menggunakan istilah pergeseran fase untuk mengkarakterisasi perubahan tersebut.
Meskipun fase modulasi dimungkinkan dalam teori, teknik ini jarang digunakan dengan sinyal analog. Untuk memahami alasannya, amati bahwa jika fase berubah setelah siklus k, gelombang sinus berikutnya akan mulai sedikit lebih lambat dari waktu di mana siklus k selesai. Sedikit penundaan menyerupai perubahan frekuensi. Jadi, untuk input analog, modulasi pergeseran fasa dapat dianggap sebagai bentuk khusus dari modulasi frekuensi. Akan tetapi, kita akan melihat bahwa pergeseran fasa penting ketika sinyal digital digunakan untuk memodulasi pembawa.
10.6 Modulasi Amplitudo Dan Teorema Shannon
Ilustrasi pada Gambar 10.2c menunjukkan amplitudo yang bervariasi dari maksimum hingga hampir nol. Meskipun mudah dipahami oleh manusia, gambarnya sedikit menyesatkan: dalam praktiknya, modulasi hanya mengubah sedikit amplitudo pembawa, tergantung pada konstanta yang dikenal sebagai indeks modulasi.
Untuk memahami mengapa sistem praktis tidak memungkinkan sinyal termodulasi mendekati nol, pertimbangkan Teorema Shannon. Dengan asumsi jumlah noise konstan, rasio signal-to-noise akan mendekati nol saat sinyal mendekati nol. Dengan demikian, menjaga gelombang pembawa di dekat maksimum memastikan bahwa rasio signal-to-noise tetap sebesar mungkin, yang memungkinkan transfer lebih banyak bit per detik.
10.7 Modulasi, Input Digital, dan Shift Keying
Uraian modulasi di atas menunjukkan bagaimana sinyal informasi analog digunakan untuk memodulasi pembawa. Timbul pertanyaan, “bagaimana input digital dapat digunakan?” Jawabannya terletak pada modifikasi langsung dari skema modulasi yang dijelaskan di atas: alih-alih modulasi yang sebanding dengan sinyal kontinu, skema digital menggunakan nilai diskrit. Selanjutnya, untuk membedakan antara modulasi analog dan digital, kami menggunakan istilah shift keying daripada modulasi.
Pada dasarnya, shift keying beroperasi mirip dengan modulasi analog. Alih-alih kontinum nilai yang mungkin, tombol shift digital memiliki set tetap. Misalnya, modulasi amplitudo memungkinkan amplitudo pembawa bervariasi dengan jumlah kecil yang sewenang-wenang sebagai respons terhadap perubahan sinyal yang digunakan. Sebaliknya, penguncian pergeseran amplitudo menggunakan satu set tetap dari kemungkinan amplitudo. Dalam kasus yang paling sederhana, amplitudo penuh dapat sesuai dengan logika 1 dan amplitudo yang jauh lebih kecil dapat berhubungan dengan logika 0.
Demikian pula, penguncian pergeseran frekuensi menggunakan dua frekuensi dasar. Gambar 10.4 mengilustrasikan gelombang pembawa, sinyal input digital, dan bentuk gelombang yang dihasilkan untuk Amplitude Shift Keying (ASK) dan Frequency Shift Keying (FSK).
10.9 Phase Shift Keying
Meskipun perubahan amplitudo dan frekuensi bekerja dengan baik untuk audio, keduanya
independen). Teorema Nyquist yang dijelaskan dalam Bab 6 menunjukkan bahwa jumlah bit yang dikirim per satuan waktu dapat ditingkatkan jika skema pengkodean memungkinkan beberapa bit untuk dikodekan dalam satu siklus pembawa. Dengan demikian, sistem komunikasi data sering menggunakan teknik yang dapat mengirim lebih banyak bit. Secara khusus, penguncian pergeseran fase mengubah fase gelombang pembawa secara tiba-tiba untuk mengkodekan data. Setiap perubahan seperti itu disebut pergeseran fasa. Setelah pergeseran fasa, pembawa terus berosilasi, tetapi segera melompat ke titik baru dalam siklus gelombang sinus. Gambar 10.5 mengilustrasikan bagaimana pergeseran fasa mempengaruhi gelombang sinus.
Gambar 10.4 Ilustrasi (a) gelombang pembawa, (b) sinyal input digital, (c) penguncian pergeseran amplitudo, dan (d) penguncian pergeseran frekuensi.
Gambar 10.5 Ilustrasi modulasi pergeseran fasa dengan panah yang menunjukkan waktu di mana pembawa tiba-tiba melompat ke titik baru dalam siklus gelombang sinus.
Pergeseran fasa diukur dengan sudut perubahan. Misalnya, pergeseran paling kiri pada Gambar 10.5 mengubah sudut sebesar / 2 radian atau 180 . S ke pergeseran -90 (yang merupakan perubahan fase equisecond pada gambar juga sesuai dengan pergeseran 180. Perubahan fase ketiga sesuai dengan valensi 270 ).
10.10 Pergeseran Fase Dan Diagram Konstelasi
Bagaimana data dapat dikodekan menggunakan pergeseran fasa? Dalam kasus yang paling sederhana, pengirim dan penerima dapat menyetujui jumlah bit per detik, dan tidak dapat menggunakan pergeseran fasa untuk menunjukkan logika 0, dan adanya pergeseran fasa untuk menunjukkan logika 1. Misalnya, sistem mungkin menggunakan pergeseran fasa 180 Diagram konstelasi digunakan untuk mengekspresikan penugasan yang tepat dari bit data untuk perubahan fase tertentu. Gambar 10.6 mengilustrasikan konsep tersebut.
Perangkat keras dapat melakukan lebih dari sekadar mendeteksi keberadaan pergeseran fasa — penerima dapat mengukur jumlah pembawa yang bergeser selama perubahan fasa. Dengan demikian, dimungkinkan untuk merancang sistem komunikasi yang mengenali satu set pergeseran fase, dan menggunakan setiap pergeseran fase tertentu untuk mewakili nilai data tertentu. Biasanya, sistem dirancang untuk menggunakan kekuatan dua shift yang mungkin, yang berarti pengirim dapat menggunakan bit data untuk memilih di antara shift.
Gambar 10.7 menunjukkan diagram konstelasi untuk sistem yang menggunakan empat kemungkinan pergeseran fasa (yaitu, 22). Pada setiap tahap transmisi, pengirim menggunakan dua bit data untuk memilih di antara empat nilai pergeseran yang mungkin.
Gambar 10.7 Diagram konstelasi untuk sistem yang menggunakan empat kemungkinan pergeseran fasa yang masing-masing mewakili dua bit data.
Poin Penting
Keuntungan utama dari mekanisme seperti penguncian pergeseran fase muncul dari kemampuan untuk mewakili lebih dari satu bit data pada perubahan tertentu. Diagram konstelasi menunjukkan penugasan bit data ke perubahan fase.
Banyak variasi penguncian fase pergeseran ada. Sebagai contoh, mekanisme pergeseran fasa seperti yang diilustrasikan pada Gambar 10.6 yang memungkinkan pengirim untuk mentransfer satu bit pada suatu waktu diklasifikasikan sebagai mekanisme Binary Phase Shift Keying (BPSK). Notasi 2- PSK digunakan untuk menyatakan dua nilai yang mungkin. Demikian pula, variasi yang diilustrasikan pada Gambar 10.7 dikenal sebagai mekanisme 4-PSK.
Secara teori, adalah mungkin untuk meningkatkan kecepatan data dengan meningkatkan jangkauan pergeseran fasa. Dengan demikian, mekanisme 16-PSK dapat mengirim bit per detik dua kali lebih banyak daripada mekanisme 4-PSK. Namun, dalam praktiknya, noise dan distorsi membatasi kemampuan perangkat keras untuk membedakan perbedaan kecil dalam pergeseran fasa.
Poin Penting
Meskipun ada banyak variasi penguncian pergeseran fasa, kebisingan dan distorsi membatasi kemampuan sistem praktis untuk membedakan di antara perbedaan kecil yang sewenang-wenang dalam perubahan fasa.
10.11 Modulasi Amplitudo Kuadrat
Jika perangkat keras tidak mampu mendeteksi perubahan fase yang berubah-ubah, bagaimana kecepatan data dapat ditingkatkan lebih lanjut? Jawabannya terletak pada kombinasi teknik modulasi yang mengubah dua karakteristik pembawa secara bersamaan. Teknologi paling canggih
menggabungkan modulasi amplitudo dan penguncian pergeseran fasa. Dikenal sebagai Quadrature Amplitude Modulation† (QAM), pendekatan ini menggunakan perubahan fase dan perubahan amplitudo untuk mewakili nilai.
Untuk mewakili QAM pada diagram konstelasi, kami menggunakan jarak dari titik asal sebagai ukuran amplitudo. Misalnya, Gambar 10.8 menunjukkan diagram konstelasi untuk varian yang dikenal sebagai 16QAM dengan area abu-abu gelap yang menunjukkan amplitudo.
Gambar 10.8 Sebuah diagram konstelasi untuk 16QAM di mana jarak dari titik asal mencerminkan amplitudo.
10.11 Perangkat Keras Modem Untuk Modulasi Dan Demodulasi
Mekanisme perangkat keras yang menerima urutan bit data dan menerapkan modulasi ke gelombang pembawa sesuai dengan bit disebut modulator; mekanisme perangkat keras yang menerima gelombang pembawa termodulasi dan menciptakan kembali urutan bit data yang digunakan untuk memodulasi pembawa disebut demodulator. Dengan demikian, transmisi data memerlukan modulator di salah satu ujung media transmisi dan demodulator di ujung lainnya. Dalam praktiknya, sebagian besar sistem komunikasi adalah komunikasi dupleks penuh, yang berarti setiap lokasi membutuhkan modulator, yang digunakan untuk mengirim data, dan demodulator, yang digunakan untuk menerima data. Untuk menjaga biaya tetap rendah dan membuat sepasang perangkat mudah dipasang dan dioperasikan, produsen menggabungkan mekanisme modulasi dan demodulasi ke dalam satu perangkat yang disebut modem (modulator dan demodulator). Gambar 10.9 mengilustrasikan bagaimana sepasang modem menggunakan koneksi 4-kawat untuk berkomunikasi.
komputer di
situs 1 komputer di
situs 2
RS-232 dapat digunakan
RS-232 dapat digunakan Sirkuit 4-kawat
(jarak jauh)
Gambar 10.9 Ilustrasi dua modem yang menggunakan koneksi 4-kawat.
Seperti yang ditunjukkan gambar, modem dirancang untuk menyediakan komunikasi jarak jauh.
Sirkuit 4-kawat yang menghubungkan dua modem dapat memanjang di dalam gedung, melintasi kampus perusahaan antar gedung, atau antar kota†.
10.12 Modem Optik Dan Frekuensi Radio
Selain kabel khusus, modem juga digunakan dengan media lain, termasuk transmisi RF dan serat optik. Misalnya, sepasang modem Frekuensi Radio (RF) dapat digunakan untuk mengirim data melalui radio, dan sepasang modem optik dapat digunakan untuk mengirim data melalui sepasang serat optik. Meskipun modem tersebut menggunakan media yang sama sekali berbeda dari modem yang beroperasi melalui kabel khusus, prinsipnya tetap sama: pada ujung pengiriman, modem memodulasi pembawa; di ujung penerima, data diekstraksi dari pembawa termodulasi.
10.13 Modem Dial-up
Aplikasi lain yang menarik dari modem melibatkan sistem telepon suara. Alih-alih menggunakan sinyal listrik sebagai pembawa, modem dialup menggunakan nada audio. Seperti halnya modem konvensional, pembawa dimodulasi di ujung pengiriman dan didemodulasi di ujung penerima. Jadi, selain kemampuan untuk melakukan dan menerima panggilan telepon, perbedaan utama antara modem dialup dan modem konvensional muncul dari bandwidth nada yang dapat didengar yang lebih rendah.
Ketika modem dialup pertama kali dirancang, pendekatannya benar-benar masuk akal — modem dialup mengubah data menjadi pembawa analog termodulasi karena sistem telepon mengangkut sinyal analog. Ironisnya, interior sistem telepon modern adalah digital. Jadi, pada sisi pengirim, modem dialup menggunakan data untuk memodulasi pembawa yang dapat didengar, yang ditransmisikan ke sistem telepon. Sistem telepon mendigitalkan audio yang masuk, mengirimkan bentuk digital secara internal, dan mengubah versi digital kembali ke audio analog untuk pengiriman. Modem penerima mendemodulasi pembawa analog, dan mengekstrak data digital asli. Gambar 10.10 mengilustrasikan penggunaan ironis dari sinyal analog dan digital oleh modem dialup.
telepon kantor telepon kantor
sistem telepon internal
komputer di situs 2 komputer
di situs 1
Gambar 10.10 Ilustrasi sinyal digital dan analog (dilambangkan dengan gelombang persegi dan gelombang sinus) yang terjadi ketika modem dialup digunakan untuk mengirim data dari satu komputer ke komputer lain.
Seperti yang ditunjukkan oleh gambar, modem dialup biasanya tertanam di komputer. Kami menggunakan istilah modem internal untuk menunjukkan perangkat tertanam, dan istilah modem eksternal untuk menunjukkan perangkat fisik yang terpisah.
10.14 QAM Diterapkan Untuk Dialup
Quadrature Amplitude Modulation juga digunakan dengan modem dialup sebagai cara untuk memaksimalkan kecepatan pengiriman data. Untuk memahami alasannya, perhatikan Gambar 10.11, yang menunjukkan bandwidth yang tersedia pada koneksi dialup. Seperti yang diilustrasikan pada gambar, sebagian besar sambungan telepon mentransfer frekuensi antara 300 dan 3000 Hz, tetapi sambungan tertentu mungkin tidak menangani yang ekstrem dengan baik. Jadi, untuk menjamin reproduksi yang lebih baik dan kebisingan yang lebih rendah, modem dialup menggunakan frekuensi antara 600 dan 3000 Hz, yang berarti bandwidth yang tersedia adalah 2400 Hz. Skema QAM dapat meningkatkan kecepatan data secara dramatis.
Gambar 10.11 Ilustrasi bandwidth suara dan data pada sambungan telepon dialup.
10.15 Modem Dialup 10.16 V.32 dan V.32bis
Sebagai contoh modem dialup yang menggunakan QAM, pertimbangkan V.32 dan V.32bis standar. Gambar 10.12 mengilustrasikan konstelasi QAM untuk modem V.32 yang menggunakan 32 kombinasi pergeseran amplitudo dan pergeseran fasa untuk mencapai kecepatan data 9600 bps di setiap arah.
Gambar 10.12 Ilustrasi konstelasi QAM untuk modem dialup V.32.
Modem V.32bis menggunakan 128 kombinasi pergeseran fasa dan pergeseran amplitudo untuk mencapai kecepatan data 14.400 bps di setiap arah. Gambar 10.13 mengilustrasikan konstelasi.
Analisis sinyal yang canggih diperlukan untuk mendeteksi perubahan kecil yang terjadi dari suatu titik di konstelasi ke titik tetangga. = detik 10.16 V.32 dan V.32bis Modem Dialup 177
Gambar 10.13 Ilustrasi konstelasi QAM untuk modem dialup V.32bis.
10.16 Ringkasan
Sistem komunikasi jarak jauh menggunakan gelombang pembawa termodulasi untuk mentransfer informasi. Sebuah pembawa dimodulasi dengan mengubah amplitudo, frekuensi, atau fase. Amplitudo dan modulasi frekuensi adalah bentuk yang paling umum digunakan dengan input analog.
Ketika sinyal digital digunakan sebagai input, modulasi dikenal sebagai shift keying. Seperti halnya modulasi analog, shift keying mengubah pembawa. Namun, hanya serangkaian kemungkinan tetap yang diizinkan. Diagram konstelasi digunakan untuk mewakili kemungkinan penguncian pergeseran fasa.
Jika sistem mengizinkan kekuatan dua kemungkinan, beberapa bit input dapat digunakan untuk memilih kemungkinan pada setiap titik waktu. Quadrature Amplitude Modulation menggabungkan penguncian pergeseran amplitudo dan penguncian fasa untuk menghasilkan lebih banyak kemungkinan.
Modem adalah perangkat keras yang mencakup sirkuit untuk melakukan modulasi dan demodulasi;
sepasang modem digunakan untuk komunikasi full-duplex. Optik, RF, dan modem dialup juga ada.
Karena bandwidth terbatas, modem dialup menggunakan skema Quadrature Amplitude Modulation.
Modem V.32 menggunakan 32 kemungkinan kombinasi pergeseran fasa dan perubahan amplitudo;
modem V.32bis menggunakan 128 kemungkinan kombinasi.
Latihan
1. Sebutkan tiga tipe dasar modulasi analog.
2. Saat menggunakan modulasi amplitudo, apakah masuk akal jika pembawa 1 Hz dimodulasi oleh gelombang sinus 2 Hz? Mengapa atau mengapa tidak?
3. Menggunakan Teorema Shannon, jelaskan mengapa sistem modulasi amplitudo praktis menjaga pembawa di dekat kekuatan maksimum.
4. Apa perbedaan antara shift keying dan modulasi?
5. Pada penguncian fase pergeseran, apakah mungkin untuk memiliki pergeseran fase 900? Dari 2700? Dari 3600?
6. Gambarkan sebuah contoh untuk menjelaskan jawaban Anda.
7. Cari di Web dan temukan diagram konstelasi untuk 32QAM. Berapa banyak titik yang ditentukan di setiap kuadran?
8. Gambar 10.9 menunjukkan konfigurasi dupleks penuh dengan empat kabel, dua di antaranya digunakan untuk mentransmisikan di setiap arah. Berargumen bahwa seharusnya dimungkinkan untuk menggunakan tiga kabel sebagai gantinya.
9. Pada pertanyaan sebelumnya, mengapa empat kabel lebih disukai?
10. Dengan asumsi rasio signal-to-noise 30 dB, berapa kecepatan data maksimum yang dapat dicapai untuk bandwidth dialup yang diilustrasikan pada Gambar 10.1
11.1 Konsep Multiplexing
Multiplexing adalah Teknik menggabungkan beberapa sinyal untuk dikirimkan secara bersamaan pada suatu kanal transmisi. Dimana perangkat yang melakukan Multiplexing disebut Multiplexer atau disebut juga dengan istilah Transceiver / Mux.
Kami menggunakan istilah multiplexing untuk merujuk pada kombinasi aliran informasi dari berbagai sumber untuk transmisi melalui media bersama, dan multiplexor untuk menunjukkan mekanisme yang mengimplementasikan kombinasi. Demikian pula, kami menggunakan istilah demultiplexing untuk merujuk pada pemisahan kombinasi kembali menjadi aliran informasi yang terpisah, dan demultiplexor untuk merujuk pada mekanisme yang menerapkan pemisahan. Multiplexing dan demultiplexing tidak terbatas pada perangkat keras atau aliran bit individu — gagasan menggabungkan dan memisahkan komunikasi membentuk dasar fundamental yang digunakan di banyak bagian jaringan komputer.
Gambar 11.1 mengilustrasikan konsep tersebut.