1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Layanan broadband dituntut untuk menghadirkan kapasitas yang besar saat ini, sehingga telah banyak dilakukan penelitian pada komunikasi mm-wave
(milimeter-wave) untuk jaringan akses nirkabel (wireless) dalam hal meningkatkan kecepatan dan efisiensi perangkat RF (radio frequency). Penggunaan teknologi sistem wireless mengalami banyak rugi-rugi (losses) dalam pentransmisian sinyal serta pelemahan atmosfer, untuk mengatasi permasalahan tersebut digunakan sistem RoF (radio over fiber) yang memiliki atenuasi rendah,
interface elektromagnetik, dan bandwidth yang besar [1].
Teknologi RoF merupakan sistem teknik yang sangat tepat untuk diintegrasikan dengan jaringan akses nirkabel, karena dapat mengirimkan gelombang microwave melalui serat optik untuk jarak jauh. Hal tersebut memungkinkan untuk mendukung WLAN (wireless local area network) dan jaringan mobilitas Generasi Keempat (4G) saat ini [1], teknologi RoF tersebut menggunakan teknik multiplexing yang popular dan handal yaitu teknologi OFDM (orthogonal frequency division multiplexing).
OFDM adalah sebuah teknologi baru untuk kecepatan data tinggi di generasi
mobile dan fixed broadband saat ini dan mendatang. OFDM adalah transmisi
multicarrier yang memungkinkan untuk seleksi kanal frekuensi dengan kecepatan data yang tinggi. Teknik ini mengubah frekuensi selektif dengan saluran pita lebar ke sekelompok saluran non-selective narrowband, menyebakan ortogonalitas dalam domain frekuensi [1], [2]. Teknik tersebut memungkinkan untuk menyediakan bit rate dan bandwidth yang tinggi, sehingga penggunaan OFDM sebagai format modulasi dalam sistem RoF lebih disukai daripada format modulasi lainnya.
Unjuk kerja/performa sistem OFDM-RoF akan sangat berkaitan dengan mekanisme modulasi dan demodulasi baik di sisi transmitter maupun receiver, hal
2
tersebut dipengaruhi beberapa parameter yaitu mekanisme mapping modulation, mekanisme up-conversion E/O (electrical to optical conversion), optical modulator, karakteristik fiber, dan mekanisme down-conversion O/E (optical to electrical conversion) [1]. Penelitian ini akan fokus pada unjuk kerja tansmisi OFDM menggunakan modulasi kuadratur optis dengan deteksi koheren, secara umum merupakan kategori sistem EM-CD (external modulated-coherent detection) pada sistem OFDM-RoF dengan parameter OLP (optical launch power), fiber length, EVM (error vector magnitude), SER (symbol error rate), BER (bit error rate) dan power received.
1.2 Perumusan Masalah
Masalah yang sudah diuraikan di atas terangkum pada perumusan masalah, perumusan masalah tersebut dapat diuraikan sebagai berikut:
1. Bagaimana mendesain sistem transmisi OFDM menggunakan modulasi kuadratur optis dengan deteksi koheren/EM-CD (external modulated-coherent detection) pada sistem RoF
2. Bagaimana analisis unjuk kerja sistem EM-CD pada sistem OFDM-RoF.
3. Bagaimana pengaruh variasi input daya dan panjang serat optis terhadap unjuk kerja sistemEM-CD pada sistem OFDM-RoF.
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Desain sistem penelitian adalah P2P (point to point)
2. Modulation mapping yang digunakan adalah 16 QAM (quadrature amplitude modulation) dengan pengkodean gray code
3. Interpolasi OFDM yang digunakan adalah cubic interpolation
4. Variasi daya OLP CW (continuous wave) laser dan LO (local oscillator) adalah -8 dBm sampai -10 dBm
5. Optical link menggunakan SMF (single mode fiber) dengan variasi fiber length 10 km sampai 50 km
3
6. Penelitian ini tidak membahas tentang karakteristik fiber.
1.4 Keaslian Penelitian
Terdapat beberapa pustaka atau referensi yang berkaitan dan dijadikan acuan sehingga perlu dilakukan penelitian ini seperti ditunjukkan pada Tabel 1.1. Beberapa penelitian tersebut dapat diuraikan sebagai berikut :
Penelitian tentang analisis unjuk kerja BER dalam skema RoF-PON (passive optical network) berdasarkan format modulasi OFDM dengan menggunakan Optiwave V.11 [2]. Penelitian menganalisis unjuk kerja BER untuk modulasi OFDM menggunakan QAM dan PSK (phase shift keying), seperti 16-QAM, 8-PSK, dan 16-8-PSK, menggunakan external modulator untuk mekanisme up-conversion 20 Gbps dan 30 Gbps sinyal OFDM pada microwave carrier 20-GHz melewati 40 km SMF, sedangkan pada sisi receiver menerapkan direct detection
untuk mekanisme down-conversion. Metode ini lebih dikenal dengan EM-DD (external modulated-direct detection). Hasil penelitian ini memiliki perbandingan antara tiga metode modulasi berdasarkan daya terima dan OSNR (optical signal noise to ratio). OSNR maksimum terjadi ketika 16-QAM dan minimum pada 8-PSK digunakan, modulasi 16-QAM dan 16-8-PSK memiliki kapasitas yang sama, akan tetapi dalam hal daya diterima dan nilai OSNR 16-QAM memiliki nilai tertinggi. Penelitian ini terbatas untuk 40 km SMF dengan nilai BER yang dihasilkan masih tinggi akibat daya terima yang rendah.
Penelitian tentang analisis skema OFDM untuk wireless melalui RoF menggunakan metode EM-DD untuk mapping 16 QAM dengan menggunakan
software OptiSystem 8.0/9.0 untuk simulasi [3]. Penelitian ini menggunakan
quadrature modulator 7.5 GHz pada OFDM stage output sebelum dilewatkan ke sebuah LiNb-MZM (Lithium Niobate Mach Zehnder Modulator) untuk mapping
16 QAM. Pada sisi receiver, mekanisme down-conversion menggunakan direct detection menggunakan sebuah PIN photodetector sebelum dikirim ke OFDM
demodulator. Hasil penelitian menunjukkan sinyal OFDM-RoF mampu mencapai
fiber length 10 km sampai 50 km bit rate 10 Gbps meskipun daya terima masih rendah. Selanjutnya dengan metode yang sama, penelitian tentang peningkatan
-4
Tabel 1.1 Perbandingan Penelitian terkait Sistem OFDM-RoF
Ref Judul Metode/ Tool Parameter Hasil/Kelebihan Kekurangan
[2]
Study of the BER performance in
RoF-OFDM system modulated by QAM
and PSK. (2013)
External Modulated and Direct Detection
(Optiwave V.11)
OFDM, 8PSK, 16PSK, 16QAM, 20 GHz RF, WDM-PON, MZM, Local
Oscillator, SMF
Performa BER OFDM-16-PSK & 16-QAM sama Bit
rate 20GBps & 30Gbps meski memerlukan OSNR
Tinggi
dowconversion menggunakan 2 MZM dan tambahan rangkaian MZM
dengan satu LO, daya terima masih rendah dan terbatas untuk SMF 40 km.
BER masih tinggi. Belum mempertimbangkan
faktor laser, dan karakterisitik fiber
[3]
Performance Analysis of the OFDM Scheme for Wireless over Fiber
Communication Link. (2012)
External Modulated and Direct Detection (OptiSystem 8.0/9.0)
OFDM, 16 QAM, LiNb MZM, CW Laser 1550 nm, Quadrature
Modulator 7.5 GHz, SMF
OFDM-RoF mampu meningkatkan performa
sinyal RF, mampu mencapai fiber length
10-50 km, bermanfaat untuk wideband celluler
daya terima masih rendah, belum mempertimbangkan
Optical launch power, EVM, BER dan SER
[4]
OFDM Signal Improvement Using Radio over fiber for Wireless System.
(2013)
External Modulated and Direct Detection
(OptiSystem 13 dan OptiPerformer)
OFDM, 4 QAM, Quadrature Modulator 7.5 GHz, LiNb MZM,
CW laser 193.1 THz, SMF
mencapai 60 km SMF dengan bit rate 10 Gbps,
jumlah subcarrier 512
daya terima masih rendah, belum mempertimbangkan
Optical launch power, EVM, BER dan SER
5
Ref Judul Metode/ Tool Parameter Hasil/Kelebihan Kekurangan
[5] Study of OFDM Technique on RoF Passive Optical Network . (2013) External Modulated and Direct Detection
(Optiwave V.11)
OFDM PON, 4 QAM,LiNbO3 MZM, RF IQ Mixer, CW Laser
193.1 THz, EDFA 20 dB
Dengan menggunakan sistem SMF-DCF untuk SMF 228 km, konstelasi sinyal lebih jelas, daya terima tinggi, fleksibel dan
biaya efektif.
pentingnya EDFA sebelum dan sesudah transmisi fiber SMF. Karakteristik laser
belum dipertimbangkan
[6]
Photonic down conversion for coherent phase-modulated
radio-over-fiber links using free-running local
oscillator (2011)
Electro Absorption Modulator (EAM), Phase Modulator dan
Coherent Detection (PM-Ch) (Experimental) BPSK, RF 5 GHz, SMF, DFB laser -2 dBm, 1550 nm, Local Oscillator (LO) -8 dBm
bit rate 50 Mbps melewati 40 km SMF, receiver bisa mentransfer sinyal menjadi
300 MHz
power penalty sebesar 2 dB setelah 40 km SMF untuk BER 10-3 [7] Digital coherent detection of multi-gigabit 40 GHz carrier frequency radio-over-fiber signals using
photonic downconversion (2010)
Electro Absorption Modulator (EAM) dan
Coherent Detection (Experimental)
16 QAM, RF 40 GHz, SMF, linewidth 100 KHz, CW laser 0
dBm 1550 nm
bit rate 4 Gbps melewati 40 km SMF, daya laser
lebih rendah
Membutuhkan OSNR 30 dB untuk UFEC limit 2.10-3
[8]
Performance evaluation of digital coherent receivers for phase modulated
radio-over-fiber links (2011)
Intensity Modulated-Direct Detection
(IM-DD), Phased Modulated and Coherent Detection (PM-Coh) (Experimental and MatLab) Ratusan Mbps, RF 2 GHz, Photodioda bandwidth 4 GHz, 16 QAM, 1550 nm, MZM, DFB laser, linewidth 100 KHz, SMF 20 km
Terdapat kesesuian antara Ekperimental dan simulasi.
EVM Phase 14% bisa dicapai untuk BER10-3 dan
7% untuk BER 10-6
Fiber length SMF 20 km terbatas untuk bit rate
100-200 Mbps dan 2 GHz RF, EVM Phased Modulated masih lebih besar dari
6
Ref Judul Metode/ Tool Parameter Hasil/Kelebihan Kekurangan
[9]
High-capacity 60 GHz and 75-110 GHz band links employ-ing
all-optical OFDM generation and digital
coherent detection (2011)
Intensity Modulated-Coherent Detection (IM-CD) dan Electro Absorption Modulator
(EAM), (Experimental)
Optical OFDM, QPSK, 5 Gbps ASK, 16 Gbps QPSK, 40-110 GHz
RF, Tunable Laser Source (TLS), 1549.8-1555 nm nm,3 MZM, SMF,
ECL, Optical band pass filter (OBPF), Amplified Spontaneous emission (ASE), SMF B2B, , low
pass filter
Bit rate mencapai 2.5 Gbps dengan OSNR 7 dB, Bit rate mencapai 5 Gbps untuk
sinyal ASK dan 16 Gbps QPSK
Fiber length SMF B2B 26 km, Terbatas pada 3 subscarrier orthogonal, membutuhkan Feedforward
Equalizer (FFE) dan Feedback Equalizer (FBE) ,
Fiber length SMF 50 m
[10]
Coherent Radio-Over-Fiber and Millimeter-Wave Radio Seamless
Transmission System for Resilient Access
Networks (2012)
Electro Absorption Modulator (EAM) dan
Coherent Detection (Experimental )
QPSK, Laser diode (LD), 1550, Dual parallel MZM, 20 GHz RF,
SMF, LO 75 GHz
Data rate yang mencapai 37,2 Gb/s untuk sinyal 20-GBaud QPSK dengan
overhead FEC 7%.
Power laser tinggi sebesar 10 dBm, jarak transmisi
terbatas sampai 2 km
[11]
Performance Analysis and Optimization of Radio over fiber Link
(2014)
Electro Absorption Modulator (EAM), Direct Modulated, Direct Detection dan
Coherent Detection (Optisystem 12 )
OFDM, QPSK, QAM, CW Laser 193.1 THz 10 dBm,MZM, PIN dan
APD Photodetector, SMF 25 km, Quadrature Modulator
Telah mempertimbangkan karakterisitik fiber lebih detail, memvariasikan PIN
dan APD
Belum memperhatikan karakterisitik optical launch
power CW Laser dan EVM di receiver, link fiber terbatas 25 km, BER sangat besar sekitar 0.5, belum ada amplifikasi dan filterisasi,
target 40 Gbps tidak tercapai
7
sinyal OFDM pada link RoF untuk sistem wireless dengan menggunakan software OptiSystem 13 untuk simulasi [4]. Penelitian ini menggunakan quadrature modulator 7.5 GHz pada OFDM stage output sebelum dilewatkan ke sebuah LiNb-MZM untuk mapping 4 QAM. Penelitian ini mampu mencapai 60 km SMF dengan sub-carrier 512, akan tetapi daya terima masih rendah. Terdapat penelitian tentang studi teknik OFDM pada RoF PON untuk fiber length SMF-DCF (dispersion compensation fiber) 228 km menggunakan Optiwave V.11 [5], penelitian ini menggunakan RF IQ Mixer dengan phase shift 90o sebelum dikirim ke LiNbO3 (Lithium Niobate TriOksida) MZM, penelitian ini menggunakan CW
laser 193.1 THz dan beberapa penguatan EDFA (erbium dopped amplifier) 20 dB. Hasil penelitian menunjukkan dengan beberapa EDFA dan mekanisme direct detection menggunakan sebuah PIN detector dengan electrical amplifier, konstelasi sinyal dapat terlihat jelas untuk mapping 4 QAM.
Penelitian [6] telah menunjukan hasil eksperimen untuk PDC (photonic down conversion) yang diterapkan untuk PM-Coh link (phase modulated coherent). Penelitian ini menggunakan pulses and free running laser sebagai LO dengan daya 8 dBm untuk mewujudkan PDC untuk PM-Coh link. Penelitian ini menggunakan DFB laser (distributed feedback laser) dan CW laser -2 dBm 1550 nm untuk frekuensi carrier RF yang tinggi (5 GHz) sebagai input dari phase modulator dan EAM (electro absorption modulator). Di sisi deteksi, PDC ditempatkan di coherent receiver untuk mentransfer sinyal menjadi 300 MHz, menempatkan A/D(analog to digital) conventer dengan bandwidth hanya 1 GHz. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa bit rate 50 Mbps dapat dicapai dengan modulasi BPSK (binary phase shift keying) melewati 40 km SMF, tetapi didapatkan power penalty sebesar 2 dB untuk BER 10-3. Penelitian [7] menyajikan demonstrasi dari deteksi sinyal high bit rate wireless, dengan format modulasi kompleks menggunakan digital photonic receiver dengan link PM-Coh dengan PDC, sinyal 3,2-4 Gbps 16 QAM pada 40 GHz bisa didemodulasi sampai transmisi 40 km SMF, meskipun adanya kompensasi free running setelah menggunakan algoritma DSP (digital signal processing) dengan power penalty
8
Penelitian [8] telah menyajikan model hasil teoritis dan simulasi komputer menggunakan MatLab untuk performa PM-Coh link dengan CW dan PDC. Penelitian ini membuktikan bahwa PM-Coh link dapat memberikan distorsi end-to-end yang rendah untuk transportasi sinyal wireless kapasitas tinggi melalui link fiber dengan kapasitas order ratusan Mbps. Penelitian ini menyimpulkan bahwa
laser linewidth dan indeks modulasi merupakan faktor kunci dalam link design. Dengan menggunakan laser tersedia secara komersial, dengan nilai linewidth
kisaran 100 kHz dan low V modulator, di bawah 7 V, memungkinkan untuk mengangkut 100-200 Mbps 16 QAM sinyal dengan induksi EVM (error vector magnitude) 14% untuk BER 10-3 untuk 20 km SMF. Penelitian [9] telah menyajikan teknik baru untuk all-photonic millimeter-wave wireless dan digital coherent detection. Penelitian ini menganalisis performa IM-CD (intensity modulated-coherent detection) dan EAM/ MZM dengan menggunakan modulasi seperti QPSK (quadrature phase shift keying), ASK (amplitude shift keying) untuk 40-110 GHz RF. Penelitian ini menggunakan 3 buah MZM pada transmitter central office, masing-masing input MZM-1 dihubungkan dengan ECL (external cavity laser) dan sebuah LO sebagai frequency synthesizer, dan outputnya dihubungkan dengan MZM-2 dan MZM-3 dengan phase shift 90o. Hasil penelitian ini menunjukkan bit rate 2.5 Gbps QPSK dapat tercapai dengan OSNR 7 dB, 5 Gbps untuk sinyal ASK dan 16 Gbps QPSK untuk 26 km SMF B2B (back to back). Penelitian ini terbatas pada 3 subscarrier orthogonal yang membutuhkan FFE (feed forward equalizer) dan FBE (feed back equalizer).
Penelitian [10] telah mengusulkan optical and radio seamless conversion network menggunakan coherent RoF, data rate yang dicapai adalah 37,2 Gbps untuk sinyal 20-GBaud QPSK dengan overhead FEC 7%. Penelitian ini menggunakan EAM dengan modulasi QPSK 20 GHz RF, memanfaatkan LD (laser diode) 1550 nm dengan optical modulator dual parallel MZM. Disisi
receiver, menggunakan prinsip heterodyning detector dengan LO 75 GHz. Penelitian ini menggunakan power laser tinggi sebesar 10 dBm namun jarak transmisi terbatas sampai 2 km SMF. Selanjutnya penelitian [11] telah menganalisis dan meningkatkan performa RoF link untuk sistem direct detection
9
dan coherent detection untuk sistem 4 QAM 40 Gbps 100 km SMF. Penelitian menggunakan OptiSystem 13 dan MatLab untuk simulasi, telah menunjukkan penggunaan MZM dan EAM menghasilkan Q-Factor lebih besar (BER lebih kecil) dibandingkan dengan direct modulator. OFDM stage output dihubungkan dengan quadrature modulator, selanjutnya dihubungkan dengan input MZM atau EAM. Penelitian ini menggunakan CW laser 191.3 THz dengan power 4dBm sampai 10 dBm sebagai optical laser, dengan PIN dan APD (avalanche photodiode) digunakan sebagai direct detection. Hasil penelitian menunjukkan bahwa teknik OFDM-QAM memiliki SNR (signal noise to ratio) lebih rendah dibandingkan tanpa OFDM, memperlihatkan nilai BER mencapai 0.5 baik untuk mekanisme direct detection maupun coherent detection untuk jarak 20 km.
Pada penelitian ini sistem OFDM-RoF menggunakan mapping 16 QAM, mekanisme up-down conversion menggunakan metode EM-CD (external modulated-coherent detection) untuk dengan memvariasikan daya CW laser
(OLP) dengan menggunakan 2 buah LiNb-MZM yang akan akan digabung dengan power combiner sebelum ditransmisikan ke fiber optic link. Di sisi deteksi, penelitian ini akan membahas tentang pengaruh penggunaan 4 buah
balanced photodetector PIN dan APD untuk diketahui performa dari sistem OFDM-RoF tersebut.
1.5 Tujuan Penelitian
Penelitian ini akan secara spesifik dan fokus pada unjuk kerja transmisi OFDM menggunakan modulasi kuadratur optis dengan deteksi koheren/EM-CD (external modulated-coherent detection) pada sistem RoF (radio over fiber) meliputi sebagai berikut :
1. Analisis pengaruh variasi nilai OLP (optical launch power) terhadap bentuk spektrum dan konstelasi sinyal pada masing-masing bagian sistem OFDM-RoF dengan penggunaan mapping 16 QAM.
2. Analisis pengaruh variasi nilai OLP (optical launch power) terhadap nilai EVM (error vector magnitude), SER (symbol error rate), BER (bit error rate) dan daya terima (power received) pada receiver, dan
10
pengaruh penambahan panjang fiber (fiber length) terhadap nilai EVM, SER, BER, dan power received di receiver.
3. Menentukan batas-batas daerah kerja yang baik terkait variasi OLP dan penggunaaan photodetector PIN dan APD pada mekanisme down-conversion pada bagian deteksi koheren.
1.6 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Menjadi acuan dalam pengembangan industri teknologi broadband
khusunya sistem RoF (radio over fiber)
2. Menjadi dasar pertimbangan dalam pengembangan sistem RoF masa depan khususnya penggunaan mekanisme up-conversion E/O (electrical to optical conversion), optical modulator, dan mekanisme
