MODEL DAN SIMULASI SERAT OPTIK SINGLE-MODE STEP-INDEX DENGAN MODULASI BPSK MENGGUNAKAN METODE FDTD DAN PEMROGRAMAN C#

(1)

MODEL DAN SIMULASI SERAT OPTIK SINGLE-MODE STEP-INDEX DENGAN MODULASI BPSK MENGGUNAKAN METODE FDTD DAN PEMROGRAMAN C#

Stephanus Krisna Arizona Widiputra¹, Erna Sri Sugesti², Suwandi³

¹Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom

Abstrak

Perkembangan komunikasi berjalan seiring dengan peningkatan tuntutan konsumen akan sistem komunikasi yang handal, murah serta mendukung layanan dimana saja, kapan saja, dengan media apa saja. Untuk memenuhi kebutuhan akan kapasitas tinggi, maka sistem komunikasi wireless menuju pada cell berukuran kecil. Sebagai dampak permasalahan diatas, dikembangkan

teknologi Radio over Fiber (RoF) yang menggabungkan kapasitas serat optik yang tinggi dengan jaringan wireless yang flexible. Pada teknologi RoF serat optic berperan untuk mendistribusikan sinyal RF ke remote site. Melihat sistem komunikasi WLAN sudah umum digunakan dewasa ini, maka Tugas Akhir ini mengambil sistem WLAN IEEE 802.11g over Fiber.

Penelitian pada Tugas Akhir ini menitik beratkan pada bagian serat optik dalam teknologi WLAN IEEE 802.11g over Fiber. Simulasi serat optik yang dilakukan menggunakan modulasi BPSK pada standar IEEE 802.11g. Analisis yang dilakukan mencakup analisis mode propagasi dandistribusi medan elektrik pada serat optic Single-Mode Step-Index. Dalam proses analisis digunakan metode analisa numerik Finite Difference Time Domain (FDTD) dan simulasi yang dibangun menggunakan bahasa pemrograman C#.

Hasil simulasi Tugas Akhir ini menampilkan distribusi medan elektrik pada daerah core dan cladding. Mode propagasi yang memenuhi sifat sinyal yang merambat dalam pada serat optik Single-Mode Step-Index ialah mode HE11. Terdapat dua distibusi medan elektrik yang

berpolarisasi tegak lurus, medan elektrik yang dominan pada sumbu x, memiliki nilai medan Ey sama dengan nol, dan begitu juga sebaliknya. Dan dari hasil simulasi yang dilakukan, didapatkan Mode Field Diameter sebesar 4,73 μm atau dapat dikatakan bahwa medan elektrik bekonsentrasi pada 59% di daerah core. Mode yang terjadi pada simulasi menunjukkan perbedaan 16,74 dB antara medan elektrik transversal terhadap medan elektrik pada sumbu propagasi z, atau dengan kata lain mode yang terjadi dapat disebut sebagai linearly polarized (LP) mode.

Kata Kunci : RoF, WLAN, Serat Optik, FDTD

Fakultas Teknik Elektro Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi

(2)

Abstract

Since the demand for broadband wireless access has experienced tremendous growth should over any communication service at any time, any place, and any media in addition the next generation wireless access systems will operate in the upper microwave/millimeter wave frequency band. As the result both increased traffic and propagation properties of millimeter-waves require small cells. One emerging technology applicable in high capacity, broadband millimeter-wave access systems is Radio over Fiber (RoF), the high capacity of optical networks integrated with the flexibility of radio networks.Radio over Fiber (RoF) is technology by which microwave signal are distributed by means of optical componentsand techniques. Wireless LAN (WLAN) is the largest fix wireless network these days, that’s the reason why this reasech take a part in WLAN over Fiber system.

In this research focused onOptical Fiber link in WLAN over Fiber. Fiber Optic distribute WLAN analog signal to the remote stations using BPSK modulation. These research usesFinite Difference Time Domain (FDTD) as numeric analysis method and the simulation is built by C # programming language.Focus of the simulation is the electric fieldsin the fiber during the signal the spread.

Based on the simulation result, there’s only one propagation modeobtained in the Single-Mode Step-Index fiber. Propagation modes that meet the nature of the signal traveling in the optical fiber Single-Mode Step-Index is the HE11 mode.The simulation results show the electrical field has two degenerate modes that are polarized in two orthogonal directions. The electric field which excited with its polarization in the x direction, Exhas a quite small Ey component which having perpendicular polarization, and vice versa. In others side, the simulation show the Mode Filed Diameter (MFD) that occur is about 4,73 μm toward 8 μm core diameter, or 59% by the core region. The mode also show the difference of transversal field and the z axis field about 16,74 dB, so the mode that occour can be say as a Linearly Polarized (LP) mode.

Keywords : RoF, WLAN, Optical Fiber, FDTD

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

(3)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Permintaan user akan akses broadband terus meningkat, user tidak hanya menuntut layanan yang mendukung mobilitas tapi juga bandwith yang besar.

Kecenderungan akses wireless yang besar mensyaratkan penurunan ukuran cell (micro-cell atau pico-cell). Melihat kondisi tersebut, maka teknologi Radio over Fiber (RoF) menjadi solusi yang tepat. Pada prinsipnya RoF menggabungkan kapasitas tinggi link komunikasi serat optik dengan jaingan wireless yang flexible.

Teknologi RoF sendiri dapat diaplikasikan pada berbagai macam komunikasi wireless baik komunikasi mobile seperti GSM atau komunikasi fixed seperti WLAN.

Salah satu komunikasi Fixed Wireless yang banyak digunakan dewasa ini ialah Wireless LAN (WLAN). Standar WLAN IEEE 802.11 dikenal dengan Wi-Fi, dengan kecepatan 2 Mbps dan standar WLAN tersebut terus berkembang.

Dewasa ini, WLAN mampu menawarkan 54 Mbps untuk IEEE 802.11g. Untuk mempertemukan sistem WLAN dengan tingginya permintaan user maka teknologi RoF dapat diapplikasikan pada sistem WLAN tersebut.

Teknologi RoF memerlukan penggunaan link serat optik untuk mendistribusikan sinyal RF dari lokasi pusat (headend) ke RAP. Pada sistem komunikasi WLAN fungsi pemrosesan sinyal (seperti up-convertion, modulation, and multiplexing) RF dilakukan di RAP dan lalu disalurkan ke antena, namun dengan RoF dimungkinkan pemusatan pemrosesan sinyal RF pada satu lokasi yang di-shared (headend). Dengan demikian, RAP menjadi jauh lebih simple, karena hanya melakukan konversi optoelectronic dan fungsi amplification.

Pemusatan pemprosesan sinyal RF memungkinkan penggunaan sebuah perangkat bersama-sama, alokasi sumber yang dinamis, dan penyederhanaan sistem operasi dan pemeliharaan.

(4)

BAB I Pendahuluan

Stephanus Krisna Arizona Widiputra / 111050090 2 1.2. Tujuan

Tujuan Tugas Akhir ini adalah memodelkan dan mensimulasikan serat optik Single-Mode Step-Index dalam mentransmisikan sinyal RF pada teknologi Radio over Fiber untuk sistem komunikasi WLAN IEEE 802.11g dengan menggunakan pemrograman C#. Pemodelan dan simulasi yang dilakukan dapat menunjukkan distribusi medan elektrik pada serat optik.

1.3. Rumusan Masalah

Pada teknologi Radio over Fiber, sinyal RF ditransmisikan dalam media serat optik. Dalam standar sistem WLAN IEEE 802.11g, digunakan frekuensi kerja 2,4 GHz dan dapat digunakan beberapa skema modulasi. Salah satu skema modulasi dalam WLAN IEEE 802.11g ialah modulasi BPSK dengan bit rate 3 Mbps.

Simbol dalam modulasi BPSK hanya merepresentasikan dua bit, yaitu bit 1 dan bit 0.

Pada RoF proses distribusi sinyal ke remote site menggunakan serat optik.

Sinyal RF yang termodulasi BPSK didistribusikan dalam serat optik. Cahaya yang merambat dalam serat optik membentuk mode-mode tertentu sesuai dengan karakter serat optik yang digunakan, dalam Tugas akhir ini menggunakan mode HE₁₁ sebagai mode fundamental pada serat optik Single-Mode. Pengamatan mode yang terjadi menitik beratkan pada distribusi medan elektrik dalam serat optik.

Model dan Simulasi serat optik Single-Mode Step-Index yang dilakukan menggunakan metode analisa numerik Finite Difference Time Domain dan bahasa pemrograman C#.

1.4. Batasan Masalah

Dalam Tugas Akhir dilakukan pembatasan masalah, agar kajian Tugas Akhir ini tidak terlalu luas atau terlalu dangkal. Batasan masalah yang dilakukan adalah : 1) Serat Optik yang akan disimulasikan ialah serat optik Single-Mode Step-Index

dengan kondisi dianggap lurus dan mengabaikan pengaruh dispersi.

2) Simulasi yang akan dilakukan merupakan simulasi dari teknologi Radio over Fiber untuk sistem komunikasi Wireless LAN IEEE 802.11g dengan bit rate 3

(5)

BAB I Pendahuluan

Stephanus Krisna Arizona Widiputra / 111050090 3

Mbps dan frekuensi operasi 2,4 GHz. Pada simulasi dilakukan penskalaan parameter bit rate menjadi 1 bps dan frekuensi 800 Hz, atau penskalaan sebesar 1 : 3 x 10⁶.

3) Digunakan skema modulasi BPSK sebagai standar sistem WLAN IEEE 802.11g. Dan simulasi yang akan dilakukan tidak mempertimbangkan skema modulasi multi carrier OFDM.

4) Metode numerik yang digunakan Finite Difference Time Domain (FDTD).

5) Simulasi yang akan dilakukan menggunakan pemrograman C#.

6) Unjuk kerja yang diamati ialah distribusi medan elektrik dalan serat optik Single-Mode Step-Index.

1.5. Metode Penyelesaian Masalah

Adapun langkah-langkah yang akan ditempuh dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini antara lain sebagai berikut :

1) Studi literatur

a) Pencarian dan pengumpulan literatur-literatur dan kajian-kajian yang berkaitan dengan masalah-masalah yang ada pada Tugas Akhir ini. Literatur yang digunakan dapat berupa buku-buku referensi, jurnal-jurnal, dan artikel yang berkaitan dengan topik pada Tugas Akhir ini.

b) Pengumpulan data-data dan spesifikasi sistem yang diperlukan untuk mendapatkan penurunan persamaan propagasi yang digunakan dalam permodelan dan simulasi sistem yang akan dianalisa.

2) Tahap penurunan persamaan propagasi

Penurunan persamaan yang akan dilakukan berdasarkan teori yang ada dengan menggunakan metode FDTD. Penurunan persamaan ini merupakan pendekatan yang dilakukan untuk dapat mensimulasikan propagasi sinyal pada sistem yang digunakan.

3) Tahap perancangan simulasi

Pada tahap ini dilakukan transformasi dari teori yang sudah ada ke bentuk simulasi serta persamaan matematis, untuk membangkitkan data-data yang

(6)

BAB I Pendahuluan

diperlukan guna pemecahan permasalahan. Pemodelan dan simulasi yang dilakukan menggunakan pemrograman C#.

4) Tahap analisis

Pada tahap ini dilakukan analisa terhadap unjuk kerja sistem yang disimulasikan. Analisa dilakukan secara kualitatif maupun kuantitatif dengan melihat distribusi daya pada serat optik.

5) Tahap penyelesaian akhir

Pada tahap ini dilakukan verifikasi terhadap proses-proses sebelumnya, untuk menguji kelayakan data dan analisa yang dilakukan.

6) Penarikan kesimpulan

Mengambil kesimpulan akhir tentang perancangan dan hasil simulasi sistem tersebut.

1.6. Sistematika Penulisan

Secara umum keseluruhan Tugas Akhir ini akan dibagi menjadi lima bab bahasan, ditambah dengan lampiran dan daftar istilah yang diperlukan. Dengan penjelasan sebagai berikut:

1) Bab I Pendahuluan

Bab ini membahas latar belakang masalah, tujuan , perumusan masalah, batasan masalah, metoda penyelesaian masalah, dan sistematika penulisan yang digunakan dalam penyusunan Tugas Akhir.

2) Bab II Dasar Teori

Bab ini membahas tentang teori dasar tentang konsep dasar teknologi Radio over Fiber, sistem komunikasi WLAN IEEE 802.11g, serat optik Single-Mode Step-Index, teori cahaya dengan pendekatan gelombang elektromagnetik, metode Finite Difference Time Domain (FDTD).

3) Bab III Perancangan Sistem dan Analisa Numerik

Bab ini membahas perancangan model dan simulasi serat optik Single-Mode Step-Index pada sistem Radio over Fiber. Pendekatan mode fundamental HE11

sebagai mode propagasi dalam serat optik Single-Mode Step-Index.

Perancangan yang dilakukan menggunakan pemrograman C#.

(7)

BAB I Pendahuluan

Stephanus Krisna Arizona Widiputra / 111050090 5 4) Bab IV Hasil Simulasi dan Analisis

Bab ini membahas hasil simulasi yang dibuat, yaitu simulasi serat optik Single- Mode Step-Index pada teknologi Radio over Fiber. Dengan parameter medan elektrik maka diamati mode propagasi yang terjadi pada serat optik yang.

5) Bab V Kesimpulan dan Saran

Bab terakhir ini memberikan kesimpulan hasil penelitian secara menyeluruh terhadap Tugas Akhir yang telah dilakukan dan saran terhadap pengembangan penelitian ke depan.

(8)

48

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Beberapa kesimpulan yang dipaparkan sebagai berikut,

1. Dalam serat optik Single-Mode Step-Index hanya terdapat saru mode, yaitu mode fundamental, HE11. Kondisi ini disebabkan pengaruh frekuensi normal v dimana serat optik single mode memiliki nilai 0 ≤ V ≤ 2,405.

2. Sebenarnya mode HE11 bukanlah mutlak mode tunggal karena menghasilkan dua mode yang saling berpolarisasi orthogonal terhadap sumbu x dan y.

Sehingga bila mode yang terjadi dominan pada sumbu x ሺܪ_ଵଵ^௫ሻ, maka mode pada sumbu y nilai medan elektrik sama dengan nol, dan begitu juga bila mode yang terjadi dominan pada sumbu y, ሺܪ_ଵଵ^௬ሻ maka nilai medan pada sumbu x sama dengan nol.

3. Dari hasil simulasi didapatkan bahwa bit 1 satu dan bit 0 yang ditransmisikan melalui serat optik memberikan perubahan arah medan elektrik. Perubahan nilai medan yang terjadi sebesar 180^o terhadap sudut Ԅ.

4. Komponen medan elektrik pada sumbu transversal memiliki nilai yang lebih kuat dibandingkan dengan komponen medan elektrik sumbu z (sumbu propagasi), yang disebut dengan mode linearly polarized (LP). Perbedaan nilai maksimum medan elektrik arah transversal dengan arah sumbu z sekitar 16,74 dB. Maka mode HE11 yang terjadi dalam serat optik merupakan mode LP.

5. Mode Field Diameter yang didapat sebesar 4,73 μm terhadap 8 μm diameter core. Dengan demikian konsentrasi distribusi medan elektrik dalam serat optik terdapat pada 59% daerah core.

5.2. Saran

1. Sinyal WLAN yang digunakan pada simulasi merupakan sinyal info termodulasi BPSK. Dengan melihat standard skema modulasi WLAN IEEE

(9)

BAB V Kesimpulan dan Saran

802.11g ialah modulasi BPSK, QPSK, 16-QAM, atau 64-QAM perlu dilakukan simulasi dengan skema modulasi QPSK, 16-QAM, dan 64-QAM.

2. Selain hal di atas, sinyal masukkan WLAN dalam Tugas Akhir ini tidak mempertimbangkan modulasi multi-carrier OFDM pada sistem WLAN. Untuk penelitian yang mengambil topik pembahasan yang sama, perlu mempertimbangkan skema OFDM. Apabila skema OFDM dimasukkan dalam sistem simulasi, diperlukan referensi dan metode yang lebih rumit lagi, karena sinyal OFDM tidak memiliki amplitudo dan frekuensi yang priodik.

3. Mempertimbangkan pengaruh dispersi dalam distribusi medan ekektrik dalam serat optik Single-Mode Step-Index yang disimulasikan.

(10)

50 DAFTAR PUSTAKA

[1] A. Ng’oma, “Radio-over-Fiber Technology for Broadband Wireless Communication System”, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, 2005.

[2] C. L. Chen, Foundation of Guided-Wave Optics, Willey, New Jersey, 2007.

[3] C. Yeh, F. I. Shimabukuro, The Essence od Dielectric Waveguides, Springer, New York, 2006.

[4] D. M. Sullivan, Electromagnetic Simulation Using The FDTD Method, IEEE Press, New York, 2000.

[5] G. Keiser, Optical Fiber Communication, McGraw Hill, Singapore, 1991.

[6] H. Al-Raweshidy, Radio Over Fiber Technologies for Mobile Communication Networks, Artech House, 2002.

[7] H. B. Kim, Radio Over Fiber Based Network Architecture, Technischen Universit¨at Berlin, Berlin, 2005.

[8] J. Crisp, B. Elliott, Introduction to Fiber Optik, Newnes, Burlington, 1996.

[9] J. Tetuko, Analisa Hantaran Gelombang Listrikmagnet dengan Menggunakan Metoda Finite Difference Time Domain (FDTD), Bandung, 1998.

[10] K. Iga, Y. Kokubun, Encyclopedic Handbook of Integrated Optics, CRC Press, New York, 2006.

[11] K. Kawano, T. Kitoh, Introduction to Optical Waveguide Analysis, Jhon Wiley & Sons, New York, 2001.

[12] K. Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides, Academic Press, California, 1999.

[13] K. S. Kunz, R. J. Luebbers, The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics, New York, 1993.

[14] M. F. Iskander, Electromagnetic Fields and Waves, Waveland, Utah, 1992.

[15] M. L. Calvo, V. Lakshminarayanan, Optical Waveguide from Theory to Applied Technologies, CRC Press, 2007.

[16] G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, Academic Press, New York, 2006.

(11)

Daftar Pustaka

51

Stephanus Krisna Arizona Widiputra / 111050090

[17] R. E. Siregar, Dasar-dasar Komunikasi Serat Optik.

[18] T. J. Chen, Dual Mode Fiber Optic Interferometer with Circular-Core Fibers and Birefringent Modal Filters and an Interfering Method Thereof, United States Patent, 2006.

[19] Tim Dosen, Modul Sistem Komunikasi 2 PSK Modulasi, Demodulasi, Kinerja, Institut Teknologi Telkom, Bandung, 2007.

[21] Tim R & D Center Telkom, Dasar Sistem Komunikasi Optik Optical Access Network, PT. Telekomunikasi Indonesia, Bandung, 2004.

[20] www.eoc-inc.com/.../Catalog_Fiber%20Optic%20Components%207.pdf Unduh : 14 July 2009.