1. Pendahuluan Komunikasi

(1)

1. Pendahuluan

Komunikasi Free space optic (FSO) adalah salah satu metode dari komunikasi nirkabel optik. Sistem kerja dari metode ini adalah dengan memanfaatkan infrared atau cahaya tampak (visible light) sebagai media komunikasi data [1].

Saat ini cahaya tampak tidak hanya digunakan sebagai media penerangan saja tetapi juga digunakan sebagai media komunikasi data. Media komunikasi data menggunakan cahaya juga dikenal dengan visible light communication. Komunikasi data menggunakan cahaya tampak cenderung lebih hemat biaya dibandingkan dengan komunikasi data lainnya, dimana sistem ini hanya menggunakan satu atau beberapa sumber cahaya sebagai transmitter dan photodiode atau phototransistor sebagai receiver.

Dengan adanya sistem visible light communication sebagai metode komunikasi data maka terdapat banyak literatur yang mengangkat topik tersebut. Dalam penelitian yang dilakukan oleh [2] membahas mengenai pengembangan sistem transmisi data menggunakan LED visible light yang dilakukan dalam ruangan tertutup atau indoor. dalam penelitian yang dilakukan oleh [3] membahas tentang pemanfaatan visible light communication sebagai intelegent transport system. Penelitian yang dilakukan oleh [4]

membahas mengenai wireles universal serial bus (WUSB) berbasis visible light communication.

Serta penelitian yang dilakukan oleh [5] yang membahas mengenai komunikasi audio berbasis visible light communication. Dari penelitian-penelitan tersebut menyimpulkan beberapa kelebihan serta kekurangan dari penggunaan komunikasi data menggunakan visible light communication. Salah satu kekurangan dari penggunaan visible light communication adalah pada receiver. Dimana receiver hanya dapat menerima sinyal dari satu arah saja sehingga posisi dari transmitter tidak dapat diubah-ubah. dari perancangan yang dilakukan oleh [5] menunjukkan bahwa posisi transmiitter berada pada posisi yang konstan dan tidak dapat dipindahkan kesudut yang lain karena akan menyebabkan sukarnya komunikasi data.

Makalah ini merupakan pengembangan dari penelitian yang dilakukan oleh [5].

Dalam penelitian ini akan menjelaskan metode baru untuk komunikasi data audio berbasis visible light communication. Metode baru tersebut dirancang dengan model posisi receiver dan transmitter akan dirancang sedemikian rupa sehingga dapat bekerja untuk sudut 360^o horizontal. Serta untuk perancangan modem(modulator dan demodulator) menggunakan metode modulasi digital PPM (Pulse position modulation). Dengan adanya penelitian ini diharapkan dapat memberikan inovasi baru dalam bidang komunikasi data berbasis visible light communication, serta dapat menghemat penggunaan energi mengacu dari penggunaan visible light communication yang lebih hemat daya serta dapat menjadi sistem penerangan dalam ruangan.

2. Metode

Sistem ini dirancang menggunakan metode visible light communication yang memanfaatkan cahaya tampak sebagai media perantara komunikasi data antara transmitter dan receiver. Proses pengiriman dan penerima sinyal di rancang menggunakan Proses pengiriman dan penerimaan sinyal terdiri dari beberapa bagian yang akan dijelaskan pada bagian selanjutnya.

(2)

Komunikasi Audio Nirkabel Optik berbasis Visible Light Communication Gilbert Lua, Deddy Susilo, Eva Y. D. Utami

2.1. Perancangan Modulator dan Transmitter

Proses pengiriman data pada sistem ini menggunakan metode modulasi PWM dan PPM. Proses modulasi PWM dan PPM dibangun menggunakan IC 555 yang bekerja sebagai astable multivibrator (pembangkit sinyal PWM) dan monostable multivibrator (pembangkit PPM). Keluaran dari sinyal PWM adalah bentuk sinyal kotak yang termodulasi berdasarkan inputan yang diberikan, sinyal PWM tersebut kemudian diproses lagi menggunakan pembangkit sinyal PPM sebagai output akhir dari transmitter.

Output dari transmitter tersebut kemudian akan digunakan sebagai sinyal termodulasi melalui LED dan dipancarkan dalam bentuk cahaya. Rangkaian pembangkit sinyal PWM dan PPM ditunjukan pada Gambar 2.

Gambar 2 Rangkaian PWM dan PPM

2.2. Perancangan Demodulator dan Receiver

Proses demodulasi berguna untuk mengubah sinyal dari transmitter menjadi sinyal yang proposional dengan sinyal input pada proses modulasi. Proses tersebut diawali dengan memanfaatkan photodiode sebagai penerima sinyal cahaya dari transmitter, dan kemudian diproses menggunakan komparator. Pengukuran keberhasilan komunikasi data antara transmitter dan photodiode pada receiver adalah dengan menggunakan pengukuran presentase BER (bit error rate).

Dimana persentase BER diukur berdasarkan rumus berikut, 𝐵𝐸𝑅 = 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑏𝑖𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟

𝑇𝑥 𝑏𝑖𝑡 100 (1)

Selanjutnya sinyal tersebut diproses menggunakan komparator dan LPF Sallen key dengan cut off frequency sebesar 840hz untuk mendapatkan kembali bentuk sinyal sesuai

Input Sinyal

Modulasi Sinyal

Function generator

PWM PPM

Pengirim sinyal

LED

VLC Penerima

sinyal

Photo diode

Demodula tor

LPF Sallen key Gambar 1. Diagram blok sistem

(3)

Gambar 3 Rangkaian demodulator

Dimana cutoff frequency didapat dari,

𝑓𝑐 = 1

2𝜋√𝑅2 𝐶1𝑅3𝐶2 (2)

Titik A,B dan C adalah titik yang akan digunakan sebagai data acuan pada pengukuran hasil dari kerja demodulator, dimana A adalah titik sinyal pada photodiode titik B adalah output dari komparator dan C adalah output dari LPF Sallen key.

2.3. Komunikasi data dengan sudut kerja 𝟑𝟔𝟎^𝒐

Proses komunikasi data dengan sudut kerja 360^𝑜 menggunakan 4 LED pada transmitter dan 4 photodiode pada Receiver. Pada penelitian yang dilakukan oleh [4]

dijelaskan konsep komunikasi data berbasis VLC menggunakan LED dengan gambar berikut.

Gambar 4 Konsep komunikasi data VLC

Dari konsep tersebut kemudian dikembangkan seperti Gambar 4 untuk dapat bekerja pada sudut 360^𝑜

(4)

Gambar 5 Konsep VLC dengan sudut kerja 360^𝑜

Dimana,

P^t = daya transmitter θ = Sudut transmitter φ = Sudut receiver

dari Gambar 5 menunjukkan konsep kerja dari VLC dengan sudut kerja 360^𝑜, dapat dilihat bahwa setiap sudut dari transmitter dan receiver memiliki sudut kerja masing- masing sehingga tidak mempengaruhi komunikasi data ketika terjadi perbuahan posisi.

2.4. Desain keseluruhan alat

Berikut adalah perancangan sistem yang dijelaskan dalam gambar 3d, kedua sistem tersebut masing-masing memiliki antena dengan tinggi 11cm yang didalamnya berisi LED dan photodiode. Serta kotak panel dengan dimensi 10x5 cm sebagai tempat komponen- komponen utama, selengkapnya dapat dilihat pada Gambar 6.

(5)

Gambar 6 Desain 3d Sistem

3. Hasil dan pembahasan

Berikut ini adalah bentuk dari realisasi alat setelah proses perancangan yang ditunjukan pada Gambar 7.

Gambar 7 Gambaran realisasi alat kiri(modulator) kanan(demodulator)

(6)

3.1. Pengujian power supply

Pengukuran ini bertujuan untuk mengetahui kinerja dari power supply . Hasil pengukuran kinerja power supply dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1 Pengujian power supply

n VO(V) Error(%)

1 12,3 0,15

2 12,0 0,00

3 12,2 0,10

4 12,3 0,15

5 12,1 0,05

6 12,2 0,10

7 12,1 0,05

8 12,1 0,05

9 12,2 0,10

10 12,3 0,15

Rata-rata 12,2 0,09

n = pengukuran ke

𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑉_𝑜− 𝑉_𝑠

2 𝑥100% (3)

𝑉_𝑜 : Tegangan terukur

𝑉_𝑠 : 12V (Berdasarkan spesifikasi power supply)

3.2. Pengujian modulator

Pada bagian ini akan dilakukan pengujian terhadap rangkaian modulator yang telah dirancang sebelumnya. Pengujian dilakukan dengan cara memberikan sebuah input menggunakan function generator pada modulator berupa sinyal sinus kemudian dilakukan pengamatan pada titik proses modulasi

Titik pengukuran yang telah dijelaskan sebelumnya akan dijabarkan dalam bentuk skematik yang dapat dilihat pada Gambar 8.

(7)

Gambat 8 Titik pengukuran pada modulator

A : Output PWM

B : Output Pembangkit sinyal segitiga C : Output PPM

Setelah dilakukan pengukuran, didapatkan hasil sebagai berikut,

Gambar 9 Input sinyal Gambar 10 Output titik A (PWM)

Gambar 11 Output B (Pembangkit sinyal segitiga) Gambar 12 Output C, sinyal PPM

Pada Gambar 5 menunjukkan sinyal input dalam bentuk sinus 3.73 Vpp dengan frekuensi 487Hz . selanjutnya pada Gambar 10 menunjukkan sinyal PWM yang dihasilkan dari astable multivibrator, namun pada sinyal PWM tersebut masih terdapat amplitude yang masih bervariasi sehingga output dari PWM tersebut diproses lagi menggunakan monostable multivibrator hingga didapatkan output PPM yang ditunjukan pada Gambar 12.

Pada Gambar 11 menunjukkan bentuk sinyal pada capacitor C1. Pada sinyal tersebut menunjukkan bahwa terjadi sedikit ripple pada setiap periodenya, hal ini disebabkan oleh sistem kerja dari astable multivibrator yang memiliki keadaan output yang tidak stabil

(8)

atau berubah-ubah. Sehingga output dari bentuk sinyal C1 akan menyesuaikan dengan amplitude input pada waktu tertentu.

3.3. Pengujian demodulator

Pada bagian ini akan dilakukan pengujian terhadap demodulator, pengujian dilakukan dengan cara mengirimkan sinyal PPM modulator menggunakan LED ke photodiode demodulator. Proses tersebut ditunjukan pada Gambar 13.

13 Proses pengiriman sinyal PPM ke demodulator

Selanjutnya sinyal yang telah dikirimkan dari modulator akan diterima oleh photodiode pada demodulator. Untuk menguji apakah demodulator sudah bekerja dengan baik atau belum maka akan dilakukan pengukuran pada bagian-bagian yang menjadi titik proses modulasi sebagaimana yang telah dijelaskan pada bagian 2.2 .

Proses demodulasi diawali dengan menerima sinyal yang diberikan oleh modulator.

Pada proses uji coba dipilih sinyal input berupa sinus 1khz yang ditunjukan pada Gambar 14 dengan modulasi sinyal sesuai Gambar 15.

Gambar 14 Input Sinyal Gambar 15 Modulasi PPM

Sinyal PPM pada Gambar 15 kemudian akan dikirimkan ke modulator menggunakan VLC. Proses ini dilakukan dengan cara memberikan LED pada output dari sinyal PPM, Cahaya dari LED tersebut kemudain akan diterima oleh photodiode yang diletakan pada demodulator. Setelah dilakukan uji coba menggunakan oscilloscop sesuai dengan titik pengukuran pada Gambar 3 maka didapatkan hasil sesuai dengan yang ditunjukan pada Gambar 16 dan Gambar 17;

(9)

Gambar 16 titik A( Bentuk sinyal yang diterima photodiode)

Gambar 17 Titik B (Output komparator)

Selanjutnya output dari komparator (Gambar 17) tersebut dimodulasi menggunakan opamp yang bekerja sebagai LPF Sallen key dengan Cutoff frequency 884 Hz untuk mendapatkan kembali bentuk sinyal yang sesuai dengan input pada Gambar 14 .

Setelah dilakukan pengukuran, didapatkan hasil yang ditunjukkan pada Gambar 18 .

Gambar 18 Titik C (Output sinyal LPF Sallen key) atau sinyal termodulasi

3.4. Pengujian Jarak dan BER

Pada bagian ini akan dilakukan pengujian jarak atau jangkauan dari VLC menggunakan BER. Pada pengujian ini metode pengukuran BER digunakan karena bentuk signal yang dijadikan VLC adalah bentuk signal kotak sehingga perlu dilakukan pengukuran error dari sinyal tersebut. Sistem pengujian dilakukan dengan cara merubah jarak antara modulator dan demodulator kemudian dilakukan pengujian BER. Proses pengujian tersebut dapat dilihat pada Gambar 19.

(10)

Gambar 19 Proses pengujian VLC dengan jarak tertentu

Proses pengujian BER dari jarak yang telah ditentukan adalah dengan mengirimkan sebuah sinyal kotak dengan frekuensi tertentu kemudian dilakukan analisa pada demodulator dengan melakukan perbandingan terhadap sinyal yang dikirim.

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 20.

(11)

Gambar 20 Proses pengukuran BER

(a) Sinyal Modulator

(b) Sinyal yang diterima photodiode

(c) Sinyal setelah melalui komparator

Dapat dilihat dari Gambar 20 terdapat 3 buah sinyal yang di beri garis batas berwarna merah untuk setiap periode yang disejajarkan dengan sinyal input pada modulator (a) . Selanjutnya dari garis merah tersebut dilakukan perbandingan terhadap sinyal dari (b) dan (c). Apabila periode tersebut sesuai dengan input maka nilainya adalah 0, sebaliknya apabila periodenya berbeda maka nilainya adalah 1, kemudian total nilainya akan dijumlahkan untuk mendapatkan jumlah bit yang error .

Setelah dilakukan perhitungan terhadap jumlah bit yang error maka selanjutnya akan dimasukan ke Persamaan (5) untuk mendapatkan nilai BER dan dirangkum dalam tabel berikut ini.

(12)

Tabel 2 Pengukuran BER dengan jarak tertentu (frekuensi input pada

modulator sebesar 1,048 kHz) No Jarak(m) BER(%)

1 0,2 0,0

2 0,4 0,0

3 0,6 0,0

4 0,8 0,0

5 1 0,0

6 1,2 0,0

7 1,4 0,0

8 1,6 0,0

9 1,8 0,0

10 2 0,0

11 2,2 0,0

12 2,4 0,0

13 2,6 0,0

14 2,8 0,0

15 3 6,7

16 3,2 6,7

17 3,4 6,7

18 3,6 6,7

19 3,8 13,3

20 4 33,3

21 4,5 46,7

22 5 53,3

23 5,5 100,0

24 6 100,0

25 6,5 100,0

Tabel 3 Pengukuran BER dengan jarak tertentu (frekuensi input pada

modulator sebesar 3kHz) No Jarak(m) BER(%)

1 0,2 0,0

2 0,4 0,0

3 0,6 0,0

4 0,8 0,0

5 1 0,0

6 1,2 0,0

7 1,4 0,0

8 1,6 0,0

9 1,8 0,0

10 2 0,0

11 2,2 0,0

12 2,4 0,0

13 2,6 0,0

14 2,8 0,0

15 3 6,7

16 3,2 6,7

17 3,4 6,7

18 3,6 6,7

19 3,8 13,3

20 4 13,3

21 4,5 46,7

22 5 53,3

23 5,5 100,0

24 6 100,0

25 6,5 100,0

𝐵𝐸𝑅 = 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑏𝑖𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟

𝑇𝑥 𝑏𝑖𝑡 100 (1)

Dapat dilihat dari Tabel 2 menunjukkan bahwa nilai BER memiliki nilai yang semakin meningkat seiring jarak yang semakin jauh. dengan demikian dapat disimpulkan bahwa alat hanya dapat bekerja dengan baik pada jarak tertentu, hal ini dapat terjadi karena kekuatan pemancar sangat bergantung pada intensitas cahaya. Sehingga jangkauan dari kinerja alat tersebut juga bergantung pada LED yang digunakan. Pada Tabel 2 juga menunjukkan bahwa alat mampu bekerja dengan baik untuk jarak di bawah 3,6m dimana BER yang dihasilkan adalah di bawah 10%. Sementara itu ketika jarak sudah melebihi 3,6m maka proses komunikasi sudah tidak berjalan dengan baik, dapat dilihat dari nilai BER yang sudah melebihi 10%. Dapat dilihat dari Tabel 3 menunjukkan bahwa BER masih memiliki nilai yang tidak jauh berbeda dengan hasil yang didapatkan pada Tabel 2. hal ini dapat terjadi karena komparator yang masih dapat bekerja pada frekuensi tersebut.

Namun pada output LPF Sallen key terjadi penurunan nilai amplitudo yang besar dikarenakan frekuensi cut off dari LPF Sallen key berada pada nilai 840Hz sedangkan input yang didapatkan adalah sebesar 3kHz.

(13)

3.5. Pengujian sudut kerja dari alat

Pada bagian ini akan dilakukan pengujian terhadap komunikasi VLC dengan sudut tertentu, hal ini berguna untuk melihat apakah alat mampu bekerja dengan baik ketika terjadi perubahan posisi (sudut).

Setiap sudut yang ditetapkan akan dilakukan pengukuran BER dan Error, dengan cara sama seperti pada bagian 2.4. Proses pengukuran kerja alat dengan posisi sudut yang dirubah dilakukan dengan menggunakan jarak antara modulator dan demodulator adalah 1m. hal ini dilakukan karena berdasarkan tabel Tabel 2 menunjukkan bahwa alat bekerja dengan baik apabila jaraknya di bawah 3,6m.

Tabel 4 pengukuran BER dengan posisi sudut tertentu

No Sudut BER(%)

1 0 0,0

2 45 0,0

3 90 0,0

4 135 0,0

5 180 0,0

6 225 0,0

7 270 0,0

8 315 0,0

9 360 0,0

𝐵𝐸𝑅 = 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑏𝑖𝑡 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟

𝑇𝑥 𝑏𝑖𝑡 100 (1)

Dilihat dari Tabel 4 dapat disimpulkan bahwa alat sudah bekerja dengan baik untuk setiap posisi sudut yang ditentukan. Hal ini dapat terjadi dikarenakan pada setiap sudut pemancar pada modulator dipasangkan LED sebagai VLC sehingga cahaya yang dipancarkan dapat menjangkau sudut 𝟑𝟔𝟎^𝐨 Horizontal. begitu juga dengan demodulator untuk setiap sudut penerima sinyal dipasangkan photodiode sehingga penerima sinyal mampu bekerja dalam sudut 𝟑𝟔𝟎^𝐨 horizontal.

4. Kesimpulan

Berdasarkan Pengujian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa alat dapat bekerja dengan baik pada jarak 1 sampai 3,6 meter dengan BER di bawah 10%. Serta alat mampu bekerja untuk jangkauan sudut 360^𝑜 dengan BER di bawah 10%. Disisi lain intensitas cahaya mempengaruhi kekuatan cahaya yang dipancarkan ke receiver, sehingga semakin besar intensitas cahaya maka jarak jangkauan kerja alat juga semakin besar.

Berdasarkan pembahasan serta analisa yang ada maka dapat disimpulkan bahwa alat telah bekerja sesuai dengan spesifikasi yang telah dirancangkan.

(14)

Daftar Pustaka

[1] S. Bloom, E. Korevaar, J. Schuster, and H. Willebrand, “Understanding the performance of free-space optics,” J. Opt. Netw., vol. 2, no. 6, pp. 178–200, 2003.

[2] T. Komine and M. Nakagawa, “Fundamental analysis for visible-light

communication system using LED lights,” IEEE Trans. Consum. Electron., vol. 50, no. 1, pp. 100–107, 2004.

[3] M. Wada, T. Yendo, T. Fujii, and M. Tanimoto, “Road-to-vehicle communication using LED traffic light,” in IEEE Proceedings. Intelligent Vehicles Symposium, 2005., 2005, pp. 601–606.

[4] N. Kumar, N. Lourenco, M. Spiez, and R. L. Aguiar, “visible light communication systems conception and vidas,” IETE Tech. Rev., vol. 25, no. 6, pp. 359–367, 2008.

[5] S. Prince and A. M. Vibin, “Optical Wireless Audio Communication Using LED Lighting System,” Wirel. Pers. Commun., vol. 86, no. 3, pp. 1159–1168, 2016.