SIMULASI MODULASI OFDM - BPSK BERDASARKAN STANDAR IEEE G

Ade Wahyudin¹, Erna Sri Sugesti², Nachwan Mufti³

¹Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom

Abstrak

OFDM digunakan sebagai teknik transmisi untuk komunikasi antara user, central unit dan remote access unit. Pada komunikasi RAU dan CU dihubungkan dengan serat optik, sedangkan untuk komunikasi RAU dengan user menggunakan standar wireless IEEE 802.11g pada frekuensi kerja 2,4 GHz yang memberikan coverage area yang cukup luas. Simulasi dibangun oleh bahasa pemrograman C++ dengan software Borland C++ Builder dan menampilkan bentuk sinyal pada tiap blok diagram Simulasi modulasi OFDM mencakup pembangkitan sinyal acak yang

dibangkitkan oleh software, pembagian data stream menjadi data parallel hingga membentuk kembali data serial sehingga dapat dipancarkan. Dengan menggunakan modulasi digital BPSK pada data rate 3 Mbps dan frekuansi spasi 31.25 Hz. Untuk dapat mengoptimalkan kerja software maka dilakukan penskalaan sebesar 1 : 1000 pada beberapa parameter, serta melakukan validasi dengan membandingkan hasil program dengan perhitungan secara teori. Pada Tugas Akhir ini menghasilkan simulasi yang menampilkan proses modulasi OFDM dengan BPSK, Sehingga dapat dilihat perubahan sinyal yang terjadi pada setiap blok diagram. Sinyal mempunyai orthogonalitas yang baik sebesar 0.0026 serta menghasilkan data rate sebesar 3 Mbps. Dari analisa dapat disimpulkan bahwa semakin lebar frekuensi spasi maka semakin orthogonal sinyal tersebut dan bandwidth yang semakin lebar.

Kata Kunci : OFDM, BPSK, simulasi, modulasi, orthogonalitas, C++.

Abstract

OFDM used to transmition technique for communication between user, central unit and remote access unit. On communication of RAU and CU connected by fiber optic, while for RAU and user communication using IEEE 802.11g standard on frequency 2.4 GHz gives wide coverage area. The simulation built by C++ program language with Borland C++ Builder software and perform signal form in every diagram block. Simulation of OFDM modulation including generation of random signal that generated by software, divide data stream become parallel data until reform serial data so that can be transmitted. With using digital modulation BPSK in data rate 3 Mbps and space frequency 31.25 MHz. to optimalize the software so do scaling 1 : 1000 on several

parameter, also make validation by compare program result with theory calculation. On this final project produce simulation that perform OFDM with BPSK modulation process, so can watched the change of signal that happen in every diagram block. The signal have good orthogonal 0.0026 and also produce 3Mbps data rate. according analyze, it can be concluded that wider space frequency make signal more orthogonal and make bandwidth wider.

BAB II

DASAR TEORI

2. 1 Teknologi

Radio Over Fiber

Teknologi ROF adalah sebuah teknologi dimana sinyal microwave

(elektrik) didistribusikan oleh komponen dan teknik optik [8]_{. Sistem ROF terdiri}

dari CU dan RAU yang dihubungkan oleh hubungan atau jaringan fiber optik.

Pada aplikasi WLAN, CU merupakan headend sedangkan Radio Access Point

(RAP) berperan sebagai RAU. Frekuensi sinyal radio yang didistribusikan oleh sistem ROF membentang pada range yang lebar dan tergantung pada aplikasi dan

penggunaan.

Sistem ROF biasanya digunakan sebagai media transportasi sinyal

microwave dan untuk mendapatkan fungsi mobilitas pada CS. Sinyal microwave

yang termodulasi merupakan input pada sinyal ROF, yang secara berurutan

dikirimkan pada jarak yang sangat jauh ke RS dalam bentuk sinyal-sinyal optik. Pada RS sinyal microwave dibangkitkan kembali dan dipancarkan oleh antena.

Sistem ROF sekarang ini, dirancang untuk menampilkan fungsi-fungsi sistem radio disamping fungsi transportasi dan mobilitas. Fungsi tersebut mencakup modulasi data, pemprosesan sinyal dan frequency conversion.

Sinyal elektrik digunakan untuk memodulasi sumber optik. Hasilnya, sinyal optik dibawa menggunakan hubungan fiber optik ke remote station. Disini,

data diubah kembali menjadi bentuk elektrik oleh fotodetektor. Pada sistem komunikasi RF, informasi baseband dimodulasi pada frekuensi carrier yang tepat.

Baik skema modulasi dan frekuensi carrier diilustrasikan pada Gambar 2.1[8].

Tujuan dari hubungan ROF adalah menyediakan kanal komunikasi dengan distorsi rendah untuk sinyal radio jarak jauh.

Gambar 2.1 Skema sistem Radio Over Fiber [8] 2.1.1 Kelebihan Sistem Radio Over Fiber

Teknologi ROF memiliki beberapa keuntungan seperti mengurangi konsumsi daya, bandwidth lebar yang memungkinkan multipleksi beberapa kanal

radio, kebal terhadap interferensi elektromagnetik, karena sinyal dikirimkan dalam bentuk cahaya melalui fiber , memiliki kemampuan untuk mengalokasikan

kapsitas secara dinamis.

Fiber optik menawarkan bandwidth yang sangat besar. Ada tiga transmisi window utama, menawarkan redaman rendah yaitu pada panjang gelombang

850nm,1310nm dan 1550nm. Untuk fiber optic single SMF, bandwidth gabungan

dari ketiga window melebihi 50 THz. Namun, pada kebutuhan komersial sekarang

ini hanya menggunakan sedikit dari kapasitas tersebut (1,6 THz). Tetapi, pengembangan untuk mengeksploitasi kapasitas optik per single fiber masih tetap

berlanjut[9]_.

2.1.2 Aplikasi Radio Over Fiber pada WLAN IEEE 802.11g

WLANsebenarnya hampir sama dengan jaringan LAN, akan tetapi setiap

node pada WLAN menggunakan wireless device untuk berhubungan dengan

jaringan. Node pada WLAN menggunakan channel frekuensi yang sama dan

SSID (Service set identifier) yang menunjukkan identitas dari wireless device.

digunakan : infrastruktur dan Ad-Hoc[10]. Konfigurasi infrastruktur adalah

komunikasi antar masing-masing PC melalui sebuah access point pada WLAN

atau LAN. Komunikasi Ad-Hoc adalah komunikasi secara langsung antara masing-masing komputer dengan menggunakan piranti wireless. Penggunaan

kedua mode ini tergantung dari kebutuhan untuk berbagi data atau kebutuhan yang

lain dengan jaringan berkabel.

IEEE 802.11 merupakan generasi ketiga dari Wireless LAN. Bekerja pada

2,4 GHz. Skema modulasi yang digunakan IEEE 802.11g adalah orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) dengan data rate dari 3, 6, 9, 12, 18, 24,

36, 48, 54 Mbit/s dan berbalik pada CCK untuk 5,5 dan 11 Mbit/s dan DBPSK/DQPSK+DSSS untuk 1 dan 2 Mbit/s. Walaupun 802.11g bekerja pada frekuensi yang sama dengan 802.11b namun memiliki data rate yang lebih tinggi

karena merupakan turunan dari 802.11a.[3]

Jaringan 802.11g mempunyai cakupan yang sama seperti 802.11b. 802.11b menggunakan modulasi CCK, sementara 802.11g menggunakan modulasi CCK untuk backward compatibility dan modulasi OFDM untuk

mendapatkan throughput yang lebih baik. Standar 802.11a juga menggunakan

modulasi OFDM, namun lebih banyak sinyal yang hilang ketika menjalar pada objek, hal ini disebabkan penggunaan frekuensi yang lebih tinggi.

2. 2 OFDM (

Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) merupakan teknik

modulasi untuk komunikasi wireless broadband karena tahan melawan frekuensi selective fading dan interferensi narrowband serta efisien menghadapi multi-path delay spread. Untuk mencapai hal tersebut, OFDM membagi aliran data high-rate

mejadi aliran rate yang lebih rendah, yang kemudian dikirimkan secara bersama

pada beberapa subcarrier[8].

Dengan melakukan hal tersebut, durasi simbol meningkat. Keuntungan dari hal tersebut adalah jumlah dispersi waktu yang disebabkan oleh multi-path delay spread menurun secara signifikan. Selain itu, pengenalan guard time pada

setiap simbol OFDM meneliminasi Inter-Simbol Interference (ISI). Pada guard time, siklus simbol OFDM diperpanjang untuk mengurangi Inter-Carrier Interference (ICI). OFDM dapat dianggap baik sebagai multiplexing maupun

metode modulasi.

Seperti yang telah dijelaskan di atas, OFDM menggunakan subcarrier

yang banyak untuk mengirimkan aliran data low rate secara paralel. Subcarrier

dimodulasikan sendiri dengan menggunakan Phase Shift Keying (PSK) atau Quadrature Amplitude Modulation (QAM) dan dibawa pada microwave carrier

berfrekuensi tinggi (5 GHz). Hal ini sama dengan Frequency Division Multiplexing (FDM) konvensional atau Subcarrier Multiplexing, kecuali untuk

kebutuhan ke-orthogonal-an antara setiap subcarrier. Subcarrier secara

orthogonal dapat dilihat dengan dua cara, dalam domain waktu dan frekuensi. Pada domain waktu, setiap subcarrier harus berupa bilangan integer dari siklus

selama tiap interval (durasi) simbol OFDM. Dengan kata lain, jumlah siklus

antara subcarrier berbeda yang bersebelahan berbeda seperti diilustrasikan

gambar 2.3a. Pada domain frekuensi, spectra amplituda dari masing-masing

subcarrier (baik modulasi PSK maupun QAM) overlap seperti diilustrasikan

gambar 2.3b[11]. Bagaimanapun, pada setiap spektrum subcarrier dalam keadaan

menghitung nilai spektrum pada titik maksimum dari masing-masing subcarrier,

hal ini dapat memulihkan setiap subcarrier tanpa interferensi ICI dari subcarrier

lainnya.

Gambar 2.3 Simbol OFDM a) tiga subcarrier orthogonal dalam satu; b )spectrum 3 OFDM subcarrier [11]

Dasar sinyal OFDM dibentuk IFFT, penambahan cyclic extension dan

menampilkan windowing untuk mendapatkan roll off yang lebih curam. Pada

penerima, subcarrier dimodulasi dengan menggunakan FFT. Jika dibandingkan

dengan sistem modulasi single carrier, OFDM lebih sensitif terhadap frekuensi offset dan noise fasa.

2.2.1

Transformasi Fourier Diskrit (TFD)

Transformasi Fourier Diskrit (TFD) atau Discrete Fourier Transform

(DFT) merupakan alat untuk menganalisis dan merancang sistem. Pada banyak situasi, analisis domain frekuensi dari sinyal waktu diskrit dan sistem menyediakan pengertian mengenai karakteristiknya yang tidak mudah ditetapkan oleh domain waktu. TFD merupakan versi diskrit dari transformasi Fourier waktu

diskrit (TFWD); dimana TFWD merupakan sebuah fungsi dari variabel frekuensi kontinyu, sedangkan TFD adalah sebuah fungsi dari variabel frekuensi diskrit. TFD sangat berguna karena lebih bertanggungjawab terhadap implementasi

digital. N pada persamaan dibawah merupakan panjang rangkaian x(n) terbatas [13]

dapat dengan jelas dilihat pada persamaan (2.4), bahwa TFD merupakan versi sederhana dari TFWD.

(2.5) dimana

(2.6)

TFD mempunyai transformasi balikan yang disebut Inverse TFD atau Inverse Discreate Fourier Transform (IDFT), dimana IDFT menyediakan pemulihan

kembali panjang rangkaian x(n), terbatas menggunakan hubungan berikut,

(2.7)

dengan mempertimbangkan TFD dari sinyal waktu diskrit. Ketika membentuk blok dasar untuk membangkitkan sinyal-sinyal yang lebih kompleks. Dengan menggunakan persamaan 2.8, TFD dari sampel unit δ_(n) menjadi,

(2.8)

(2.9)

Menggunakan definisi dari unit step yang diberikan oleh persamaan (2.10), DFT

menjadi,

(2.10)

(2.11) Hasil dari persaman di atas mengikuti aturan, dengan pengecualian n = 0, setiap eksponensial kompleks menjumlahkan pada nol pada perioda sampel dari panjang N. Akhirnya TFD dari eksponensial kompleks didapatkan dengan,

2.2.1.1 FFT _dan IFFT

Sistem pengirim OFDM, data dibagi dalam domain frekuensi dan IFFT digunakan untuk memodulasi data menjadi domain waktu. Pada penerima, FFT digunakan untuk memulihkan data original. FFT mengijinkan sebuah implementasi yang efisien dari modulasi data menjadi multiple carrier.

Sehubungan kesamaan antara forward dan reverse transform, rangkaian yang

sama, dengan sedikit modifikasi, dapat digunakan baik sebagai modulasi dan demodulasi pada transceiver. Gambar 2.6 menunjukan blok diagram operasi

IFFT/FFT dari pengirim dan penerima OFDM.

Gambar 2.4 Skema IFFT/FFT [14]

2.2.2 Guard Interval

Ke-orthogonalitasan subchannel OFDM dapat diperbaiki dan

masing-masing dapat dipisahkan oleh FFT pada penerima ketika tidak ada ISI dan ICI ditunjukan oleh distorsi transmisi channel. Pada kenyataannya hal ini tidak dapat

diperoleh. Distorsi linier seperti multipath menyebabkan setiap channel

menyebarkan energi pada channel yang bersebelahan dan konsekuensinya

menyebabkan ISI. Solusi sederhananya adalah dengan meningkatkan durasi simbol atau jumlah carrier sehingga distorsi menjadi tidak signifikan[8].

Bagaimanapun, metode ini sulit diimplementasikan berkenaan dengan kestabilan

carrier, pergeseran Doppler, ukuran dan OFDM latency.

Satu cara untuk mencegah ISI adalah membuat sebuah guard interval yang

lebar secara siklus, dimana setiap simbol OFDM diawali oleh ekstensi periodik dari sinyal itu sendiri. Gambar 2.7 menunjukan guard interval dengan simbol.

adalah durasi simbol yang sebenarnya. Ketika guard interval lebih lebar daripada

respon impuls channel, atau delay multipath, ISI dapat dieliminasi. Ratio guard interval terhadap durasi simbol yang sebenarnya tergantung pada aplikasi. Ketika

penggunaan guard interval akan mereduksi throughput data, Tg biasanya lebih

kecil dari T/4.

Gambar 2.5 Guard Interval[8] 2.2.3 Kelebihan dan Kekurangan OFDM

OFDM mempunyai beberapa keuntungan seperti data rate yang tinggi

pada kanal mobile wireless dan dapat diimplementasikan dengan mudah dengan

operasi IFFT dan FFT. Bagaimanapun OFDM merupakan teknik modulasi yang efisien secara spektral dan dapat menangani frequency selective channel juga inter symbol interference (ISI). Walaupun OFDM mempunyai banyak keuntungan

namun OFDM juga mempunyai kekurangan. Kekurangan paling jelas adalah kompleksitas, dimana OFDM adalah modulasi multicarrier yang lebih rumit

daripada modulasi single carrier, selain itu OFDM membutuhkan lebih banyak linier power amplifier[8].

2. 3 Modulasi Digital

Binary Phase Shift Keying

_(BPSK)

Pengembangan sistem komunikasi menghadapi beberapa kendala, seperti ketersediaan bandwidth, konsumsi daya dan level noise sistem. Modulasi digital

menyediakan lebih banyak kapasitas informasi, kenyamanan jasa data digital,

keamanan data lebih tinggi, kualitas komunikasi yang lebih baik dan ketersediaan sistem yang cepat. Dewasa ini terjadi transisi yang terjadi antara modulasi analog yang sederhana seperti Amplitudo Modulasi (AM) dan Frekuensi/Phasa Modulasi

(M-ASK), M-Phase Shift Keying (M-PSK), M-Frequency Shift keying (M-FSK) dan Quarature Amplitude Modulation (QAM) [10].

M-Phase Shift Keying (M-PSK) merupakan suatu bentuk modulasi dengan

cara mengubah fasa dari frekuensi pembawa sesuai dengan informasi yang berupa data biner. Sinyal BPSK (Binary Phase Shift keying) dapat dinyatakan oleh dua

buah sinyal dengan fasa berbeda. Level bit 1 diyatakan oleh sinyal dengan fasa 0˚ sedangkan level bit 0 dinyatakan oleh sinyal degan fasa 180˚. Jenis modulasi

Phase Shift Keying (PSK) lebih sering dipakai pada transmisi digital jika

dibandingkan dengan jenis modulasi yang lain, karena kelebihannya dalam performansi interferensinya yang lebih baik [15] . Diagram blok BPSK ditunjukan pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Blok Diagram BPSK [15]

Jadi pada modulasi BPSK informasi yang dibawa akan mengubah fasa sinyal pembawa. Proses pembentukan sinyal BPSK dapat dinyatakan pada Gambar 2.7.

Pada sistem binary phase shift keying, sepasang sinyal S0(t) dan S1(t)

digunakan untuk mewakili simbol biner 1 dan 0, hal tersebut di dapatkan dari (2.13)

(2 .14) dimana dan Eb adalah energy sinyal yang dipancarkan per bit.

2. 4 Pemodelan Kanal Radio AWGN

[7]

Kanal AWGN adalah kanal ideal yang hanya memiliki noise AWGN

(additive white Gaussian noise) didalamnya. Kanal ideal berarti kanal ini tidak

menyebabkan distorsi pada sinyal yang dikirim, artinya kanal ideal memiliki

bandwidth yang tidak terbatas dan respon frekuensi tetap untuk segala frekuensi.

Kanal AWGN dapat diperjelas oleh Gambar 2.8.

DATA TERKIRIM DATA TERIMA + OUTPUT

NOISE KANAL IDEAL

NOISE

Gambar 2.8 Skema Kanal AWGN

Noise AWGN adalah noise yang pasti terjadi dalam jaringan wireless

manapun, memiliki sifat-sifat additive, white dan Gaussian, sifat additive artinya noise ini dijumlahkan dengan sinyal, sifat white artinya noise tidak tergantung dari

frekwensi operasi sistem dan memiliki rapat daya yang konstan, dan sifat

Gaussian artinya bersarnya tegangan noise meniliki rapat peluang terdistribusi Gaussian.

Pengkanalan ini sangat erat hubungannya dengan Signal to noise ratio

(SNR), dimana SNR mengukur seberapa besar daya noise mengganggu daya

Dimana P merupakan daya rata-rata. Baik daya sinyal maupun noise harus diukur

pada titik yang sama pada sistem dan antara bandwidth sistem yang sama. Jika

sinyal dan noise diukur pada impedansi yang sama, kemudian SNR didapatkan

dengan menghitung kuadrat dari rasio amplitudo[20]

Dimana A merupakan Amplitudo RMS (root mean Square). Dikarenakan banyak

sinyal mempunyai dynamic range yang sangat lebar, SNR biasanya di ekspresikan

dengan skala logarithmic decibel[20]

(2-15)

(2-16)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Simulasi pada tugas akhir ini telah dapat menampilkan proses modulasi OFDM dengan BPSK. Sehingga dapat dilihat perubahan yang terjadi pada setiap blok kerja.

2. Orthogonalitas yang dihasilkan berdasarkan spesifikasi yang telah di tentukan dengan frekuensi spasi sebesar 31,25 Hz adalah 0,0026. Sedangkan bandwidth yang diperoleh adalah 1,5 kHz dan bit rate sebesar

3 Mbps.

3. Berdasarkan perhitungan dapat diketahui bahwa semakin besar frekuensi spasi maka semakin orthogonal sinyal tersebut dan semakin besar

bandwidth yang dihasilkan.

4. Performa program mempunyai kecepatan iterasi antara 41 detik hingga 1 menit 14 detik dengan kecepatan transisi data serial selama 3 hingga 5

detik, dengan data rate 384 bit/s 5.2 Saran

Tugas Akhir ini mempunyai banyak peluang untuk diteliti lebih lanjut. Penelitian lebih lanjut disarankan dengan menggunakan beberapa blok kerja tambahan. Diantaranya adalah :

• Membuat simulasi modulasi dan demodulasi dengan melakukan coding

dan decoding.

• Membuat simulasi modulasi dan demodulasi dengan menambahkan proses

interleaving dan deinterleaving.

• Membuat simulasi dengan menambahkan pemodelan kanal yang lainnya

seperti Rayleigh Fading atau Multipath Fading.

• Mambuat hardware mengenai modulasi OFDM dengan BPSK sehingga

dapat diimplementaskan.

• Menambahkan input berupa karakter ASCII untuk menunjukan data yang

DAFTAR PUSTAKA

[1] E. S. Sugesti, “Ujian Pra Proposal Program Doktor Optoelektronik dan Aplikasi Laser”, Presentasi Proposal, Universitas Indonesia, Depok, 2008.

[2] http://www.en.wikipedia.org/OFDM , unduh : 10 Oktober 2008 [3] S. G. W. Jarot, “Mengenal Teknologi Frequency Division

Multiplexing (OFDM) pada Komunikasi Wireless,” Elektro Indonesia, No. 24, Tahun V.

[4] Broadcom Corporation, White Paper IEEE 802.11g: The mainstream Wireless LAN Standard. Irvine, CA: Broadcom Corporation, 2003. [5] B. Raharjo, _{Pemograman C++.} Bandung: Informatika, 2007

[6] K. Pietikainen, Orthogonal Frequency Division Multiplexing,

Communication Laboratory/HUT, Finland, 2002.

[7] S. Haykin, Communication System. Singapore: John Wiley & Sons,

2001.

[8] A. S. Chahine, _{“Simulation of OFDM Over Fiber for Wireless} Communication System”, M. S. Thesis, Universiti Teknologi

Malaysia, 2007.

[9] H. B. Kim, “Radio Over fiber Based Network Architecture”, M. S.

Thesis, Universitat Berlin, Berlin, 2005.

[10] D. Charter,”Konsep dasar Wireless LAN ; http://www.ilmukomputer.com , unduh : 31 Maret 2009.

[11] A. L. Intini, “Orthogonal Frequency Division Multiplexing for Wireless Networks, Standard IEEE 802.11a”, University of

California, Santa Barbara, 2000.

[12] J. Heiskala, J. Terry, “OFDM Wireless LANs: A Theoretical and Practical Guide”, Sams Publishing, U.S.A., 2002.

[13] http://www.en.wikipedia.org/FFT , unduh : 3 Maret 2009.

[14] H. Schultze, C. Luders, “Theory And Application Of OFDM and CDMA”. Germany: John Wiley & Sons, 2005.

[15] Laboratorium Sistem Komunikasi Departemen Teknik Elektro, “Modul Praktikum Sistem Komunikasi”, Institut Teknologi Telkom,

Bandung : 2008.

[16] S. Anjar, “Perancangan dan Analisis Kinerja Sistem Mimo 2x2 dengan Adaptif Beamforming Pada Standar WiMAX IEEE 802.16e”. Bandung: STT Telkom. 2006.

[17] IEEE Computer Society, IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Local and Metropolitan Area Networks-Specifics Requirement Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Spesifications . New York: IEEE, 2007.

[18] N. Lestari, Simulasi VCSEL pada WLAN over Fiber Menggunakan C++,.http://blog.stei.itb.ac.id/niens , unduh : 11 Agustus 2009.

[19] http://www.freewebs.com/johnnyz86/Clipboard01.jpg , unduh : 11 Agustus 2009

[20] http://www.en.wikipedia.org/signal-to-noise , unduh : 29 November 2009.

[21] Communication systems,”_{FFT Tutorial}”, University of Rhode Island Departement of Electrical and Computer Engineering.