DAN SPEAKER
TUGAS AKHIR
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Disusun Oleh :
AGUSTINUS DWI SETYANA
NIM : 995114032
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
DAN SPEAKER
TUGAS AKHIR
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Disusun Oleh :
AGUSTINUS DWI SETYANA
NIM : 995114032
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
RECORDER AND SPEAKER
FINAL PROJECT
In partial fulfilment of the requirements for the Degree SARJANA TEKNIK Electrical Engineering Study Program
AGUSTINUS DWI SETYANA
995114032
ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT
ENGINEERING FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2007
JANGAN PERNAH BERPUTUS ASA SELAGI MASIH ADA
HIDUP karena DIMANA ADA HIDUP DISITU PASTI ADA
HARAPAN
Kupersembahkan Tugas Akhir ini :
Pada Tuhan YESUS KRISTUS, dan BUNDA MARIA atas anugerah,
rahmat dan penyertaan-Nya yang tiada henti, serta mukjizat yang diberikanNya setiap hari sampai saat ini
Untuk yang tercinta kedua orang tuaku Bapak Agustinus Ngadiya, BA.
dan Ibunda Veronica Wiyarti yang telah memberikan cinta kasih dan sayangnya, yang tak pernah lelah memberikan dorongan, nasehat, dan membiayai pendidikan selama ini.
Untuk yang tersayang dan terkasih Cicilia Anggitasari Kurnia Putri ,
yang telah menjadi inspirator, harapan indah, pemberi motivasi terhebat serta sahabat yang setia menemani selama pengerjaan tugas akhir ini, walau kamu tak
disampingkuterimakasih atas semuanya.
Untuk keluargaku yang tercinta Eyang Kakung, Eyang Putri, Mas Ari,
Yuniar, Yanuar, Bulik Darni, Purwanti, Indri, Bulik dan Om Semua yang senantiasa memberikan cinta kasih dan sayangnya, semangat dan membantu membiayai kuliah selama ini. I love my family.
berharga itu menyakitkan.
Untuk sahabat-sahabatku, Eko Nugroho, Oskar, Mbendhol, Sigit WW,
Bendot, Risang, Edi, Opik, Budi, Hartono, Indhoo, Mas Yanto, Tika, Winda, Febri, Kepek, Simbah, yang selalu memberikan semangat, dorongan dan pengalaman yang berarti. Terimakasih bisa berproses bersama.
Untuk saudara-saudaraku, Rudi, Papo, Dita, Ariana, Ari N, Agus Munadi dan teman teman Mudika yang lain serta saudaraku semuanya terimakasih atas persaudaraan kita selama ini. Persaudaraan kita adalah proses pendewasaan diri,
jangan bimbang walau ada dan tiada.
Untuk sahabat-sahabatku, semua rekan-rekan Elektro angkatan 99,
Alumnus STM Telekomunikasi Sandhy Putra Purwokerto, Teman-teman PT. Indosat “Domestic Transmission and Interlink Dept”, Telkom Semarang, TRANS TV” Maintenance Dept”, Teman-teman Abeng, reken-rekan LSM KOMBAT, Karina KAS Posko Wedi, RADAR LAMPUNG, BABEL (Bangka Belitung) POST terimakasih atas dukungan dan kepercayaannya. Wake up and
do something.
Dan untuk semua saja, teman-teman seperjuangan, yang terlibat langsung maupun tidak langsung, yang telah banyak membantu yang tidak dapat disebutkan
satu per satu, TERIMA KASIH atas semuanya.
INTISARI
Sistem komunikasi optik merupakan sistem penyampaian sinyal informasi berupa sinyal elektrik dari suatu tempat pengiriman ke tempat yang dituju dalam bentuk cahaya sebagai media transmisinya. Dalam tugas akhir ini suatu sistem
komunikasi optik dirancang menggunakan tape recorder sebagai sumber
informasi dan speaker sebagai penerima informasi.
Untuk mentransmisikan sinyal informasi yang berasal dari tape recorder melalui udara, dibutuhkan cahaya yang membawa sinyal informasi. Sehingga, pada bagian tape recorder dipasang pemancar cahaya sebagai sumber cahayanya.
Sumber cahaya yang digunakan dalam simulasi ini adalah LED (Light Emitting
Diode) dengan panjang gelombang 940 nm. Pada bagian penerima digunakan
phototransistor sebagai detektor cahaya yang juga mempunyai panjang
gelombang 940 nm. Untuk menjamin agar sinyal informasi sampai pada penerima dengan baik maka digunakan modulasi FM-PLL dengan spesifikasinya bandwidth FM 90 KHz, Frekuensi pemodulasi15 KHz, frekuensi referensi 10 KHz.
Hasil pengukuran sistem dengan menggunakan tape recorder-udara
bebas-speaker, menunjukkan bahwa alat yang telah direalisasikan hanya dapat
digunakan untuk jarak pendek sejauh 140 cm.
ABSTRACT
Optical communication system is a system to transmit information signal from transmitter to receiver. In this final project optical communication system is desaign using tape recorder as information source and speaker as receiver information.
To transmit information signal from the source (tape recorder) through free space medium transmission, if will need a light to carry information signal. So that, tape recorder is equipped a waveguide transmitter as a light source. The light source that is used in this final project is LED (Light Emitting Diode) with 940 nm waveleght. The receiver use phototransistor as light detector with 940 nm waveleght. To assure that information signal is received at receiver with good quality, this system use FM-PLL. The specification of modulation is BWFM = 90
KHz, modulated frequency = 15 KHz, and reference frequency = 10 KHz
The final result, this system is woked well for short distance transmission about 140 cm.
Puji dan syukur atas segala rahmat dan karunia Tuhan YESUS, sehingga
perancangan dan penyusunan tugas akhir dengan judul PERANCANGAN
MODUL PERCOBAAN SISTEM KOMUNIKASI OPTIK DENGAN TAPE
RECORDER (Sumber Informasi Voice) DAN SPEAKER (Penerima
Informasi Voice) ini dapat terselesaikan juga dengan baik.
Tugas akhir ini bertujuan untuk memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Teknik, jurusan Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma.
Dalam penyusunan tugas akhir ini, banyak sekali bimbingan, saran dan masukan yang sangat bermanfaat bagi penulis yang telah diberikan oleh berbagai pihak demi terselesainya penyusunan tugas akhir ini.
Untuk itu dengan segala kerendahan hati, penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada :
1. Bapak Damar Widjaja, ST., M.T., selaku dosen pembimbing I yang
telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan, masukan semangat, bantuan, dorongan yang tak kenal lelah serta yang selalu mengingatkan, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.
2. Bapak Agustinus Ngadiyo dan Ibunda Veronica Wiyarti yang telah
memberikan kasih sayangnya, doa, dorongan, semangat, biaya yang tiada henti hingga terselesaikan studi dan penyusunan tugas akhir ini.
3. Yang terkasih, Kakakku Yohanes Ari Supriyanta yang telah setia
menemani, memberikan perhatian, dorongan, semangat dan doanya.
5. Yang tercinta Eyang Atmo Suwito, Eyang Parto Rejo, atas Doa restu serta petuah bijak yang telah diberikan.
6. Yang tersayang H. Suprapto, S.Psi dan Keluarga, Sudarmo S.Kom dan
Keluarga, Widarni dan Keluarga, serta semua keluarga besar Atmo suwito dan Noyo Ikromo , atas support dan cintanya.
7. Yang tersayang Anggitasari Kurnia Putri, walau tidak disisiku namun
telah memberikan, inspirasi, perhatian, dorongan, semangat dan doanya.
8. Adik-adikku tersayang, Purwanti, Yanuar, Daris, Indri, Lia, Yesa,
Irawan, Toni, Bambang, Affan, Hafidz, Monaqistin, Firda,Desy, Erni dan semua Keluarga besar Atmo Suwito, Uut, atas dorongan semangat, kasih sayangnya.
9. Saudara dan teman sejatiku Oscar, Eko Nugroho (cepox), Dian
(Mbendhol), Sigit WW, FX Agus Sapari, atas dorongan semangat dan waktunya.
10.Semua sahabatku yang sampai saat ini setia menemani, Kepek,
Simbah, Febri, Crippen, Bendot, Risang, Mudika Stasi Bayat, Mudika Ngropoh dan semua saja.
11.Semua teman sejatiku yang setia bersamaku, anak Abeng,
Sangkuriang, 52 Lover, Magelang community, Oscar Racing Team, dan semua saja.
13.Segenap Karyawan, Sekretariat Teknik, Pak Djito, Laboran Teknik Elektro mas Mardi, mas Suryo atas bantuan yang telah diberikan.
14.Rekan-rekan di Indosat, Hazmi F, Joko Indarto, Wahyu (plencung),
atas support dan bantuan property yang sudah diberikan.
15.Rekan-rekan di LSM KOMBAT, Bapak Frans Suparta, Rudi, Mba
Janet, Miss Kaiko, Papo, atas dorongan semangat
16.Dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, karena
keterbatasan tempat, atas saran, ide dan dukungan yang diberikan hingga tugas akhir ini dapat terselesaikan.
Dengan segala kerendahan hati juga, penyusun menyadari bahwa tugas akhir ini masih sangat jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala kritik dan saran yang membangun akan penyusun terima dengan senang hati.
Akhir kata penyusun mengharapkan semoga tugas akhir ini dapat berguna bagi semua pihak dan dapat dijadikan bahan kajian lebih lanjut.
Yogyakarta, 29 Januari 2007
Penyusun
DAN SPEAKER
TUGAS AKHIR
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Disusun Oleh :
AGUSTINUS DWI SETYANA
NIM : 995114032
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
RECORDER AND SPEAKER
FINAL PROJECT
In partial fulfilment of the requirements for the Degree SARJANA TEKNIK Electrical Engineering Study Program
AGUSTINUS DWI SETYANA
995114032
ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT
ENGINEERING FACULTY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2007
HALAMAN PERSETUJUAN………...iii
HALAMAN PENGESAHAN………iv
HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN……….v
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA………vii
INTISARI………...viii
ABSTRACT………ix
KATA PENGANTAR……….x
DAFTAR ISI……...………...……...xiii
DAFTAR GAMBAR……….……….xvi
DAFTAR TABEL………..………xviii
DAFTAR LAMPIRAN……….xix BAB I PENDAHULUAN………1 1.1. Latar Belakang…….………...………...1 1.2. Rumusan Masalah………...2 1.3. Batasan Masalah………..……….3 1.4. Metode Penelitian………...………3 1.5. Tujuan Penelitian...………...………...…...……….4 1.6. Manfaat Penulisan….………4 1.7. Sistematika Penulisan..….………..………..5
BAB II DASAR TEORI………..………..6
2.1. Karakteristik Alat..………...6
2.2. Jenis -jenis Kesalahan….………..………7
2.3. Analisis Statistik………..8
2.3.1. Nilai Rata-rata (Arithmetic Mean)………..8
2.4. Sumber Cahaya (LED) dan Detektor Cahaya (Phototransistor)…………9
2.4.1. Sumber Cahaya (LED)...……….………...9
2.4.2. Detektor Cahaya (Phototransistor)………..………...10
2.4.2. Penguat Op Amp Non Inverting………..…...…12
2.5. Modulasi Frekuensi………13
2.5.3. VCO ( Voltage Kontrolled Oscillator )... ………..……….…15
2.6. Filter………...…………17
2.7. Penguat Audio....…….……….…21
2.8. Udara Bebas ………21
2.9. Dasar-Dasar Komunikasi Serat Optik……….….22
2.9.1 Karakteristik Serat Optik……….…23
2.9.2 Jenis-Jenis Serat Optik……….………….………24
2.9.2.1 Serat Optik dari Plastik……….………….24
2.9.2.2 Serat Optik dari Plastik dan Silika …….………..24
BAB III PERANCANGAN ALAT.………...…25
3.1 Sumber Informasi (Tape Recorder)..…….……….………..…25
3.1.1. Spesifikasi Tape Recorder………25
3.1.1.Penguat Op Amp Tx………..…26
3.2. Filter LPF 15 KHz Tx – Rx dan LPF 95 KHz Rx.……….………28
3.2.1 Filter LPF 15 KHz Pemancar dan Penerima……….…28
3.2.2 Filter LPF 95 KHz Penerima………30
3.3 Modulator dan Demodulator FM-PLL...…………..………..……33
3.3.1 Modulator…….……….……33
3.3.1.1 Rangkaian Penjumlah..……….………..………33
3.3.1.2 Rangkaian Osilator Referensi...…..………..………35
3.3.2 Demodulator………..……36
3.3.2.1 Detektor fasa……….………..………37
3.3.2.2 Voltage Controlled Oscillator (VCO) Modulator dan Demodulator…..……….………37
3.3.2.3 LPF Loop Modulator dan Demodulator...….………..………38
3.4 Driver LED dan LED..……….……41
3.5 Detektor Cahaya dan Penguat Rx……...……….……42
3.5.1 Photoransistor…. ………..……42
3.6.1 IC TBA820M……….…….………..……….…44
3.6.2 Speaker……….……….……44
3.7 Cara Kerja Alat secara Keseluruhan...………..……45
BAB IV PEMBAHASAN………...……..48
4.1 Tujuan Pengukuran ………..………..………..….48
4.2 Pengukuran Tiap Blok Rangkaian Pemancar dan Penerima…………..….48
4.2.1 Penguat Op Amp Pemancar dan Penerima (VCO) ………….…...48
4.2.2 Filter LPF 15 KHz Pemancar dan Penerima serta Filter LPF 95 KHz Penerim………..………….59
4.2.3 Penguat Audio ………..….….66
4.2.4 Modulator dan Demodulator FM-PLL ………..….……...…..66
4.2.4.1 Modulator ……….……..…..67
4.2.4.2 Demodulator ………..….…..…..71
4.2.4.3 Osilator ………..….……...…..76
4.3 Pengukuran Keseluruhan Sistem dan Analisis ………..………….…..82
4.3.1 Hasil Pengukuran Blok LED – Phototransistor ………..…………..82
4.3.1.1 Hubungan Tengangan Terhadap Jarak Pada Phototransistor ………..………….…..82
4.3.1.2 Hubungan Tengangan Terhadap Frekuensi Pada Phototransistor………...…….86
4.3.2 Analisis Keseluruhan Sistem………...…….90
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN……….91
5.1. Kesimpulan……….………..91
5.2. Saran………..92
Gambar 2-1 Phototransistor………...……11
Gambar 2-2 Penguat Non Inverting.…..………..…12
Gambar 2-3 Modulator FM-PLL………14
Gambar 2-4 Demodulator FM-PLL……….………15
Gambar 2-5 Frekuensi VCO Sebagai Fungsi Linier Tegangan Kontrol Vc……..16
Gambar 2-6 Kurva Respon Frekuensi Filter LPF………..18
Gambar 2-7 Filter Pelewat Atas Dasar………..18
Gambar 2-8 Diagram Blok Untuk Penapis-Penapis Orde Tinggi……….19
Gambar 2-9 Sistem komunikasi serat optik……….…22
Gambar 2-9 Numerical Aperture……….…23
Gambar 3-1 Blok Diagram Rangkaian Keseluruhan………..25
Gambar 3-2 Penguat Op Amp Tx………..28
Gambar 3-3 Rancangan LPF fC = 15 kHz Orde ke-6 Tipe Butterworth…………...30
Gambar 3-4 Rancangan LPF fC = 95 KHz Orde ke-6 Tipe Butterworth…………..32
Gambar 3-5 Rancangan Penguat Penjumlah………...………..35
Gambar 3-6 Rancangan osilator referensi dan pembagi frekuensi………...36
Gambar 3-7 Rancangan VCO………...38
Gambar 3-8 Rangkaian LPF loop modulator dan demodulator………..40
Gambar 3-9 Rangkaian Modulator……….. ..………..40
Gambar 3-10 Rangkaian LED driver………...………..41
Gambar 3-11 Rangkaian detector cahaya……….………..42
Gambar 3-12 Rangkaian penguat op amp Rx ………..………..44
Gambar 3-13 Rangkaian penguat audio ………...………..45
Gambar 4-1 Blok diagram pengukuran penguat Tx dan Rx……….……….48
Gambar 4-2 Grafik Pengukuran Respon Penguat 15 KHz ………..…………..50
Gambar 4-3 Grafik Teori Respon Penguat 15 KHz……….50
Gambar 4-4 Grafik Perbandingan Respon Penguat 15 KHz Teori dan Pengukuran………...51
Gambar 4-5 Grafik Pengukuran Respon Penguat Penerima 95 KHz…………...…..55
Gambar 4-8 Blok pengukuran LPF 15 KHz Tx-Rx
dan LPF 95 KHz Rx………..59
Gambar 4-9 Grafik Pengukuran LPF 15 KHz Tx………..61
Gambar 4-10 Grafik Pengukuran LPF 15 KHz Rx……….63
Gambar 4-11 Grafik Pengukuran LPF 95 KHz………..65
Gambar 4-12 Blok Pengukuran Rangkaian Penguat Audio………….……….66
Gambar 4-13 Blok Pengukuran VCO………..………..66
Gambar 4-14 Grafik Pengukuran KeluaranVCO Modulator………..……….67
Gambar 4-15 Grafik Teori dan Perhitungan Keluaran………...………..68
Gambar 4-16 Grafik Teori Keluaran VCO Modulator………...………..68
Gambar 4-17 Grafik Teori Keluaran VCO Demodulator……….………..72
Gambar 4-18 Grafik Perhitungan Keluaran VCO Demodulator……….………..72
Gambar 4-19 Grafik Perbandingtan Teori dan Perhitungan Keluaran
VCO Demodulator………...………..73
Gambar 4-20 Blok pengukuran kestabilan osilator referensi………..76
Gambar 4-21 Grafik Teori Kestabilan Osilator Referensi………...78 Gambar 4-22 Grafik Keluaran Kestabilan Osilator Referensi………....78 Gambar 4-23 Grafik Perbandingan Keluaran Kestabilan Osilator Referensi…...79 Gambar 4-24 Grafik Teori Penerimaan Sinyal Terhadap Perubahan Jarak…..……83 Gambar 4-25 Grafik Perhitungan Penerimaan Sinyal Terhadap
Perubahan Jarak ………...…..83
Gambar 4-26 Grafik Keluaran Phototransistor Perhitungan dan Teori………...84 Gambar 4-27 Grafik Teori respon penerimaan sinyal
terhadap perubahan frekuensi………..…..87
Gambar4-28 Grafik hasil pengukuan respon penerimaan
sinyal terhadap perubahan frekuensi………87
Gambar 4-29 Grafik hasil Perbandingan Pengukuan
Dan Teori Penerimaan sinyal terhadap perubahan frekuesi…………89
Tabel 2-1 Perbandingan karakteristik LED dan laser diode.… ………..…10
Tabel 2-2 Gain Filter Butterworth.…..……… ……….………..…20
Tabel 2-3 Nilai untuk Tanggapan Butterworth.…..…… ………… ……..………..…20
Tabel 4.1 Pengukuran Respon Penguat 15 KHz ……….………..…..…49
Tabel 4.2 Komputasi Respon Penguat 15 KHz..………..…53
Tabel 4.3 Pengukuran Respon Penguat 95 KHz……….………..…55
Tabel 4.4 Respon Penguat 95 KHz……….………..…..…58
Tabel 4.5 Nilai hasil pengukuran LPF 15 KHz Tx……….………60
Tabel 4.6 Nilai hasil pengukuran LPF 15 KHz Rx ……….………..…62
Tabel 4.7 Nilai hasil pengukuran LPF 95 KHz Rx……….………...64
Tabel 4.8 Tabel Nilai hasil pengukuran VCO Modulator…….………...…67
Tabel 4.9 Grafik Teori dan Perhitungan Keluaran……….……….…70
Tabel 4.10 Nilai Hasil Pengukuran linieritas VCO Demodulator .………...71
Tabel 4.11 Perhitungan Keluaran VCO Demodulator………..………..…74
Tabel 4.12 Pengukuran Kestabilan Osilator Referensi……….………..…77
Tabel 4.13 Grafik Keluaran Kestabilan Osilator Referensi..……….………80
Tabel 4.14 Nilai Respon Penerimaan Sinyal Terhadap..……….………..…82
Tabel 4.15 Grafik Keluaran Phototransistor Perhitungan dan Teori…………....…85
Tabel 4.16 Hasil Pengukuan Respon Penerimaan Sinyal
Terhadap Perubahan Frekuensi..……….……….86
Tabel 4.17 Grafik Hasil Perbandingan Pengukuan
Dan Teori Penerimaan Sinyal………..……….………..…89
Lampiran 2 Gambar Rangkaian Pemancar………...………...L2
Lampiran 3 Gambar Rangkaian Penerima ………...…….…………....L3
Lampiran 4 Data Sheet Phase Locked Loop MC14046B..……..……….……...L4
Lampiran 5 Data Sheet Phase Comparator……….………...L5
Lampiran 6 Hermatic Silicon Phototransistor………..….L6
Lampiran 7 Data Sheet LM741 Operational Amplifier………....L7
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Setiap tahun, perkembangan yang disebabkan oleh kemajuan alat komunikasi sangat pesat. Dampak yang muncul bagi perkembangan ilmu pengetahuan sangatlah besar dan penting selain untuk kebutuhan informasi, sistem komunikasi juga dapat digunakan dalam pengendalian jarak jauh.
Suatu informasi baik berupa suara atau hasil pengamatan dikirim dan diterima, kemudian diproses sangat dibutuhkan sarana transmisi yang cepat, akurat. Pentransmisian informasi dapat menggunakan berbagai media, yang salah satunya adalah dengan kabel fiber optic, dengan kecepatan transfer yang tinggi. Cahaya digunakan sebagai media transmisi karena bersifat fleksibel dan mempunyai rentang frekuensi yang cukup lebar. Pemanfaatan Cahaya sangat murah bila dilihat dari efisiensi biaya yang dibandingkan dengan media transmisi yang lain.
Sistem komunikasi serat optik merupakan suatu proses pengiriman sinyal informasi berupa sinyal elektrik dari suatu tempat pengiriman ke tempat yang dituju dalam bentuk cahaya dengan menggunakan serat optik .
Tugas Akhir ini mensimulasikan prototipe sistem komunikasi optik
dengan menggunakan tape recorder (sumber informasi) dan speaker (penerima
informasi) agar dapat dijadikan alat bantu proses belajar mengajar dalam ruang kuliah
1.2. Rumusan Masalah
Sistem yang dirancang adalah terdiri dari unit pemancar dan penerima. Pada suatu tempat dipasang sumber informasi yang bisa menghasilkan sinyal informasi berupa suara, untuk mengetahui perubahan informasi yang terjadi maka dilakukan pengubahan dari besaran fisis ke dalam bentuk besaran listrik yaitu kedalam bentuk tegangan dan frekuensi dengan rangkaian penguat dan filter. Informasi analog ini diubah kedalam sinyal dengan frekuensi – frekuensi tertentu oleh sebuah osilator yang dikendalikan tegangan yang keluarannya selanjutnya ditransmisikan oleh pemancar FM.
Sinyal informasi yang dikirim tadi akan diterima oleh penerima FM
kemudian dipisahkan kembali oleh sebuah Low Pass Filter dan informasi hasil
proses tersebut akan dikonversikan ke dalam bentuk tegangan kembali oleh Voltage to Frequency Converter sehingga kita dapat mengetahui perubahan
informasi yang terjadi, informasi tersebut akan dikondisikan sesuai dengan besarnya perubahan sinyal pengirim informasi, artinya frekuensi tersebut mewakili besarnya tegangan sehingga kita dapat mengetahui bahwa tegangan yang ditransmisikan telah sama dengan besarnya tegangan yang diterima oleh bagian penerima komunikasi optik.
1.3. Batasan Masalah
Dalam pengerjaan Tugas Akhir ini perlu adanya pembatasan masalah sebagai berikut:
1. Sinyal informasi suara dari tape recorder berupa suara dari kaset dengan
batasan frekuensi 20 Hz - 15 KHz (bandwidth sinyal audio).
2. Sistem komunikasi yang akan dibahas adalah komunikasi satu arah saja.
3. Komponen utama yang akan digunakan dalam simulasi sistem komunikasi
serat optik ini adalah sebagai berikut :
a. Pemancar/transmitter berupa sumber cahaya sebagai pembawa
informasi menggunakan LED (Light Emitting Diode).
b. Penerima/receiver menggunakan phototransistor yang akan
mendeteksi sinyal cahaya menjadi sinyal listrik.
c. Media transmisi yang akan digunakan adalah udara bebas dan serat
optik singlemode.
4. Bagian dari pemancar dan penerima FM tidak dibahas secara lengkap dan detail, karena menggunakan FM Transmitter dan Tuner FM yang telah ada dipasaran.
1.4. Metode Penelitian
Metode penelitian yang dilakukan dalam penyusunan Tugas Akhir ini dengan menggunakan struktur :
1. Studi literatur,sebagai dasar pemahaman teori yang mendukung terhadap
sistem yang dibuat.
3. Perakitan perangkat dilakukan dengan eksperimen untuk melakukan uji coba menurut teori dan perancangan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan.
4. Eksperimen atau percobaan, dengan metode ilmiah yakni :
a. Merumuskan masalah.
b. Mencari data yakni melakukan pengumpulan data-data informasi
tentang spesifikasi komponen dan alat uji yang akan digunakan. c. Menarik hipotesa.
d. Menguji hipotesa.
e. Menarik kesimpulan.
1.4. Tujuan Penelitian
1. Mencoba mengimplementasikan pelajaran elektronika komunikasi dan
elektronika analog dalam perancangan alat.
2. Menerapkan gelombang cahaya sebagai media komunikasi pengirim
sinyal dari unit pemancar ke unit penerima.
3. Memperluas penggunaan dan memanfaatkan gelombang radio FM
sebagai media pembawa informasi.
1.5. Manfaat Penelitian
1. Menambah pengetahuan tentang pengiriman data secara analog.
2. Merealisasikan salah satu bentuk teknik pengiriman data analog jarak jauh melalui kabel serat optik
3. Hasil penelitian ini dapat dikembangkan untuk keperluan yang lain
misalnya untuk pengukuran tekanan, kecepatan, intesistas cahaya dan lain-lain yang kesemuanya itu memerlukan transduser sebagai
pengubah besaran fisis yang diukur menjadi besaran listrik berupa tegangan dan dirubah dalam kode-kode cahaya.
1.6. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan yang digunakan dalam laporan tugas akhir ini disusun dalam bentuk sebagai berikut:
Bab I. Pendahuluan yang berisi mengenai latar belakang penulisan, Perumusan masalah, Pembatasan masalah, Tujuan dan Manfaat penelitian dan Sistematika penulisan.
Bab II. Dasar teori yang berisi mengenai teori - teori yang mendasari perangkat komunikasi optik ini.
Bab III. Perancangan komunikasi optik yang berisi perancangan tiap bagian dari komunikasi optik berdasarkan karateristik tiap komponen.
Bab IV. Pembahasan yang berisi data – data hasil pengujian komunikasi optik. Bab V. Kesimpulan dan Saran yang berisi mengenai spesifikasi alat dan saran – saran untuk memperbaiki kinerja dari alat komunikasi optik ini.
DASAR TEORI
2.1. Karakteristik Alat
Dalam perancangan suatu rangkaian elektronis, digunakan istilah-istilah yang menentukan karakteristik suatu alat tersebut, antara lain presisi, akurasi, sensitivitas, dan lain-lain.
1. Presisi ( ketelitian )
Presisi merupakan suatu ukuran kemampuan untuk mendapatkan hasil
pengukuran yang serupa. Dengan memberikan suatu harga tertentu
bagi sebuah variabel, ketelitian (presisi) merupakan suatu ukuran
tingkatan yang menunjukan perbedaan hasil pengukuran pada pengukuran-pengukuran yang dilakukan secara berurutan.
2. Akurasi (ketepatan)
Akurasi merupakan sifat kedekatan pembacaan alat ukur dengan nilai
sebenarnya dari variabel yang diukur. Akurasi ditentukan dengan cara mengkalibrasi dengan kondisi operasi tertentu.
3. Sensitivitas (kepekaan)
Sensitivitas merupakan perubahan terkecil dari masukan yang
mempengaruhi keluaran.
4. Resolusi (kemampuan pembacaan skala)
5. Repeatability (kemapuan mengulangi)
Repeatability adalah sebagai ukuran deviasi dari hasil uji nilai
rata-rata. Hal ini mengindikasikan kedekatan diantara sejumlah pengukuran yang dilakukan secara berulang dengan kondisi yang sama.
6. Treshold
Treshold merupakan nilai minimum perubahan masukan yang tidak
dapat diamati atau dideteksi, bila masukannya berangsur-angsur bertambah dari nol.
7. Linearitas
Linearitas merupakan kemampuan untuk menghasilkan ukuran alat
ukur yang menghasilkan keluaran yang secara linear. Dalam hal ini, dapat didefinisikan dengan persamaan sebagai berikut:
c mx y= + ……….………….. ...(2.1) keterangan: y = keluaran x = masukan m = kemiringan ( slope ) c = offset
2.2. Jenis -jenis Kesalahan
Kesalahan - kesalahan dapat terjadi karena berbagai sebab dan umumnya dibagi dalam tiga jenis utama, yaitu:
1. Kesalahan-kesalahan umum (Gross-errors)
Gross - errors ini kebanyakan disebabkan oleh kesalahan manusia,
diantaranya adalah kesalahan pembacaan alat ukur, penyetelan dan pemakaian instrumen yang tidak sesuai, dan kesalahan penaksiran. 2. Kesalahan – kesalahan sistematik (Systematic errors)
Systematic errors ini disebabkan oleh kekurangan - kekurangan pada
instrumen sendiri seperti kerusakan atau adanya bagian-bagian yang aus dan pengaruh lingkungan terhadap peralatan atau pemakai.
3. Kesalahan-kesalahan yang tidak disengaja (random errors)
Random errors diakibatkan oleh penyebab-penyebab yang tidak dapat
langsung diketahui sebab perubahan-perubahan parameter atau sistem pengukuran terjadi secara acak.
2.3. Analisis Statistik
Analisis statistik terhadap data pengukuran adalah pekerjaan yang biasa sebab menentukan penentuan ketidakpastian hasil pengujian akhir secara analisis. Hasil dari suatu pengukuran dengan metode tertentu dapat diramalkan berdasarkan contoh (data sampel) tanpa memiliki informasi atau keterangan yang lengkap mengenai semua faktor - faktor gangguan.
Agar cara-cara statistik dan keterangan yang diberikan bermanfaat, biasanya diperlukan sejumlah pengukuran yang banyak.
2.3.1 Nilai Rata-rata (Arithmetic Mean)
Nilai yang paling mungkin dari suatu variabel yang diukur adalah nilai rata-rata dari semua pembacaan yang dilakukan. Pendekatan yang paling baik
akan diperoleh bila jumlah pembacaan untuk suatu besaran sangat banyak. Secara teoritis, pembacaan yang tak berhingga akan memberikan hasil paling baik, walaupun dalam prakteknya hanya dapat dilakukan pengukuran yang terbatas. Nilai rata-rata diberikan oleh persamaan:
n x n x x x x x= 1 + 2 + 3 +...+ n =
∑
………… …………..(2.2)dimana : x = nilai rata-rata
x1,x2,xn = pembacaan yang dilakukan = jumlah pembacaan n
2.4 Sumber Cahaya (LED) dan Detektor Cahaya (Phototransistor) 2.4.1 Sumber Cahaya (LED)
LED merupakan sumber cahaya untuk komunikasi optik dan bekerja sebagai pemancar cahaya. Oleh karena itu, beberapa syarat yang harus dipenuhi agar LED dapat dijadikan sebagai sumber cahaya :
1. Sumber cahaya sebisa mungkin bersifat monokromatis (berfrekuensi tunggal).
2. Sumber cahaya tersebut harus mempunyai suatu keluaran cahaya berintensitas tinggi sehingga dapat memancarkan energi yang cukup untuk mengatasi rugi-rugi.
3. Sumber cahaya juga harus mampu dimodulasi dengan baik, bentuknya kecil, ringkas, sehingga tidak terjadi rugi-rugi.
Cara kerja dari LED adalah bila diberi prasikap tegangan maju, elektron menaikkan level tegangan sampai keadaan jenuh kemudian level tegangan turun. Jika level tegangan turun akan melepaskan energi dalam bentuk cahaya
Sumber cahaya lain yang dapat digunakan sebagai sumber cahaya komunikasi optik adalah laser diode. Perbandingan karakteristik LED dan laser diode disajikan adalam tabel 2 berikut :
Tabel 2.1 Perbandingan Karakteristik LED dan Dioda Laser
Parameter LED Laser Diode Unit
Daya output 1 -10 1 -100 mW Daya yang dibutuhkan masuk ke serat optik 0.0005 -0.5 0.5 – 5 mW Bandwidth pada 800 nm 35 – 50 2 – 3 Nm Bandwidth pada 1300 nm 70 – 100 3 – 5 Nm Rise Time 2 – 50 <1 Ns Respon frekuensi < 500 > 500 MHz
Harga Murah Mahal -
2.4.2 Detektor Cahaya (Phototransistor)
Detektor yang dipilih perlu disesuaikan dengan sifat-sifat yang
ditunjukkan oleh sistem komunikasi optik.
Hal-hal yang perlu diisyaratkan oleh detektor cahaya adalah sebagai berikut :
¾ Mempunyai sensitivitas yang tinggi.
¾ Mempunyai lebar pita yang lebar dan respon time yang cepat. ¾ Mempunyai efisiensi yang tinggi dan tambahan noise yang kecil.
¾ Karakteristiknya tidak mudah dipengaruhi oleh kondisi lingkungan
sekitarnya.
¾ Dengan menggunakan tegangan yang rendah bisa menghasilkan
daya yang cukup besar.
Phototransistor adalah komponen detektor cahaya yang mempunyai
penguatan sendiri (internal gain). Hal ini membuat phototransistor lebih sensitif
bila menggunakan fotodioda selain itu phototransistor ini dapat menguatkan arus
bocor menjadi ratusan kali.
Phototransistor juga disebut sebagai fotodetektor yang dioperasikan
dalam mode arus terbalik (reverse bias mode). Cahaya yang menimpa material
semikonduktor akan membebaskan elektron dan membentuk hole sehingga mengalir arus. RL Vout ke Pre Amplifier Vcc Keterangan : Phototransistor L14G3 Rl = 100 Ohm Gambar 2. 1 Phototransistor
Tegangan yang melintasi RL : L E RL I R V = . dimana : IE = (1+h.f.e) IB
Dengan : h = konstanta plank (6,63.10-34 Js)
c = cepat rambat cahaya diudara (3.108 m/s)
η = efisiensi kuantum e = muatan electron (1,6.10-19 C) L RL R c h p e e f h V . . . . . ) . . 1 ( + η λ = ≈ 136,8 mVolt
2.4.3 Penguat Op Amp Non Inverting
Penguat Operasional atau Op-Amp merupakan penguat differensial dengan dua masukan dan satu keluaran, serta mempunyai penguatan yang sangat tinggi. Penguat operasional menghasilkan sinyal keluaran yang sama bentuknya dengan sinyal masukan tetapi amplitudonya lebih besar.
Tegangan AC keluaran akan satu fasa dengan masukan.
Op-Amp mempunyai impedansi masukan yang tinggi,impedansi keluaran rendah, dan penguatan tegangan yang stabil (mendekati penguatan tegangan ideal). Vin R1 R2 Vout
+
-Gambar 2. 2 Penguat Non Inverting
Penguatan pada penguat non inverting : 1 2 1 R R Vin Vout Av= = + ………( 2.3 ) 2.5 Modulasi Frekuensi
Modulasi FM adalah teknik modulasi yang mengubah karakteristik frekuensi sinyal pembawa sesuai dengan amplitude sinyal informasi. Modulasi FM mono merupakan modulasi FM dengan menggunakan transmisi hanya satu sumber sinyal informasi. Keuntungan modulasi ini bila dibandingkan dengan modulasi FM stereo adalah :
1. Perangkat relatif lebih sederhana karena hanya memerlukan satu
pembangkit frekuensi osilator.
2. Selain itu, bandwidth yang digunakan juga lebih sempit sehingga
terdapat efektifitas bandwidth.
3. Pada FM mono tidak mengenal interleaving sehingga penambahan
level informasi tidak teratur oleh batasan deviasi frekuensi yang terjadi akibatnya FM mono bisa terdengar lebih keras.
4. Memiliki daya transmisi yang lebih kecil.
2.5.1 Modulator FM-PLL
Modulator FM wideband FM yang menggunakan PLL ditujukan untuk menjaga kestabilan dari osilator VCO utama dan pada saat yang sama akan meghasilkan sinyal FM.
Perhatikan blok modulator FM wideband dengan PLL dibawah ini :
VCO FM Output Osilator crystal referensi fo Modulating signal input Penjumlah LPF Loop Phase Comparator Gambar 2. 3 Modulator FM-PLL BW =2(∆f+ fmax ) ….……….(2.4 ) ∆f = hf . Am ..……….(2.5 ) β = max . f Am hf ..……….(2.6 ) 2.5.2 Demodulator FM-PLL
Demodulator FM pada dasarnya adalah sebuah sirkuit yang menghasilkan tegangan output sesuai dengan frekuensi sesaat input (Vout=K. ∆f ) dengan K dalam satuan volt/hertz. K adalah fungsi transfer demodulator dan ∆f adalah perbedaan antara frekuensi input dengan frekuensi tengah demodulator .
Perhatikan diagram blok demodulator FM dengan menggunakan PLL dibawah ini:
FM input Amplifier Ka Vd Vout Sinyal audio output Demodulasi LPF fo Phase detector Kd VCO Gambar 2. 4 Demodulator FM-PLL
2.5.3 VCO ( Voltage Kontrolled Oscillator )
Voltage-Kontrolled Oscilator atau VCO adalah suatu rangkaian yang
menghasilkan sinyal keluaran yang bervariasi (biasanya gelombang segiempat atau segitiga) yang range frekuensinya dapat diatur oleh tegangan DC. VCO pada umumnya digunakan pada pemancar radio FM tetapi VCO juga digunakan pada pemancar yang menggunakan media cahaya.
Salah satu keunggulan VCO adalah kemampuan untuk membangkitkan gelombang sinus atau segitiga atau segiempat dari bentuk gelombang masukan yang tidak teratur.
Sebuah VCO tidak dituntut untuk memiliki karakteristik frekuensi terhadap tegangan kontrol yang linier, tetapi kalau tidak linier juga tidak baik
karena akan menyebabkan gain bervariasi terhadap frekuensi sinyal sehingga kestabilan sinyal harus diperbaiki. VCO mempunyai frekuensi gerak bebas (free
running frequency) fo dan pergeseran frekuensi yang sebanding dengan tegangan
kendali Vc seperti terlihat pada gambar dibawah ini :
f
Vc fo
Gambar 2. 5 Frekuensi VCO Sebagai Fungsi Linier Tegangan Kontrol Vc
Frekuensi keluaran VCO (fo) besarnya adalah :
fr= fo+KvVc(Hz) ….……….(2.7) Pendekatan perhitungan VCO dari datasheet MC 14-46 adalah sebagai berikut : Jangkauan frekuensi VCO (fmax-fmin) ditentukan oleh nilai resistor dan kapasitor external dimana : f min =
(
C pF)
R2 1 32 1 + ………(2.8)dengan (VCO masukan = Vss)
f max = min ) 32 1 ( 1 1 f pF C R + + ..………(2.9)
dengan (VCO masukan = VDD) Fungsi transfer VCO :
Kv = 2 2 − ∆ VDD fvco π ……….………(2.10)
Karakteristik penting dalam VCO adalah : 1. Stabilitas frekuensi.
2. Respon harus cukup cepat.
3. Karakteristik frekuensi terhadap tegangan harus linier. 4. Sensitivitas modulasi cukup besar.
5. Kemurnian spektrum.
2.6 Filter
Filter merupakan suatu rangkaian elektronik yang berfungsi untuk meloloskan frekuensi yang diinginkan. Karakteristik yang penting dari sebuah filter adalah memiliki frekuensi cut off dan adanya fungsi transfer. Frekuensi cut
off adalah frekuensi di mana tegangan sinyal bernilai 0.707 dari tegangan
puncaknya. Sedangkan fungsi transfer merupakan fungsi yang menunjukkan bahwa nilai dari filter yang kita buat telah tercapai.
Menurut fungsi kerja frekuensi yang dapat diloloskan, filter dapat
dikelompokkan menjadi HPF (High Pass Filter), LPF (Low Pass Filter), BPF
(Band Pass Filter) dan BSF (Band Stop Filter).
Sedangkan menurut komponen pembentuknya, filter dapat dikelompokkan menjadi dua, yakni :
1. Filter pasif, yakni filter yang komponen pembentuknya terdiri dari
kapasitor, induktor dan resistor.
2. Filter aktif yakni filter pasif yang ditambahkan komponen penguat
operasional (OpAmp).
Filter LPF berfungsi untuk meneruskan daerah frekuensi dibawah frekuensi cut off-nya dan meredam semua frekuensi tinggi diatas frekuensi cut off.
Frekuensi cut off terjadi pada saat LPF berharga 0,707 dari tegangan
maksimumnya. Gambar karakteristik LPF ditunjukkan pada gambar dibawah ini :
f fc
0.707
Gambar 2. 6 Kurva Respon Frekuensi Filter LPF
Pada tapis ini dalam prakteknya diambil tanggapan pada 70,70% tegangan keluaran maksimum. Filter pelewat atas dapat memiliki kemiringan yang berbeda sesuai dengan perancangan yang dinginkan.
Rangkaian Filter Pelewat Atas sederhana dapat diperlihatkan dalam gambar 2.7.
+VCC VOUT + -LM741 3 2 6 7 1 4 5 R VIN -VCC C
Gambar 2.7 Filter Pelewat Atas Dasar
Dengan Vin pada masukan tak membalik, kapasitor C dan resistor R membentuk pembagi tegangan. Bila frekuensi Vin dibawah fC, XC kapasitor besar sehingga sebagian besar Vin jatuh ke kapasitor C, akibatnya tegangan jatuh pada resistor R rendah dan karena rangkaian ini pengikut tegangan, maka Vout juga rendah. Bila frekuensi Vin melampaui fC, XC kapasitor rendah sehingga banyak Vin yang jatuh pada resistor R, akibatnya keluaran membesar.
Penapis aktif dengan order lebih dari dua dibuat dengan cara
menghubungkan secara (kaskade) penapis order pertama dan kedua, jika ada
penapis order kedua yang dikaskadekan maka bagian-bagian penapis order kedua tersebut tidak sama, seperti dapat dilihat pada gambar 2.8.
Orde 1
Orde 2
Orde ke 3
Orde 2
Orde 2
Orde ke 4
Orde 1
Orde 2
Orde 2
Orde ke 5
Orde 2
Orde 2
Orde 2
Orde ke 6
Gambar 2.8 Diagram Blok Untuk Penapis-Penapis Orde Tinggi
Untuk mengkaskadekan bagian-bagian penapis secara benar, maka besarnya penguatan untuk filter jenis butterworth ditunjukkan oleh tabel 2-1 berikut:
Tabel 2.2 Gain Filter Butterworth
Orde Poles K1 K2 K3 Penguatan DC
2 2 1,586 - - 1,5858 (4,00 dB) 2 3 1 1 - - 2 (6,02 dB) 2 4 2 1,152 2,235 2,5749 (8,22 dB) 2 1 5 2 0,3819 1,3820 - 3,2917 (10,35 dB) 2 2 6 2 1,068 1,586 2,483 4,2058 (12,48 dB)
Dari tabel 2-1 dapat diketahui nilai untuk tanggapan butterworth yang ditunjukkan
pada tabel 2-2.
Tabel 2.3 Nilai untuk Tanggapan Butterworth
Orde Poles Kecuraman Faktor redaman (α) RB/RA
1 1 20 Optional - 2 2 40 1,4142 0,5858 2 1 1 3 1 60 1 1 2 1,8477 0,1523 4 2 80 0,7654 1,2346 2 1 1 2 1,6181 0,3819 5 1 100 1,6180 1,3820 2 1,9316 0,0684 2 1,4142 0,5858 6 2 120 0,5158 1,4824
2.7 Penguat Audio
Rangkaian penguat audio merupakan tahap terakhir dari sistem komunikasi. Penguat audio adalah suatu rangkaian yang menghasilkan arus AC yang besar untuk memacu tahanan-tahanan beban yang kecil.
2.8 Udara Bebas
Ada beberapa kelebihan media udara sebagai saluran transmisi yaitu memungkinkan untuk komunikasi dengan kecepatan tinggi ataupun kecepatan rendah. Tentunya dengan perambatan sinyal melalui udara banyak sekali rugi-rugi (redaman) yang dialaminya dibandingkan dengan media transmsi kabel atau serat optik.
Redaman yang terjadi bila menggunakan udara bebas sebagai media transmisi adalah :
a0= 32,4 + 20logf d [dB]……….(2.11)
dimana :
f = frekuensi dalam (MHZ)
d = Jarak sumber ke penerima (dalam Km).
Pemanfaatan komunikasi cahaya dengan menggunakan udara bebas
sebagai media transmisinya perlu memperhatikan dua hal sebagai berikut :
1. Derajat arah dari perangkat pemancar dan penerima cahaya yang akan
digunakan. Berdasarkan kriteria ini, tipe link dibagi menjadi dua yakni
directed dan non-directed.
Konfigurasi directed link memaksimumkan efisiensi daya,
meminimumkan path loss dan penerimaan dari ambient light noise.
Sedangkan konfigurasi non-directed link bisa jadi lebih mudah dalam
penggunaannya terutama untuk terminal yang bersifat mobile dimana
pemancar dan penerima tidak saling berhadapan.
2. Adanya jalur LOS (Line of Sight) antara pemancar dan penerima.
LOS link hanya bergantung pada satu jalur, sedangkan non-LOS secara
umum bergantung pada refleksi gelombang cahaya melalui
langit-langit maupun dinding. LOS link memaksimumkan efisiensi daya dan
meminimumkan dispersi multipath. Disisi lain, non-LOS link lebih
mudah digunakan karena dapat beroperasi dimana terdapat halangan seperti orang atau benda lainnya yang terdapat diantara pemancar dan penerima.
2.9 Dasar-Dasar Komunikasi Serat OptikD
Electrical
Optical
Gambar 2.9 Sistem komunikasi serat optik
Drive Circuit Optical Transmitter Optical Receiver Light Source Optical Amplifier Signal Restorer Photo Detector Electronics Input Signal Splice Connector Optic Fiber Repeater Coupler Electronic signal out Amplifier
2.9.1 Karakteristik Serat Optik
Redaman serat optik adalah suatu ukuran yang menunjukkan seberapa
jauh sinyal cahaya dapat ditransmisikan melalui serat optik.
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = in out P P L log 10 α ……..……...……… (2.12) dimana :
Pin = daya optik masukan (watt) Pout = daya optik keluaran (watt)
L = panjang serat optik (km)
α = atenuasi serat optik (dB/Km)
Redaman intrinsik disebabkan dari material pembuat fiber yakni impuritas
(ketidakmurnian) bahan seperti OH,Fe,Cu dan Cr dalam bahan gelas selama proses pembuatan dipabrik. Untuk daerah infra merah, rumus empiris absorbsi (db/Km): ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = λ αIR 7.81x1011exp 48.5 …… ..………. ( 2.13 )
λ = panjang gelombang serat optik (µm)
αIR = redaman absorbsi (db/Km)
Numerical Aperture merupakan parameter serat yang mempresentasikan
besar sudut penerimaan maksimum dimana berkas cahaya masih bisa diterima dan merambat didalam inti serat
Gambar 2.10 Numerical Aperture ( NA)
NA = sin θmax = n12 −n22 =n1 2∆ ...( 2.14 ) dimana
n1 = indeks bias inti,
n2 = indeks bias selubung, ∆ = indeks bias relative
2.9.2 Jenis-Jenis Serat Optik
2.9.2.1 Serat Optik dari Plastik
Karakteristik dari serat optik jenis ini adalah mempunayi nilai redaman yang besar (100 s.d 200 dB/Km), terdapat dalam windows 500 s.d 700 nm, dapat
dilewatkan dengan sumber cahaya LED karena diameter intinya yang cukup besar
yakni 1mm, mempunyai NA yang besar yakni 0,5, nilai dispersinya biasanya 200
s.d 600 ns/km, bit rate tidak kurang dari 5 Mb/sKm dan indeks bias sensitive terhadap temperatur optik diatas 1000 C.
Serat optik ini sesuai digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan bitrate yang rendah dan jarak yang pendek.
2.9.2.2 Serat Optik dari Plastik (pada bagian intinya) Silika (pada bagian
Cladding)
Karakteristik yang dimiliki oleh serat optik dengan bahan pembuat plastik
pada bagian intinya dan silika pada bagia claddingnya adalah mempunyai dua
windows yakni 800 nm dan 1310 nm, redamannya antara 4 s.d 10 dB/Km, dari
jenis step index dan nilai dispersinya tinggi.
PERANCANGAN ALAT
Perangkat system komunikasi dalam tugas akhir ini digambarkan dalam bentuk blok diagram sebagai berikut :
Driver LED dan LED Media Transmisi
Detektor Cahaya Penguat Op Amp Filter LPF 95 KHz Demodulaor FM-PLL LPF 15 KHz Penguat Audio + Speaker Modulator FM-PLL Filter LPF 15KHz Sinyal Audio Tape Recorder Penguat Op Amp
Gambar 3 1 Blok Diagram Rangkaian Keseluruhan
3.1 Sumber Informasi (Tape Recorder) 3.1.1 Spesifikasi Tape Recorder
a) Respon frekuensi : 125 – 6,3 KHz. b) Output maksimum : 25 mW + 25 mW
(headphone 32 ohm)
c) Sumber Daya : - Baterai DC 3 V : (UM-3,AA) x 2 AC Adaptor 3 Volt
Sinyal informasi yang dihasilkan dari kaset tape recorder berupafrekuensi audio yang mempunyai sifat sinusoidal dengan karakteristik bandwidth frekuensi 20 Hz sampai dengan 20.000 Hz ( ± 20 kHz ).
Keluaran sinyal informasi dari sumber adalah sebagai berikut : Sinyal informasi pada f: 826,4 Hz dan Vpp : 631,2 mV
Sinyal informasi pada f : 490,2 Hz dan Vpp : 975,0 mV
3.1.2 Penguat Op Amp Tx
Penguat yang digunakan pada Proyek Akhir ini adalah jenis penguatan tak membalik (non-inverting) agar tegangan masukannya mempunyai fasa yang sama dengan tegangan yang dihasilkan.
Untuk penguat pada pemancar direncanakan mempunyai peguatan 6 kali dengan redaman 15,7 dB. Persamaan dari penguat inverting (2.3) adalah
Ri Rf Vi Vo Av= =1+ mV Vo 2 , 631 6= Vo = 3787,2 mV
dari rencana perancangan diatas dengan nilai Ri sebesar 10 kΩ maka
6 = 1+ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 10000 Rf Rf = 5 Ri Rf = 50000 = 50 kΩ
Sehingga jika diambil harga nilai Rf = 10 kΩ maka besarnya nilai Ri =
2,134 kΩ, Ri digunakan R = 1 kΩ yang diseri dengan resistor 1,5 kΩ
Bagian penentuan V-offset
Voffset = 1 2 2 R R R + × (-V)
Voffset = - 2,66 volt dan (-V) = 12 volt 2,66 volt= 1 2 2 R R R + ×12 volt 1 2 2 R R R + = 12 66 , 2 12 R2 – 2,66 R2 = 2,66 R1 9,34 R 2 = 2,66 R1 R2 = 3,5 R1 Jika diambil R2 = 10 kΩ Maka R1= 2,84 kΩ
digunakan resistor Rpot = 5 kΩ dan diatur supaya didapat nilai R yang hampir sama dengan yang diinginkan
Sehingga rangkaian penguat dari pengondisi sinyal atau microphone dan dari photo transistor dapat dirancang dengan nilai-nilai komponen seperti diatas, Perhatikan gambar 3.2 rangkaian penguat op amp Tx.
LM74 1 + -10 k 2 k 100 k 10 uF 1 uF Vin dari Microphone Vout ke LPF 15 KHz
Gambar 3.2 Penguat Op Amp Tx
Dipasangnya Ci pada rangkaian penguat op amp diatas adalah untuk menahan setiap sinyal DC yang datang dari tahapan sebelumnya yang turut diperkuat serta untuk membantu menahan setiap derau frekuensi rendah yang turut masuk.
3.1 Filter LPF 15 KHz Tx – Rx dan LPF 95 KHz Rx
3.2.1 Filter LPF 15 KHz Pemancar dan Penerima
Dalam Tugas Akhir ini dipilih filter aktif karena selain untuk mem-filter frekuensi yang diinginkan juga sekaligus melakukan penguatan serta frekuensi kerja dari alat yang direalisasikan lebih sesuai bila menggunakan filter aktif yakni di bawah 1 MHz.
Sinyal keluaran dari sumber informasi (sinyal audio) akan di filter oleh rangkaian low pass filter (LPF) 15 KHz
Spesifikasi LPF 15 KHz :
a. LPF aktif jenis butterworth
b. Frekuensi cut off = 15 KHz c. Frekuensi stop band = 45 KHz
e. Redaman minimum = 60 db pada frekuensi stop band Rangkaian ini dirancang dengan frekuensi cut-off = 15 kHz sehingga dapat ditentukan nilai dari R1 = R2 dan C3 = C4 adalah:
fC = RC π 2 1 Diambil nilai C= 0,01 µf R = ) 10 01 , 0 ( ) 15000 ( 2 1 6 − × × × π R = 10.6 kΩ digunakan resistor ,10 kΩ
Berdasarkan tabel (2.3) faktor redaman (α) dapat ditentukan besarnya nilai untuk RA dan RB dalah :
Untuk bagian pertama
α = 1,932 A B R R = 2 −α A B R R = 0,068
diambil nilai RA = 100 kΩ maka RB = 6,8 kΩ Untuk bagian kedua
α = 1,414 A B R R = 0,586
Untuk bagian ketiga α = 0,518 A B R R = 1,482
Diambil nilai RA = 15 kΩ maka RB = 22 kΩ
Sehingga didapatkan hasil perancangan untuk low pass filter orde ke-6 seperti ditunjukkan dalam gambar 3.3
2K6 + -U3 LM741 3 2 6 7 1 4 5 + -LM741 3 2 6 7 1 4 5 27K 100K 6.8K 22K 47K 15K + -U1 LM741 3 2 6 7 1 4 5 10nF 10nF 10nF 10nF 10nF 10nF 2K6 2K6 2K6 2K6 2K6 VOUT ( 6 KH 10 kΩ 10 kΩ VIN 10 kΩ 10 kΩ 10 kΩ 10 kΩ z ) 15 kHz
Gambar 3.3 Rancangan LPF fC = 15 kHz Orde ke-6 Tipe Butterworth
3.2.2 Filter LPF 95 KHz Penerima Spesifikasi LPF 95KHz : a. LPF aktif jenis butterworth
b. Frekuensi cut off = 95 KHz c. Frekuensi stop band = 300 KHz
d. Redaman maksimum = 3 dB pada frekuensi cut off e. Redaman minimum = 60 dB pada frekuensi stop band
Setelah dilakukan perhitungan dengan spesifikasi filter LPF 95 KHz diatas, maka diperoleh :
Rangkaian ini dirancang dengan frekuensi cut-off = 95Hz sehingga dapat ditentukan nilai dari R1 = R2 dan C3 = C4 adalah:
fC = RC π 2 1 Diambil nilai C= 144pf R = ) 10 144 ( ) 95000 ( 2 1 9 − × × × π R = 11.7 kΩ digunakan resistor ,12 kΩ
Berdasarkan tabel (2.3) faktor redaman (α) dapat ditentukan besarnya nilai untuk RA dan RB dalah :
Untuk bagian pertama
α = 1,932 A B R R = 2 −α A B R R = 0,068
Untuk bagian kedua α = 1,414 A B R R = 0,586
Diambil nilai RA = 47 kΩ maka RB = 27 kΩ Untuk bagian ketiga
α = 0,518 A B R R = 1,482
Diambil nilai RA = 15 kΩ maka RB = 22 kΩ
Sehingga didapatkan hasil perancangan untuk low pass filter orde ke-6 seperti ditunjukkan dalam gambar 3.4
2K6 + -U3 LM741 3 2 6 7 1 4 5 + -LM741 3 2 6 7 1 4 5 27K 100K 6.8K 22K 47K 15K + -U1 LM741 3 2 6 7 1 4 5 10nF 10nF 10nF 10nF 10nF 10nF 144pF 2K6 2K6 2K6 2K6 2K6 VOUT ( 6 KHz ) VIN 144pF 12 kΩ 12 kΩ 12 kΩ 12 kΩ 144pF 144pF 144pF 12 kΩ 12 kΩ 95 KHz 144pF
3.2 Modulator dan Demodulator FM-PLL
3.3.1 Modulator
Cara kerja modulator PLL adalah frekuensi output dari VCO akan dibagi oleh N dan di feed back ke phase comparator PLL yang kemudian akan dibandingkan dengan frekuensi dari crystal referensi (fo). Phase comparator akan menghasilkan tegangan koreksi sesuai dengan perbedaan antara kedua frekuensi. Tegangan koreksi ini akan ditambahkan ke sinyal pemodulasi masukan dan diteruskan ke masukan VCO. Tegangan koreksi ini akan mengubah frekuensi VCO ke harga yang sesuai. LPF berguna untuk menghindari frekuensi output VCO berubah-ubah tegangan, feed back ke VCO dan menggagalkan proses modulasi. Selain itu, LPF juga berguna untuk menjaga proses looping tidak di lock pada frekuensi sisi.
3.2.1.1Rangkaian Penjumlah
Rangkaian penjumlah adalah rangkaian yang akan menggabungkan tegangan sinyal pemodulasi dengan tegangan keluaran LPF loop baru kemudian masuk ke VCO sehingga terjadilah pross modulasi frekuensi. Penguat penjumlah dalam sistem ini digunakan untuk menggabungkan beberapa sinyal masukan menjadi satu sinyal keluaran, penguat penjumlah dirancang dengan menggunakan op-amp IC 741. Dalam sistem ini digunakan penguat penjumlah secara langsung. Sinyal keluaran ac dari VCO pin 9 dan keluaran dari LPF 15 Khz digabungkan sehingga dihasilkan satu sinyal keluaran sebelum dipancarkan oleh pemancar FM. Jika diketahui sinyal masukan :
Vi1 =A1sin(ω1t)
Maka
Vo =A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)………..(3.6) Untuk A1=A2 sehingga
Vo = A(sin(ω1t) +sin(ω2t))….………….(3.7) Berdasarkan Persamaan (2.32) maka dapat ditentukan besarnya RB dan R1
dan R2 agar level tegangan pada keluaran penguat penjumlah masih dapat
ditransmisikan oleh pemancar FM.
Diketahui dari lembar data sheet IC MC14046B besarnya frekuensi VCOout jika VCOin =
2 1
VDD
Dimana VDD = 5 Volt jadi diambil VCOout = 2,5 Volt
Dengan Vi1adalah Vout VCO = 2,5 sin(ω1t)
Dan Vi2 adalah Vout dari LPF 15 Khz = 2,5 sin(ω2t)
Diambil harga R1 = R2
sehingga untuk R1 = 10 kΩ maka RB = 10 kΩ.
Maka hasil penjumlahannya adalah
Vout = − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + (2,5) 10 10 ) 5 , 2 ( 10 10 k k k k
Vout = −( 2,5 (sin(ω1t) +sin(ω2t)) ) Volt
Besarnya nilai Kapasistor – kapasitor dari penguat penjumlah AC dapat ditentukan dengan persamaan : R = C fc× × π 2 1
R = ) 10 1 , 0 ( ) 10 15 ( ) 2 ( 1 6 3 × × − × × π R = 265,40 Ω
digunakan Rpot = 10 kΩ dan diatur pada nilai R = 265,40 Ω Untuk dengan frekuensi = 95 kHz
R = ) 10 1 , 0 ( ) 95000 ( ) 2 ( 1 6 − × × × π R = 227,47 Ω
Digunakan Rpot = 10 kΩ dan diatur pada nilai resistor 227,47 Ω
Sehingga rancangan rangkaian penguat penjumlah tersebut dapat ditunjukkan pada gambar 3.5. -+ LM741 3 2 6 7 1 4 5 10K 10K 10K VCC -12V VCC +12V 0,1 uF 0,1 uF VIN 1 VIN 2
Gambar 3 5 Rancangan Penguat Penjumlah 3.2.1.2Rangkaian Osilator Referensi
Untuk menghasilkan frekuensi referensi sebesar 10 KHz yang stabil, digunakan osilator crystal. Untuk realisasinya dalam proyek akhir ini
menggunakan IC TC5082. Rangkaian dasarnya ditunjukkan pada gambar 3.6 dibawah ini :
1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 nF 60 pF 33 pF 10 uF X-Tal VCC K eP has a C om pa ra to r
Gambar 3.6 Rancangan osilator referensi dan pembagi frekuensi
Selain sebagai osilator referensi, IC TC5082 ini juga berfungsi sebagai pembagi frekuensi.
3.3.2 Demodulator
Prinsip kerja demodulator FM-PLL adalah dengan menghubungkan keluaran detektor fasa yang memiliki fungsi untuk mengubah perbedaan fasa sinyal termodulasi FM dan keluaran VCO menjadi tegangan ke LPF loop, kemudian menghubungkan keluaran LPF loop ke masukan VCO, akan terbentuk sebuah PLL yang mampu mengunci sinyal masukannya, jika dibuat agar daerah kuncian dari PLL cukup lebar sehingga mampu untuk mengikuti perubahan frekuensi sinyal masukan tanpa proses yang menggelincir, maka sebuah PLL dapat digunakan sebagai demodulator.
3.3.2.1Detektor fasa
Detektor fasa adalah subsistem PLL yang berfungsi untuk mendeteksi adanya perbedaan fasa antara simyal masukan demodulator dengan sinyal umpan balik VCO.
Demodulator menggunakan IC MC 14046 B yang mempunyai dua buah detektor fasa. Pada tugas akhir ini akan menggunakan detektor fasa jenis edge triggered karena detektor fasa ini tidak tergantung pada duty cycle sinyal yang masuk pada detektor fasa.
Perhitungan nilai Kd pada detektor fasa berdasarkan rumus pendekatan dari pabrik IC MC 14046 B. θe = θmax - θmin = π Kd = e V V θ min max− = π 0 12− = 3,82 V/rad/det
3.3.2.2Voltage Controlled Oscillator (VCO) Modulator dan Demodulator Jangkauan VCO ditentukan oleh banyaknya kapasitor C dan R1, R2. Dalam perancangan tugas akhir ini ditentukan fmin= 10 Khz, fmax= 100 KHz serta C = , maka didapat : ) 32 ( 1 min pF C Rb f + = ; maka Rb = 96,899 KΩ min max ) 32 ( 1 f pF C Ra f + + = ; maka Ra = 10,766 KΩ
Nilai perhitungan diatas adalah nilai pendekatan yang tertera pada data sheet MC 14046B yang mempunyai kemungkinan error 20%.
Nilai sensitivitas VCO : 2 . . 2 − ∆ = Vcc f Kv π VCO = 56,52 Krad/det/V
MC14046B
GND
8
DEMOD OUT
10
VDD
16
C1A
6
C1B
7
R1
11
R2
12
ZENER
15
PHCOMP I OUT
2
PHCOMP II OUT
13
PHPULSE
1
VCOOUT
4
COMPIN
3
INH
5
SIGIN
14
VCOIN
9
1 M
10 K
VCC +5V
10 nF
VCO out ( 2kHz - 6kHz )
Vin ( 2,23 V - 3,42 V)
100 kΩ 1nF 15 Khz 10 kΩ 10 Khz-100KhzGambar 3.7 Rancangan VCO
3.3.2.3LPF Loop Modulator dan Demodulator Langkah perancangan filter LPF loop adalah : a. Menentukan lebar pita FM masukan demodulator
Dari spesifikasi modulator, ∆f = 30 KHz, fm = 15 KHz dan fr = 50 KHz. Maka BWFM = 2 (∆f +fm )
= 90 KHz
b. Mencari daerah kuncian maksimum ∆ω\L = 2 FM BW = 282,6 Krad/det c. Mencari frekuensi natural
Dengan faktor redaman 0,707 dan overshoot 20%
ωn = ζ ω . 2 L ∆ = 201,86 Krad/det
d. Mencari nilai nilai resistor LPF loop jika ditentukan C = 1,5 nF Dari perhitungan sebelumnya didapat :
Kv = 56,52 Krad/det/V Kd = 3,82 V/rad/det Maka : Modulator : R5 = C Kv Kd n n / . . 5 , 0 ⎭⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − ω ς = 0,23 Ω R4 = 5 . . 2 R C Kv Kd n − ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ω = 1,0.7 MΩ Demodulator : R5 = C Kv Kd n n / . . 5 , 0 ⎭⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − ω ς = 2 K Ω R6 = 5 . . 2 R C Kv Kd n − ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ω = 1,5 KΩ
R 5 R 4 C 5 Input dari Phasa Comparator Output ke
Rangkaian Penj umlah
Gambar 3.8 Rangkaian LPF loop modulator dan demodulator
Dari perancangan per bagian dari rangkaian modulator tersebut diatas dapat digambarkan rangkaian Modulator secara keseluruhan adalah sebagai berikut : 1 7 6 5 4 3 2 8 9 111 12 13 14 15 16 10 M C 14 0 4 6B 10 k 100 k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10uF 10uF X-Tal -+ -+ 10 k 33pF 2,2nF 1,1nF -+ C1 VCO out ke LED Driver Dari LPF 15 KHz 10 k 10 k 10 k 10 k 140 10 k 56 k 100nF 2,2nF
3.4 Driver LED dan LED
LED yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah LED55C yang mempunyai spesifikasi sebagai berikut :
1. Arus forward (IF) = 100 mA
2. Tegangan reverse = 3 V
3. Disipasi daya (pada temperature 250 ) = 170 mW
4. Peak emission wavelength (λ ) = 940 nm (pada IF = 100 mA) 5. Sudut emission pada ½ daya = ±80 pada IF = 100 mA
LM74 1 BC549 6,8 K Rl 120 Ohm 10mikro, 16 V Vcc Vcc Vcc Vcc -+
Cahaya yang dihasilkan dari LED digunakan sebagai pembawa informasi menuju udara bebas sebagai media transmisi yang digunakan dalam tugas akhir ini. Perubahan intensitas cahaya LED sangat tergantung dari perubahan arus DC yang mengalir dalam LED, sehingga dibutuhkan rangkaian LED driver (rangkaian pengendali LED).
Gambar 3 10 Rangkaian LED driver
Dengan melihat datasheet, VE = 1,5 Volt s.d 12 volt
IE min = 12,5 mA IE max = 100 mA Pmin = 18,750 mWatt Pmax = 1,2 Watt
Dengan
R VE
IE= , maka diperoleh RL min = 120 Ohm dan RL max = 15 Ohm
dan P max = VE x R diperoleh P max = 1,2 watt ini berarti RL yang dibutuhkan sebesar 120 Ohm, ≥ 1,2 watt.
3.5 Detektor Cahaya dan Penguat Rx
3.5.1 Photoransistor
Phototransistor yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah
phototransistor NPN L14G3 yang cocok digunakan sebagai detektor cahaya dari sumber cahaya LED 55C.
Spesifikasi dari phototransistor jenis ini adalah :
1. Turn on time = 8 µs
2. Turn off time = 7 µs
3. Disipasi daya (pada temperature ambient 250 C) = 300 mW
RL Vout ke Pre Amplifier Vcc Ket ngan : Pho ransistor L14G3 Rl 00 Ohm era tot = 1
4. Sumber cahaya adalah LED GaAs yang mengemisikan cahaya pada panjang gelombang = 940 nm.
Tegangan yang melintasi RL :
Nilai RL sebesar 100 Ohm
L E RL I R
V = .
dimana : IE = (1+h.f.e) IB
Dengan : h = konstanta plank (6,63.10-34 Js)
c = cepat rambat cahaya diudara (3.108 m/s)
η = efisiensi kuantum e = muatan electron (1,6.10-19 C) 100 . . . . . ) . . 1 ( c h p e e f h VRL λ η + = ≈ 136,8 mVolt Nilai VRL = 136,8 mVolt
Sinyal cahaya yang termodulasi FM diubah oleh phototransistor menjadi arus listrik yang besarnya sebanding dengan daya optik yang diterima. Timbulnya arus listrik menyebabkan adanya tegangan yang melintasi beban RL. Karena
tegangan yang melintasi beban besarnya dalam orde beberapa mVolt, maka diperlukan penguat tegangan agar sinyal termodulasi FM yang diterima dapat menggerakkan blok selanjutnya.
3.5.2 Penguat Op Amp pada Penerima
Penguatan yang direncanakan memiliki penguatan minimum 60 dB pada frekuensi gerak bebas PLL.
LM741 + -10 Kohm 10 M ohm 100Kohm 10 uF,25v 1uF,16v Vin dari Phototransistor Vout ke LPF 95 KHz
Gambar 3.12 Rangkaian penguat op amp Rx
3.6 Penguat Audio dan Speaker
3.6.1 IC TBA820M
IC TBA820M merupakan penguat audio yang cocok digunakan untuk frekuensi rendah , yakni penguat audio kelas B. Selain itu, IC ini mempunyai range power supply yang bervariasi yakni 3V s.d 16V yang cocok digunakan sebagai penguat audio tape recorder dan memiliki konsumsi daya yang rendah. 3.6.2 Speaker
Loud speaker adalah alat yang dapat mengubah sinyal listrik menjadi sinyal suara. Sehingga kita dapat memantau apakah sinyal yang masuk pada sistem akan sama dengan sinyal yang keluar dari sistem.
Loud speaker yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah loud speaker dengan hambatan 8 ohm dan daya 0,4 watt.
