Modulasi Gelombang | 1 A. PENDAHULUAN
Modulasi gelombang pada dasarnya adalah proses yang mengubah karakteristik tertentu dari suatu gelombang menurut pola osilasi gelombang yang lain. Melalui proses ini, karakteristik gelombang kedua dapat di”tumpangkan” pada gelombang pertama dan kemudian dipisahkan kembali bilamana perlu. Dalam teknik komunikasi, gelombang atau sinyal pita dasar (baseband) pada umumnya dikirimkan kepada sasaran yang berjarak jauh dengan memodulasi suatu gelombang pembawa (carrier wave) berfrekuensi dan berdaya relatif tinggi. Dalam hal ini, sinyal pita dasar tersebut dikenal sebagai gelombang modulasi.
Keuntungan utama yang diperoleh dari teknik modulasi dalam sistem komunikasi adalah antara lain:
a. Memungkinkan pengiriman sinyal lemah dengan diikuti gelombang
pembawa yang berdaya tinggi (dapat diatur).
b. Reduksi ukuran antena karena pengiriman sinyal dilaksanakan melalui gelombang pembawa yang memiliki frekuensi tinggi (panjang gelombang pendek).
c. Memungkinkan pengaturan dan alokasi daerah frekuensi terpisah
Selain itu teknik modulasi juga bermanfaat dalam pengukuran atau eksperimen ilmiah. Kegunaan terutama adalah:
a. Peningkatan perbandingan S/N (signal to noise ratio) baik dengan menghindari daerah frekuensi berbising (noisy) atau dengan memberi sensitivitas lebih tinggi kepada sistem deteksi yang bersangkutan (misal dengan menggunakan “chopper” dan modus deteksi sinkron).
b. Memungkinkan konversi kawasan (domain) data, misalnya antara tegangan
listrik dan frekuensi atau antara data analog dan data digital.
Berdasarkan kegunaan yang telah dipaparkan diatas, maka dalam paper ini akan dijelaskan lebih lanjut mengenai:
a. Pengertian Modulasi
b. Modulasi Analog
Modulasi Gelombang | 2 1. Pengertian Modulasi
Modulasi merupakan proses mengubah-ubah parameter suatu sinyal (sinyal pembawa atau carrier) dengan menggunakan sinyal yang lain (yaitu sinyal pemodulasi yang berupa sinyal informasi). Sinyal informasi dapat berbentuk sinyal audio, sinyal video, atau sinyal yang lain.
Dengan memanfaatkan masing-masing sinyal, maka modulasi dapat digunakan untuk mentransmisikan sinyal informasi pada daerah yang luas dan jauh. Sebagai contoh sinyal informasi (suara, gambar, data), agar dapat dikirim ke tempat lain, sinyal tersebut harus ditumpangkan pada sinyal lain. Dalam konteks radio siaran, sinyal yang menumpang adalah sinyal suara, sedangkan yang ditumpangi adalah sinyal radio yang disebut sinyal pembawa (carrier). Jenis dan cara digital. Penumpangan sinyal suara juga akan berbeda dengan penumpangan sinyal gambar, sinyal film, atau sinyal yang lain.
Dengan proses modulasi, suatu informasi (biasanya berfrekuensi rendah) bisa dimasukkan ke dalam suatu gelombang pembawa, biasanya berupa gelombang sinus berfrekuensi tinggi. Terdapat tiga parameter kunci pada suatu gelombang sinusoidal yaitu amplitudo, fase dan frekuensi. Ketiga parameter tersebut dapat dimodifikasi sesuai dengan sinyal informasi (berfrekuensi rendah) untuk membentuk sinyal yang termodulasi.
Peralatan yang digunakan untuk melaksanakan proses modulasi adalah modulator, sedangkan peralatan untuk memperoleh informasi awal (kebalikan dari proses modulasi) disebut demodulator dan peralatan yang melaksanakan kedua proses tersebut disebut modem.
Fungsi modulasi adalah merubah atau menempatkan frekuensi rendah menjadi frekuensi yang lebih tinggi agar dapat dikirimkan/ditransmisikan melalui media transmisi. Sinyal informasi biasanya memiliki spectrum yang rendah dan rentan untuk terganggu oleh noise. Sedangkan pada transmisi dibutuhkan sinyal yang memiki spectrum yang tinggi dan dibutuhkan modulasi untuk memindahkan posisi spectrum dari sinyal data, dari pita spectrum yang rendah ke spectrum yang jauh lebih tinggi. Hal ini pada transmisi data tanpa kabel ( dengan antena), dengan
Modulasi Gelombang | 3
membesarnya data frekuensi yang dikirim maka dimensi antenna yang digunakan akan mengecil.
1. Transmisi menjadi efisien atau memudahkan pemancaran.
2. Masalah perangkat keras jadi lebih mudah, jika f/fc ~ 1 – 10 % 3. Menekan derau atau interferensi.
4. Untuk memudahkan pengaturan alokasi frekuensi radio (diterbitkan oleh ITUT).
5. Untuk multiplexing : proses penggabungan beberapa sinyal informasi untuk disalurkan secara bersama-sama melalui suatu kanal transmisi.
Teknik modulasi pada dasarnya dapat dibagi menjadi teknik analog dan teknik digital. Perbedaan mendasar antara modulasi analog dan modulasi digital teletak pada bentuk sinyal informasinya. Pada modulasi analog, sinyal informasinya berbentuk analog dan sinyal pembawanya analog. Sedangkan pada modulasi digital, sinyal informasinya berbentuk digital dan sinyal pembawanya analog.
Perbedaan utama antara modulasi digital dan modulasi analog adalah pesan yang ditransmisikan untuk sistem modulasi digital mewakili seperangkat simbol-simbol abstrak. (misalnya 0 s dan I s untuk sistem transmisi biner), sedangkan dalam sistem modulasi analog, sinyal pesan adalah kontinyu. Untuk mengirim pesan digital, modulasi digital mengalokasikan sepotong waktu yang disebut interval sinyal dan menghasilkan fungsi kontinyu yang mewakili simbol.
2. Modulasi Analog
Modulasi analog adalah komunikasi yang mentransmisikan sinyal-sinyal analog yaitu time signal yang berada pada nilai kontinu pada interval waktu yang terdefinisikan. Pada modulasi analog, proses modulasi merupakan respon atas informasi sinyal analog.
Sinyal analog adalah sinyal data dalam bentuk gelombang yang kontinyu, yang membawa informasi dengan mengubah karakteristik gelombangnya. Sinyal analog bekerja dengan mentransmisikan suara dan gambar dalam bentuk gelombang kontinyu (continous varying). Dua parameter/karakteristik terpenting yang dimiliki oleh isyarat analog adalah amplitudo dan frekuensi. Isyarat analog biasanya dinyatakan dengan gelombang sinus, mengingat gelombang sinus merupakan dasar
Modulasi Gelombang | 4
untuk semua bentuk isyarat analog. Hal ini didasarkan kenyataan bahwa berdasarkan analisis fourier, suatu sinyal analog dapat diperoleh dari perpaduan dari sejumlah gelombang sinus. Dengan menggunakan sinyal analog, maka jangkauan transmisi data dapat mencapai jarak jauh, tetapi sinyal ini mudah terpengaruhi oleh noise.
Gelombang pada sinyal analog yang umumnya berbentuk gelombang sinus memiliki tiga variabel dasar, yaitu amplitudo, frekuensi dan phase.
a. Amplitudo merupakan ukuran tinggi rendahnya tegangan dari sinyal analog. b. Frekuensi adalah jumlah gelombang sinyal analog dalam satuan detik. c. Phase adalah besar sudut dari sinyal analog pada saat tertentu.
Berdasarkan parameter sinyal yang diubah-ubah, modulasi analog dapat dibedakan menjadi beberapa jenis:
a. Modulasi amplitudo (AM, Amplitudo Modulation)
Pada modulasi amplitudo, sinyal pemodulasi atau sinyal informasi mengubah-ubah amplitudo sinyal pembawa. Besarnya amplitudo sinyal pembawa akan berbanding lurus dengan amplitudo sinyal pemodulasi. b. Modulasi frekuensi (FM, Frequency Modulation)
Pada modulasi frekuensi, sinyal pemodulasi atau sinyal informasi mengubah-ubah frekuensi sinyal pembawa. Besarnya frekuensi sinyal pembawa akan berbanding lurus dengan amplitudo sinyal pemodulasi. c. Modulasi Fasa (PM, Phase Modulation)
Pada modulasi fasa, sinyal pemodulasi atau sinyal informasi mengubah-ubah fasa sinyal pembawa. Besarnya fasa sinyal pembawa akan berbanding lurus dengan amplitudo sinyal pemodulasi.
Teknik umum yang dipakai dalam modulasi analog :
a. Angle Modulation
1) Modulasi Fase (Phase Modulation – PM)
2) Modulasi Frekuensi (Frequency Modulation – FM)
b. Modulasi Amplitudo (Amplitudo Modulation – AM)
1) Double-sideband modulation with unsuppressed carrier (used on the radio AM band)
Modulasi Gelombang | 5
3) Double-sideband reduced carrier transmission (DSB-RC)
4) Single-sideband modulation (SSB, or SSB-AM), very similar to single-sideband suppressed carrier modulation (SSB-SC)
5) Vestigial-sideband modulation (VSB, or VSB-AM)
6) Quadrature amplitude modulation (QAM)
a. Modulasi Amplitudo
Modulasi amplitudo yaitu peristiwa modulasi yang terjadi dengan merubah-ubah amplitudo gelombang informasi. Atau juga disebut proses menumpangkan sinyal informasi ke sinyal pembawa (carrier) dengan sedemikian rupa sehingga amplitudo gelombang pembawa berubah-ubah sesuai dengan perubahan simpangan (tegangan) sinyal informasi.
Modulasi jenis ini adalah modulasi yang paling mudah dan sederhana, tetapi mudah dipengaruhi oleh keadaan transmisinya. Seperti : redaman oleh suara, noise, interferensi dan bentuk-bentuk gangguan lainnya. Gelombang pembawa (carrier wave) diubah amplitudonya sesuai dengan signal informasi yang akan dikirimkan. Modulasi ini disebut juga linier modulation, artinya bahwa pergeseran frekuensinya bersifat linier mengikuti signal informasi yang akan ditransmisikan.
Di pemancar radio dengan teknik AM, amplitudo gelombang carrier akan diubah seiring dengan perubahan sinyal informasi (suara) yang dimasukkan. Frekuensi gelombang carrier-nya relatife tetap. Kemudian, sinyal dilewatkan ke RF (Radio Frequency) Amplifier untuk dikuatkan agar bisa dikirim ke jarak yang jauh. Setelah itu, dipancarkan melalui antena.
Tentu saja dalam perjalanannya mencapai penerima, gelombang akan mengalami redaman (fading) oleh udara, mendapat interferensi dari frekuensi-frekuensi lain, noise, atau bentuk-bentk gangguan yang lainnya. Gangguan itu umumnya berupa variasi amplitudo sehingga mau tidak mau akan memengaruhi amplitudo gelombang yang terkirim. Akibatnya, informasi yang akan dikirim pun akan berubah, dan ujung-ujungnya mutu informasi yang diterima jelas berkurang, dan efek yang kita rasakan sangat nyata.
Modulasi Gelombang | 6
Adapun cara untuk mengurangi kerugian yang diakibatkan oleh redaman, noise, dan interferensi cukup sulit. Pengurangan amplitudo gelombang (yang mempunyai amplitudo yang lebih kecil), akan berdampak pada pengurangan sinyal asli. Sementara peningkatan amplitudo sinyal asli juga menyebabkan peningkatan amplitudo gangguan. Itu bisa diatasi dengan menggunakan teknik lain yang lebih rumit. Tapi, rangkaian penerima akan menjadi lebih mahal, sementara hasil yang diperoleh belum kualitas Hi-Fi dan belum tentu setara dengan harga yang harus dibayar.
Gambar 1. Proses moduasi amplitudo
Seperti telah dijelaskan di atas, pada modulasi amplitudo maka besarnya amplitudo sinyal pembawa akan diubah-ubah oleh sinyal pemodulasi sehingga besarnya sebanding dengan amplitudo sinyal pemodulasi tersebut. Frekuensi sinyal pembawa biasanya jauh lebih tinggi daripada frekuensi sinyal pemodulasi. Frekuensi sinyal pemodulasi biasanya merupakan sinyal pada rentang frekuensi audio (AF,
Audio Frequency) yaitu antara 20 Hz sampai dengan 20 kHz. Sedangkan frekuensi sinyal pembawa biasanya berupa sinyal radio (RF, Radio Frequency) pada rentang frekuensi tengah (MF, Mid-Frequency) yaitu antara 300 kHz sampai dengan 3 Mhz. Untuk mempermudah pembahasan, hanya akan didiskusikan modulasi dengan sinyal sinus.
Jika sinyal pemodulasi dinyatakan sebagai e
m = Vm sin ωm t dan sinyal pembawanya dinyatakan sebagai e
c = Vc sin ωc t , maka sinyal hasil modulasi disebut sinyal termodulasi atau e
Modulasi Gelombang | 7
Berikut ini adalah analisis sinyal termodulasi AM. e
AM = Vc (1 + m sin ωm t ) sin ωc t = V
c . sin ωc t + m . Vc . sin ωc t . sin ωm t = V
c . sin ωc t + ½ m.Vc.cos(ωc - ωm) t - ½ m.Vc.cos(ωc + ωm) t ...(a-1) dengan e AM : sinyal termodulasi AM e m : sinyal pemodulasi e c : sinyal pembawa V
c : amplitudo maksimum sinyal pembawa
V
m : amplitudo maksimum sinyal pemodulasi
m : indeks modulasi AM
ω
c : frekuensi sudut sinyal pembawa (radian/detik) ω
m : frekuensi sudut sinyal pemodulasi(radian/detik)
Hubungan antara frekuensi sinyal dalam hertz dengan frekuensi sudut dinyatakan sebagai:
ω = 2 π f
Gambar 2. (a) Sinyal pemodulasi (b) Sinyal pembawa (c) Sinyal termodulasi AM
Modulasi Gelombang | 8
Komponen pertama sinyal termodulasi AM (V
c sin ωc t) disebut komponen pembawa, komponen kedua ( yaitu ½ m.V
c.cos(ωc - ωm) t ) disebut komponen bidang sisi bawah atau LSB : Lower Side Band), dan komponen ketiga ( yaitu ½ m.V
c.cos(ωc + ω
m) t ) disebut komponen bidang sisi atas atau USB : Upper Side Band). Komponen pembawa mempunyai frekuensi sudut sebesar ω
c , komponen LSB mempunyai
frekuensi sudut sebesar ω
c - ωm , dan komponen USB mempunyai frekuensi sudut sebesar ω
c + ωm
Pada gambar (3) diperlihatkan spektrum frekuensi gelombang termodulasi AM yang dihasilkan oleh spektrum analyzer. Harga amplitudo masing-masing bidang sisi dinyatakan dalam harga mutlaknya.
Gambar 3. Spektrum frekuensi sinyal termodulasi AM
Indeks Modulasi AM
Derajat modulasi merupakan parameter penting dan juga sering disebut indeks modulasi AM, dinotasikan dengan m. Parameter ini merupakan perbandingan antara amplitudo puncak sinyal pemodulasi (V
m) dengan amplitudo puncak sinyal pembawa (V
c). Besarnya indeks modulasi mempunyai rentang antara 0 dan 1. Indeks modulasi sebesar nol, berarti tidak ada pemodulasian, sedangkan indeks modulasi sebesar satu merupakan pemodulasian maksimal yang dimungkinkan.
Besarnya indeks modulasi AM dinyatakan dengan persamaan:
... (a-2)
Modulasi Gelombang | 9
... (a-3)
Sampul Gelombang Termodulasi AM
Pada bagian ini akan dibahas tentang persamaan yang menyatakan amplitudo gelombang termodulasi AM. Ini juga dikenal sebagai sampul gelombang termodulasi AM. Sampul ini merupakan garis imaginer yang digambar antara nilai-nilai puncak pada setiap siklus, memberikan bentuk yang ekivalen dengan bentuk tegangan pemodulasi. e sampul = Vc + em = V c + Vm sin ωm t ... (a-c) Oleh karena V
m = m Vc maka persamaan tersebut dapat dinyatakan sebagai: e
sampul = Vc + m Vc sin ωm t = V
c ( 1 + m sin ωm t ) → sampul positif = - V
c ( 1 + m sin ωm t ) → sampul negatif ... (a-5) Gambar 4. memperlihatkan contoh sampul positif dan negatif, jika : V
Modulasi Gelombang | 10 Gambar 4. Sampul gelombang termodulasi AM
Bidang-sisi Tunggal (Single Sideband)
Sinyal termodulasi AM seperti telah dibahas di atas, terdiri dari tiga komponen yaitu komponen pembawa, komponen bidang sisi atas, dan komponen bidang sisi bawah. Sinyal ini dapat ditransmisikan atau dipancarkan secara keseluruhan ke arah
penerima. Transmisi semacam ini disebut transmisi DSBFC (Double Side Band Full
Carrier) yang berarti pemancaran dua bidang sisi (atas dan bawah) berikut dengan komponen pembawanya. Jenis transmisi yang demikian membutuhkan lebar bidang sebesar 2 f
m, dengan fm adalah frekuensi tertinggi sinyal pemodulasi.
Amplitudo puncak komponen pembawa merupakan bagian yang terbesar, yaitu V
c. Sedangkan kedua komponen yang lain mempunyai amplitudo puncak yang sama,
yaitu ½ mV
c. Hal ini berarti bahwa jika m = 1, maka setiap satuan daya pancaran DSBSC terdiri atas dua pertiga bagian komponen pembawa dan sisanya terbagi pada komponen bidang sisi atas (USB) dan bidang sisi bawah (LSB).
Modulasi Gelombang | 11
Kenyataan di atas merupakan suatu kerugian karena komponen pembawa dengan daya yang terbesar dari ketiga komponen yang ada ini, sebenarnya tidak
membawa informasi apapun. Jenis transmisi DSBSC (Double Side Band Suppressed
Carrier) merupakan jenis transmisi sinyal termodulasi AM dimana komponen pembawanya telah ditekan menjadi nol. Pada jenis ini, lebar bidang yang dibutuhkan sama dengan lebar bidang yang dibutuhkan pada transmisi DSBFC. Gambar (5) memperlihatkan sinyal termodulasi AM DSBSC.
Gambar 5. Sinyal DSBSC (a) domain waktu (b) domain frekuensi
Informasi pada sinyal termodulasi AM terkandung dalam komponen USB dan LSB. Dengan demikian, dapat dipilih opsi lain dalam pentransmisian sinyal termodulasi AM yaitu dengan mentransmisikan salah satu komponen bidang sisi, komponen USB atau LSB saja. Cara pentransmisian seperti ini disebut transmisi bidang tunggal (SSB : Single Side Band). Selain lebih hemat daya, transmisi SSB juga lebih hemat lebar bidang (yaitu hanya membutuhkan setengah dari lebar bidang yang dibutuhkan pada transmisi DSBFC). Gambar (5) memperlihatkan pemilihan komponen LSB dan USB dalam sistem SSB.
Dalam hal ini yang dipilih untuk dipancarkan adalah komponen USB. Proses pemilihan dapat dilakukan dengan cara penapisan (filtering).
Modulasi Gelombang | 12
Gambar 6. Pemilihan komponen USB untuk ditransmisikan dalam sistem SSB
Vestigial Sideband (VSB)
Penapisan salah satu komponen bidang sisi (LSB atau USB) pada transmisi SSB dapat menghemat lebar bidang dan daya pancar. Penapisan semacam ini membutuhkan cara khusus dan proses konversi. Terdapat suatu teknik intermediet antara SSB dan DSBFC yang disebut vestigial sideband (VSB), yang digunakan dalam industri televisi komersial untuk transmisi dan penerimaan sinyal video.
Dalam VSB, sebagian (vestige) komponen bidang sisi bawah (LSB) ikut ditransmisikan bersama komponen bidang sisi atas (USB) dan komponen pembawa. Hal ini dimaksudkan untuk menjamin bahwa komponen USB termasuk pembawa video benar-benar ditransmisikan secara keseluruhan. Disamping itu juga didapatkan penghematan daya dan lebar bidang jika dibandingkan dengan transmisi DSBFC.
Modulasi Gelombang | 13
Gambar 7. Format kanal standart FCC untuk transmisi gambar warna dan monokrom di US
b. Pengertian Modulasi Frekuensi (FM)
Modulasi frekuensi yaitu proses modulasi yang terjadi dengan mengubah-ubah frekuensi gelombang pembawa sesuai dengan perubahan frekuensi sinyal informasi.
Di pemancar radio dengan teknik modulasi FM, frekuensi gelombang carrier akan berubah seiring perubahan sinyal suara atau informasi lainnya. Amplitudo gelombang carrier relatif tetap. Setelah dilakukan penguatan daya sinyal (agar bisa dikirim jauh), gelombang yang telah dimodulasi dipancarkan melalui antenna.
Seperti halnya gelombang termodulasi AM, gelombang ini pun akan mengalami redaman oleh udara dan memdapat interferensi dari frekuensi-frekuensi lain, noise, atau bentuk-bentuk gangguan lainnya. Tetapi karena gangguan ini umumnya berbentuk variasi amplitudo, kecil kemungkinan dapat memengaruhi informasi yang menumpang dalam frekuensi gelombang carrier. Sehingga, mutu informasi yang diterima tetap baik. Dan, kualitas audio yang diterima juga lebih tinggi daripada kualitas audio yang dimodulasi dengan AM.
Adapun proses modulasi yang terjadi pada FM dapat dijelaskan sebagai berikut: Pembawa RF. Proses ini menghasilkan gelombang yang sudah dimodulasi dengan frekuensiyang berubah-ubah sesuai dengan perubahan frekuensi gelombang informasi yang dimodulasi. Disaat kurva gelombang informasi sedang mengarahkan ke puncak, frekuensi gelombang FM menjadi lebih rendah dari frekuensi gelombang AM. Oleh sebab itu, dikatakan bahwa band frekuensi yang dipakai pada radio FM lebih lebar dibandingkan dengan frekuensi yang dibutuhkan oleh system radio AM, yaitu band frekuensi di atas HF. Akibat penggunaan band frekuensi yang lebar ini, system FM memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan sistem AM.
Modulasi Gelombang | 14
Gambar 8. Proses Modulasi Frekuensi Kelebihan-kelebihan tersebut antara lain :
a. Pengaruh derau selama hubungan lebih kecil.
b. Dengan penggunaan daya electron yang lebih kecil dapat diproleh mutu hubungan yang sama dengan system AM.
c. Perubahan level gelombang sinyal akibat fading tidak akan terjadi, karena proses modulasi dilakukan dengan dasar perubahan frekuensi.
Berpijak pada kelebihan-kelebihan tersebut, maka system FM banyak dipakai pada hubungan komunikasi radio, mobil, STJJ (Sambungan Telepon Jarak Jauh), Handy Talky pengiriman suara pada pemancar televisi dansistem gelombang mikro (microwave). Pada system FM amplitudo dan fasenya tetap, sedangkan yang berubah-ubah adalah frekuensinya.
Seperti yang telah dipaparkan diatas, modulasi frekuensi didefinisikan sebagai deviasi frekuensi sesaat sinyal pembawa (dari frekuensi tak termodulasinya) sesuai dengan amplitudo sesaat sinyal pemodulasi. Sinyal pembawa dapat berupa gelombang sinus, sedangkan sinyal pemodulasi (informasi) dapat berupa gelombang apa saja (sinusoidal, kotak, segitiga, atau sinyal lain misalnya sinyal audio). Gambar (7) mengilustrasikan modulasi frekuensi sinyal pembawa sinusoidal dengan menggunakan sinyal pemodulasi yang juga berbentuk sinyal sinusoidal. Secara matematis, sinyal termodulasi FM dapat dinyatakan dengan :
e
FM = Vc sin ( ωc t + mf sin ωm t ) ... (b-1)
Modulasi Gelombang | 15 e FM : sinyal termodulasi FM e m : sinyal pemodulasi e c : sinyal pembawa V
c : amplitudo maksimum sinyal pembawa
m
f : indeks modulasi FM
ω
c : frekuensi sudut sinyal pembawa (radian/detik) ω
m : frekuensi sudut sinyal pemodulasi(radian/detik)
Gambar 9.(a) Sinyal pembawa (b) Sinyal pemodulasi(c) Sinyal termodulasi FM
Indeks Modulasi FM
Seperti telah dibahas, pada modulasi frekuensi maka frekuensi sinyal pembawa diubah-ubah sehingga besarnya sebanding dengan dengan besarnya amplitudo sinyal pemodulasi. Semakin besar amplitudo sinyal pemodulasi, maka semakin besar pula frekuensi sinyal termodulasi FM. Besar selisih antara frekuensi sinyal termodulasi FM pada suatu saat dengan frekuensi sinyal pembawa disebut deviasi frekuensi. Deviasi frekuensi maksimum didefinisikan sebagai selisih antara frekuensi sinyal termodulasi tertinggi dengan terendahnya.
Modulasi Gelombang | 16
Indeks modulasi FM (m
f) merupakan perbandingan antara deviasi frekuensi maksimum dengan frekuensi sinyal pemodulasi
... (b-2)
dengan
δ : deviasi frekuensi maksimum f
m : frekuensi maksimum sinyal pemodulasi m
f : indeks modulasi FM
Besarnya indeks modulasi FM dapat dipilih sebesar mungkin sejauh tersedia
bandwidth (lebar bidang) untuk keperluan transmisinya. Biasanya besarnya indeks modulasi ini akan dimaksimalkan dengan cara mengatur besarnya deviasi frekuensi maksimal yang diijinkan.
Analisis Frekuensi Gelombang Termodulasi FM
Persamaan gelombang FM dinyatakan sbb: e FM = Vc J0 mf sin ωc t + V c {J1 (mf) [sin (ωc + ωm )t - sin (ωc - ωm )t]} + V c {J2 (mf) [sin (ωc + 2ωm )t - sin (ωc - 2ωm )t]} + V c {J3 (mf) [sin (ωc + 3ωm )t - sin (ωc - 3ωm )t]} + V c {Jc (mf) [sin (ωc + cωm )t - sin (ωc - cωm )t]} + ……… ... (b-3) dengan e
FM : amplitudo sesaat gelombang termodulasi FM V
c : amplitudo puncak pembawa J
n : penyelesaian fungsi Bessel orde ke-n untuk indeks modulasi m
f : indeks modulasi FM V
c J0 (mf) sin ωc t = komponen frekuensi pembawa V
Modulasi Gelombang | 17
V
c {J2 (mf) [sin (ωc + 2ωm )t - sin (ωc - 2ωm )t]} = komp. bid. sisi ke-dua v
c {J3 (mf) [sin (ωc + 3ωm )t - sin (ωc - 3ωm )t]} = komp. bid. sisi ke-tiga V
c {Jc (mf) [sin (ωc + cωm )t - sin (ωc - cωm )t]} = komp. bid. sisi ke-empat V
c {Jc (mf) [sin (ωc + 5ωm )t - sin (ωc - 5ωm )t]} = komp. bid. sisi ke-lima dst Penyelesaian fungsi Bessel orde ke-n untuk berbagai indeks modulasi dapat dilihat pada gambar (10).
Gambar 10. Penyelesaian fungsi Bessel orde ke-n
untuk berbagai indeks modulasi
Dengan memasukkan nilai-nilai indeks modulasi, frekuensi pembawa, dan frekuensi pemodulasinya maka dapat ditentukan pula penyelesaian fungsi Bessel yang bersangkutan. Selanjutnya dapat digambarkan spektrum frekuensi sinyal termodulasi FM yang bersangkutan. Gambar (11) memperlihatkan contoh spektrum sinyal termodulasi FM.
Modulasi Gelombang | 18
Gambar 11. Spektrum sinyal termodulasi FM
Lebar-bidang Untuk FM
Lebar-bidang yang dibutuhkan untuk mentransmisikan sinyal FM adalah: BW = 2 ( n . f
m ) ... (b-c)
Dengan n adalah nilai tertinggi komponen bidang-sisi dan f
m adalah frekuensi tertinggi pemodulasi. Oleh karena pada kenyataannya nilai n mencapai tak hingga, maka secara teoritis lebar bidang yang dibutuhkan adalah tak hingga pula. Namun, amplitudo komponen bidang sisi untuk n yang bernilai besar menjadi tidak terlalu signifikan sehingga kontribusinya dapat diabaikan. Dengan pertimbangan ini, maka nilai n yang digunakan untuk menentukan lebar bidang adalah nilai n yang masih memberikan kontribusi signifikan pada amplitudo komponen bidang sisinya. Kontribusi yang dapat dianggap signifikan adalah yang memberikan tegangan sebesar minimal 1% atau – c0 dB. Hal ini dapat dilihat pada tabel fungsi Bessel, misalnya untuk m
f sebesar 5 maka jumlah n yang signifikan adalah 8 (sampai dengan J8 , untuk n > 8 diabaikan).
Pada tahun 1938 J.R. Carson menyatakan bahwa untuk mentransmisikan sinyal termodulasi FM dibutuhkan lebar bidang minimal dua kali jumlahan deviasi frekuensi dengan frekuensi maksimum sinyal termodulasi. Selanjutnya hal ini dikenal dengan
Modulasi Gelombang | 19
BW = 2 ( δ + f
m ) ... (b-5)
dengan δ adalah deviasi frekuensi dan f
m adalah frekuensi tertinggi sinyal pemodulasi. FCC telah mengalokasikan lebar bidang sebesar 200 kHz untuk siaran FM (disebut FM bidang lebar atau wideband FM). Deviasi frekuensi maksimum yang diijinkan adalah sebesar δ = ± 75 kHz. Dengan batasan ini, maka besarnya indeks modulasi juga dibatasi (mulai sebesar m
f = 5 untuk fm=15 kHz hingga sebesar m
f=1500 untuk fm=50 Hz). Gambar (10) memperlihatkan bidang frekuensi untuk siaran komersial FM.
Selain yang telah dibahas di atas, FCC juga mengalokasikan bidang frekuensi untuk siaran FM bidang sempit (narrowband FM) sebesar 10 – 30 kHz. Indeks modulasinya dibuat mendekati satu sehingga lebar bidang yang diperlukan sama dengan lebar bidang untuk sinyal AM yaitu hanya sebesar 2 x f
m. Contoh FM bidang sempit antara lain sistem radio mobil untuk polisi, dinas kebakaran, pelayanan taksi,
telefon seluler, radio amatir, dan lain-lain.
Gambar 12. Bidang frekuensi untuk siaran komersial FM
c. Modulasi Fasa (Phase Modulation)
Modulasi Fase adalah suatu bentuk modulasi yang mewakili informasi sebagai variasi dalam fase seketika dari gelombang pembawa. Tidak seperti rekannya yang lebih popular, frekuensi modulasi (FM), PM tidak terlalu banyak digunakan untuk transmisi radio. Hal ini karena cenderung cenderung memerlukan perangkat keras menerima lebih kompleks dan dapat terjadi masalah ambiguitas dalam menentukan
Modulasi Gelombang | 20
sesuatu, misalnya sinyal telah berubah tahap demi +180 0 atau – 1800 . PM digunakan, namun, dalam synthesizer music digital seperti Yamaha DX7, meskipun instrument ini biasanya disebut sebagai “FM” synthesizer (kedua jenis modulasi terdengar sangat mirip, tetapi PM biasanya lebih mudah diterapkan.
Modulasi ini menggunakan perbedaan sudut (phase) dari sinyal analog untuk membedakan kedua keadaan sinyal digital. Pada modulasi jenis ini, amplitudo dan frekuensi dari sinyal analog adalah tetap, yang berubah adalah phase sinyal analognya.
Modulasi Fase juga disebut suatu bentuk modulasi yang mempresentasikan informasi sebagai variasi fase dari sinyal pembawa. Hampir mirip dengan FM, frekuensi pembawa juga bervariasi karena variasi fase dan tidak berubah amplitudo pembawa. PM jarang digunakan karena memerlukan perangkat keras penerima yang lebih kompleks. Keuntungan PM adalah potensi gangguan dan daya yang dibutuhkan lebih kecil. Sinyal modulasi ditumpangkan pada gelombang pembawa.
Gambar 13. Proses Modulasi Fase
Sesuai dengan namanya, maka parameter sinyal carrier yang dipengaruhi oleh sinyal pemodulasi adalah, fasa. Sehingga selama proses modulasi, fasa sinyal carrier
tersebut berubah di sekitar fasa sinyal tersebut bila tanpa modulasi, C radian.
Persamaan sinyal carrier tanpa modulasi ditunjukkan pada persamaan (c-1),
eC = sin ( ωCt + C ) (c-1)
Sebagai fungsi t, fasa sinyal carrier dapat dinyatakan seperti persamaan (c-2) sebagai berikut,
Modulasi Gelombang | 21
dimana, K adalah konstanta deviasi fasa yang dapat dianalogikan dengan k untuk sistem modulasi frekuensi, dan em adalah sinyal pemodulasi, sementara C kemudian
dapat dianggap sama dengan nol. Persamaan (c-2) kemudian dapat dinyatakan seperti persamaan (c-3),
(t) = Δ. m (t) (c-3)
dimana, Δ adalah deviasi fasa maksimum, dan m (t) adalah sinyal pemodulasi. Δ
kemudian dapat dianggap sebagai index modulasi fasa, mp. Bila kemudian sinyal
pemodulasinya adalah satu sinyal sinusoidal, maka persamaan sinyal carrier dengan mo-dulasi fasa adalah,
eC = A sin ( ωCt + mp sin ωmt ) (c-4)
Bila dibandingkan persamaan (c-4) dengan persamaan carrier modulasi frekuensi yang dituliskan kembali di sini,
v = A sin ( ωCt + mf sin ωmt ) (c-5)
maka kedua persamaan tersebut nampak mirip. Karena kemiripan tersebut, maka spektrum frekuensi gelombang sinyal carrier termodulasi fasa sama dengan spektrum sinyal termodulasi frekuensi. Bila index modulasi fasa yang didefinisikan sebagai simpangan maksimum fasa, mp = c
Pembuktian PM mengandung deviasi frekuensi
Dari persamaan (c-4), yaitu persamaan gelombang termodulasi fasa dengan sinyal pemodulasi bentuk sinus, maka fasa keseluruhan carrier tersebut sebagai fungsi t adalah,
θ (t) = ωCt + mp sin ωmt (c-6)
dan frekuensi sudut sesaat (instantaneous) gelombang termodulasi fasa ini didefinisikan sebagai, ωi = dt t d( ) = ωC + ωm.mp cos ωmt (c-7)
Bila nilai feq (t) dimasukkan pada frekuensi sudut ruas kiri persamaan (c-7), maka
ruas kiri menjadi, ωC + 2π feq(t), dan persamaan (c-7) kemudian menjadi,
Modulasi Gelombang | 22 feq(t) = 2 . p m m cos ωmt feq(t) = fm. mp . cos ωmt ,
sehingga, deviasi maksimum frekuensi ekivalen sistem modulasi fasa adalah,
Δ feq = fm. mp (c-8)
Persamaan (c-7) menunjukkan bahwa, pada semua penerima sistem modulasi fasa, akan selalu menganggap atau menginterpretasi modulasi fasa sebagai modulasi frekuensi. Ini berarti bahwa, nilai sinyal output hasil demodulasi berbanding lurus dengan deviasi frekuensi sinyal termodulasi (carrier). Disamping itu persamaan (c-8) menunjukkan bah-wa, sinyal termodulasi fasa mempunyai frekuensi yang berbanding lurus dengan frekuensi sinyal pemodulasi dan nilai index modulasi fasa-nya. Untuk nilai mp konstan, maka output demodulasi sebanding dengan frekuensi sinyal
pemodulasi.
Perbedaan Sistem PM Dengan Sistem FM
Dari kedua persamaan untuk PM dan FM, yaitu persamaan (c-4) dan (c-5) nampak bahwa, bila deviasi frekuensi sinyal pemodulasi bertambah, maka pada sistem PM, deviasi fasa carrier juga bertambah besar, yang mempengaruhi juga sedikit perubahan amplitudonya. Sementara pada sistem FM, perubahan tersebut akan berpengaruh pada index modulasinya secara terbalik, yang pada akhirnya juga akan berpengaruh pada fasa carrier juga. Sehingga untuk kedua sistem tersebut sulit dibedakan bila sinyal pemodula-sinya adalah dengan frekuensi tunggal. Bila frekuensi sinyal pemodulasi berubah, maka index modulasi PM akan tetap, sementara index modulasi FM akan berubah secara berbanding terbalik terhadap perubahan frekuensi sinyal pemodulasi tersebut.
Uraian tentang perbedaan kedua sistem tersebut secara praktis adalah, apabila satu transmisi FM diterima oleh receiver PM atau sebaliknya. Bila siaram FM diterima dengan receiver PM, maka fasa frekuensi rendah (bass frequencies) akan bergeser cukup ba-nyak. Karena receiver PM penerimaannya bergantung pada pergeseran fasa, maka trans-misi FM tersebut diterimanya nampak dengan penguatan frekuensi rendah yang tidak wajar. Sebaliknya, bila transmisi PM diterima dengan
Modulasi Gelombang | 23
penerima FM, maka dalam pene-rimaan nampak level sinyal bass tidak cukup atau teredam. Sehingga untuk memberikan kompensasi keadaan itu, maka sebelum dimodulasikan secara PM, satu sinyal harus dikuatkan dahulu secukupnya untuk frekuensi rendahnya.
Rangkaian penghasil sinyal PM
Komponen yang digunakan untuk menghasilkan perubahan frekuensi pada satu osilator adalah dioda varactor yang mempunyai rangkaian yang digambarkan kembali berikut ini.
Gambar 14. Rangkaian penghasil sinyal FM dan PM
Seperti telah dijelaskan bahwa komponen dioda varactor diletakkan pada tank-circuit satu rangkaian osilator, yang menentukan nilai frekuensi osilasinya. Karena dioda varactor mempunyai karakteristik sebuah kapasitor dengan nilai kapasitansi yang berubah terhadap tegangan, maka frekuensi osilasinya juga akan berubah sesuai dengan tegangan yang diberikan secara prategangan mundur (reverse bias) pada terminalnya. Bila nilai tegangan mundur tersebut adalah tegangan sinyal pemodulasi, maka output osilator bersangkutan adalah sinyal termodulasi FM. Bila titik pengambilan output pada lilitan L tank circuit, maka output tersebut adalah sinyal termodulasi PM. Sinyal termodulasi PM diakibatkan karena fasa sudut admitansi
tank-circuit berubah-ubah.
Tentang varactor dioda, adalah satu pn-junction yang mempunyai karakteristik sebuah nilai kapasitansi, Cd , seri dengan sebuah resistor, RS. Nilai kapasitansi
ditimbulkan karena peranan pn-junction yang mirip struktur kapasitor keping sejajar,
RFC L C Cd FM out R1 R2 VCC
+
RFC sinyal pemodulasi 0,01 F PM out dc blockModulasi Gelombang | 24
sedang nilai resistansi adalah akibat sifat resistansi bahan semikonduktornya sendiri serta resistansi termi-nal komponen. Karateristik sebuah dioda varactor ditunjukkan pada Gambar (14), yaitu menunjukkan nilai kapasitansi sebagai fungsi prategangan mundur yang dialaminya.
Pada gambar (14) nampak bahwa, pada saat tegangan reverse nol, maka nilai kapasitansi va-ractor sebesar CO . Sedang pada nilai sembarang –V , nilai kapasitansi varactor mengikuti kurva karakteristik tersebut, yang nilainya ditunjukkan pada persamaan (c-8). Untuk pembahasan, dituliskan kembali persamaan tersebut sebagai persamaan (c-9). Untuk nilai –VO yang dalam hal ini adalah -VCC pada
rangkaian Gbr-2, maka nilai kapasitansinya adalah CdO .
Cd = a O V C 1 (c-9) dimana,
CO = nilai kapasitansi dioda varactor pada V = 0, Φ = potensial pada junction saat mulai on,
a = nilai index yang tergantung dari jenis junction.
V = modulus tegangan reverse yang diterima dioda varactor.
Untuk jenis dioda tertentu (silikon), maka nilai a = 0,5, dan Φ = 0,5 volt. Sehingga persamaan (c-9) menjadi,
Cd = V CO 2 1 (c-10) Cd CO CdO -|VO| -|V| RS Cd Rangkaian ekivalen
Modulasi Gelombang | 25
Gambar 15. Karakteristik Dioda Varactor
Dimisalkan osilator memberikan arus konstan pada tank-circuit, dan frekuensi konstan, maka nilai konstanta deviasi fasa, K, yaitu yang ditunjukkan pada persamaan (c-2) akan tertentu sebagai uraian berikut ini. Nilai total kapasitansi tank-circuit osilator adalah, CS = d d C C C C . (c-11)
dan pada titik kerja, nilai CSadalah CSOyang tertentu oleh nilai CdO . Nilai perubahan
atau slop perbandingan CS/ Cd pada titik kerja (dengan deferensiasi) adalah,
SS = - 2 dO SO C C (c-12)
Kemudian, nilai admitansi tank-circuit diberikan oleh hubungan,
Y = L C j RD S 1 1 (c-13) 3. Modulasi Digital
Modulasi digital adalah suatu sinyal analog di modulasi berdasarkan aliran data digital. Modulasi digital merupakan proses penumpangan sinyal digital (bit stream) ke dalam sinyal carrier. Modulasi digital sebetulnya adalah proses mengubah-ubah karakteristik dan sifat gelombang pembawa (carrier) sedemikian rupa sehingga bentuk hasilnya (modulated carrier) memiliki ciri-ciri dari bit-bit (0 atau 1) yang dikandungnya. Teknik modulasi digital pada prinsipnya merupakan variant dan metode modulasi analog.
Sinyal digital merupakan hasil teknologi yang dapat mengubah signal menjadi kombinasi urutan bilangan 0 dan 1 (juga dengan biner), sehingga tidak mudah pengaruh oleh derau, proses informasinya pun mudah, cepat dan akurat, tetapi transmisi dengan sinyal digital hanya mencapai jarak jangkauan pengiriman data yang relatif dekat. Biasanya sinyal ini juga dikenal dengan sinyal diskret.
Sinyal digital merupakan bentuk sampling dari sistim analog. Digital pada dasarnya dikodekan dalam bentuk biner (Hexa). Besarnya nilai suatu system digital
Modulasi Gelombang | 26
dibatasi oleh lebarnya atau jumlah bit atau (Bandwidth). Jumlah bit juga sangat dipengaruhi nilai akurasi sistim digital.
Sinyal digital ini memiliki berbagai keistimewaan yang unik yang tidak dapat ditemukan pada teknologi analog :
a. Mampu mengirimkan informasi dengan kecepatan cahaya yang dapat
membuat informasi yang dapat dikirimkan dengan kecepatan tinggi
b. Penggunaan yang berulang-ulang terhadap informasi yang tidak
mempengaruhi kualitas dan kuantitas informasi itu sendiri
c. Informasi dapat dengan mudah diproses dan dimodifikasi ke dalam berbagai bentuk
d. Dapat memproses informasi dalam jumlah yang sangat besar dan
mengirimnya secara interaktif
Pengolahan sinyal digital memerlukan komponen-komponen digital, register, counter, decoder, mikroprosessor, mikrokontroler dan sebagainya.
Saat ini pengolahan sinyal banyak dilakukan secara digital, karena kelebihannya antara lain :
a. Untuk menyimpan hasil pengolahan, sinyal digital lebih mudah
dibandingkan sinyal analog. Untuk menyimpan sinyal digital dapat menggunakan media digital seperti CD, DVD, Flash Disk, Harddisk. Sedangkan media penyimpanan sinyal analog adalah pita tape magnetik. b. Lebih kebal terhadap noise karena bekerja pada level „0‟ dan „1‟.
c. Lebih kebal terhadap perubahan temperatur.
d. Lebih mudah memprosesnya.
Pada dasarnya dikenal 3 prinsip atau system modulasi digital yaitu :
a. Amplitude Shift Keying (ASK)
b. Frequency Shift Keying (FSK) c. Phase Shift keying (PSK)
Modulasi Gelombang | 27 a. Amplitude Shift Keying (ASK)
Pengiriman sinyal berdasarkan pergeseran amplitude, merupakan suatu metode modulasi dengan mengubah-ubah amplitude. Dalam proses modulasi ini kemunculan frekuensi gelombang pembawa tergantung pada ada atau tidak adanya sinyal informasi digital. Keuntungan yang diperoleh dari metode ini adalah bit per baud (kecepatan digital) lebih besar. Sedangkan kesulitannya adalah dalam menentukan level acuan yang dimilikinya, yakni setiap sinyal yang diteruskan melalui saluran transmisi jarak jauh selalu dipengaruhi oleh redaman dan distorsi lainnya. Oleh sebab itu metode ASK hanya menguntungkan bila dipakai untuk hubungan jarak dekat saja. Dalam hal ini factor derau harus diperhitungkan dengan teliti, seperti juga pada system modulasi AM. Derau menindih puncak bentuk-bentuk gelombang yang berlevel banyak dan membuat mereka sukar mendeteksi dengan tepat menjadi level ambangnya.
b. Frequency Shift Keying (FSK)
Pengiriman sinyal melalui penggeseran frekuensi. Metode ini merupakan suatu bentuk modulasi yang memungkinkan gelombang modulasi menggeser frekuensi output gelombang pembawa. Pergeseran ini terjadi antara harga-harga yang telah ditentukan semula dengan gelombang output yang tidak mempunyai fase terputus-putus. Dalam proses modulasi ini besarnya frekuensi gelombang pembawa berubah-ubah sesuai dengan perberubah-ubahan ada atau tidak adanya sinyal informasi digital. FSK merupakan metode modulasi yang paling popular. Dalam proses ini gelombang pembawa digeser ke atas dan ke bawah untuk memperoleh bit 1 dan bit 0. Kondisi ini masing-masing disebut space dan mark. Keduanya merupakan standard transmisi data yang sesuai dengan rekomendasi CCITT. FSK juga tidak tergantung pada teknik on-off pemancar, seperti yang telah ditentukan sejak semula. Umumnya tipe modulasi FSK dipergunakan untuk komunikasi data dengan Bit Rate ( kecepataqn transmisi) yang relatif rendah, seperti untuk Telex dan modem-data dengan bit rate yang tidak lebih dari 2400 bps (2.4 kbps).
Modulasi Gelombang | 28 c. Phase Shift keying (PSK)
Pengiriman sinyal melalui pergeseran fase. Metode ini merupakan suatu bentuk modulasi fase yang memungkinkan fungsi pemodulasi fase gelombang termodulasi di antara nilai-nilai diskrit yang telah ditetapkan sebelumnya. Dalam proses modulasi ini fase dari frekuensi gelombang pembawa berubah-ubah sesuai dengan perubahan status sinyal informasi digital. Sudut fase harus mempunyai acuan kepada pemancar dan penerima. Akibatnya, sangat diperlukan stabilitas frekuensi pada pesawat penerima. Guna memudahkan untuk memperoleh stabilitas pada penerima, kadang-kadang dipakai suatu teknik yang koheren dengan dengan PSK yang berbeda-beda. Hubungan antara dua sudut fase yang dikirim digunakan untuk memelihara stabilitas. Dalam keadaan seperti ini, fase yang ada dapat dideteksi bila fase sebelumnya telah diketahui. Hasil perbandingan ini dapat dipakai sebagai patokan (referensi).
Dua jenis modulasi PSK yang sering kita jumpai :
a. BPSK adalah format yang paling sederhana dari PSK modulasi paling sempurna dari semua bentuk modulasi PSK. Akan tetapi modulasi ini hanya mampu memodulasi 1 bit/symbol dan dengan demikian maka modulasi ini tidak cocok untuk aplikasi data rate yang tinggi dimana bandwithnya dibatasi.
b. QPSK atau dikenal dengan sebutan quartenary PSK atau quadriphase PSK
analisis membuktikan bahwa ini digunakan untuk menggandakan data rate jika dibandingkan dengan system BPSK. BPSK digunakan pada kedua carrier dan dapat dimodulasi dengan bebas.
Modulasi Gelombang | 29 DAFTAR PUSTAKA
M.O. Tjia. 1994. Gelombang. Bandung : Jurusan Fisika-Mipa ITB
Susilawati, Indah. 2009. Kuliah 3- Modulasi Amplitudo. Yogyakarta: Universitas MercuBuana Yogyakarta.
Susilawati, Indah. 2009. Kuliah 4- Modulasi Frekuensi. Yogyakarta: Universitas MercuBuana Yogyakarta.
Susilawati, Indah. 2009. Kuliah 5- Modulasi Pulsa. Yogyakarta: Universitas MercuBuana Yogyakarta.
