Filter Band Pass Frekuensi Radio FM dengan Metode m-derived

Filter Band Pass Frekuensi Radio FM dengan

Metode m-derived

Koesmarijanto1

1_{Politeknik Negeri Malang, Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Teknik Telekomunkasi} Jl. Soekarno Hatta No. 9, PO Box 9 Malang

E-mail : koesmarijanto@polinema.ac.id Abstract—Wireless communication systems are the

mainstay of the global integration of telecommunications systems. One of the radio frequency modulation (FM) broadcasts is allocated in band 87.6 - 107.9 MHz. To avoid interference with adjacent channels, a filter device is needed which functions to limit the frequency band of the signal beam to unwanted frequencies. Filters that have a fairly good performance with a high level of steepness that is using a m-derived BPF by adding a higher number of elements. To get the performance, filter parameters were tested including bandwidth passband, bandwidth stopband, shape factor, insertion loss, and attenuation. In this study BPF measurements (without m-derived) using 7 elements produced BW passband of 25 MHz from 86 MHz to 111 MHz frequency, while at BW stopband of 67 MHz from 67 MHz to 130 MHz frequency, 2.52 shape factor, maximum insertion loss of 6 dB and minimum insertion loss of 3 dB. While the m-derived BPF produced BW passband of 29 MHz from the frequency of 79 MHz to 115 MHz, while the BW stopband of 53 MHz from the frequency of 67 MHz to 132 MHz, shape factor 1.83, maximum insertion loss of 4.5 dB and insertion minimum loss of 1.5 dB. Thus the m-derived BPF has better performance parameters compared to the BPF without m-derived.

Index Terms—band pass filter, m-derived, insertion loss, bandwidth, shape factor

Abstrak–-Paper Sistem komunikasi nirkabel (wireless)

merupakan andalan terselenggarnya integrasi sistem telekomunikasi secara global. Salah satu penyelenggaraan siaran radio frequency modulation (FM) dialokasikan pada pita frekuensi 87,6 – 107,9 MHz. Untuk menghindari terjadinya interferensi kanal bersebelahan, dibutuhkan perangkat filter yang berfungsi membatasi pita frekuensi pancaran sinyal pada frekuensi yang tidak diinginkan. Filter yang memiliki performansi cukup baik dengan tingkat kecuraman yang cukup tinggi yaitu menggunakan BPF m-derived dengan menambahkan jumlah elemen yang lebih banyak. Untuk mendapatkan performansi dilakukan pengujian parameter filter antara lain bandwidth passband,

bandwidth stopband, shape factor, insertion loss, dan

pelemahan. Pada penelitian ini dilakukan pengukuran BPF (tanpa m-derived) menggunakan 7 elemen dihasilkan BW

passband sebesar 25 MHz dari frekuensi 86 MHz sampai

111 MHz, sedangkan pada BW stopband sebesar 67 MHz dari frekuensi 67 MHz sampai 130 MHz, shape factor 2,52,

insertion loss maksimum sebesar 6 dB dan insertion loss

minimum sebesar 3 dB. Sedangkan BPF m-derived dihasilkan BW passband sebesar 29 MHz dari frekuensi 79 MHz sampai 115 MHz, sedangkan pada BW stopband sebesar 53 MHz dari frekuensi 67 MHz sampai 132 MHz,

shape factor 1,83, insertion loss maksimum sebesar 4,5 dB

dan insertion loss minimum sebesar 1,5 dB. Dengan demikian BPF m-derived mempunyai performansi parameter lebik baik dibandingkan dengan BPF tanpa

m-derived.

Kata kunci : band pass filter, m-derived, insertion loss,

bandwidth, shape factor

I. PENDAHULUAN

Sistem komunikasi yang merupakan andalan bagi terselenggaranya integrasi sistem telekomunikasi secara global adalah sistem komunikasi nirkabel (wireless). Sistem komunikasi wireless memudahkan kita dalam melakukan komunikasi dimanapun kita berada. Salah satu komunikasi wireless yang sering digunakan saat ini adalah siaran radio FM.

Frekuensi siaran radio FM [2] berdasarkan Peraturan Menteri Komunikasi dan Informatika Republik Indonesia Nomor 3 Tahun 2017 tentang Rencana Induk Frekeunsi Radio untuk Keperluan Penyelenggaraan Radio Siaran Frequency Modulation yang terkait dengan perencaan kanal dialokasikan pada pita frekuensi 87,6 – 107,9 MHz [1]. Sedangkan pada frekuensi 74,8 – 75,2 MHz digunakan untuk radio navigasi penerbangan. Untuk menghindari terjadinya interferensi pada pemancaran sinyal radio FM, dibutuhkan sebuah perangkat filter yang berfungsi menahan pemancaran sinyal pada frekuensi yang tidak diinginkan. Fungsi filter adalah melakukan fungsi peredaman pada daerah stopband dan mentransmisikan sinyal secara sempurna pada daerah passband sehingga keluaran dari filter merupakan sinyal dengan frekuensi pada daerah yang diinginkan. Salah satu jenis filter yang dapat digunakan pada pemancaran radio FM adalah Bandpass filter [3]. Bandpass filter menyaring sinyal dengan batas dua frekuensi yaitu frekuensi atas dan frekuensi bawah.

Filter m-derived section ini mampu menjaga nilai impedansi sehingga dapat meningkatkan respon sinyal mendekati cut-off dan mengurangi loss pada rangkaian filter [4]. Pada penelitian ini dibuat sistem filter bandpass radio FM pada frekuensi 88 – 108 MHz dengan menambahkan rangkaian m-derived section [8] yang berfungsi memberi kecuraman pada cut-off tanpa memerlukan komponen yang banyak sehingga performansi filter yang digunakan mencapai hasil yang maksimal dan mengurangi ukuran filter.

A. Filter

Filter adalah rangkaian atau perangkat yang memilih frekuensi yang dinginkan. Filter dirancang untuk melewatkan beberapa frekuensi dan menolak frekuensi lain [5]. Filter merupakan sebuah perangkat yang memiliki dua port untuk mengatur respon frekuensi secara tepat pada frekuensi radio atau sistem gelombang mikro dengan menetapkan transmisi pada frekuensi passband dan atenuasi pada stopband. Filter terdiri dari RC filter yang digunakan untuk frekuensi rendah dan LC filter yang digunakan pada frekuensi tinggi. Komponen

yang digunakan pada LC filter adalah induktor dan kapasitor.

Gambar 1. Respon filter praktis [6]

Gambar 2. Respon sinyal bandpass filter dengan m-derived

B. Filter LC

Filter RC digunakan terutama pada frekuensi rendah terutama pada frekuensi audio tetapi jarang digunakan di atas sekitar 100 kHz. Pada frekuensi radio, atenuasi passband filter RC terlalu besar, dan kemiringan cutoff terlalu bertingkat. Frekuensi tinggi lebih banyak menggunakan filter LC dibuat dengan komponen induktor dan kapasitor. Induktor untuk frekuensi rendah fisiknya besar, tebal, dan mahal, tetapi digunakan pada frekuensi tinggi sangat kecil, ringan, dan murah. Selama bertahun-tahun, banyak jenis filter LC telah dikembangkan [7]. Metode desain filter juga telah berubah, berkat desain komputer.

Gambar 3. Konfigurasi filter low-pass dan high-pass T- section [5]

Filter konstan-k terdapat kerugian tingkat atenuasi relatif lambat setelah cutoff, dan impedansi yang tidak konstan. Bagian filter m-derived adalah modifikasi dari bagian konstanta-k yang dirancang untuk mengatasi masalah ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 impedansi Z1 dan Z2 dalam konstanta-k T-section diganti dengan Z’1 dan Z’2 [4].

(a) Low-pass T-ssection. (b) High-pass T-section Gambar 4. Filter m-derived section [4]

II. PERANCANGAN FILTER

Penentuan jumlah elemen berdasarkan frekeunsi kerja dan frekuensi cutoff,

c f

f

Gambar 5 Grafik karakteristik atenuasi filter Chebyshev dengan ripple 0,01 dB [6]

1. Low-pass Filter

Respon frekuensi pada low-pass filter, frekuensi cutoff adalah 108,5 MHz dan frekuensi atenuasi adalah 160 MHz. f = 160 MHz fc = 108,5 MHz 47 , 1 5 , 108160   c f f

Jadi nilai perbandingan frekuensi adalah 1,47. Untuk mengetahui jumlah elemen yang dibutuhkan dapat dilihat pada Gambar 3.3 jumlah elemen yang dibutuhkan untuk perbandingan frekuensi 1,47 dengan atenuasi -20 dB adalah >6. Sehingga pada perancangan ini menggunakan elemen sebanyak 7 elemen.

2. Highpass Filter

Respon frekuensi pada high-pass filter, frekuensi cutoff adalah 87,5 MHz dan frekuensi atenuasi adalah 60 MHz. f = 60 MHz fc = 87,5 MHz 45 , 1 5 , 8760   c f f

Jadi nilai perbandingan frekuensi adalah 1,45. Untuk mengetahui jumlah elemen yang dibutuhkan dapat dilihat pada Gambar 3.3 jumlah elemen yang dibutuhkan untuk perbandingan frekuensi 1,45 dengan atenuasi -20 dB adalah >6. Sehingga pada desain ini menggunakan elemen sebanyak 7 elemen.

Nilai komponen perancangan filter dapat ditentukan dengan menggunakan Tabel 1. Jumlah elemen yang digunakan adalah 7 elemen dan perbandingan impedansi input dengan impedansi beban adalah 1.

TABELI

TABEL ORDE CHEBYSHEV RIPPLE 0.01 DB

Nilai komponen pada perancangan filter dapat ditentukan dengan melihat Tabel 3.1. Seperti yang sudah diketahui, jumlah elemen yang digunakan adalah 7 elemen dan perbandingan impedansi input dengan impedansi beban adalah 1. Sehingga diketahui nilai komponen yang belum ternormalisasi adalah :

L1 = 0,913 H C2 = 1,595 F L3 = 2,002 H C4 = 1,870 F L5 = 2,002 H C6 = 1,595 F L7 = 0,913 H

Setelah mengetahui nilai sebelum dinormalisasi, maka dilakukan perhitungan nilai komponen pada sisi low-pass sebagai berikut :

fc = 108,5 MHz R f C C c n 2

 dengan, _{C = nilai kapasitor ternormalisasi (F)} L = nilai induktor ternormalisasi (H) Cn = nilai elemen kapasitor prototype

lowpass (F)

Ln = nilai elemen induktor prototype lowpass (H)

R = nilai beban (Ohm) fc = frekuensi cutoff (Hz) c n f RL L 2 

Selanjutnya dilakukan perhitungan nilai komponen pada sisi high-pass sebagai berikut

fc = 87,5 MHz R f L C c n 2 1   dengan,

C = nilai kapasitor ternormalisasi (F) L = nilai induktor ternormalisasi (H) Cn = nilai elemen kapasitor prototype

lowpass (F)

Ln = nilai elemen induktor prototype lowpass (H)

R = nilai beban (Ohm) fc = frekuensi cutoff (Hz) c n f C R L 2 1





III. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Simulasi

Setelah mengetahui nilai komponen pembentuk filter BPF tanpa dan dengan m-derived, maka dilakukan simulasi dan hasilnya seperti Gambar 7 dan Gambar 8.

Gambar 6. Insertion loss BPF tanpa m-derived

Gambar 6 menunjukkan hasil pengujian insertion loss pada BPF menggunakan simulasi AADE Filter Design didapatkan nilai insertion loss maksimal dan minimal sebesar 0,01 dB dan mempunyai bandwidth cut-off sebesar 47 MHz pada frekuensi 76,5 MHz hingga 123,5 MHz dan bandwidth attenuation sebesar 90 MHz pada frekuensi 63 MHz hingga 153 MHz. Sehingga mendapatkan nilai shape factor 1,91.

Gambar 7. Insertion loss BPF dengan m-derived

Gambar 7 menunjukkan pengujian insertion loss pada BPF dengan m-derived menggunakan simulasi AADE Filter Design didapatkan nilai insertion loss sebesar minimal 0,1 dB dan maksimal 0,6 dB dan dan mempunyai bandwidth cut-off -3 dB sebesar 40,5 MHz pada frekuensi 80,5 MHz hingga 120 MHz dan bandwidth attenuation -30 dB sebesar 60 MHz pada frekuensi 63 MHz hingga 153 MHz. Sehingga mendapatkan nilai shape factor mendekati 1,2.

B. Hasil Pengukuran Bandwidth (BW) dan Shape Factor (SF) tanpa m-derived

Pengukuran dimulai menentukan level referensi yang berasal dari Tracking Generator Spectrum Analyzer dengan level set-up perangkat seperti Gambar 8.

Gambar 8. Level referensi -10 dBm

Selanjutnya dilakukan pengukuran variabel BW dan SF seperti yang ditunjukkan Gambar 9.

Gambar 9. Respon frekuensi filter BPF (tanpa m-derived)

Gambar 9 menunjukkan respon frekuensi BPF (tanpa mderived) yang mempunyai level maksimum sebesar -13dBm. Bandwidth diukur pada titik cut-off mengalami penurunan level sebesar 3 dB dari level maksimum tepatnya pada level -16 dBm pada frekuensi cut-off bawah (fc1) 86 MHz dan pada frekuensi cut-off atas (fc2) 111 MHz. Sedangkan pada bandwidth attenuation ditentukan pada titik penurunan atenuasi sesuai perencanaan yaitu -20 dB yang menunjukkan level sebesar -36 dB berada pada frekuensi cut-off bawah(fc1) 67 MHz dan pada frekuensi cut-off atas(fc2) 130 MHz. Dengan ini, dapat diketahui nilai bandwidth cut-off dan bandwidth attenuation dengan menggunakan persamaan : BW-3dB = fc2 – fc1 = (111 – 86) MHz = 25 MHz BW-20dB = fc2 – fc1 = (130 – 67) MHz = 63 MHz

Maka untuk menentukan nilai shape factor dapat ditentukan, 52 , 2 25 63 3 20 _{ }    dB dB BW BW or Shape fact

Hasil Pengukuran Insertion Loss (IL), Bandwidth (BW) dan Shape Factor (SF) pada Filter BPF m-derived

Gambar 10. Respon frekuensi filter BPF m-derived

Gambar 10 merupakan respon frekuensi BPF m-derived untuk menentukan insertion loss (IL), pada marker 1 menunjukkan frekuensi 87,5 MHz mempunyai level sebesar -13,3 dBm dan pada marker 2 menunjukkan frekuensi 108,5 MHz mempunyai level sebesar -11,5 dBm.

Level referensi yang dimiliki dari sumber (Spectrum Analyzer TG) sebesar -10 dBm, sehingga IL dapat diketaui dengan persamaan :ILmax = level referensi – level max

ILmax = -10 dBm – (-11,5 dBm) = 1,5 dB ILmin = level referensi – level min ILmin = -10 dBm – (-13,3 dBm) = 3,3 dB

Gambar 12 menunjukkan respon frekuensi BPF mderived yang mempunyai level maksimum sebesar -11,5dBm. Bandwidth diukur pada titik cut-off mengalami penurunan level sebesar 3 dB dari level maksimum tepatnya pada level -14,5 dBm pada frekuensi cut-off bawah (fc1) 86 MHz dan pada frekuensi cut-off atas (fc2) 115 MHz. Sedangkan pada bandwidth attenuation ditentukan pada titik penurunan atenuasi sesuai perencanaan yaitu -20 dB yang menunjukkan level sebesar -79 dB berada pada frekuensi cut-off bawah(fc1) 79 MHz dan pada frekuensi cut-off atas(fc2) 132 MHz. Dengan ini, dapat diketahui nilai bandwidth cut-off dan bandwidth attenuation dengan menggunakan persamaan : BW-3dB = fc2 – fc1 = (115 – 86) MHz = 29 MHz BW-20dB = fc2 – fc1 = (132 – 79) MHz = 53 MHz

Maka untuk menentukan nilai shape factor dapat ditentukan, 83 , 1 29 53 3 20 _{ }    dB dB BW BW or Shape fact

Perbandingan hasil simulasi dan pengukuran terdapat pada Tabel 2.

TABELII

HASIL SIMULASI DAN PENGUKURAN

IV. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil simulasi, pengukuran dan analisis pada BPF m-derived untuk menentukan parameter atau besaran yang diinginkan, dapat disimpulkan sebagai berikut :

1.

Penambahan m-derived section pada bandpass filter dapat mengurangi level insertion loss dari 4,4 dB menjadi 1,5 dB. Pengurangan nilai insertion loss ini disebabkan karena nilai impedansi pada filter mendekati impedansi sumber.

2.

Respon bandwidth pada bandpass filter dengan m-derived section memiliki pelebaran rentang frekuensi pada sisi cut-off atas menjadi 29 MHz dan penyempitan pada sisi bandwidth attenuation

menjadi 52,5 MHz. Pelebaran pada sisi cut-off diakibatkan oleh adanya perubahan reaktansi kapasitif yang menggeser frekuensi cut-off filter.

3.

Penambahan m-derived section mampu menambah

performansi shape factor pada filter yaitu sebesar 1,83 sedangkan pada filter tanpa m-derived memiliki shape factor sebesar 2,52.

REFERENSI

[1] Kominfo. 2017. Peraturan Menteri Komunikasi dan Informatika Republik Indonesia Nomor 3 Tahun 2017.

[2] Mu-azu, Iddirisu Andani. G.P. Shivram. 2017. The Impact of FM

Radio Broadcast in Local Dialect on Rural Community

Development in Ghana. Journal of Applied and Advanced

Research 2017, 2(3): 114–121.

[3] Valentino, Novri. Safrianti, E. & Oktaviana, L. 2015. Desain Band

Pass Filter untuk Jaringan WiMAX 3.5 GHz. Jom FTEKNIK Volume 2 No.1, 1-11.

[4] Pozar, David M. 2012. Microwave Engineering. 4th ed. John Wiley & Son, Inc.

[5] Frenzel Jr, Louis E. 2016. Principles of Electronic Communication

Systems. Fourth Edition. McGraw-Hill, New York.

[6] Bowick, Chris. 2007. RF Circuit Design. 2nd _{ed. Indianapolis:}

H.W.Sams. Newnes.

[7] Roody, Dennis. John Coolen. 2008. Electronic Communications. 4th _{ed. Pearson Printice Hall.}

[8] Kumar, Ashwani. Nainu Ptiya Chauidhari. A.K. Verma.2012.

Constant-k and m-Derived Composite Low Pass Filter using Defected Ground Structure. Second International Conference on Advanced Computing & Communication Technologies, 454-456.