BAB III PERANCANGAN MODEL DAN SIMULASI SISTEM
3.1 Pendahuluan Berikut diagram blok pemodelan system yang akan disimulasikan. Seluruh system dimodelkan dengan meggunakan program Matlab. Parameter yang diukur adalah BER terhadap SNR setiap simulasi yang dilakukan.
Gambar 3.1 Blok Pemodelan Simulasi
35
3.2 Blok Sistem Pengiriman Blok pengirim sistem OFDM yang akan disimulasikan terdiri dari pembangkitan bit-bit informasi , konversi serial ke paralel, modulasi , penyisipan sinyal pilot, modulator IFFT, penyisipan guard interval cyclic prefix, dan paralel to serial converter. Berikut gambar blok Sistem pengiriman.
Blok Sistem Pengiriman
Bit‐bit Informasi
Konversi Serial ke Paralel
Penyisipa n simbol Pilot
Modulasi sinyal
IFFT
Penyisipa n Guard Interval
Paralel Ke Serial
Gambar 3.2 Blok Sistem Pengiriman Masing-masing blok system diatas akan diuraikan lebih jelas sebagai berikut: 3.2.1 Pembangkitan Bit Informasi Pembangkitan bit informasi dilakukan secara random atau acak yang terdistribusi uniform dengan nilai antara 0 dan 1. Level threshold yang digunakan adalah titik 0.5, jadi jika nilai acak yang dibangkitkan lebih kecil dari 0.5 maka nilai akan dikirimkan dengan bit 0 sedangkan jika bit acak yang dibangkitkan lebih besar atau sama dengan 0.5, maka nilai akan dikirimkan dengan bit 1.
36
3.2.2 Konversi Serial ke Paralel Blok serial ke paralel berfungsi untuk mengubah aliran data yang terdiri dari satu baris dan beberapa kolom menjadi beberapa baris dan beberapa kolom. Hasil dari konversi serial ke paralel berupa matriks bit-bit dengan jumlah baris menyatakan jumlah subcarrier yang akan digunakan dan jumlah kolom menyatakan jumlah simbol data yang dikirimkan pada tiap subcarrier.
3.2.3 Modulasi Sinyal Setelah melalui serial to paralel, maka sinyal akan memasuki blok modulasi. Pada blok ini sinyal akan di-mapping sesuai dengan jenis mapping yang digunakan. Pada simulasi ini jenis mapping yang digunakan adalah QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). QPSK menggunakan empat titik pada diagram konstelasi, yang dipisahkan dengan jarak angular yang sama dalam lingkaran. Dengan empat fasa, QPSK dapat mengkodekan 2 bit per simbol untuk meminimasi BER dengan dua kali rate dibandingkan dengan BPSK.
Gambar 3.3 Diagram Konstelasi untuk Modulasi QPSK
37
Hasil analisis menyatakan bahwa QPSK dapat digunakan untuk melipatgandakan data rate dibandingkan dengan sistem BPSK dengan tetap menjaga bandwidth sinyal atau menjaga data rate BPSK tetapi menurunkan bandwidth yang diperlukan hingga setengahnya.
Probabilitas BER untuk QPSK sama dengan pada BPSK
⎛ 2 Eb Pb = Q⎜ ⎜ N 0 ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
(3.1)
Namun, dengan dua bit per simbol, maka symbol error rate meningkat menjadi:
Ps = 1 − (1 − Pb ) 2 ⎛ Es ⎞ ⎛ Es ⎞ ⎟ − Q2 ⎜ ⎟ = 2Q⎜⎜ ⎟ ⎜ N ⎟ 0 ⎠ ⎝ No ⎠ ⎝
(3.2)
Implementasi QPSK lebih general dari implementasi BPSK dan juga mengindikasikan implementasi orde PSK yang lebih tinggi. Simbol pada diagram konstelasi dalam sinyal sinus dan cosinus dapat dituliskan sebagai berikut:
s i (t ) =
2Es π⎞ ⎛ cos⎜ 2πf c t + (2i − 1) ⎟, i = 1,2,3,4 T 4⎠ ⎝
(3.3)
Persamaan ini memerlukan empat fasa, yakni π/4 , 3π/4 , 5 π/4 , dan 7 π/4, dan menghasilkan signal space dua dimensi dengan unit fungsi basis sebagai berikut:
φ1 (t ) =
2 cos(2πf c t ) Ts
(3.4) 38
yang merupakan komponen in-phase dan
φ 2 (t ) =
2 sin( 2πf c t ) Ts
(3.5)
yang merupakan komponen kuadrature Dengan demikian, konstelasi sinyal akan terdiri dari empat titik signal space, yakni:
(±
E s / 2 ,± E s / 2
)
Faktor ½ mengindikasikan total daya dibagi secara seimbang antara dua carrier.
3.2.4 Penyisipan Simbol Pilot Teknik estimasi yang digunakan pada simulasi ini adalah estimasi koheren. Estimasi koheren yang dimaksud adalah sejumlah symbol referensi disisipkan ke dalam bit-bit informasi yang dikirimkan. Symbol referensi tersebut merupakan symbol pilot. Pada simulasi ini penyisipan pilot dilakukan pada domain frekuensi. Symbol pilot disisipkan pada frekuensi subcarrier tertentu dengan demikian pada frekuensi subcarrier tertentu tidak lagi mengirim symbolsymbol informasi akan tetapi digunakan untuk mengirim symbol referensi (symbol pilot). Untuk lebih jelasnya penempatan symbol dapat direpresentasikan melalui gambar berikut.
39
Gambar 3.4 Pengalokasian Simbol Pilot pada Frekuensi Subcarrier Tertentu
3.2.5 Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) Blok IFFT pada system OFDM bertujuan untuk membangkitkan frekuensi subcarrier yang saling orthogonal dan mengubah dari domain frekuensi ke domain waktu. Jumlah titik IFFT pada implementasi bernilai
, dengan n adalah
bilangan bulat positif. Titik IFFT bisa diset sama dengan jumlah subcarrier yang digunakan atau lebih besar dari jumlah subcarrier. Jika jumlah subcarrier kurang dari
, maka perlu adanya penambahan zeropadding pada simulasi Matlab.
3.2.6 Penyisipan Guard Interval (GI) Pada simulasi ini Guard Interval yang digunakan bertipe Cyclic Prefix (telah dijelaskan pada subbab 2.2). Panjang Cyclic Prefix yang digunakan adalah ¼ dari panjang symbol OFDM
dan ditempatkan di depan symbol. Tujuan
penyisipan Guard Interval ini adalah mencegah ISI dan ICI sehingga simulasi dapat berjalan dengan baik.
40
3.2.7 Konversi Paralel ke Serial Sebelum memasuki kanal transmisi, symbol OFDM dalam bentuk stream parallel dikonversi ke bentuk stream serial sinyal baseband OFDM.
3.3 Blok Kanal Transmisi Pemodelan kanal yang digunakan dalam simulasi ini adalah model kanal AWGN dan model kanal Rician fading karena acuan penelitian pada kanal HAPS. Respon Impuls dari kanal adalah karakteristik dari kanal
yang terdiri dari
informasi yang diperlukan untuk menganalisis dan melakukan simulasi berbagai jenis transmisi radio yang melalui kanal tersebut. Dari analisis pada keadaan sebenarnya di lapangan maka kanal radio dapat dimodelkan sebagai filter linier dengan respon impuls yang berubah terhadap waktu dan tergantung dari kecepatan penerima. Dari [9 ] kita peroleh respon impuls kanal Rician sbb:
h(t ) =
Lim ⎧ 1 ⎨ K +1 L → ∞ ⎩ L 1
L
∑a e ( π l =1
l
j 2 f d t cos(θ l ) )
41
⎫ ⎬+ ⎭
K j (2πf d t cos(θ 0 ) e K +1
Diasumsikan bahwa tidak ada korelasi antara sinyal pantul dan sinyal dominan dan persamaan terdistribusi uniform pada (-π,π) sehingga persamaan berubah menjadi : π
h(t ) =
0 K 1 aθ e j 2πf d t cos θ dθ + e j 2πf d t cos θ ∫ K + 1 −π K +1
Setelah mengetahui model respon impuls kanal Rician. Akan dibuat pendekatan matematis yang merepresentasikan penelitian yang dilakukan. Dimana proses system komunikasi yang dibuat adalah melihat perilaku kanal Rician yang terpengaruh K factor dalam proses pengiriman symbol- symbol OFDM [9 ].
Dimana :
x(t ) = sinyal OFDM yang dikirim
h(t ) = kanal Rician ∧
x(t ) = sinyal keluaran OFDM
Dengan pendekatan x (t) sinyal OFDM yang dikirim: x(t ) = ∑ bc e j 2πfst
0 ≤ t < Ts
c
Dimana: bc
= symbol yang dikirimkan sebanyak c subcarrier
42
fs
= f 0 + cΔf = subcarrier ke c
f0
= frekuensi subcarrier yang pertama.
Δf
= jarak antara frekuensi subcarrier ≈ 1/Ts
Ts
= interval waktu
Setelah melewati kanal yang time - varying dengan respon impuls h(t ,τ ) maka sinyal akan diterima sbb: ∧
x(t ) = ∫ h(t ,τ ) x(t − τ )dτ Asumsikan kanal yang non-time dispersive tetapi mengalami time-varying, maka respon kanal dapat ditulis sbb:
h(t ,τ ) = a(t )δ (τ ) Sehingga sinyal yang diterima menjadi: ∧
x(t ) = a(t ) x(t ) Dimana: a (t )
= time varying path gain
x(t )
= sinyal OFDM yang dikirim
43
Nilai a (t ) dapat dilihat pada kotak diatas.Setelah sinyal didemodulasi pada penerima sinyal dapat direpresentasikan sbb: ∧
bq =
=
1 Ts
Ts
∧
∫ x(t )e
− j 2πf q t
dt
0
T T ⎤ ⎡ 1 s 1 s a ( t ) b dt a(t ) ⎢∑ bc e − j 2π ( q −c ) Δf t ⎥ dt + q ∫ ∫ Ts 0 Ts 0 ⎦ ⎣ c≠q
3.4 Blok Sistem Penerimaan
Setelah bit informasi yang dikirim melalui blok kanal transmisi, sinyal OFDM yang dikirim diterima pada blok system penerimaan sehingga menjadi bit informasi yang dikehendaki. Tahapan-tahapan pada blok system penerimaan merupakan operasi kebalikan dari semua operasi yang dilakukan pada blok system pengiriman hanya ditambahkan blok estimasi kanal untuk melihat respon dari 44
kanal Rician HAPS yang digunakan. Untuk lebih jelasnya berikut gambar blok system penerimaan.
Blok Sistem Penerimaan
Serial Ke paralel
Pengeluar an Guard interval
FFT
Pengeluar an Simbol Pilot
Estimasi Kanal
Demodula si Sinyal
Konversi Paralel Ke serial
Output bit‐bit informasi
Gambar 3.5 Blok Sistem Penerimaan
3.4.1 Konversi Serial ke Paralel
Pada blok ini sinyal yang telah melalui kanal transimisi dikonversi kembali dari stream serial ke bentuk parallel sehingga proses symbol-symbol yang diterima dapat diolah pada blok-blok operasi selanjutnya. 3.4.2 Pengeluaran Guard Interval (GI)
Pada blok ini symbol yang telah disisipkan Cyclic Prefix pada blok penyisipan Guard Interval dibuang kembali sehingga akan diperoleh symbol asli yang sesuai dengan pengiriman semula. Operasi pada blok ini merupakan kebalikan dari proses penyisipan Guard Interval pada blok system pengiriman. Langkah-langkah operasinya berupa pengeluaran Cyclic Prefix pada awal symbol yang diterima. 3.4.3 Fast Fourier Transform (FFT)
Pada blok ini symbol-simbol OFDM akan dipisahkan dari
frekuensi
carriernya. Prosesnya juga merupakan proses kebalikan dari blok Inverse Fast Fourier Transform (IFFT). 45
3.4.4 Pengeluaran Simbol Pilot
Pada blok ini terjadi proses pengeluaran symbol-symbol referensi (symbol-symbol pilot) yang telah disisipkan pada frekuensi subcarrier tertentu. Symbol pilot inilah yang kemudian diambil dan digunakan untuk mengetahui respon frekuensi kanal. Inilah yang disebut dengan deteksi koheren dimana ada symbol referensi untuk mengetahui kondisi kanal. 3.4.5 Estimasi Kanal
Pada blok ini symbol pilot diambil dan dianalis sehingga akan diketahui respon frekuensi kanal yang digunakan. Pada akhirnya kita akan memperoleh Bit Error Rate (BER) yang akan menunjukkan performa sinyal OFDM pada kondisi kanal yang bersifat Rician fading. Estimasi kanal dilakukan dengan mengubah K factor setiap simulasi dilakukan sehingga diperoleh respon frekuensi kanal Rician fading pada masing-masing K-factor yang telah ditentukan sebelumnya. 3.4.6 Demodulasi Sinyal
Sinyal yang telah diestimasi akan diubah kembali ke bentuk bit-bit informasi dengan melakukan proses demodulasi (juga merupakan kebalikan dari proses modulasi di blok system pengiriman). 3.4.7 Konversi Paralel ke Serial
Pada blok ini, bit-bit informasi yang masih berupa matriks jumlah subcarrier × jumlah symbol diubah kembali ke bentuk semula dengan cara dikonversi dari bentuk parallel ke bentuk serial.
46
3.5 Parameter – Parameter yang Digunakan dalam Pemodelan Simulasi
Spesifikasi platform yang digunakan dalam simulasi ini adalah : •
PC : Intel Core 2 Duo Processor T5500 (1.66 GHz)
•
Memori RAM : 1024 MB
•
OS : Microsoft Windows XP Home Service Pack 2
•
Program Matlab versi 7.0.4 Dalam penyusunan simulasi ini juga ditentukan beberapa parameter agar
memudahkan penulis dalam pengerjaannya. Parameter-parameter tersebut antara lain: 3.5.1 Parameter Sistem : •
Terjadi sinkronisasi sempurna antara system pengirim dan penerima
•
Pengaruh Power Average Peak Ratio (PAPR) tidak diperhitungkan dalam simulasi.
•
Model Guard Interval yang digunakan adalah cyclic prefix dengan durasi yang lebih besar dari durasi delay spread sehingga tidak terjadi ISI dan ICI.
•
Konversi Digital to Analog (D/A) dan Analog to Digital (A/D) serta filter low pass tidak digunakan dalam simulasi.
•
Jumlah point IFFT = 512.
•
Jumlah subcarrier data = 256.
•
Panjang Cyclic Prefix = 64.
•
Modulasi sinyal data yang digunakan adalah QPSK.
•
Bit rate = [0.5 1 2 4 ] Mbps pada frekuensi Doppler 50 Hz.
•
Banyak pengulangan data = 10 kali.
•
Frekuensi carrier yang digunakan adalah = 2.4 GHz.
•
Setiap blok simulasi dianggap bekerja dengan sempurna dan tidak memberikan kontribusi loss. 47
3.5.2 Parameter Kanal Rician : •
Panjang bit informasi Parameter ini berguna untuk menghasilkan suatu sinyal fading yang memiliki panjang bit informasi yang sama dengan sinyal transmisi
•
Frekuensi Doppler Parameter ini menunjukkan nilai maksimum frekuensi pergeseran Doppler
•
Time symbol Parameter ini menunjukkan perioda setiap bit dalam sinyal informasi yang dikirimkan
•
Gain vector Parameter ini menunjukkan nilai penguatan yang dialami sinyal dari setiap lintasan yang dilaluinya
•
Delay vector Menunjukkan waktu delay yang dibutuhkan oleh tiap sinyal dengan lintasan berbeda, sebelum sampai ke penerima. Panjang delay vector disesuaikan dengan banyaknya jumlah lintasan yang dimodelkan juga berkaitan erat dengan gain vector.
•
Jumlah lintasan yang digunakan adalah tiga lintasan dengan nilai sbb Tabel 3.1 Parameter Lintasan Parameter Lintasan
Nilai
Gain vector (dB)
[0 -19 -23]
Delay vector (s)
[0 0.02 e-4 0.06 e-4] 48
•
Bandwidth Kanal = [0.25 0.5 1 2] MHz
•
K –factor Parameter ini menunjukkan perbadingan daya sinyal dominant dengan rata-rata sinyal pantul. Tabel 3.2 Parameter K-factor
49
