Modulasi Digital
Levy Olivia Nur, MT
Model Komunikasi Digital Sumber informasi
Format
Channel
Noise
Demodulat or
Unformat Analog atau digital
Baseband atau bandpass
Simbol digital
Analog atau digital
Tujuan Informasi
Modulator
Simbol digital
Dasar Modulas Digital
Untuk dapat dikirimkan secara elektrik pada satu kanal, setiap bit direpresentasikan dengan dua bentuk sinyal yang berbeda, dapat disebut sebagai simbol :
s0(t)
dan
s1(t)
Proses ini dilakukan setiap T detik, salah satu simbol dikirimkan sesuai dengan bit yang akan ditransmisikan
Pemilihan bentuk s0(t) dan s1(t) bergantung pada jenis modulasi digital yang digunakan
Jenis Modulasi Digital Modulasi amplitudo (ASK)
Modulasi Frekuensi (FSK)
Modulasi Fasa (PSK)
Perubahan fasa 1800
Amplitude shif keying
ASK disebut juga OOK merupakan bentuk modulasi yang paling sederhana
Misalkan bit pertama yang akan dikirimkan = b1 , yang akan dikirimkan pada interval bit pertama, yaitu 0 t T
Pada modulasi OOK :
dimana
s0(t) = 0 ,
0tT
s1(t) = A sin (2pfct) ,
0tT
A adalah amplituda sinyal , fc adalah frekuensi carrier
Dengan OOK kita mengirimkan “burst” sinusoidal apabila b1 =1 dan tidak mengirimkan sinyal apapun apabila b1 = 0
Pembangkitan ASK 1 Sumber +V, 0 Sumber +V, -V
Bipolar to Polar Con.
SinyalASK
Pembawa
Pembawa
Sinyal ASK
0
1
1
0
Deteksi ASK Sinyal yang diterima
Rectifier
Low Pass Filter
Decision circuit
Slicing 0
1
0
1
0
1
0
1
Kinerja ASK
Deteksi ASK dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu : 1. Detektor koheren
Pe
Q
Eb
2. Detektor non-koheren
1 A2 Pe exp( ),A 2 N 0 2 8N 0
Eb A N0
: : : :
Energi bit sinyal amplitudo sinyal level daya noise rapat spektral daya noise
Frekuensi Shift Keying
Seperti pada FM, sinyal FSK dihasilkan akibat pengaruh informasi terhadap frekuensi carrier.
Sinyal informasi pada FSK berupa digit biner dengan lebar bit Tb.
Frekuensi carrier mempunyai 2 harga, misalnya : -
f0
untuk bit “1”
-
f1
untuk bit “0”
Pembangkitan FSK s0(t) =
A sin (2pf0t) , 0 t T
s1(t) =
A sin (2pf1t) , 0 t T
1
0
1
1
f1
f2
f1
f1
0
Sumber
Sinyal ASK 1 Sumber +V, -V
Carrier f0
+
SinyalFSK
Sinyal FSK
f1
Sinyal FSK
Sinyal ASK 2
f2
Deteksi FSK Sinyal yang diterima Limitter Differentiator
Rectifier Pulse generator
Low Pass Filter Decision circuit
Kinerja FSK
Deteksi ASK dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu : 1. Detektor koheren
Eb Pe Q 1.21 2. Detektor non-koheren Pe
1 e 2
Eb 2
Binary Phase Shift Keying
s0(t) =
A sin (2pfct + p) ,
0 tT
s1(t) =
A sin (2pfct) ,
0 tT
Dengan demikian, untuk mengirimkan bit “0” fasa dari gelombang carrier dimajukan sebesar p radian
Pembangkitan BPSK
Mengubah fasa sinyal carrier oleh sinyal informasi
Deskripsi : Sumber +V, -V
1 Sinyal PSK
Sumber
Pembawa Pembawa
Sinyal PSK
0
1
digital 1
0
Deteksi BPSK KORELATOR
si (t)
BPF
+ (t)
2 A cos wot = s 1 (t) - s 2(t)
Tb
1 ...dt 0
Kinetrja BPSK
Deteksi BPSK dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu : 1. Detektor koheren
2Eb Pe Q 2. Detektor non-koheren
A 2 Tb 1 Pe exp( ) 2 2
Modulasi Tingkat Tinggi (M-Ary)
Pada sistem Modulasi M-Ary (M > 2) satu simbol digunakan untuk mewakili lebih dari satu bit.
Untuk memasukkan 2-bit dalam satu simbol misalnya, maka jumlah simbol yang digunakan harus sama dengan 22 = 4 ----> M = 4
Dengan memilih M-amplituda carrier yang berbeda , M fasa carrier
yang berbeda atau M frekuensi carrier yang berbeda, atau Mkombinasi amplituda/frekuensi/fasa berbeda, daapt dibentuk satu sistem modulasi digital “M-state”.
Quadrature Phase Shift Keying
Pembangkitan QPSK :
Urutan bit …11000111… misalnya, dikelompokkan menjadi urutan pasangan bit … 11 , 00 , 01 , 11 , ….
Bit pertama digunakan untuk memodulasi BPSK carier incos (2pfct)
Bit kedua digunakan untuk memodulasi BPSK carrier A sin (2pfct)
Kedua tegangan sinyal BPSK in-phase dan quadrature dijumlahkan intuk membentuk sinyal QPSK
Perubahan simbol terjadi setiap pemrosesan dua-bit ----> Symbol Interval = 2 x Bit Interval
phase A
quadrature
Pembangkitan QPSK
Konstelasi dan State Transsisi pada QPSK
Jumlah state (dinyatakan dalam fasa carrier yang berbeda) M = 4 dengan kemungkinan transisi sebagai berikut :
Apabila terjadi loncatan fasa 180 derajat akan muncul gejala “carrier-null”
Offset QPSK (OQPSK)
Pada sistem modulasi Offset QPSK sinyal quadrature BPSK diperlambat satu Bit Interval relatif terhadap sinyal In-phase BPSK
Dengan demikian transisi simbol kedua sinyal BPSK tidak pernah terjadi pada saat yang sama , sehingga tidak pernah terjasi loncatan fasa sebesar 180 derajat -------> tidak akan ada “carrier null”
Konstelasi dan State Transisi pada OQPSK
Pada sinyal OQPSK tidak pernah terjadi transisi fasa 180 mderajat.
Sinyal QPSK dan OQPSK
Keuntungan OQPSK
Sinyal QPSK ideal akan memiliki amplituda konstan; tetapi dalam prakteknya dibatasi spektrumnya oleh filter bandpass, sehingga terjadi variasi amplituda. Apabila terjadi transisi fasa 180 derajat, hal ini akan menyebabkan gejala carrier-null.
Hal-hal diatas dapat menimbulkan masalah apabila sinyal diperkuat oleh penguat daya yang selalu memiliki karakteristik non-linier sehingga terjadi gejala AM-AM dan AM-PM
Minimum Shift Keying (MSK) dari OQPSK
Perbandingan QPSK, OQPSK, dan MSK
Gaussian MSK
Sinyal pemodulasi pada GMSK difilter lowpass dahulu sebelum dimasukkan ke modulator MSK
Dengan respons filter Gaussian, spektrum sinyal lebih sempit dibandingkan dengan MSK
Modulator GMSK
Demodulasi dan Deteksi Digital
Deteksi Koheren
Deteksi sinyal digital koheren direalisasikan dengan berbagai metoda, antara lain yaitu : Integrator
Decision Circuit
Tb
.... dt 0
Si (t) + Ni (t)
Sample & Hold
S^(t) Sample & Hold Vt h
Integrator/Korelator
S1 (t) atau S2 (t)
Filter Optomal
vo (t)
v o (Tb)
Derau n (t)
Filter optimal Filter didesain untuk nose yang bukan AWGN
Deteksi Koheren si (t)
s o(Tb) + no(Tb)
hopt (t) o
A
n (t)
Matched filter Filter didesain untuk noise AWGN
B
Catatan untuk Deteksi
PSK dan FSK tidak sensitif terhadap distorsi amplituda pada kanal
Deteksi koheren memerlukan informasi eksak mengenai frekeusni dan
fasa dari sinyal carrier ----> perlu Carrier Recovery
Untuk OOK dapat digunakan detektor AM
Awal dan akhir satu Symbol Interval harus diketahui ---> perlu bantuan rangkaian Symbol Timing Recovery
Kebutuhan Bandwidth dan Spektrum Frekuensi
Bandwidth dari kanal transmisiakan membatasi symbol rate sinyal yang disalurkan
Selanjutnya apabila kanal juga menyenbabkan gangguan noise, maka kemungkinan ada k4esalahan deteksi
Laju kesalahan dinyatakan dalam BER (Bit Error Rate)
Spektrum Sinyal Base Band
Spektrum ASK atau OOK
Spektrum BPSK
Spektrum FSK
Efisiensi Spektral Frekuensi Efisiensi Spektral = Bit Rate/Transmission Bandwidth Waveform
OOK (detector coherent) QAM FSK BPSK (detector coherent) QPSK 8-ary PSK 16-ary PSK 16-ary APK (4-QAM) 32-ary APK (8-QAM) 64-ary APK (16-QAM)
Theoretical Practical (bit/Hz) (bit/Hz) 1 2 1 1 2 3 4 4 6 8
0.8 1.7 0.8 0.8 1.9 2.6 2.9 3.1 4.5
BER = 1 x 10-4 Eb/N0 Eb/N0 theoretical (dB) practical (dB) 11.4 12.5 8.4 9.5 12.5 11.8 8.4 9.4 8.4 9.9 11.8 12.8 16.2 17.2 13.1 13.4 17.8 18.4 22.4
Spektral OQPSK dan MSK
Spektrum GMSK
Diferensial PSK (DPSK)
Perubahan fasa carrier (dari 0 ke p) dan sebaliknya terjadi apabila ada transisi bit dari 0 ke 1 maupun sebaliknya
Salah satu bentuk DPSK adalah p/4-Shift QPSK
Kinerja BER Sistem Digital
Dinyatakan sebagai harga Bit Error Rate sebagai fungsi dari Eb/N0 (Energi-per-bit terhadap Noise Density)
Contoh Disain Sistem Digital Penguat pradeteksi
Demodulator BPSK
RF
Koax
BPF IF
TA, Si
NF = 6 dB G = 80 dB
Diketahui TA Sinyal BPSK Impedansi masukan
: : :
20000K 100 kbps 1 Ohm
a. b.
Jika BER = 10-5, hitung daya sinyal masukan Si, asumsi filter low pass ideal Berapa Si jika lebar pita derau ekivalen = 1,4 harga idealnya
Jawab (1) a. Lebar pita derau ekivalen LPF (ideal, Nyquist filter) : BR 100 = 50 kbps 2 2
2 Eb BER Pe Q
:
rapat spektral derau di keluaran antena (input koax)
k TA Te
1,38 .10 23 2000 (10 6 1).290 3,96 x 10 20
BER 10 5
watt / Hz
2 Eb 4,25
Dari Tabel bit error rate
Jawab (2) 2 Eb 18,0625 (18,0625 ) ( 3,96 x 10 20 ) Eb 3,58 x 10 19 Joule 2 E Jadi S i b Eb B r 3,58 x 10 19 . 105 3,5 x 10 14 Watt Tb 104,5 dBm Jadi daya sinyal masukkan Si yang diperlukan adalah -104,5 dBm
b.
Bila lebar pita derau ekivalen naik menjadi 1,4 x BW idealnya, maka tegangan efektir derau di input decision circuit naik 1,4 kali
Jawab (3) v v 10 5 Q 4,25 c c v 4,25 3,59 1,4 c 1,4 Sehingga BER 2 x 10
4
Dari tabel
Sehingga dengan adanya kenaikkan lebar pita derau ekivalen akan mengakibatkan kenaikkan harga BER, performansi menjadi turun.
