BAB II DASAR TEORI Pada bab ini akan dijelaskan teori – teori yang digunakan sebagai acuan pada pembuatan tugas akhir ini. . Teori-teori yang digunakan, antara lain komunikasi jala-jala, modulasi dan demodulasi gelombang, transformator dan kapasitor coupling, frekuensi audio, LM1893, audio amplifier, filter, carrier detector circuit, dan komparator.
2.1. Komunikasi Jala-Jala/ Power Line Carrier (PLC) Komunikasi jala-jala atau yang lebih dikenal dengan Power Line Carrier adalah sistem untuk menyalurkan informasi melalui konduktor yang juga digunakan untuk transmisi tenaga listrik. Dalam penjelasan yang lebih sederhana jaringan listrik Perusahaan Listrik Negara (PLN) selain untuk menghantarkan tenaga listrik juga digunakan untuk membawa informasi [1]. Teknologi PLC ini juga sering diartikan Power Line Communication, komunikasi melalui listrik tegangan tinggi (telekomunikasi powerline). Perusahaan yang dominan dalam dalam bidang telekomunikasi powerline adalah Norweb (anak perusahaan United Utilities PLC, London), terutama seorang staffnya Dr. Paul Brown. Sebenarnya sebelum Dr.Brown sudah banyak yang mencoba mengembangkan telekomunikasi powerline tersebut, namun mereka masih gagal karena noise. Pada tahun 1991, Dr. Brown memulai risetnya
dan
menemukan
solusi
kegagalan
pendahulu-pendahulunya.
Dengan
menggunakan sinyal-sinyal dengan frekuensi tinggi maka dapat meminimalisir noise pada telekomunikasi powerline [1]. Sesuai dengan riset Dr. Brown teknologi PLC yang ada saat ini mengirimkan sinyal informasi bersamaan dengan transmisi tenaga listrik menggunakan sinyal-sinyal dengan frekuensi tinggi. Pada dasarnya sinyal informasi ini ditumpangkan ke listrik tegangan tinggi. Di bagian transmitter, sebelum ditumpangkan sinyal informasi ini harus melalui proses modulasi untuk mengubahnya menjadi frekuensi tinggi agar tidak terganggu oleh noise. Kemudian dibagian receiver sinyal frekuensi yang sudah di modulasi ini kemudian didemodulasi supaya kembali menjadi sinyal informasi yang semula. Dalam penerapannya di Indonesia listrik bertegangan tinggi yang dimaksud adalah listrik PLN bertegangan AC 220 V dengan frekuensi 50-60 Hz. Jadi sinyal informasi
5
tersebut ditumpangkan ke listrik PLN. Dengan sistem PLC ini maka pengiriman informasi tidak memerlukan kabel tambahan, cukup dengan kabel listrik PLN yang sudah terpasang sebagai media transmisi. Sehingga untuk setiap area yang sudah terinstalasi listrik PLN dapat digunakan metode telekomunikasi powerline untuk berkomunikasi.
2.1.1. Standard dan Regulasi Kurangnya standarisasi menjadi salah satu kendala utama terlambatnya perkembangan teknologi powerline. Namun terdapat beberapa standarisasi dari berbagai negara maupun organisasi yang dapat dijadikan acuan, seperti:
Band frekuensi di Eropa Di Eropa oleh CENELEC ditetapkan sinyal untuk instalasi listrik tegangan rendah pada rentang frekuensi 3 kHz – 148,5 kHz. Untuk band frekuensi 3-9 kHz output dari transmiter tidak lebih dari 5V. Band frekuensi 9 kHz maksimal 5 V dan menurun secara eksponensial menjadi 1 V untuk band frekuensi 95 kHz. Untuk band frekuensi 95 kHz – 148,5 kHz tidak lebih dari 0.63 V.
Band frekuensi di USA FCC menetapkan band frekuensi yang boleh digunakan untuk PLC adalah 0–530 kHz (dialokasikan 100-450 kHz).
Band Frekuensi di Jepang Di Jepang band frekuensi 10 – 450 kHz diperbolehkan.
Regulasi maupun standarisasi diatas ditujukan untuk teknologi PLC Ultra Narrow Band (0,3-3 kHz) dan Narrow band (3-500 kHz). Pada dasarnya penggunaan PLC dibagi menjadi dua, yaitu access dan in-house. Teknologi access digunakan untuk mengirimkan data melalui listrik tegangan rendah ke rumah-rumah. Salah satu aplikasinya adalah untuk menyediakan koneksi internet ke rumah-rumah. Berbeda dengan access, teknlogi in-house adalah teknologi PLC yang diaplikasikan dalam sebuah rumah dan lingkup pengiriman datanya terbatas pada satu rumah itu sendiri. Jadi access digunakan untuk pengiriman jarak jauh sedang in-house pengiriman data dengan jarak yang pendek. Untuk access dibutuhkan band frekuensi yang lebih besar (satuan MHz) dari regulasi-regulasi diatas, sedang untuk skripsi ini merupakan aplikasi dari teknologi PLC in-house yang berada pada Narrow Band PLC.
6
2.1.2.Penumpangan Sinyal Informasi ke Saluran Daya Pada prinsipnya penumpangan sinyal informasi ke listrik PLN adalah penggabungan dua gelombang yang memiliki amplitudo, frekuensi, dan fase yang bervariasi menjadi sebuah gelombang kompleks. Dalam penerapannya sistem PLC ini yaitu penggabungan sinyal informasi termodulasi yang memiliki frekuensi tengah 125 kHz dengan amplitudo yang kecil dan listrik PLN yang frekuensinya 50 Hz dengan amplitudo yang jauh lebih tinggi. Penggabungan dua buah gelombang menjadi sebuah gelombang kompleks menggunakan cara superposisi gelombang, yaitu dua atau lebih gelombang sinus dapat melintasi jalan yang sama pada waktu yang sama di sebuah media dan tidak saling mengganggu. Dengan kata lain, kedua gelombang masih ada dan masing-masing dapat dikembalikan ke bentuk semula dari gelombang yang kompleks [4].
Gambar 2.1. Dua buah gelombang yang mempunyai karakteristik yang berbeda [4]
7
Gambar 2.2. Gelombang hasil superposisi [4]
2.1.3. Kendala Komunikasi PLC Sistem PLC yang memiliki keuntungan tidak perlu menambah instalasi kabel untuk media transmisi karena menggunakan instalasi daya yang biasanya sudah ada dalam sebuah gedung. Meskipun demikian dalam pengaplikasian tetap memiliki kekurangan. Berbeda dengan jalur yang khusus digunakan untuk telekomunikasi biasa yang dapat kita katakan memiliki kestabilan, sehingga lalu lintas suara dan data memiliki sedikit kemungkinan untuk terjadi kegagalan. Mengalirnya listrik pada suatu penghantar dapat menyebabkan terjadi jatuh tegangan (Voltage Drop) pada penghantar tersebut, sehingga menyebabkan ketidakstabilan tegangan atau selalu berfluktuasi. Selain itu tingkah laku fisik dari jaringan berubah setiap adanya peralatan yang di on/off. Disamping itu jaringan listrik juga merupakan sistem terbuka yang memungkinkan sinyal/ noise dari luar masuk sehingga mengganggu jalannya komunikasi. Kendala-kendala lainnya sebagi berikut: a. Noise Noise pada saluran daya sebagian besar disebabkan oleh peralatan listrik yang terhubung ke saluran, seperti proses switching penyuplai-penyuplai daya. Menggunakan frekuensi tinggi dapat meminimalisir gangguan akibat noise. b. Distorsi Distorsi disebabkan oleh peralatan mesin bor, oven microwave dan blender, tetapi juga disebabkan oleh lampu-lampu yang di on/off. c. Atenuasi Salah satu problem utama dari PLC adalah atenuasi (peredaman) sinyal yang sangat tinggi, terutama jika frekuensi kerjanya diatas kisaran puluhan MHz. 8
Adanya Atenuasi akan menyebabkan menurunkan tingkat sinyal pada suatu jarak tertentu [8]. Beberapa jenis atenuasi:
Sinyal Atenuasi oleh Perangkat Aktif: Perangkat seperti relay, transistor, dan rectifier membuat kebisingan (noise) dalam sistem masing-masing, meningkatkan kemungkinan degradasi sinyal.
Sinyal Atenuasi oleh Perangkat Pasif: Transformers dan konverter DC-DC meredam frekuensi sinyal input hampir sepenuhnya. Metode bypass menggunakan transformator IF dan kapasitor diperlukan untuk sinyal yang akan diteruskan ke node penerima.
d. Interferensi Interferensi dari sistem terdekat dapat menyebabkan degradasi sinyal sehingga modem mungkin tidak dapat menentukan frekuensi tertentu di antara banyak sinyal dalam bandwidth dan line yang sama [9]. Kekurangan komunikasi jala-jala adalah komunikasi ini tidak dapat terhubung apabila di antara kedua titik terdapat transformator. Seperti yang sudah dijelaskan dalam faktor-faktor diatas, bahwa transformator akan meredam sinyal input hampir sepenuhnya.
2.2. Modulasi dan Demodulasi Gelombang Tujuan dari suatu sistem komunikasi adalah mengirim sinyal informasi melalui sebuah saluran komunikasi dimana posisi transmitter dan receiver mempunyai tempat yang terpisah. Dalam ilmu komunikasi sinyal-sinyal informasi disebut juga dengan sinyal pita dasar (baseband signals). Sinyal baseband ini memiliki lebar frekuensi yang mewakili sinyal-sinyal asli yang merupakan sumber informasi. Parameter sinyal pembawa (carrier) akan berubah-ubah menurut perubahan sinyal baseband. Secara umum bentuk sinyal carrier adalah gelombang sinusoidal sedangkan sinyal informasi yang berupa suara adalah gelombang kontinyu. Sinyal baseband ini disebut sebagai gelombang pemodulasi sedangkan hasil proses modulasi disebut sebagai gelombang termodulasi [6]. Modulasi merupakan proses terakhir dari pengiriman informasi yang digunakan pada sistem komunikasi. Sedangkan pada penerima proses terakhirnya adalah berupa pengambilan kembali sinyal yang asli untuk diterima oleh user. Proses penerimaan kembali sinyal yang dikirim disebut demodulasi yang kebalikan dari proses modulasi.
9
Gambar 2.3. Komponen sistem modulasi gelombang kontinyu (a)Transmitter dan (b) Receiver
2.2.1. Modulasi Frekuensi (Frequency Modulation) Pada modulasi frekuensi kombinasi antara sinyal baseband dan sinyal carrier menyebabkan sinyal output dari modulator FM memiliki frekuensi yang bermacam-macam tergantung dari amplitudo dari sinyal baseband/ pemodulasi. Gambar 2.4 memperlihatkan bentuk dari model pemodulasian dengan FM.
Gambar 2.4. Modulasi FM
Bentuk gelombang hasil modulasi frekuensi berupa sinyal termodulasi frekuensi seperti pada pemodelan gambar 2.4 yang memperlihatkan amplitudo yang tetap dan frekuensi yang berubah ubah. Bentuk gelombang termodulasi frekuensi akan mempunyai spektrum frekuensi dengan frekuensi yang banyak. Banyaknya frekuensi yang dihasilkan pada modulasi FM menentukan lebar pita dari suatu transmitter FM. Dengan demiian
10
semakin banyak sinyal sideband yang dihasilkan oleh suatu transmitter FM maka semakin besar pula range frekuensi yang digunakan oleh transmiiter FM tersebut. Dari spektrum yang dihasilkan dapat diketahui besarnya bandwidth untuk modulasi FM, yaitu dengan menggunakan rumus (𝐵𝑊) = 2𝑓𝑚 𝑛 dengan n adalah banyaknya sinyal sideband yang dihasilkan pada proses modulasi, 𝑓𝑚 adalah frekuensi informasi. Sedangkan untuk persamaan sinyal termodulasi frekuensi adalah:
𝑒𝐹𝑀 = 𝐴 cos[2𝜋𝑓𝑐 𝑡 + 𝛽 sin(2𝜋𝑓𝑚 𝑡)]
𝛽=
∆𝑓 𝑓𝑚
(2.1)
(2.2)
Menurut aturan Carson lebar pita (BW) pada termodulasi frekuensi dirumuskan menjadi: 𝐵𝑊 ≈ 2(𝛽 + 1)𝑓𝑚 = 2(∆𝑓 + 𝑓𝑚 )
(4.2)
dengan: 𝑒𝐹𝑀 (𝑡)
= bentuk sinyal termodulasi FM
A
= amplitudo sinyal pembawa
fm
= frekuensi sinyal informasi
fc
= frekuensi sinyal pembawa
β
= indeks modulasi
∆𝑓
= perubahan frekuensi
2.3. Transformator dan Kapasitor Coupling Trafo yang digunakan pada tugas akhit ini mempunyai dua fungsi utama. Kegunaan pertama adalah untuk menjembatani sinyal informasi atau sinyal termodulasi saat akan ditumpangkan ke jala-jala listrik PLN. Janis – jenis trafo yang beredar di pasar sangat banyak dan mempunyai fungsi yang berbeda–beda. Pada tugas akhir ini jenis trafo yang digunakan adalah jenis trafo Intermediate/ Medium Frequency (IF/MF) yang digunakan untuk menumpangkan sinyal termodulasi ke jala-jala listrik PLN dan trafo step down yang digunakan untuk catu daya rangkaian. Trafo IF/MF biasanya terdapat pada pesawat radio yang berfungsi untuk 11
menghubungkan / couple (biasa digabungkan dengan kapasitor) antar frekuensi serta memperkuat sinyal-sinyal frekuensi menenengah. Selain itu trafi IF/MF juga berfungsi sebagai Matcing Impedance dua buah rangkaian. Umumnya trafo ini bekerja pada frekuensi 455 kHz [11]. Kapasitor coupling berfungsi untuk memblok sinyal Direct Current (DC) dan melewatkan sinyal AC. Kapasitor coupling juga digunakan sebagai high-pass filter (digunkan bersama dengan trafo IF/MF), yang berarti akan melemahkan sinyal dibawah titik frekuensi tertentu [12]. Jadi kapasitor coupling dapat digunakan untuk mengisolasi jala-jala listrik PLN dari rangkaian modem karena frekuensi bawah akan diblok yaitu frekuensi 50Hz yang mmiliki amplitudo yang tinggi.
2.4. Audio Audio dapat diartikan sebagai suara. Gelombang suara adalah gelombang yang dihasilkan dari sebuah benda yang bergetar. Seperti contoh senar gitar saat kita petik akan bergetar dan getarannya tersebut merambat melalui udara. Gelombang suara mempunyai lembah dan bukit, apabila ada satu lembah dan satu bukit pada satu siklus dan berulangulang maka dapat disebut dengan frekuensi. Telinga manusia dapat mendengar bunyi antara 20 Hz hingga 20 KHz sesuai batasan audio. Karena pada dasarnya sinyal audio adalah sinyal yang dapat diterima oleh telinga manusia.
2.5. Lingkar Fase Terkunci (Phase-Locked Loop, PLL) Lingkar fase terkunci (Phase-Locked Loop, PLL) merupakan suatu rangkaian yang memberi kemungkinan sinyal acuan luar yang mengendalikan frekuensi dan fase suatu osilator dalam suatu lingkar. Apabila sinyal acuan dibangkitkan oleh osilator kristal, frekuensi yang lain dapat dijabarkan dan mempunyai stabilitas yang sama dengan frekuensi kristal, ini merupakan dasar dari pesintesis (synthesizer) frekuensi. Kalau sinyal acuan mempunyai frekuensi yang berubah uabah (seperti dalam gelombang termodulasi frekuesni), frekuensi osilator lingkar akan mengikuti jejak frekuensi masukan.
2.5.1. Penjelasan Sederhana dari Operasi PLL Gambar 2.5 menunjukkan komponen yang biasa terdapat pada lingkar fase terkunci. Diasumsikan bahwa lingkar dalam keadaan terkunci, frekuensi sinyal masuk dan osilator terkendali tegangan (VCO) identik (fs = fo) dan beda fase relatif, θd = θs – θo, ditentukan 12
oleh karakteristik detektor fase dan penyimpangan fs dari frekuensi erak bebas ff (yang didefinisikan dengan tegangan kendali Vd = 0) dari VCO. Apabila sinyal masukan mempunyai fs = ff, tegangan kendali ke VCO tidak diperlukan sehingga keluaran detektor fase yang diperlukan sama dengan nol. Fase θo pada VCO mengatur sendiri untuk menghasilkan beda fase θd = θs – θo, yang akan menghasikan keluaran nol pada detektor fase. Apabila frekuensi masuk berubah-ubah sehingga fs ≠ ff, beda fase θd harus cukup berubah untuk menghasilkan tegangan kendali Vd yang akan menggeserkan frekuensi VCO fo = fs. daerah frekuensi yang dimungkinkan untuk pengendalaian tersebut merupakan fungsi dari komponen-komponen lingkar.
Gambar 2.5. Komponen dasar PLL (1)
13
Penjelasan sederhana matemtika dalam suatu komponen PLL ditunjukkan dalam gambar 2.6.
Gambar 2.6. Komponen dasar PLL (2)
2.6. LM1893 LM1893 adalah IC (Integrated Circuit) yang dikembangkan oleh National Semiconductor, fungsi utama IC ini adalah sebagai modulator atau demodulator data digital dan sebagai antarmuka komunikasi melalui jala-jala listrik. Beberapa fasilitas yang dimiliki oleh IC ini adalah sebagai berikut:
Modulasi atau demodulasi dengan berbasis modulasi FM.
Sinyal pembawa dapat divariasikan antara 50 kHz hingga 300 kHz.
Dapat dikondisikan sebagai pengirim (tx) atau penerima (rx).
Mendukung komunikasi dua arah (half duplex).
Kecepatan pengiriman data hingga 4.800 bps.
Dapat digunakan pada level tegangan TTL maupun MOS.
14
Gambar 2.7. Konfigurasi pin IC LM1893 [5, h.6]
Gambar 2.8 menunjukkan rangkaian modem PLC yang dibangun dengan komponen utama IC LM1893 dengan beberapa komponen tambahan yang akan menghasilkan sinyal pembawa (carrier) sebesar 125 kHz.
Gambar 2.8. Rangkaian IC PLC [5, h.1] 2.7. Tapis (Filter) Tapis (filter) adalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk melewatkan tegangan pada frekuensi tertentu yang diinginkan serta melemahkan tegangan pada frekuensi tertentu yang tidak diiginkan. Filter terdiri dari 2 macam jenis yaitu filter pasif dengan komponen R, L, dan C serta filter aktif dengan tambahan OP-AMP atau transistor. Filter ada beberapa macam, yaitu low-pass, high-pass, band-band, band-stop. 15
Gambar 2.9. Rangkaian dasar dan respon frekuensi tapis lolos bawah
Pada Gambar 2.9 terdapat rangkaian filter low-pass pasif yang akan digunakan dalam tugas akhir ini. Untuk filter pasif seperti diatas dapat digunakan frekuensi cut-off (fc) sebagai acuan menentukan frekuensi mana yang akan dilewatkan atau dilemahkan. Penghitungan fc untuk penggunakan komponen R dan C sebagai filter low-pass pasif seperti Gambar 2.10 digunakan rumus sebagai berikut:
𝑓𝑐 =
1 2𝜋𝑅𝐶
(4.2)
Pada tugas akhir ini digunakan pula low-pass filter aktif dengan menggunakan ic TL082 dengan topologi sallen-key untuk mengimplementasikan low-pass filter orde 2. Topologi sallen-key ditunjukkan dalam gambar 2.10. Dalam perhitungannya digunakan rumus sebagai berikut:
𝑄𝑜 = 𝑓𝑐 =
√𝑚𝑛 𝑚+1 1
2𝜋√𝑚𝑛𝑅𝐶
dimana: Qo
= Q faktor yang menentukan tinggi dan lebar puncak dari tanggapan frekuensi filter.
m
= pengali nilai resistor
n
= pengali nilai kapasitor
fc
= frekuensi penggal.
16
(4.3)
(4.4)
Gambar 2.10. Rangkaian tapis lolos bawah Sallen-Key
2.8. LM567 Pada tugas akhir ini prinsip utama kerja rangkaian penerima adalah harus dapat mengetahui apakah ada sinyal pembawa yang masuk atau tidak yang nantinya digunakan sebagai inputan. Tugas akhir ini menggunakan IC LM567 Tone Decoder sebagai pendeteksi sinyal. LM567 membentuk sebuah filter yang dinamakan bandpass filter yang mana dapat mengetahui adanya masukan sinyal pembawa yang berada dalam rentang frekuensi bandpass-nya. Apabila terdapat sinyal masukan maka nilai LM567 akan low karena karakteristik IC LM567 adalah aktif low. Gambar 2.11 adalah skema yang terdapat pada datasheet LM567, fungsinya adalah untuk mendeteksi input pada frekuensi tertentu.
Gambar 2.11. Skema LM567[11]
17
2.9.
Audio Amplifier Audio Amplifier adalah sebuah alat yang berfungsi memperkuat sinyal audio dari
sumber-sumber sinyal yang masih kecil sehingga dapat dikeluarkan oleh speaker. Audio amplifier diperlukan untuk menguatkan sinyal keluaran dari PLL yang terintegrasi di LM1893. Pada tugas akhir ini digunakan IC LM380 2.5W sebagai penguat audionya, LM380 adalah penguat dengan gain tegangan fix 50. Gambar 2.12 adalah konfigurasi IC LM380 yang digunakan sebagai amplifier utama dalam tugas akhir ini.
Gambar 2.12. LM380 2.5W audio power amplifier [16]
2.10. LM565 LM565 adalah sebuah IC PLL, oleh sebab itu IC LM565 dapat digunakan untuk demodulasi FSK dan FM. Dengan sedikit modifikasi IC LM565 dapat digunakan pula sebagai pembangkit sinyal yang digunakan untuk membuat pemodelan frekuensi modulasi (FM). Gambar 2.13 menunjukkan konfigurasi dari IC LM565.
18
Gambar 2.13. Konfigurasi kaki IC LM565 [17]
2.11. Penguat Diferensial Penguat diferensial adalah suatu oenguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua masukannya. Gambar 2.14 adalah penguat diferensial sederhana menggunakan 2 buat transistor yang identik
Gambar 2.14. Penguat diferensial [15]
Penguat diferensial pada gambar 2.14 tersebut menggunakan komponen BJT (Bipolar Junction Transistor) yang identik sebagai pebguat. Pada penguat diferensial terdapat dua sinyal masukan yaitu V1 dan V2. Dalam kondisi ideal, apabila masuka identik (Vid = 0), maka keluaran di Vod = 0, disebabkan karena Ib1 = Ib1 sehingga Ic2 = Ic2 dan Ie1 = 19
Ie2. Karena itulah tegangan keluaran (Vc1 dan Vc2) mempunyai nilai yang sama dimana akan membuat nilai dari Vod = 0. Apabila terdapat perbedaan antara sinyal masukan dari V1 dan V2, maka Vid = V1 –V2. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perbedaaan antara Ib1 dan Ib2. Dengan adanya perbedaan tersebut harga Ic1 berbeda dengan Ic2 sehingga Vod meningkat sesuai dengan besar penguatan transistror. Untuk memperbesar penguatan dapat digunakan dua tingkat penguat diferensial. Keluaran dari penguat diferensial pertama dihubungkan dengn masukan penguat diferensial berikutnya. Dengan demikian besaran pengatan total adalah hasil kali antara penguatan penguat diferensial pertama (Vd1) dan penguatan penguat diferensial kedua (Vd2). Dalam penerapannya, penguat diferensial biasanya memiliki satu keluaran. Jadi yang digunakan adalah tegangan antara satu keluaran dan ground. Untuk dapat menghasilkan satu keluaran yang tegangannya terhadap ground sama dengan tegangan antara dua keluaran (Vod), maka salah satu keluaran dari penguat diferensial tingat kedua fihubungkam dengan suatu pengikut emitor, Untuk memperoleh kinerja yang lebih baik, maka keluaran dari pengikut emitor dihubunkan dengan suatu konfigurasi yang disebut dengan totem-pole. Dengan menggunakan konfigurasi totem-pole, maka tegangan keluaran X dapat berayun secara positif hinga mendekati harga VCC dan keluaran Y dapat berayun mendekati harga VEE Rangkaian ini dapat disebut juga sebagai penguat operasional (Operational Amplifier (Op Amp)).
20
