ELEKTRONIKA KOMUNIKASI

MODULASI FREKUENSI

Disusun oleh :

1. Alief Yunardi (13311300?)2. Ellen Kurniawati Esmono (1331130015)3. Renata Rama Putri (1331130064)4. Risa Anggraeni (1331130096)

TT-2A

PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI MALANG

2014

1. Pengertian Modulasi Frekuensi

Modulasi Frekuensi (Frequency Modulation = FM ) adalah proses

menumpangkan sinyal informasi pada sinyal pembawa (carrier) sehingga

frekuensi gelombang pembawa (carrier) berubah sesuai dengan perubahan

simpangan (tegangan) gelombang sinyal informasi. Jadi sinyal informasi

yang dimodulasikan (ditumpangkan) pada gelombang pembawa

menyebabkan perubahan frekuensi gelombang pembawa sesuai dengan

perubahan tegangan (simpangan) sinyal informasi. Pada modulasi frekuensi

sinyal informasi mengubah-ubah frekuensi gelombang pembawa, sedangkan

amplitudanya konstan selama proses modulasi. Gambar 1 mengilustrasikan

modulasi frekuensi sinyal pembawa sinusoidal dengan menggunakan sinyal

pemodulasi yang juga berbentuk sinyal sinusoidal.

Secara matematis, sinyal termodulasi FM dapat dinyatakan dengan

eFM = Vc sin ( ωc t + mf sin ωm t )

dengan

eFM : sinyal termodulasi FM

em : sinyal pemodulasi

ec : sinyal pembawa

Vc : amplitudo maksimum sinyal pembawa

mf : indeks modulasi FM

ωc : frekuensi sudut sinyal pembawa (radian/detik)

ωm : frekuensi sudut sinyal pemodulasi(radian/detik)

Gambar 1 (a)Sinyal pembawa (b)Sinyal pemodulasi

(c)Sinyal termodulasi FM.

Modulasi frekuensi merupakan modulasi analog non-linier, disebut

juga modulasi sudut. Disebut non-linier karena frekuensi sinyal pembawa

bisa berubah-ubah. Pada modulasi ini, besarnya amplitudo sinyal informasi

mempengaruhi besarnya frekuensi carrier tanpa mempengaruhi besarnya

amplitudo sinyal pembawa.

Rentang frekuensi FM adalah 88 MHz – 108 MHz sehingga

dikategorikan sebagai Very High Frequency (VHF), sedangkan panjang

gelombangnya dibawah 1.000 KHz sehingga jangkauan sinyalnya tidak

jauh.

Modulasi frekuensi memiliki bandwith yang lebih besar daripada

amplitudo modulasi sehingga bisa menghasilkan suara stereo dengan

menyatukan beberapa saluran audio pada satu gelombang carrier. FM lebih

tahan terhadap gangguan sehingga dipilih sebagai modulasi standar untuk

frekuensi tinggi

Keuntungan FM antara lain, potensi gangguan lebih kecil (kualitas

lebih baik) dan daya yang dibutuhkan lebih kecil

2. Cara Menghasilkan Gelombang Modulasi Frekuensi

Secara sederhana gelombang yang termodulasi FM dapat

dihasilkan dengan menggunakan komponen dioda varactor. Dioda varactor

adalah komponen dioda yang dirancang untuk memberikan nilai kapasitansi

variabel sebagai fungsi dari tegangan yang diberikan pada terminalnya. Kita

telah mengetahui bahwa, persambungan (junction) bahan semikonduktor pn

pada sebuah dioda memang membentuk sebuah struktur satu kapasitor

keping sejajar. Kapasitor ini akan mempunyai nilai kapasitansi yang

berubah-ubah sesuai ketebalan daerah persambungan, d, sesuai dengan

rumus nilai kapasitansi,

C = ε

Ad ............................................................... (1)

dimana : ε = koefisien dielektrik bahan

A = luas penampang persambungan pn

d = tebal daerah persambungan sbg. fungsi tegangan

reverse

Karena nilai kapasitansi tersebut bergantung pada nilai tegangan

reverse, maka pengoperasian dioda varactor selalu pada posisi prategangan

mundur (reverse bias). Dioda varactor ditempatkan pada tank circuit satu

osilator seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Karena nilai kapasitansi dioda

varactor tersebut merupakan komponen nilai total kapasitansi yang

menentukan besar frekuensi osilasi, maka ketika nilai tersebut berubah-ubah

sebagai fungsi tegangan sinyal pemodulasi, frekuensi osilasi yang dihasilkan

juga akan berubah sesuai keadaan itu. Dengan kata lain, telah terjadi

modulasi frekuensi pada satu sinyal carrier.

Gambar 2 Rangkaian penghasil sinyal FM

Nampak pada Gambar 2, bahwa komponen penentu frekuensi

osilasi adalah, L, Cd, dan C, yang membentuk satu tank circuit osilator

Colpitts, dan nilainya tertentu dari persamaan berikut,

fO =

1

2 π √ L( 1Cd

+ 1C )

.........................................(2)

Rangkaian mendapat catu tegangan VCC melalui sebuah RFC (radio

frequency choke) yang berfungsi sebagai penahan sinyal RF masuk ke

batere VCC. Sinyal pemodulasi di-masukkan melalui satu RFC juga yang

berfungsi menahan sinyal RF untuk masuk ke sumber sinyal pemodulasi.

Sementara sinyal termodulasi FM diperoleh dari kolektor transistor.

Tegangan reverse yang dikenakan pada dioda varactor dalam hal

ini, adalah VCC yang memberikan catu tegangan pada rangkaian. Hubungan

antara nilai kapasitansi Cd dengan tegangan reverse tersebut ditunjukkan

pada rumus dibawah :

Cd =

CO

(1+|V|φ )

a

........................................(3)

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.

Deviasi frekuensi yang akan dihasilkan oleh rangkaian Gambar

2.2.1, setelah melalui penurunan matematis, diperoleh nilai konstanta

deviasi,

k =

f O

4 (1+n)(1+2|V O|) ..................................(4)

dimana,

k = konstanta deviasi frekuensi, Hz/volt

fO = nilai kapasitansi dioda varactor pada V = 0,

n = perbandingan nilai dua kapasitansi pada tank circuit osilator,

VO = modulus tegangan reverse yang diterima dioda varactor = VCC.

3. Menentukan Indeks Modulasi

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.

Indeks modulasi FM (mf) merupakan perbandingan antara deviasi

frekuensi maksimum dengan frekuensi sinyal pemodulasi

mf = δ / fm .....................................................(5)

dengan

δ : deviasi frekuensi maksimum

fm : frekuensi maksimum sinyal pemodulasi

mf : 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.

4. Cara Mengetahui Spektrum Modulasi Frekuensi

Untuk mengetahui seberapa lebar spektrum frekuensi sinyal

termodulasi FM, tentu saja dimulai dari persamaan v = A sin ( ωCt + mf sin

ωmt ), yaitu persamaan gelombang FM yang berbentuk fungsi sinus dari

fungsi sinus. Penyelesaiannya memasukkan fungsi Bessel , yaitu,

v = A { J0 (mf ) sin ωCt

+ J1 (mf ) [ sin (ωC + ωm) t – sin (ωC - ωm) t]

+ J2 (mf ) [ sin (ωC + 2ωm) t + sin (ωC - 2ωm) t]

+ J3 (mf ) [ sin (ωC + 3ωm) t – sin (ωC - 3ωm) t]

+ J4 (mf ) [ sin (ωC + 4ωm) t + sin (ωC - 4ωm) t] .... }

Dalam persamaan nampak simbol Jn (mf ), yang maksudnya

adalah, koefisien fungsi Bessel ke-n sebagai fungsi index modulasi mf.

Selengkapnya nilai koefisien tersebut ditunjukkan pada Tabel-1, yang

diturunkan dari rumus fungsi Bessel pada gambar dibawah ini sebagai

berikut.

Jn (mf ) = (mf

2 )n [ 1

n!−

(m f /2 )2

1 !(n+1 )!+

(mf /2)4

2 !(n+2 )!−

(mf /2)6

3 ! (n+1)!+.. . .. ..]

Tabel 1 Koefisien Fungsi Bessel vs mf

Dari persamaan (3) nampak bahwa spektrum gelombang FM

menjadi tidak terbatas walaupun spektrum yang berada simetris terhadap

frekuensi carrier, fc, mempunyai amplitudo yang makin lama mengecil

sesuai koefisien fungsi Bessel yang bersesuaian. Nilai spektrum terjauh

dapat dilihat dari tabel-1, yaitu pada nilai koefisien J yang terakhir untuk

nilai index modulasi tertentu. Sementara pada sistem AM, spektrum hanya

terbatas pada LSB dan USB-nya. Tetapi dalam praktek pengoperasiannya,

pembatasan bandwidth RF tersebut dilakukan yang merupakan satu

rekomendasi ITU-R, tang diterapkan pada bidang penyiaran misalnya.

Dari Tabel-1, nampak bahwa sangat memungkinkan penilaian

ukuran carrier dan setiap sideband untuk nilai tertentu index modulasi, mf,

sehingga kita dapat menggambarkan spektrum tersebut pada berbagai nilai

indeks modulasi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2.2. Indeks modulasi

akan berubah oleh dua perubah sesuai persamaan mf =

δf m , yaitu nilai

deviasi frekuensi dan frekuensi sinyal pemodulasi, fm. Nampak pada

gambar 3, bahwa perubahan dua perubah itu akan menghasilkan spektrum

yang berbeda walaupun nilai indeks modulasi yang dihasilkan sama. Ini

dapat dilihat pada nilai mf=0,5 untuk dua kondisi (a) dan (b) pada Gambar

3.

(a) (b)

Gambar 3 Spektogram sinyal FM

(a) fm konstan, δ bertambah; (b) δ konstan, fm bertambah

Bandwidth FM dapat diperkirakan secara cepat dengan

menggunakan rumusan Carson’s rule, yang menentukan nilainya

merupakan dua kali jumlah deviasi dan frekuensi tertinggi sinyal

pemodulasi seperti ditunjukkan pada persamaan dibawah. Perlu diingatkan

bahwa Carson’s rule ini hanya merupakan nilai pendekatan saja.

BFM = 2 (δ + fm

5. Pre-Emphasis

Pre-emphasis dipakai dalam pesawat pemancar untuk mencegah

pengaruh kecacatan pada sinyal terima. Karena itu komponen pre-emphasis

ditempatkan pada awal sebelum sinyal itu sempat masuk pada modulator.

Pengaruh kecacatan itu berasal dari differential gain (DG-penguatan yang

berbeda) dan differential phase (DP-fasa yang berbeda). Pre-emphasis akan

menekan amplitudo dari frekuensi sinyal FM yang lebih rendah pada input.

Dengan penggunaan alat ini ketidaklinearan (cacat) akibat sifat DG

dan DP dalam transmisi dapat dikurangi. Nantinya di ujung terima pada

demodulator dipasang komponen de-emphasis yang mempunyai fungsi

kebalikan dari pre-emphasis.

Perbedaan dari sistem AM adalah, adanya blok pre-emphasis pada

jalur pengolahan sinyal pemodulasi. Blok pre-emphasis merupakan satu

penguat dengan gain yang tidak konstan dan cenderung “overshoot” atau

‘boosted’ pada daerah frekuensi tinggi, seperti ditunjukkan karakteristiknya

pada Gambar4.

Gambar 4 Kurva karakteristik pre dan de-emphasis sistem FM.

Kemiringan kurva tersebut dinamakan 3 dB up, yang pada kurva

Gbr-4 ditunjukkan terjadi pada frekuensi 2120 kHz (standar Amerika).

Sementara pada sisi terima terjadi proses sebaliknya, yaitu dilakukan proses

redaman pada daerah frekuensi tersebut yang juga ditunjukkan kurvanya

pada Gbr-4 tersebut. Proses yang terjadi dan blok yang melakukan proses

tersebut dinamakan de-emphasis.

Proses pre-emphasis dihasilkan dengan menggunakan rangkaian

seperti ditunjukkan pada Gbr-5, yaitu kombinasi komponen L dan R secara

seri yang mempunyai satu nilai time-constan, rtc tertentu. Dengan standar

Amerika, rangkaian tersebut mempunyai nilai rtc sebesar 75 μs, yang

dihasilkan dengan nilai 0,75 henry dan 10 kΩ untuk induktor dan

resistornya seperti ditunjukkan pada Gambar5.

Gambar 5 Rangkaian Emphasis 75 μs

6. Sistem Pemancar FM Stereo

Sejak diketemukannya tabung triode oleh Lee De Forest di tahun

1904, maka per-kembangan teknik radio maju pesat. Bentuk lahirnya yang

mula-mula primitif, semakin lama, semakin komplex menuju ke arah

kesempurnaan.

Di awal perkembangannya, radio broadcasting memakai sistem

transmisi AM (Am-plitude Modulasi) seperti diuraikan diatas, tetapi karena

sinyal transmissi AM mem-punyai banyak kelemahan, antara lain mudah

terganggu oleh sumber medan listrik-magnit luar seperti, dinamo, petir,

lampu neon, dsb, maka tidak cocok untuk menya-lurkan informasi Audio

yang mempunyai kualitas Hi-Fi.

Tetapi kemudian di tahun 1936, Armstrong menemukan sistem

transmisi baru yang kemampuannya jauh lebih baik dari sistem AM,

terutama dalam kekebalan terhadap gangguan luar dan kesanggupan

menyalurkan informasi suara-musik bebas dari noise. Sistem ini diberi nama

Modulasi Frekuensi disingkat FM. Dengan sistem FM, penyaluran musik

menjadi jauh lebih sempurna dibanding AM, dimana dapat direproduksi

suara musik yang jernih, tajam sesuai dengan aslinya. Komposisi bass dan

treble terpadu harmonis dalam siaran FM tersebut, berbeda dengan siaran

AM yang menyajikan musik dengan treble tumpul serta noissy. Meskipun

telah diperoleh suara yang jernih dari siaran FM, tetapi keinginan penikmat

audio masih belum merasa puas, karena sistem ini hanya dapat menyalurkan

sinyal monophonic. Baru sekitar 20 tahun kemudian, pemakaian FM sebagai

media stereophonic dapat direalisir dengan baik.

FM-MPX

Dari sekian banyak metoda penyiaran radio stereophonic, seperti

sistem AM-AM, AM-FM, FM-TDM dsb, hanya sistem FM-MPX

yang bertahan sampai kini. FM-MPX merupakan singkatan dari

Frekwensi Modulasi-Multiplexing. Sedangkan yang dimaksud dengan

kata multiplexing adalah proses penyiaran beberapa informasi

sekaligus melalui fasilitas satu jalur transmisi. Seperti kita ketahui,

sistem audio stereophonic menghasilkan dua sinyal informasi

sekaligus untuk diberikan ke speaker kiri dan speaker kanan, ini

merupakan salah satu kesulitan didalam teknik penyiaran, sebab harus

tetap diusahakan,

- Pemisahan antara sinyal kiri dan sinyal kanan selama proses

transmisi berlangsung, kedua sinyal tersebut tidak boleh

bercampur satu sama lain.

- Disamping itu harus pula dipikirkan tentang compability sistem

transmisi stereophonic ini terhadap sistem mono, sebab walau

bagaimanapun, penerima atau receiver mono harus dapat

menangkap informasi audio secara lengkap (meskipun tidak dapat

menangkap efek 'stereo'nya). Begitu pula sebaliknya, siaran dari

pe-mancar mono harus dapat ditangkap oleh penerima stereo.

Ternyata FM-MPX memenuhi kedua kriteria diatas, hal ini pula

yang menyebabkannya dapat bertahan dipakai sampai kini.

Keuntungan FM-MPX

Keuntungan FM-MPX stereo dibanding dengan sistem lain terutama

pada sifat compatible-nya dan sifat mutu. Pada sistem stereo jenis lain

sering kali terbentur ke-pada persoalan compatible yang tidak baik,

dimana penerima mono tidak dapat me-nangkap siaran stereo

seutuhnya dan demikian pula sebaliknya, penerima stereonya tidak

dapat menangkap siaran mono. Soal mutu, FM-MPX sangat baik,

apabila instrumen pemancar dalam kondisi baik, juga penerima dalam

kondisi baik, maka suara reproduksi melalui media FM-MPX dapat

'lebih indah dari aslinya', artinya suara reproduksi melalui FM-MPX

sanggup menyaingi suara reproduksi turntable sekalipun. Apalagi jika

siaran itu berasal dari siaran musik hidup (live show), maka kita dapat

mendengarkan musik yang begitu membahana di telinga.

7. Pemancar FM

Tujuan dari pemancar FM adalah untuk merubah satu atau lebih

sinyal input yang berupa frekuensi audio (AF) menjadi gelombang

termodulasi dalam sinyal RF (Radio Frekuensi) yang dimaksudkan sebagai

output daya yang kemudian diumpankan ke sistem antena untuk

dipancarkan. Dalam bentuk sederhana dapat dipisahkan atas modulator FM

dan sebuah power amplifier RF dalam satu unit. Sebenarnya pemancar FM

terdiri atas rangkaian blok subsistem yang memiliki fungsi tersendiri, yaitu:

FM exciter merubah sinyal audio menjadi frekuensi RF yang sudah

termodulasi

Intermediate Power Amplifier (IPA) dibutuhkan pada beberapa

pemancar untuk meningkatkan tingkat daya RF agar mampu

menghandle final stage

Power Amplifier di tingkat akhir menaikkan power dari sinyal sesuai

yang dibutuhkan oleh sistem antena

Catu daya (power supply) merubah input power dari sumber AC

menjadi tegangan dan arus DC atau AC yang dibutuhkan oleh tiap

subsistem

Transmitter Control System memonitor, melindungi dan memberikan

perintah bagi tiap subsistem sehingga mereka dapat bekerja sama dan

memberikan hasil yang diinginkan

RF lowpass filter membatasi frekuensi yang tidak diingikan dari

output pemancar

Directional coupler yang mengindikasikan bahwa daya sedang

dikirimkan atau diterima dari sistem antena

8. FM Exciter

Jantung dari pemancar siaran FM terletak pada exciter-nya. Fungsi

dari exciter adalah untuk membangkitkan dan memodulasikan gelombang

pembawa dengan satu atau lebih input (mono, stereo, SCA) sesuai dengan

standar FCC. Gelombang pembawa yang telah dimodulasi kemudian

diperkuat oleh wideband amplifier ke level yang dibutuhkan oleh tingkat

berikutnya.

Direct FM merupakan teknik modulasi dimana frekuensi dari

oscilator dapat diubah sesuai dengan tegangan yang digunakan. Seperti

halnya oscilator, disebut voltage tuned oscilator (VTO) dimungkinkan oleh

perkembangan dioda tuning varaktor yang dapat merubah kapasitansi

menurut perubahan tegangan bias reverse (disebut juga voltage controlled

oscillator atau VCO).

Kestabilan frekuensi dari oscillitor direct FM tidak cukup bagus,

untuk itu dibutuhkan automotic frekuensi control system (AFC) yang

menggunakan sebuah kristal oscillator stabil sebagai frekuensi referensi.

Komponen AFC berperan sebagai pengatur frekuensi yang dibangkitkan

oscillator lokal untuk dicatukan ke mixer, sehingga frekuensi oscillator

menjadi stabil.