MAKALAHTEKNIK MODULASI DIGITAL

PHASE SHIFT KEYING

OLEH :YAMA FRESDIAN DWI SAPUTROTE 4A4.35.11.0.24

JURUSAN TEKNIK ELEKTROPROGRAM STUDI D4 TELEKOMUNIKASIPOLITEKNIK NEGERI SEMARANG2015

I. PENDAHULUAN1.1 ModulasiModulasi adalah suatu proses dimana properti atau parameter dari suatu gelombang divariasikan secara proporsional terhadap gelombang yang lain. Parameter yang diubah tergantung pada besarnya modulasi yang diberikan. Proses modulasi membutuhkan dua buah sinyal yaitu sinyal pemodulasi yang derupa dinyal informasi yang dikirim, dan sinyal carrier dimana sinyal informasi tersebut ditumpangkan. (Krauss, H.L, Raab, F.H. 1990). Modulasi memiliki dua macam jenis, yaitu modulasi sinyal analog dan modulasi sinyal digital. Contoh modulasi sinyal analog adalah Frequency Modulation (FM) dan Amplitude Modulation (AM). Sementara modulasi sinyal digital antara lain Amplitude Shift Keying (ASK), Phase Shift Keying (PSK), dan Frequency Shift Keying (FSK).

Gambar 1.1 Blok Diagram Sistem TransmisiTujuan dilakukannya proses modulasi antara lain : 1. Untuk memudahkan proses radiasi 2. Untuk memungkinkan multiplexing 3. Untuk mengatasi keterbatasan peralatan 4. Untuk mengurangi pengaruh noise dan interferensi

1.2 Modulasi DigitalModulasi digital merupakan proses penumpangan sinyal digital (bit stream) ke dalam sinyal pembawa. Modulasi digital sebenarnya adalah proses mengubah-ubah karakteristik dan sifat gelombang pembawa (carrier) sedemikian rupa sehingga bentuk hasilnya (modulated carrier) memiliki ciri-ciri dari bit-bit (0 atau 1). Berarti dengan mengamati sinyal carriernya, kita bisa mengetahui urutan bitnya disertai clock (timing, sinkronisasi). Melalui proses modulasi digital sinyal-sinyal digital setiap tingkatan dapat dikirim ke penerima dengan baik. Untuk pengiriman ini dapat digunakan media transmisi fisik (logam atau optik) atau non fisik (gelombang-gelombang radio). Pada dasarnya dikenal 3 sistem modulasi digital yaitu: ASK, FSK, dan PSK.

Gambar 1.2 (a) macam macam modulasi digital

Berdasarkan tiga jenis modulasi digital (ASK, FSK, PSK) ini kemudian dikembangkan menjadi beberpa jenis modulasi digital yang saat ini digunakan, seperti Minimum Shift Keying (MSK), Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) yang sekarang digunakan pada telepon seluler GSM, Differential Binary Phase Shift Keying (DBPSK), Quartenary Phase Shift Keying (QPSK), Differential Quartenary Phase Shift Keying (DQPSK), dan lain-lain.Bentuk persamaan dan contoh output dari modulator dapat dilihat seperti pada gambar berikut ini :

Gambar 1.2 (b) Jenis jenis modulasi digital (a) ASK, (b) PSK, (c) FSK1.3 Sinyal Analog dan Sinyal DigitalBerdasarkan data yang dikirimkan, komunikasi dapat dibedakan menjadi komunikasi analog dan komunikasi digital. Jika sinyal informasi berupa sinyal kontinyu, maka komunikasi tersebut merupakan komunikasi analog. Sedangkan untuk sinyal informasi digital seperti kode ASCII, sinyal percakapan dan gambar digital maka komunikasi tersebut dinamakan komunikasi digital. Skema modulasi yang digunakan juga berbeda, untuk komunikasi analog menggunakan modulasi konvensional (AM atau FM) sedangkan komunikasi digital menggunakan modulasi FSK, PSK atau QAM beserta turunan masing-masing jenis modulasi tersebut. Saat ini komunikasi elektronik berusaha menggunakan sinyal informasi digital, misalnya komunikasi telepon seluler.

Gambar 1.3 (a) sinyal analog (b) sinyal digital

Dalam sebuah sinyal, ada istilah amplitudo, periode dan frekuensi, panjang gelombang, serta fase sinyal. Gambaran tentang istilah-istilah sinyal tersebut adalah sebagai berikut :

Gambar 1.3 parameter gelombang (amplitude, periode, dan frekuensi)

Amplitudo adalah besarnya sinyal atau besarnya ayunan sinyal tersebut. Yang disebut dengan satu gelombang terdiri dari sebuah bukit dan sebuah lembah. Sehingga Panjang gelombang adalah jarak antara satu bukit dengan bukit berikutnya atau jarak lembah dengan lembah berikutnya dengan satuan meter. Periode adalah waktu yang diperlukan untuk menempuh satu bukit dengan satu lembah dalam satuan detik. Banyaknya gelombang tiap detik disebut dengan frekuensi dengan satuan Hertz. sehingga hubungan antara frekuensi dengan periode dapat dinyatakan :

Fase sinyal adalah sudut yang ditempuh dalam satu periode. Satu periode dinyatakan sebagai 360. Sehingga fase pada saat awal gelombang ( t = 0) adalah 0 dan fase pada saat menempuh satu periode ( t = T ) adalah 360.

Gambar 1.4 Pengertian fase sinyal (0, 90, dan 180)

Berdasarkan pengertian amplitudo, frekuensi, dan fase tersebut diatas, maka sebuah sinyal analog periodik dapat dinyatakan dengan:s(t) = Asin(2 ft + )Sinyal digital biasanya amplitudo dinyakan dengan nilai 0 dan 1 (dapat juga -1 dan 1 tergantung jenis pengkodeannya), dan periode adalah waktu untuk satu pulsa sinyal dengan amplitudo 0 atau 1 tersebut. Dengan demikian satu gelombang sinyal digital hanya terdiri dari pulsa yang memiliki amplitudo 0 atau 1. Gambaran yang lebih jelas adalah sebagai berikut :

Gambar 1.5 Sinyal Digital

Pengertian laju bit (bit rate) adalah banyaknya pulsa kotak dalam tiap detik, atau kecepatan bit ini identik dengan frekuensi sinyal analog. Periode sinyal digital biasanya disebut dengan interval bit, sehingga banyaknya pulsa kotak tiap detik menunjukkan laju bit sinyal digital. Gambar berikut ini menunjukkan laju bit berdasarkan bit intervalnya.

Gambar 1.6 Interval Bit dan Laju Bit

Bit rate atau laju bit adalah banyaknya bit per detik atau bit per second (bps). Sedangkan baud rate adalah banyaknya unit / satuan sinyal per detik. Baud rate lebih kecil dibanding bit rate.II. ISI2.1 Phase Shift Keying (PSK)Dalam sistem PSK, sinyal pembawa sinusoidal dengan amplituda Ac dan frekuensi fc digunakan untuk merepresentasikan kedua simbol 1 dan 0, hanya saja fasa sinyal pembawa untuk kedua simbol tersebut dibuat berbeda 180. Secara matematis dapat dituliskan :

Gambar 2.1 Sinyal PSK

Gambar 2.2 Modulasi PSK

Gambar 2.3 diagram konstelasi modulasi PSK

Modulasi PSK yang menyatakan setiap bit data biner dengan nilai fase sinyal yang berbeda disebut juga dengan 2-PSK atau Binary PSK (BPSK). Sedangkan modulasi PSK yang menyatakan setiap dua bit data biner dalam sebuah fase yang berbeda dinamakan 4-PSK.Berikut ini akan dijelaskan beberapa varian dari PSK :A. Binary Phase Shift Keying (BPSK)Dalam binary phase shift keying (BPSK), dua output fase yang mungkin akan keluar dan membawa informasi (binary dimaksudkan disini 2). Satu fase output (0 misalnya) mewakili suatu logic 1 dan yang lainnya (misalnya 180) logic 0. Sesuai dengan perubahan keadaan sinyal input digital, fase pada output carrier bergeser diantara dua sudut yang keduanya terpisah 180 (180 out of phase). Nama lain untuk BPSK adalah phase reversal keying (PRK) dan biphase modulation. BPSK adalah suatu bentuk suppressed carrier (carrier yang diturunkan levelnya sampai minimum), square wave (gelombang kotak) memodulasi suatu sinyal continuous wave (gelombang kontinyu) atau CW. Gambar 2.4 menunjukkan suatu diagram blok sederhana sebuah modulator BPSK. Balanced modulator bekerja seperti suatu switch pembalik fase. Tergantung pada kondisi logic pada input digital, carrier yang ditransfer ke output pada kondisi inphase (0) atau bergeser 180 dengan carrier oscillator referensi.

Gambar 2.4 Modulator BPSK

Gambar 2.5 Konstelasi Sinyal BPSKDari gambar di atas di dapat perhitungan sebagai berikut

Dan

Masing masing sebagai sumbu horisontal dan vertikal.Perlu diketahui bahwa penambahan minus(-) pada 2(t) adalah suatu penjumlahan, bukan perbedaan. Bentuk gelombang dari sinyal BPSK yang dihasilkan oleh modulasi pada Gambar 2.5 untuk aliran data {10110} ditunjukkan pada Gambar 2.6. Gelombang memiliki amplop konstan seperti FSK. Frekuensi konstan juga.

Gambar 2.6 BPSK waveforms (a,b)

B. 4 Phase Shift Keying / Quadrature Phase Shift Keying (4-PSK/QPSK)Sistem QPSK merupakan transmisi data M-ary dengan M = 4. Jadi, 1 dari 4 kemungkinan sinyal ditransmisikan setiap 1 interval pensinyalan, dimana setiap sinyal (symbol) terdiri dari 2 bit. Sebagai contoh, berikut adalah 4 kemungkinan symbol 00,10,11, dan 01 direpresentasikan dengan mengirimkan sinyal pembawa sinusoidal dengan satu dari 4 kemungkinan nilai :

Dimana 0 t T

Gambar 2.7 Sinyal QPSK untuk deretan biner 101110110001

Fase yang berbeda dinamakan 4-PSK, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8. Untuk jenis 4-PSK ini nilai bit rate yang diperoleh adalah dua kali dari baud ratenya. Sedangkan diagram konstelasi modulasi 4-PSK ditunjukkan pada Gambar 2.9.

Gambar 2.8 Bentuk Sinyal modulasi 4-PSK

Gambar 2.9 Diagram Konstelasi Modulasi 4-PSK

C. 8 Phase Shift Keying (8-PSK)Modulasi PSK secara sederhana mengalokasikan satu fase tertentu untuk setiap sandi yang ada. Pada BPSK dialokasikan dua fase yang berlainan untuk sandi 1 dan 0. Pada QPSK dialokasikan empat fase yang berlainan untuk sandi 00, 01, 10, dan 11. Sedangkan untuk 8 PSK harus dialokasikan delapan fase yang berbeda untuk sandi 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, dan 111. Setiap kali level PSK meningkat, maka efisiensi bandwitdh juga meningkat. Pada BPSK efisiensi bandwitdh-nya 1 b/s/Hz, pada QPSK efisiensi bandwitdh-nya 2 b/s/Hz, dan pada 8 PSK efisiensi bandwitdh-nya mencapai 3 b/s/Hz. Semakin besar efisiensi bandwith maka semakin sempit bandwidth yang dibutuhkan untuk transmisi data.

Gambar 2.10 Diagram Konstelasi Modulasi 8-PSK

Karena setiap sinyal analog menyatakan tiga bit data biner, maka bit ratenya adalah tiga kali dari buad ratenya.

D. 16 Phase Shift Keying (16-PSK)

16 PSK adalah teknik pengkodean PSK (Phase Shift Keying) dimana M=16 sehingga pada 16 PSK ada 16 phase keluaran yang berbeda dengan jumlah bit sebanyak 4.

Gambar 2.11 Diagram Konstelasi Modulasi 16-PSK

1. Differensial BPSK

Teknik ini dapat digunakan dalam modulasi PSK. DBPSK ini juga biasa disebut dengan DPSK.Differensial Phase Shift Keying (DPSK), adalah sebuah bentuk umum modulasi fasa untuk mengirimkan data dengan mengubah fasa dari gelombang pembawa. Dalam Phase Shift Keying, ketika bernilai high 1 hanya berisi satu siklus tapi Differensial Phase Shift Keying (DPSK) mengandung satu setengah siklus. Gambar di bawah ini menunjukkan modulasi PSK dan DPSK dengan urutan pulsa seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.12 Modualtor DPSK

Dari modulator tersebut dapat dihasilkan runtun bit atau output dari DPSK. Sebagai contoh dapat dilihat pada gambar di bawah ini

Gambar 2.13 Runtun Bit DPSK

Sehingga akan dihasilkan sinyal termodulasi sebagai berikut, yang terlihat pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Sinyal Termodulasi DPSK

Gambar di bawah ini menunjukkan modulasi PSK dan DPSK dengan urutan pulsa seperti pada gambar di bawah ini

Gambar 2.15 Sinyal DPSK dan PSKDari gambar di atas dapat dilihat bahwa ketika bernilai high 1 diwakili oleh sebuah sinyal termodulasi seperti bentuk M dan dalam keadaan low 0 dan diwakili oleh suatu gelombang yang muncul seperti W dalam sinyal termodulasi. Amplitudo dan frekuensi bernilai konstan, namun fasa berubah menyesuaikan bit. Modulasi DPSK dilakukan dengan menggunakan perangkat Phase Locked Loop (PLL).PLL menggunakan referensi sinyal pembawa sinusoidal, lalu mendeteksi fasa sinyal yang diterima, jika fasanya sama dengan referensi, maka dianggap bit 0, jika sebaliknya maka bit 1.

Gambar 2.16 Diagram Modulator DPSK

Pada Gambar diatas aliran data yang akan di transmisikan d(t) dimasukkan ke salah satu logika XNOR dua masukkan, dan gerbang input lainnya dipakai untuk keluaran gerbang XNOR b(t) yang di delay dengan waktu delay Tb, yang dialokasikan untuk satu bit delay. Pada input kedua gerbang XNOR ini adalah b(t-Tb).

2. M-Ary Phase Shift Keying

Pada M-ary PSK, ada sejumlah M sandi, setiap sandi tersusun atas n bit ( M = 2n ) dan dinyatakan dengan sebuah fase tertentu, sehingga ada sejumlah M fase yang berbeda yang digunakan. Jenis-jenis M-ary PSK yang berkembang antara lain adalah :A. Quadrature PSK (QPSK)

Pada QPSK digunakan penyandian dengan 2 bit sehingga n = 2 dan terdapat M = 4 sandi yang berbeda, yaitu 00, 01, 10, dan 11. Dengan demikian ada empat sandi yang harus dinyatakan dengan empat fase yang berbeda. Sebagai contoh dapat dialokasikan fase untuk setiap sandi sebagai berikut. 11 dinyatakan dengan fase 45 10 dinyatakan dengan fase 135 00 dinyatakan dengan fase 225 01 dinyatakan dengan fase 315B. 8 PSKPada 8PSK digunakan penyandian dengan 3 bit sehingga n = 3 dan terdapat M = 8 sandi yang berbeda, yaitu 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, dan 111. Dengan demikian ada delapan sandi yang harus dinyatakan dengan delapan fase yang berbeda pula. Secara umum dapat diketahui jarak atau selang antar fase adalah 360/M, sehingga selang fase antar sandi untuk 8PSK adalah sebesar 360/16 = 45.C. 16 PSKPada 16 PSK digunakan penyandian dengan 4 bit sehingga n = 4 dan terdapat M = 16 sandi yang berbeda, yaitu 0000, 0001, 0010, . 1111. Dengan demikian harus dialokasikan 16 fase yang berbeda untuk menyatakan setiap sandi tersebut. Selang fase antar sandi untuk 16 PSK adalah sebesar 360/16 = 22,5.

Gambar 2.17 Skema M-ary pada PSK

Setiap kali level atau tingkat PSK meningkat (BPSK, QPSK, 8 PSK, dan seterusnya), maka efisiensi bandwitdh secara teoritis (theoretical bandwidth efficiency) juga meningkat. Hal ini diperlihatkan pada Tabel 1. Semakin besar efisiensi bandwith maka semakin sempit bandwidth yang dibutuhkan untuk transmisi data. Misalnya pada contoh di atas, jika digunakan modulasi 8PSK maka untuk transmisi data 140 Mb/s hanya dibutuhkan bandwith selebar 140/3 MHz = 46.67 MHz. Ini berarti hanya sepertiga bandwidth yang dibutuhkan jika digunakan modulasi BPSK, dengan kata lain penggunaan bandwith menjadi 3 kali lipat lebih efisien.

Gambar 2.18 Tabel efisiensi bandwith