DATA DIGITAL, SINYAL-SINYAL ANALOG
5.2 DATA DIGITAL, SINYAL-SINYAL ANALOG
Sekarang kita kembali ke kasus pentransmisian data digital menggunakan sinyal-sinyal analog. Yang paling sering dilakukan adalah dengan mentransmisikan data digital melalui jaringan telepon umum. Jaringan telepon dirancang untuk menerima, mengalihkan, dan mentransmisikan sinyal-sinyal analog dengan rentang frekuensi suara berkisar 300 sampai 3400 Hz. Ini sangat sesuai untuk menangani sinyal sinyal-sinyal digital dari lokasi pelanggan (meskipun hal ini mulai berubah). Jadi perangkat-perangkat digital yang dipasang ke jaringan melalui sebuah modem (modulator-demodulator), dapat mengubah data digital ke sinyal- sinyal analog.
Untuk jaringan telepon, digunakan modem-modem yang menghasilkan sinyal-sinyal dalam rentang frekuensi suara. Teknik-teknik dasar yang sama digunakan untuk modem yang menghasilkan sinyal-sinyal pada frekuensi yang lebih tinggi (misalnya, gelombang mikro). Bagian ini memperkenalkan teknik-teknik ini dan menyajikan pembahasan singkat mengenai karakteristik-karakteristik kinerja pendekatan-pendekatan alternative.
Teknik-Teknik Pengkodean
Kita sebutkan bahwa modulasi dipengaruhi oleh satu atau lebih dari tiga karakteristik sinyal pembawa, yaitu: amplitude, frekuensi, dan fase. Jadi, terdapat tiga dasar pengkodean atau teknik modulasi untuk mentransformasikan data digital menjadi sinyal-sinyal analog, seperti yang diilustrasikan di Gambar 5.7.
• Amplitudo-shift keying (ASK) • Frequency-shift keying (FSK) • Phase-shift keying (PSK)
Untuk ketiga kasus ini, sinyal yang dihasilkan menempati bandwidth di tengah- tengah frekuensi pembawa.
Kunci pemindah –
Kunci pemindah – Amplitudo(ASK) Fase (PSK)
Kunci pemindah –
Frekuensi (FSK) Kunci pemindah –
Frekuensi (FSK)
Gambar 5.7 Modulasi Sinyal Analog untuk Data Digital
Amplitudo Shift Keying
Pada ASK, dua nilai biner dilambangkan dua amplitude berbeda dari frekuensi sinyal pembawa. Umumnya, salah satu dari amplitude adalah nol; yaitu, satu digit biner yang ditunjukkan melalui keberadaan sinyal pada amplitudo yang konstan dari suatu sinyal pembawa, sedangkan yang lain melalui ketidakadaan sinyal pembawa. Sinyal yang di hasilkan adalah
ASK
Dimana sinyal pembawa adalah A cos(2 𝑝𝑓 𝑐 𝑡 ). ASK rentan terhadap perubahan bati (gain) yang terjadi tiba-tiba serta merupakan teknik modulasi yang
tidak terlalu efisien. Pada jalur derajat-suara, biasanya hanya digunakan sampai 1200bps.
Teknis ASK digunakan untuk mentransmisikan data digital sepanjang serat optic. Untuk transmitter LED, persamaan sebelumnya cukup valid. Yakni, satu elemen sinyal ditunjukkan melalui sebuah pulsa cahaya sementara elemen sinyal yang lain ditunjukkan melalui ketidakberdayaan cahaya. Transmitter laser pada umumnya memiliki arus ‘bias’ tertentu yang menyebabkan perangkat menyebarkan level cahaya yang rendah. Level yang rendah ini menunjukkan satu elemen sinyal, disisi lain pada gelombang cahaya amplitude yang lebih tinggi menunjukkan elemen sinyal yang lain.
Frequency Shift Keying
Pada FSK, dua nilai biner yang ditujukkan oleh dua frekuensi yang berbeda di dekat frekuensi pembawa. Sinyal yang dihasilkan adalah.
Dimana f1 dan f2 penyeimbang khusus dari frekuensi pembawa Fc oleh persamaan namun dengan jumlah yang berlawanan.
Gambar 5.8 menunjukkan sebuah contoh dari penggunaan FSK untuk operasi full-duplex sepanjang jalur derajat-suara. Gambar tersebut merupakan spesifikasi untuk modem seri Bell System 108. Ingat bahwa jalur derajat-suara akan melewatkan frekuensi pada kisaran rentang 300 sampai 3400 Hz, sedangkan full duplex berarti sinyal-sinyal ditransmisikan dua arah pada saat yang bersamaan. Untuk mencapai transmisi full duplex, bandwidth terbagi. Pada salah satu arah (mentransmisi atau menerima) frekuensi-frekuensi digunakan untuk menampilkan 1 dan 0 dipusatkan pada 1170 Hz, dengan perubahan sebesar 100 Hz pada sisi yang lain. Dampak dari pergantian antara dua frekuensi tersebut adalah menghasilkan suatu sinyal yang spektrumnya diindikasikan sebagai daerah berbayang-bayang di sebelah kiri dalam gambar 5.8. hampir sama dengan itu, untuk arah yang lain (menerima atau mentransmisi) modem menggunakan frekuensi-frekuensi yang diubah 100 Hz untuk setiap sisi frekuensi tengah dari 2125 Hz. Sinyal ini ditunjukkan daerah berbayang-bayang pada sisi sebelah kanan pada Gambar 5.8. patut dicatat bahwa hanya terdapat sedikit tumpang tindih dan sedikit interferensi.
Gambar 5.8 Transmisi FSK full Duplex pada Jalur Derajat Suara
Pada FSK, fase sinyal pembawa diubah untuk menampilkan data. Bagian bawah dari Gambar 5.7 merupakan contoh dari sitem dua-fase. Pada system ini, biner 1 ditunjukkan dengan cara mengirimkan hentakan signal dari fase yang sama seperti hentaka sinyal yang dikirim sebelumnya. Ini disebut diferensial PSK, karena perubahan fase lebih berkaitan dengan bit yang di trasmisikan sebelumnya, daripada dengan sinyal patokan secara konstan. Sinyal yang dihasilkan adalah
Dengan fase diukur relative terhadap internal bit sebelumnya.
Penggunaan bandwidth yang lebih efisien lagi bisa dicapai bila setiap elemen pensinyalan menunjukkan lebih dari satu bit. Sebagai contoh, sebagai pengganti dari perubahan fasa sebesar 180º, sebagaimana yang diperbolehkan dalam PSK, tenik pemberian kode yang umum, disebut sebagai Kunci Perubah Fase Quadrature (KPFQ), menggunakan multiple perubah fase sebesar π/2(90º)
⎪ ⎪ ⎩ 𝐴𝐴𝐴𝑠 �2𝜋𝑓 𝑐 𝑡+ 4 � 01⎭ Jadi setiap elemen sinyal menghasilkan dua bit daripada satu bit.
Skema ini masih dapat diperluas. Dapat mentransmisikan bit-bit, tiga pada saat yang bersamaan dengan menggunakan delapan sudut fase yang berbeda. Selanjutnya, masing-masing sudut dapat memiliki lebih dari satu amplitude. Sebagai contoh, sebuah modem standar 9600 bps menggunakan 12 sudut fase, empat di antaranya memiliki dua nilai amplitude.
Contoh berikutnya ini memberi penjelasan yang sangat baik mengenai perbedaan antara rate data R (dalam bps) dan rate modulasi D (dalam baud) dari suatu sinyal. Sekarang kita sumsikan bahwa skema ini dipergunakan dengan input digital NRZ-L. maka rate datanya adalah R=1 𝑡 � , di mana 𝑡 𝐵 𝐵 adalah lebar setiap
bit NRZ-L. bagaimanapun juga, sinyal yang diberi kode berisikan b=4 bit dalam setiap elemen sinyal menggunakan L=16 kombinasi amplitude dan fase yang berlainan. Rate modulation bisa dilihat sebagai R/4 karena setiap perubahan elemen sinyal mengkomunikasikan 4 bit. Jadi, kecepatan pensinyalan jalur adalah sebesar 2400 baud, namun rate datanya sebesar 9600 bps. Ini adalah alasan dimana rate bit yang lebih tinggi bisa diperoleh sepanjang jalur derajat-suara dengan cara menggunakan skema-skema modulasi yang lebih kompleks.
Rumusan umumnya adalah:
D= =
Dimana D= Rate modulasi, baud R= Rate data, bps L= Jumlah elemen-elemen sinyal yang berlainan B=Jumlah bit per elemen sinyal
Pada pembahasan sebelumnya itu memang Nampak rumit bila teknik pengkodeannya ternyata lain dibanding NRZ yang digunakan. Sebagai contoh, kita lihat bahwa modulation rate maksimum untuk sinyal-sinyal bifase adalah
2𝑡 � . Sehingga D untuk bifase lebih besar disbanding D untuk NRZ. Hal ini untuk 𝐵 beberapa pecacah menambah laju pengurangan dalam D yang terjadi menggunakan teknik-teknik modulasi sinyal multilevel.
Phase Shift Keying
Pada PSK, fase pada sinyal carrier adalah perubahan untuk mewakili data. Binary PSK. yang paling sederhana dengan menggunakan dua fase di Pada PSK, fase pada sinyal carrier adalah perubahan untuk mewakili data. Binary PSK. yang paling sederhana dengan menggunakan dua fase di
Differential PSK
Perubahan fase relative untuk transmisi sebelumnya lebih dari beberapa sinyal referensi
Gambar 5.9 Differential PSK
Quadrature PSK
Penggunaan lebih efisien oleh tiap elemen sinyal diwakili lebih dari satu bit Misalnya perubahan pada π/2 (90º) Tiap elemen diwakili dua bit Dapat digunakan 8 sudut fase dan memiliki lebih dari satu amplitude 9600 bps modem menggunakan sudut 12, empat pada tiap dua amplitude Offset QPSK (Orthogonal QPSK) Delay dalam aliran Q
Gambar 5.10 Modulator QPSK dan OQPSK
Gambar 5.11 Contoh pada gelombang QPSF dan OQPSK
Kinerja
Dengan melihat pada kinerja beberapa skema modulasi digital-ke-analog, paramaeter pertama perhatian kita adalah pada bandwidth sinyal yang dimodulasikan. Ini tergantung pada berbagai factor, termasuk pada definisi bandwidth yang digunakan dan teknik penggunaan filter yang dimanfaatkan untuk menciptakan sinyal bandpass. Kita akan menggunakan beberapa hasil yang jelas dari [COUC97].
Bandwidth transmisi 𝐵 𝑇 untuk ASK dalam bentuk
Di mana R adalah rate bit dan r berkaitan dengan teknik menyaring sinyal untuk menetapkan bandwidth transmisi; biasanya 0<r<1. Jadi bandwidth berhubungan langsung dengan rate bit. Rumus yang sebelumnya juga berlaku untuk FSK.
Untuk PSK, bandwidth dinyatakan dengan
Di mana 𝛥𝛥 = 𝑓 2 −𝑓 𝑐 = 𝑓 𝑐 −𝑓 1 adalah penyeimbang frekuensi yang
dimodulasi dari frekuensi pembawa. Bila menggunakan frekuensi yang sangat tinggi, dipakai symbol 𝛥𝛥. Sebagai contoh, salah satu standar untuk pensinyalan FSK untuk jaringan local coaxial cable multipoint menggunakan 𝛥𝛥 =1,25 MHz, 𝑓 𝑐 =5 MHz, dan R= 1 Mbps; dalam hal ini, istilah 2 𝛥𝛥 =2,5 MHz dipakai. Pada contoh di bagian sebelumnya mengenai modem Bell 108, 𝛥𝛥 =100 Hz, 𝑓 𝑐 =1170 Hz (dalam satu arah), dan R= 300 bps; dalam hal ini di pakai istilah (1+r)R.
Dengan pensinyalan multilevel, terdapat peningkatan yang cukup berarti dalam hal bandwidth. Umumnya :
Tabel 5.5 Rate Data Untuk Perbandingan Bandwidth Transmisi untuk Berbagai Skema Pengkodean Digital ke Analog
Band Lebar
Band Sempit
Pensinyalan multilevel L = 4, b = 2
Di mana L adalah jumlah bit yang diberi kode per elemen sinyal dan M adalah jumlah elemen-elemen sinyal yang berlainan. Table 5.5 menunjukkan perbandingan rate data R, terhadap bandwidth transmisi untuk berbagai skema. Rasio ini juga disebut sebagai efisiensi bandwidth. Sesuai dengan nama yang diperlihatkan, parameter ini mengukur efisien dengan bandwidth yang dapat digunakan untuk mentransmisikan data.
Dengan demikian, keuntungan metode-metode pensinyalan multilevel menjadi lebih jelas.
Tentunya, pembahasan sebelumnya menunjuk pada spectrum sinyal input pada suatu jalur komunikasi. B elum ada yang dikatakan mengenai kinerja keberadaan derau. Gambar 5.4 menunjukkan ringkasan beberapa hasil berdasarkan asumsi yang beralasan berkaitan dengan system transmisi [COUC97]. Di sini, rate bit error ditunjukkan sebagai
suatu fungsi rasio 𝐸 𝐸 / 𝑁 𝑝 yang di tetapkan di Bab 3. Tentunya, bila rasio itu meningkat, maka rate bit error menurun. Selanjutnya, PSK dan QPSK 3 dB lebih baik dibanding ASK dan FSK.
Informasi ini sekarang dapat dikaitkan dengan efisiensi bandwidth. Ingat
bahwa
Parameter N0 adalah kerapatan daya derau dalam watt/hertz. Maka derau dalam suatu sinyal dengan bandwidth BT adalah N=N0 BT, penggantinya, diperoleh
Untuk skema pensinyalan tertentu, rate bit error dapat dikurangi dengan cara meningkatkan Eb/N0 yang dapat diperoleh dengan meningkatkan bandwidth atau dengan mengurangi rate data: dengan kata lain, dengan mengurangi efisiensi bandwidth.
Seperti yang ditunjukkan contoh sebelumnya, ASK dan FSK menampilkan efisiensi bandwidth yang sama, sedangkan PSK lebih baik (bahkan diperoleh peningkatan yang lebih besar untuk persinyalan multilevel).
Sangatlah bermanfaat membandingkan persyaratan bandwidth ini dengan yang digunakan untuk pensinyalan digital. Perkiraan terbaiknya adalah
Di mana D adalah rate modulasi. Untuk NRZ, D=R, dan kita dapat
Jadi, pensin yalan digital berada dalam rentang yang sama, berkaitan dengan efisiensi, seperti ASK, FSK, dan PSK. Terlihat keuntungan yang signifikan untuk pensinyalan analog dengan teknik-teknik multilevel.