DASAR
TELEKOMUNIKASI
3
Elfitrin Syahrul
Universitas Gunadarma
STALLINGS’ PLAN
1. DIGITAL DATA
2. DIGITAL DATA
-
DIGITAL SIGNALS
ANALOG SIGNALS*
3. ANALOG DATA -
DIGITAL SIGNALS*
4. ANALOG DATA -
ANALOG SIGNALS*
3-2
Kenapa Gelombang FM Lebih Jernih Dibanding AM?
Gelombang AM sudah lama ditinggal. Nyaris semua radio bermain di
jalur FM. Kenapa sih FM lebih jernih?
Hingga tahun delapan puluhan, stasiun radio broadcast (siaran) banyak
menggunakan modulasi AM (Amplitude Modulation). Pada saat itu,
umumnya enggak ada siaran radio yang mampu menampilkan
suara bening, apalagi stereo. Belum lagi kalau cuaca sedang
enggak mendukung. Wah, pokoknya kita enggak bisa menikmati
indahnya suara musik senyaman saat ini.
Setelah periode itu, mulai bermunculan stasiun radio siaran pengusung
modulasi FM (Frequency Modulation). Jenis modulasi ini mampu
memanjakan pendengar siaran karena menghasilkan suara yang
lebih bening. Selain itu, ia dapat diterima dengan pola mono atau
stereo. Maksudnya, jika radio penerima kita hanya bisa menerima
siaran mode mono, maka ia menampilkan suara mono. Sedang
radio penerima tipe stereo punya pilihan untuk menampilkan suara
mono atau stereo beneran (real stereo) sesuai dengan yang
dipancarkan oleh stasiun radio siaran.
3-3
Analogi modulasi
Dalam istilah teknik, kata modulasi mempunyai definisi yang cukup panjang.
Tapi, hal itu dapat dijelaskan dengan analogi sederhana berikut: kalau kita
ingin pergi ke tempat lain yang jauh (yang tidak bisa di lakukan dengan
jalan kaki atau berenang), kita harus menumpang sesuatu.
Sinyal informasi (suara, gambar, data) juga begitu. Agar dapat dikirim ke
tempat lain, sinyal informasi harus ditumpangkan pada sinyal lain. Dalam
konteks radio siaran, sinyal yang menumpang adalah sinyal suara,
sedangkan yang ditumpangi adalah sinyal radio yang disebut sinyal
pembawa (carrier).
Jenis dan cara penumpangan sangat beragam. Dari tinjauan "penumpang",
cara menumpangkan manusia pasti berbeda dengan paket barang atau
surat. Hal serupa berlaku untuk penumpangan sinyal analog yang berbeda
dengan sinyal digital. Penumpangan sinyal suara juga akan berbeda
dengan penumpangan sinyal gambar, sinyal film, atau sinyal lain.
Dari sisi pembawa, cara menumpang di pesawat terbang akan berbeda
dengan menumpang di mobil, bus, truk, kapal laut, perahu, atau kuda. Hal
yang sama juga terjadi pada modulasi. Di mana cara menumpang ke
amplitudo gelombang carrier akan berbeda dengan cara menumpang di
frekuensi gelombang carrier.
3-4
Gelombang/sinyal "carrier"
Gelombang/sinyal carrier adalah gelombang radio yang mempunyai frekuensi jauh lebih
tinggi dari frekuensi sinyal informasi. Berbeda dengan sinyal suara yang mempunyai
frekuensi beragam/variabel dengan range 20 Hz hingga 20 kHz, sinyal carrier
ditentukan pada satu frekuensi saja. Frekuensi sinyal carrier ditetapkan dalam suatu
alokasi frekuensi yang ditentukan oleh badan yang berwewenang.
Di Indonesia, alokasi frekuensi sinyal carrier untuk siaran FM ditetapkan pada frekuensi
87,5 MHz hingga 108 MHz. Alokasi itu terbagi untuk 204 kanal dengan penganalan
kelipatan 100 kHz. Kanal pertama berada pada frekuensi 87,6 MHz, sedangkan kanal
ke 204 berada pada frekuensi 107,9 MHz. Penetapan tersebut dan aturan lainnya
tertuang dalam Keputusan Menteri Perhubungan Nomor KM 15 Tahun 2003.
Frekuensi carrier inilah yang disebutkan oleh stasiun radio untuk menunjukkan
keberadaannya. Misalnya, Radio XYZ 100,2 FM atau Radio ABC 98,2 FM. 100,2 Mhz
dan 98,2 MHz adalah frekuensi carrier yang dialokasikan untuk stasiun
bersangkutan.
Karena berupa gelombang sinusoida, sinyal carrier mempunyai beberapa parameter
yang dapat berubah. Perubahan itu dapat terjadi pada amplitudo, frekuensi, atau
parameter lain. Contoh perubahan amplitudo dan perubahan frekuensi dari suatu
sinyal asal ditunjukkan dalam gambar. Kemampuan untuk diubah inilah yang menjadi
ide dari teknik-teknik modulasi.
3-5
Modulasi AM
Dari banyak teknik modulasi, AM dan FM adalah modulasi yang banyak diterapkan pada radio siaran.
Keduanya dipakai karena tekniknya relatif lebih mudah dibandingkan dengan teknik-teknik lain.
Dengan begitu, rangkaian pemancar dan penerima radionya lebih sederhana dan mudah dibuat.
Di pemancar radio dengan teknik AM, amplitudo gelombang carrier akan diubah seiring dengan
perubahan sinyal informasi (suara) yang dimasukkan. Frekuensi gelombang carrier-nya relatif
tetap. Kemudian, sinyal dilewatkan ke RF (Radio Frequency) Amplifier untuk dikuatkan agar bisa
dikirim ke jarak yang jauh. Setelah itu, dipancarkan melalui antena.
Tentu saja dalam perjalanannya mencapai penerima, gelombang akan mengalami redaman (fading)
oleh udara, mendapat interferensi dari frekuensi-frekuensi lain, noise, atau bentuk-bentuk
gangguan lainnya. Gangguan-gangguan itu umumnya berupa variasi amplitudo sehingga mau
tidak mau akan memengaruhi amplitudo gelombang yang terkirim.
Akibatnya, informasi yang terkirim pun akan berubah dan ujung-ujungnya mutu informasi yang
diterima jelas berkurang. Efek yang kita rasakan sangat nyata. Suara merdu Andien yang
mendayu akan terdengar serak, aransemen Dewa yang bagus itu jadi terdengar enggak karuan,
dan suara Iwan Fals benar-benar jadi fals.
Cara mengurangi kerugian yang diakibatkan oleh redaman, noise, dan interferensi cukup sulit.
Pengurangan amplitudo gangguan (yang mempunyai amplitudo lebih kecil), akan berdampak
pada pengurangan sinyal asli. Sementara, peningkatan amplitudo sinyal asli juga menyebabkan
peningkatan amplitudo gangguan. Dilema itu bisa saja diatasi dengan menggunakan teknik lain
yang lebih rumit. Tapi, rangkaian penerima akan menjadi mahal, sementara hasil yang diperoleh
belum kualitas Hi Fi dan belum tentu setara dengan harga yang harus dibayar.
Itulah barangkali yang menyebabkan banyak stasiun radio siaran bermodulasi AM pindah ke modulasi
FM. Konsekuensinya, mereka juga harus pindah frekuensi carrier karena aturan alokasi frekuensi
carrier untuk siaran AM berbeda dengan siaran FM. Frekuensi carrier untuk siaran AM terletak di
Medium Frequency (300 kHz - 3 MHz/MF), sedangkan frekuensi carrier siaran FM terletak di Very
High Frequency (30 MHz - 300 MHz/VHF).
3-6
Modulasi FM
Di pemancar radio dengan teknik modulasi FM, frekuensi gelombang carrier akan
berubah seiring perubahan sinyal suara atau informasi lainnya. Amplitudo gelombang
carrier relatif tetap. Setelah dilakukan penguatan daya sinyal (agar bisa dikirim jauh),
gelombang yang telah tercampur tadi dipancarkan melalui antena.
Seperti halnya gelombang termodulasi AM, gelombang ini pun akan mengalami redaman
oleh udara dan mendapat interferensi dari frekuensi-frekuensi lain, noise, atau
bentuk-bentuk gangguan lainnya. Tetapi, karena gangguan itu umumnya berbentuk
variasi amplitudo, kecil kemungkinan dapat memengaruhi informasi yang
menumpang dalam frekuensi gelombang carrier.
Akibatnya, mutu informasi yang diterima tetap baik. Dan, kualitas audio yang diterima
juga lebih tinggi daripada kualitas audio yang dimodulasi dengan AM. Jadi, musik
yang kita dengar akan serupa dengan kualitas musik yang dikirim oleh stasiun radio
sehingga enggak salah kalau stasiun-stasiun radio siaran lama (yang dulunya AM)
pindah ke teknik modulasi ini. Sementara stasiun-stasiun radio baru juga langsung
memilih FM.
Selain itu, teknik pengiriman suara stereonya juga tidak terlalu rumit. Jadinya, rangkaian
penerima FM stereo mudah dibuat, sampai-sampai dapat dibuat seukuran kotak
korek api. Produk FM autotuner seukuran kotak korek api ini sudah gampang
diperoleh di kaki lima dengan harga yang murah. Kualitasnya cukup memadai untuk
peralatan semurah dan sekecil itu.
3-7
Rangkaian "squelch"
Pada penerima FM (yang juga ada di pesawat televisi),
sinyal radio yang hilang akan menyebabkan terdengar
suara desis noise yang cukup keras. Karena
mengganggu, sebagian besar penerima FM dilengkapi
dengan rangkaian squelch yang berfungsi untuk
mematikan audio jika tidak terdeteksi adanya sinyal
siaran. Pada radio komunikasi VHF dan UHF (yang juga
menggunakan FM), rangkaian squelch dapat diatur
sedemikian rupa sehingga masih dapat mendengarkan
sinyal suara yang volumenya sedikit di atas desis noise.
3-8
Pembagian kanal FM di Indonesia
Jumlah kanal yang disiapkan dalam alokasi frekuensi 87,5 MHz hingga
108 MHz memang sebanyak 204 kanal. Tapi, tentu saja hal itu tidak
menyebabkan 204 stasiun radio bisa didirikan di kota kita. Sebab
jarak antarkanal yang terlalu rapat akan menyebabkan interferensi
antarstasiun radio.
Karena itu, aturan dalam Keputusan Menteri Perhubungan No KM 15
Tahun 2003 mensyaratkan jarak minimal antarkanal dalam satu
area pelayanan (yang umumnya se-Kota atau se-Kabupaten)
adalah 800 kHz. Kecuali pada kota besar semacam Jakarta,
Bandung, Surabaya, Semarang, Medan yang sudah telanjur
mempunyai stasiun cukup banyak. Jarak minimal untuk kota-kota itu
adalah 400 kHz.
Pembagian kanal untuk tiap area layanan tentunya juga disesuaikan
dengan faktor-faktor seperti : kepadatan penduduk, perkembangan
kawasan, dan lainnya. Sebab, apalah gunanya menyediakan
banyak kanal jika pendirian stasiun-stasiun baru di suatu area
layanan tidak menjanjikan.
3-9
1.DIGITAL DATA – DIGITAL SIGNALS
• Encoding Formats
• Synchronization
• Spectral Density
• Modulation Rate
3-10
ENCODING FORMATS
The concept to remember is that we construct actual signals to
represent the data to be transferred.
•These encoding formats are usually voltages (as a function of
time) on guided media.
•The different formats were devised because of needed
benefits due to transmission impairments encountered,
availability of particular circuits to detect (interpret) the signals,
and particular known characteristics of the data represented.
•These formats can be transmitted directly as shown or
“carried” by more basic transport techniques, e.g. AM, FM,
PAM, PWM, PPM, etc.
3-11
•Encoding Formats
•NRZ-L (“L” for Level). If
a 0 is zero volts, then
long strings of 0s will be
indistinguishable from no
signal.
•NRZI encodes 1s as
changes from high to low
or low to high. Again, long
strings of 0s will result in
“no signal”.
•RTZ is not shown. RTZ
establishes a null level
which can be same as 0
encoding or a neutral
level.
•AMI formats are ternary
signals that alternate
polarity of 1s (or 0s in
Pseudoternary). Other
level is sent as no signal.
Problems with long
strings of these bits.
3-12
B8ZS & HDB3 are schemes to avoid long runs of no signal.
AMI
Notice that lots of 0s in
a row look just like a
broken wire!
Knowledge of expected
bit times get lost.
B8ZS is a method of
using “polarity
violations” to encode a
usable signal—without
those long strings of
nothing—into a “signal”
to the receiver to
substitute the real bits
for the code word.
HDB3 is similar to
B8ZS used in
international systems.
Code word is different
but purpose is the
same. This scheme
works on strings of 4
0s.
3-13
Manchester encoding schemes provide another method of providing the receiver
with bit timing information. No addition timing signal is required for bit detection.
Manchester encodes 0s as a down going signal in the center of the bit time and a 1
as an up going signal in mid bit time.
Differential Manchester encodes the changes of bit states as up going mid bit time
transitions and no change of bit as down going signals in mid bit times.
Choice of one scheme over the other depends on circuitry and characteristics of
expected data.
3-14
• BIT SYNCHRONIZATION & MODULATION RATE
Both Manchester schemes
(and there are more) result in
EVERY bit time having a
transition. The receiver can
determine the CLOCK signal
from the actual data.
Both B8ZS (or HDB3) and
Manchester are solutions for
obtaining clock (timing)
signals at the receiver.
Another approach is to send
a separate timing signal.
The cost of using Manchester
encoding is that higher
bandwidths are required to
transmit the signals. In the
extreme, twice the number of
transitions per second are
required for the same data to
be transmitted.
3-15
3-16
*
2. DIGITAL DATA – ANALOG SIGNALS
• Keying (ASK, FSK, PSK, etc.)
• QAM
*NOTE THAT TOPICS MARKED WITH THIS SYMBOL ARE INCLUDED IN THE
SPRING TLEN 5330 SYLLABUS AS SOME STUDENTS WHO HAVE TAKEN TLEN
5310 EARLIER OR WAIVED THE PRE-PREQUISITES MAY NOT HAVE BEEN
EXPOSED TO THESE TOPICS OR AT LEAST WOULD LIKE A REMINDER OF THIS
MATERIAL.
FOR EXAMPLE, THE ANALOG MODULATION CONCEPTS WILL BE COVERED IN
THIS AND FUTURE SEMESTERS IN TLEN 5310. CURRENT TLEN 5330 STUDENTS
WILL NOT BE TESTED IN THESE TOPICS BUT ARE INVITED TO ATTEND THE
OTHER CLASS’ LECTURES FOR IN DEPTH TREATMENT AND FOR ENRICHMENT.
3-17
3-18
QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION
•QAM is major technique used in Cable Modems and DTV/HDTV
transmission on cable. (DTV/HDTV in the US employs 8 or 16VSB, a digital version of the traditional analog TV b’cast method)
•Analog QAM is used for the color information for analog TV as
used in the US and many places in North and South America,
Japan, plus some others.
•Digital QAM is same idea with discrete levels.
•QAM idea can be expanded to TRELLIS MODULATION used in
telephone modems, Cable Modems, and many other systems.
•“QAM” is really how it’s made. The results can be obtained in
other ways. However, the resultant Trellis Modulation means that
combinations of discrete amplitude and phase modulation can be
used to represent many possible states per signal state (i.e. bits
per baud).
3-19
QAM is made by combining 90 degree shifted sine wave with original to
obtain combination of phase and amplitude modulation. The more
possible amplitudes of the original and shifted sine waves, the more
possible bits per baud.
3-20
TRELLIS ENCODING DIAGRAM AND A TRELLIS
3-21
3. ANALOG DATA – DIGITAL SIGNALS
• PAM (A/D conversion: sampling, quantizing,
encoding; D/A conversion) becomes PCM
• DM (fewer bits needed but can get
overloaded)
3-22
PAM – PULSE AMPLITUDE MODULATION CONCEPTS
PCM – PULSE CODE MODULATION CONCEPTS
3-23
PAM Encoding*
*Simplified diagram probably show not enough samples.
3-24
PAM Encoding to PCM Encoding - The D/A process
•When PAM samples are digitized by quantizing and encoding into numbers,
the result in Pulse Code Modulation (PCM).
•Since all possible values can not be encoded digitally, a QUANTIZING
ERROR is always the result of converting PAM to PCM. This error can not be
corrected.
•Samples above become 011 001 110 001 011 110 100 as data to be saved or
transmitted. (Note spaces are shown here only for clarity as real schemes
need to identify “words” of data some other way.)
3-25
What is the quantizing and coding scheme used for music
CDs? (From Page 331 of Noll book)
•NUMBER OF CHANNELS
2
•FREQUENCY RANGE
20 Hz to 20,000 Hz
•DYNAMIC RANGE
90 dB
•SIGNAL TO NOISE RATIO
90 dB
•HARMONIC DISTORTION
< 0.05%
•SAMPLING FREQUENCY
44,100 samples per second
•QUANTIZING
16 bits/sample
•ENCODING
Linear
•CHANNELS
2
•RAW BIT RATE
1.4112 Mbps
•BIT RATE WITH OVERHEAD BITS
4.3218 (includes FEC plus add’l o/h)
•PHYSICAL SIZE
120 mm (4.75 inches) diameter
•ROTATIONAL SPEED
500 – 200 rpm (reads from center out
at a constant LINEAR speed)
•MAXIMUM PLAYING TIME
75 minutes
3-26
COMPANDING
UNDERSTANDING NON-LINEAR ENCODING – THE ANALOG COUNTERPART
•Consider voice analog transmission, such as in an old fashioned local telephone call.
•In the "local loop" (the connection from the local switching office to your location)
random noise can be picked up by the twisted pair wires.
•This noise--which sounds like a hiss in the phone--is most annoying as you would
imagine when you are listening to a soft spoken person.
•One solution to this problem is to use a technique called "companding" which increases
the soft levels of voice before transmission so that the average signal to noise ratio of
the voice signal is higher.
•This is because the average SIGNAL on local loop is higher, but the noise is of course
the same.
•When the signal is received, the circuit reduces the entire received signal to the correct
average, thus reducing the apparent signal to noise ratio.
•The hiss sounds like it's less.
•Success!
3-27
NON-LINEAR ENCODING ALLOWS FOR MORE LEVELS TO
BE ENCODED FOR SMALLER SIGNALS, THUS IMPROVING
THE S/N RATIO
3-28
Delta (Differential) Modulation
DM is the digital version of companding.
Problems occur when changes in signal occur too fast.
Method works best when characteristics of original material prevent this
effect.
3-29
4. ANALOG DATA – ANALOG SIGNALS
• AM
• FM
• PM
We’ll review these concepts quickly realizing that
ASK, FSK, and PSK are really AM, FM, and PM with
the modulating signals being pulses.
Maybe Stallings was correct after all when he says
that all transmission is analog.
3-30
THE MODULATION CONCEPT
(old stuff you already know)
•A carrier wave is a sine wave.
•By modulating the amplitude, frequency, or phase of the sine wave
according to another much lower frequency (i.e. baseband) signal,
a band of frequencies is created.
•This modulated signal bandwidth occupies a small part of the
electromagnetic spectrum and can be easily transmitted.
•Another advantage of modulated signals is that they can be share
the same facility as a FDM scheme.
•The modulating signals can be analog (continuously varying) or
digital (representing numbers).
•AM can be combined with either FM or PM on the same carrier, but
FM and PM can not be combined as they are redundant.
3-31
SOME POINTS TO
REMEMBER
•Amplitude Modulation
is relatively low
bandwidth but provides
low noise and crosstalk
immunity.
•FM and PM can
require more
bandwidth for the same
modulating signal than
AM but then provides
increases noise
immunity as well as
“capture effect” that
minimizes co-channel
interference.
•FM and PM are
mathematically
related—not
independent as FM is
the derivative of PM.
3-32
3-33
AMPLITUDE MODULATION
•AM process produces upper
and lower sidebands plus
original carrier.
•Sidebands are original signal
bandwidth and spectrum
shifted in frequency. Total
bandwidth is 2 times original
bandwidth.
•Significant energy remains in
carrier.
•DSB-SC and SSB are
techniques that provide for
more energy efficient
transmission and lower
modulated signal bandwidth
requirements.
3-34
3-35
FM BANDWIDTH
Despite what Stallings tries to say, FM bandwidth is complicated.
Actually it’s described by a Bessel Function, but the following
works pretty well. See page 165 which ends with:
This says that the occupancy of a channel by an FM
modulated signal is approximately twice the diviation plus
twice the baseband bandwidth.
3-36