PENINGKATAN UNJUK KERJA M-QAM MELALUI KANAL SATELIT NON-LINIER MENGGUNAKAN TEKNIK PREDISTORSI ADAPTIF. Suwadi dan Erdis Irwandi

Transkripsi

1 PENINGKAAN UNJUK KERJA M-QAM MELALUI KANAL SAELI NON-LINIER MENGGUNAKAN EKNIK PREDISORSI ADAPIF Suwadi dan Erdis Irwandi Multimedia elecommunication Research Group, Dept of Electrical Engineering, IS Surabaya Indonesia 6, Sistem komunikasi satelit adalah sistem komunikasi yang mampu menjangkau hampir seluruh dunia. M-QAM merupakan sistem modulasi digital yang digunakan pada komunikasi satelit dengan bit rate yang tinggi. Sistem komunikasi satelit bersifat power limited, sehingga pada komunikasi satelit, raveling Wave ube Amplifier (WA) di transponder satelit dioperasikan pada penguatan optimal, yaitu kondisi dekat saturasi (daerah tak linie. Pengaruh ketidaklinieran ini menyebabkan distorsi sinyal yang signifikan dan penurunan unjuk kerja sistem sehingga diperlukan suatu predistorsi Adaptif (PD) untuk mengurangi efek tersebut. Hasil simulasi dan analisa data, didapatkan pengaruh WA pada sistem kanal non linear mengakibatkan penurunan unjuk kerja sistem yang signifikan. Kinerja sistem pada daerah dekat saturasi, yaitu pada IBO db, pada SNR db, predistorter orde 9 dan 7 dapat memperbaiki kinerja BER sistem 6 QAM sekitar 3 kali dan kali. Sedangkan pada 6 QAM predistorter orde 9 dan 7 dapat memperbaiki kinerja BER sekitar 7 kali dan kali. Kata Kunci : WA, M-QAM, Predistorsi adaptif. PENDAHULUAN Pada masa sekarang, komunikasi diharapkan mampu menjangkau seluruh dunia. Sistem komunikasi melalui satelit mempunyai kemampuan daerah cakupan yang luas, hampir seluruh permukaan bumi. Sistem digital merupakan salah satu alternatif sarana yang ditawarkan pada sistem komunikasi satelit. Komunikasi digital menggunakan kanal satelit memegang peranan yang sangat penting dalam dunia telekomunikasi saat ini, karena sistem digital mempunyai kelebihan relatif tahan terhadap gangguan (keandalan tinggi) dibanding sistem analog. M-QAM merupakan sistem modulasi digital yang digunakan pada komunikasi satelit dengan bit rate yang tinggi. Selain mempunyai kelebihan diatas, sistem digital mempunyai kelemahan yaitu spektrum yang lebar, sehingga spektrum tersebut perlu dibatasi dengan melakukan pemfilteran. Pada proses pemfilteran yang kurang sempurna ini akan timbul Inter Symbol Interference (ISI) atau interferensi antar simbol. Sistem satelit bersifat power limited yaitu ravelling Wave ube Amplifier (WA) transponder satelit mempunyai keluaran daya terbatas, sehingga WA dioperasikan pada daerah dekat saturasi untuk menjamin daya teradiasi maksimum. Pada daerah dekat saturasi, WA mempunyai karakteristik tak linier pada konversi Amplitude to Amplitude (AM/AM) dan Amplitude to Phase (AM/PM). Pengaruh ketidaklinieran ini menyebabkan distorsi sinyal yang signifikan dan penurunan unjuk kerja sistem[]. eknik predistorsi telah dikemukakan sebagai solusi potensial untuk mengatasi efek distorsi non linier []. ujuan teknik predistorsi yaitu untuk memperkenalkan inverse nonlinier agar dapat menangani kerugian distorsi AM/AM dan AM/PM yang dibangkitkan oleh amplifier nonlinier. Predistorsi menggunakan sebuah memori nonlinier yang ditempatkan antara shaping filter dan HPA (High Power Amplifie. Memori nonlinier dapat didesain secara digital menggunakan sebuah mapping predistorsi atau sebuah fungsi polynomial dasar pada cartesian atau polar. eknik look-up table dua dimensi dengan umpan balik digital adaptive pada baseband telah sukses dilakukan [3]. eknik ini memiliki keuntungan dengan melakukan sedikit perintah untuk non-linier dan sedikit teknik modulasi. Bagaimanapun untuk mendapatkan sebuah ketelitian yang dapat diterima, ukuran dari look-up tabel harus lebih besar, sehingga kekurangan utama dengan mapping predistorsi yaitu ukuran look-up tabel yang besar, akibatnya memiliki waktu adaptasi yang lama. eknik predistorsi sudah dimanfaatkan untuk menangani masalah pada jaringan satelit. Kanal satelit bersifat non-linier dengan adanya komponen WA sebagai penguat. Masalah yang timbul yaitu pengaruh ketidaklinieran pada WA menyebabkan distorsi sinyal yang signifikan dan penurunan unjuk kerja sistem []. Dalam makalah ini akan dibahas mengenai pengaruh dari predistorsi terhadap sistem komunikasi dan sejauh mana penggunaan predistorsi masih dapat melinierkan sistem komunikasai tersebut. Untuk menghitung BER digunakan simulasi dengan menggunakan metode Monte Carlo.. MODEL SISEM Sistem komunikasi satelit bekerja pada mode passband. Mode tersebut bila disimulaikan memerlukan waktu yang lama. Untuk mengurangi beban komputasi

2 sinyal dari kanal lain, tidak ada interferensi multipath baik pada sisi uplink maupun downlink, sehingga tidak ada fading yang diakibatkan penjumlahan sinyal multipath yang berbeda fasa, tidak ada interferensi cochannel, yaitu tidak ada pengggunaan ulang frekuensi, frekuensi dianggap hanya digunakan oleh satu kanal saja, tidak ada pergeseran frekuensi akibat efek Doppler, pewaktu simbol dianggap ideal, kanal dimodelkan kanal AWGN, jumlah bit yang dibangkitkan sebanyak. bit. Gambar Pemodelan Sistem dan waktu proses digunakan mode baseband. Sistem komunikasi satelit tak linear untuk komunikasi digital M- QAM dimodelkan sebagai sistem baseband kompleks seperti pada gambar. Elemen yang tak linear diasumsikan hanya di sistem satelit bagian WA. Sinyal masukan berupa modulator 6 QAM dan 6 QAM berupa data simbol sampai dengan 5 (untuk 6-QAM) dan sampai dengan 63 (untuk 6-QAM) yang dihasilkan oleh generator random berdistribusi uniform. Sinyal keluaran modulator terpisah menjadi dua kanal yaitu in-phase dan q-phase. Seperti terlihat pada gambar, sinyal in-phase dan q-phase mengalami perilaku yang sama. Sinyal keluaran modulator berupa pulsa persegi. Sinyal gelombang persegi tersebut mempunyai spektrum frekuensi yang lebar, sehingga pada pemancar dilakukan pemfilteran. Semua filter yang digunakan pada sistem baseband kompleks tersebut adalah filter lolos rendah (Low Pass filte. Keluaran filter pemancar merupakan sinyal di kanal up-link yang mengalami gangguan derau putih yang terdistribusi Gaussian. Sebelum mengalami gangguan derau putih yang terdistribusi Gaussian, keluaran filter pemancar mengalami proses predistorsi untuk melinierkan keluaran pada WA. Pada sinyal ini terdapat spektrum frekuensi di luar spektrum informasi akibat gangguan derau. Dibagian satelit sinyal yang terganggu derau dikuatkan oleh WA yang dioperasikan pada daerah tak linear. Keluaran WA merupakan sinyal di kanal down-link yang mengalami gangguan derau putih yang terdistribusi Gaussian, sehingga perlu pemfilteran oleh filter penerima. Proses di demodulator adalah proses penyampelan simbol dan pendeteksian. Proses selanjutnya dilakukan perhitungan bit error rate (BER) dengan menghitung probabilitas kesalahan bit. Probabilitas kesalahan bit pada penelitian ini dihitung dengan menggunakan metoda Monte Carlo. Asumsi Pada Simulasi Asumsi-asumsi secara spesifik yang digunakan dalam simulasi ini sebagai berikut: peluang kemunculan simbol sampai dengan 5 (untuk 6-QAM) dan sampai dengan 63 (untuk 6-QAM) adalah sama, diasumsikan menggunakan modulator dan demodulator 6-QAM dan 6-QAM, menggunakan filter square root raised cosine, karakteristik WA yang digunakan simulasi adalah model saleh, tidak ada interferensi interchannel, sinyal disimulasikan bersih dari interferensi WA Model Saleh WA menggunakan model yang dikembangkan oleh Saleh yang dikenal dengan model Saleh. Amplitude-phase sesuai dengan persamaan mempunyai koefisien α A =.587, β A =.57 untuk konversi AM/AM dan αφ =.33 dan βφ = 9.. Adapun diagram blok realisasi dari mekanisme untuk model saleh seperti pada gambar. Dari permodelan diagram blok gambar dapat dibuat suatu algoritma keluaran WA dengan menggunakan parameter sebagai berikut : Sinyal input baseband M-QAM S = x jx () int I + Q x I (t) : (t) : sinyal baseband inpase dan q-pase x Q Daya sesaat int xlp P = () Daya rata-rata Pint Pint = jumlahinput Amplitudo Normalisasi (3) Pint r = () P int Proses penguat daya α. r G( = AS ( r = + (5) A β A( r. φ ( r. βφ ( r. α ϕ( = φs ( r. = (6) + Keluaran WA S out jϕ ( int. G(. e = S (7) Gambar Realisasi Mekanisme penguat daya pada WA

3 Predistorsi dengan αr(t) diinginkan model linier. Koreksi amplitudo dan phase dimodelkan dengan sebuah polynomial expansion, dapat ditulis dengan persamaan : L F( = fr + f r f Lr = V R M Ψ( = ψ ψ M r = P Rψ f () Gambar 3. Blok Diagram ransmitter M-QAM dengan Predistorsi Gambar 3 mengilustrasikan blok diagram dari transmitter M-QAM dengan predistorsi. Dengan menganggap sebuah pengiriman power amplifier memperkenalkan distorsi amplitudo dan phase berdasarkan pada input level, maka untuk sebuah tegangan sinyal input v in dapat ditulis : v in = y( t) cos( ω t + Φ( (8) c sedangkan output dari power amplifier dapat ditulis dengan persamaan : v out dengan = G( y( cos( ω t + φ( t) + Φ( y( (9) y( t) e jφ c merupakan amplop kompleks dari sinyal modulasi dan ω menunjukkan carrier frekuensi. (.) c G dan Φ(.) merupakan amplitudo dan fungsi tranfer phase dari power amplifier. Predistorter bertujuan untuk menghasilkan sinyal keluaran dipredistorsi dalam satu kebalikan dan cara komplementer untuk distorsi yang dihasilkan oleh HPA. Dengan menganggap sinyal baseband kompleks v = x jx digambarkan dalam sebuah sistem m I + Q koordinat kartesian, maka perhitungan predistorsi amplitudo r(t) memperhitungkan faktor penguat amplitudo dan perputaran phase sebagai dua fungsi polynomial dari r(t). Sinyal input dikalikan dengan faktor penguat dan perputaran rotasi. Langkah terakhir memasukan sebuah look-up table tambahan untuk mendapatkan nilai cos(.) dan sin(.) untuk perputaran matrik. Output sinyal, v d, diperoleh dari predistorsi dapat diberikan dengan persamaan : v d j( θ +ψ ( r( ) = F( r( e () Fungsi F(.) dan ψ (.) digunakan dalam perintah untuk membalikan ketidaklinieran yang diberikan oleh power amplifier, yaitu : L dengan R = [ r, r,..., r ] M, R = [, r,,..., r ] f ψ, = [ f f ] dan [ ψ ψ,..., ] V,,..., f L P =, ψ M. Koefisien dari V k dan P k terbaru diberikan dalam persamaan: V k+ = Vk v f f, kα k ( k f, k + µ Γ R r G V R ) (3) P k = Pk µ ψ ( Φ( V k R f, k ) + P k Rψ, k ) Γψ Rψ, k + () dengan Γv = C R, v, Γψ = C R, ψ, C R, v = E R f, k R ), ( f, k dan C R, ψ = E( R ψ, k R ψ, k ). µ v dan µ ψ merupakan dua ukuran langkah positif. 3. HASIL SIMULASI DAN ANALISA DAA Pengaruh WA pada spektrum sinyal 6-QAM dapat dilihat pada gambar. Grafik warna merah pada gambar adalah spektrum sinyal 6-QAM yang dilewatkan pada WA non linier, terlihat bahwa pada - db bandwidthnya mulai melebar yang merupakan efek non-linear dari WA. Untuk membatasi pelebaran band tersebut maka sebelum masuk ke WA, sinyal tersebut dilewatkan PD. Spektrum dari sinyal yang dilewatkan PD dan WA disajikan dengan grafik warna biru dan spektrum sinyal 6-QAM pada kanal linear digambarkan dengan warna hitam. Pada sistem 6-QAM, setelah sinyal 6-QAM melewati kanal uplink dan downlink, pada penerima dilakukan proses deteksi. Sampling dan deteksi terjadi pada demodulator. Proses yang terjadi pada demodulator 6-QAM merupakan kebalikan proses yang terjadi pada Power Spectrum Magnitude (db) Spektrum Output WA HPA tanpa PD(merah) HPA dgn PD (biru) sebelum HPA (hitam) G( F( r( ) = αr( t) ψ ( r( + Φ( F( r( ) = () Frequency Gambar. Spektrum Sinyal 6-QAM pada kanal linier, non linier dan melalui PD 3

4 Quadrature Modulator dan Demodulator(anpa PD) - - Gambar 5. Konstelasi Sinyal Modulator Dan Demodulator anpa PD Quadrature Modulator dan Demodulator(Dengan PD) Gambar 6. Konstelasi Sinyal Modulator Dan Demodulator Dengan PD Performance of M=6-QAM system from the Monte Carlo Simulation dalam sinyal. Berdasarkan konstelasi sinyal pada gambar 5 dan 6 didapatkan grafik unjuk kerja seperti pada gambar 7. Dari gambar 7 pada SNR = 6 db dengan membandingkan nilai BER pada kanal non linier tanpa PD =.55, nilai BER pada kanal nonlinier dengan PD orde 7 =.9 dan nilai BER pada kanal nonlinier denga PD orde 9 =. dapat dilihat terjadinya peningkatan unjuk kerja sistem. Dari nilai BER diketahui bahwa efek ketidaklinearan dari WA dapat diminimalisasi dengan predistorsi. Hasil BER dari kinerja dengan menggunakan predistorsi lebih mendekati kanal ideal atau lebih sedikit error daripada kinerja sinyal 6- QAM tanpa predistorsi adaptif. Pada sistem 6-QAM, setelah sinyal 6-QAM melewati kanal uplink dan downlink, pada penerima dilakukan proses deteksi. Sampling dan deteksi terjadi pada demodulator. Proses yang terjadi pada demodulator 6-QAM merupakan kebalikan proses yang terjadi pada modulator 6-QAM. Proses demodulasi baseband dipakai untuk mengembalikan informasi yang terdapat dalam sinyal. Proses demodulasi diperlukan untuk memetakan kembali simbol ke dalam bentuk bit bit. Magnitudo dan Phasenya dideteksi untuk mendapatkan kembali informasi dalam sinyal. Power Spectrum Magnitude (db) Spektrum Output WA HPA tanpa PD(merah) HPA dgn PD (biru) sebelum HPA (hitam) Frequency Gambar 8. Spektrum Sinyal 6-QAM pada kanal linier, non linier dan melalui PD Modulator dan Demodulator(anpa PD) BER kanal AWGN tanpa PD dgn PD ord7 dgn PD ord9 teori SNR(dB) Quadrature Gambar 7. Kinerja Modulasi 6-QAM Pada Kanal Non Linear modulator 6-QAM. Proses demodulasi baseband dipakai untuk mengembalikan informasi yang terdapat dalam sinyal. Proses demodulasi diperlukan untuk memetakan kembali simbol ke dalam bentuk bit bit. Magnitudo dan Phasenya dideteksi untuk mendapatkan kembali informasi Gambar 9. Konstelasi Sinyal Modulator Dan Demodulator anpa PD

5 8 6 Modulator dan Demodulator(Dengan PD) Performance of M=6-QAM&6-QAM system from the Monte Carlo Simulation - Quadrature Gambar. Konstelasi Sinyal Modulator Dan Demodulator Dengan PD BER Performance of M=6-QAM system from the Monte Carlo Simulation kanal AWGN tanpa PD dgn PD ord7 dgn PD ord9 teori SNR(dB) Gambar. Kinerja Modulasi 6-QAM Pada Kanal Non Linear Dari hasil konstelasi sinyal pada gambar 9 dan didapatkan grafik unjuk kerja seperti gambar. Dari gambar pada SNR = db dengan membandingkan nilai BER pada kanal non linier tanpa PD =.3397, nilai BER pada kanal nonlinier dengan PD orde 7 =.6 dan nilai BER pada kanal nonlinier denga PD orde 9 =.8 dapat dilihat terjadinya peningkatan unjuk kerja sistem. Dari nilai BER diketahui bahwa efek ketidak linearan dari WA dapat diminimalisasi dengan predistorsi. Hasil BER dari kinerja dengan menggunakan predistorsi lebih mendekati kanal ideal atau lebih sedikit error daripada kinerja sinyal 6-QAM tanpa predistorsi. Dari gambar, pada SNR = 6 db dengan membandingkan nilai BER pada kanal non linier 6- QAM tanpa PD =.55, nilai BER pada kanal non linier 6-QAM tanpa PD =.36, nilai BER pada kanal nonlinier 6-QAM dengan PD orde 7 =.9, nilai BER pada kanal nonlinier 6-QAM dengan PD orde 7 =.65, nilai BER pada kanal nonlinier 6-QAM dengan PD orde 9 =. dan nilai BER pada kanal nonlinier 6-QAM denga PD orde 9 =.66 dapat dilihat terjadinya peningkatan unjuk kerja sistem. Dari perbandingan nilai BER tersebut maka secara keseluruhan sinyal informasi 6-QAM pada kanal non linier, baik dengan PD maupun tanpa PD, BER tanpa PD 6QAM dgn PD ord7 6QAM dgn PD ord9 6QAM tanpa PD 6QAM dgn PD ord7 6QAM dgn PD ord9 6QAM SNR(dB) Gambar. Perbandingan BER Sistem 6-QAM dan 6-QAM memiliki unjuk kerja sistem yang lebih baik dibandingakan dengan sinyal informasi 6-QAM pada kanal non linier, hal ini disebabkan pada 6-QAM jumlah bit yang dikirim lebih sedikit dibandingkan dengan 6- QAM dan ketahanan sinyal informasi 6-QAM terhadap noise pada kanal non linier dan ketahanan terhadap efek non-linear yang diakibatkan oleh WA sangat besar jika dibandingkan dengan 6-QAM.. KESIMPULAN Pada sistem 6-QAM dan 6-QAM pada kanal non linear setelah WA mengalami peningkatan spektrum sideband, sehingga dapat menurunkan kinerja sistem tersebut. Kinerja sistem 6-QAM dan 6-QAM pada kanal non linear dengan predistorsi adaptif lebih baik daripada kinerja sistem tanpa predistorsi. Hal ini dapat dilihat pada kinerja sistem bahwa menggunakan predistorsi adaptif untuk mencapai BER yang sama memerlukan SNR yang lebih kecil. Kinerja sistem pada daerah dekat saturasi, yaitu pada IBO db, pada SNR db, predistorter orde 9 dan 7 dapat memperbaiki kinerja BER sistem 6 QAM sekitar 3 kali dan kali. Sedangkan pada 6 QAM predistorter orde 9 dan 7 dapat memperbaiki kinerja BER sekitar 7 kali dan kali. DAFAR PUSAKA []. H. Besbes,. Le-Ngoc, dan H. Lin, A Fast Adaptive Polynomial Predistorter for Power Amplifier, IEEE, Hal ,. []. A. M. Saleh dan J. Salz, Adaptive Linearization of Power Amplifiers in Digital Radio Systems, he Bell System echnical Journal, Vol. 6 No., Hal. 9-33, 983. [3]. Y. Nagata, Linear Amplification echnique for Digital Mobile Communications, VC 89, Vol., Hal. 59-6, 989. []. Yugang Zhou dan Peter J. McLane, Performance of Predistorted APK Modulation for One- and wo-link Nonlinear Power Amplifier Satellite Communication Channel, IEEE, Vol. 5 No., Hal ,5. 5

6 DAFAR RIWAYA HIDUP Suwadi dilahirkan di Gresik tanggal 8 Agustus 968. Pada Pebruari 999 menamatkan program magisternya di Elektroteknik IB. Penulis sejak 993 sebagai staf pengajar di Jurusan eknik Elektro IS dan aktif sebagai peneliti dibidang elecommunication raffic Engineering, Digital Communications, Digital Signal Processing, dan Mobile Communications Erdis Irwandi, lahir di Ujung Pandang, 9 Januari 985. Pada tahun 7 penulis menyelesaikan pendidikannya di IS Jurusan eknik Elektro, Bidang Studi elekomunikasi Multimedia. 6