Analisa Karakteristik Tegangan dan Delay Pada Visible Light Communication (VLC)

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Teknologi Elektro Terapan 2017 Vol.01 No.01, ISSN: Analisa Karakteristik Tegangan dan Delay Pada Visible Light Communication (VLC) Haniah Mahmudah* a), Ari Wijayanti a), Okkie Puspitorini a), Nur Adi Siswandari a) Abstrak: Saat ini mulai dikembangan teknologi komunikasi yang menggunakan cahaya tampak untuk mengirimkan sinyal dengan media transmisinya adalah udara dan photodetector sebagai komponen penerima cahaya yang disebut dengan Visible Light Communication (VLC). Pada sistem VLC merupakan komunikasi yang aman, mudah untuk diterapkan serta masih bebas menggunakan mana saja sehingga bisa menjadi alternatif komunikasi tanpa kabel bahkan menjadi standar baru dalam komunikasi tanpa kabel dengan keunggulan salah satunya mampu mengirimkan data tanpa kabel dengan bit rate tinggi. Pada aplikasi sistem komunikasi harus tetap memperhatian parameter attenuasi dan delay. Untuk itu pada penelitian ini dibuat prototype sistem VLC dengan menganalisa karakteristik pengiriman berupa analisa tegangan output serta delay menggunakan sinyal sinus dan sinyal kotak yang memiliki rentang 1 khz sampai 20 khz sebagai fungsi jarak antara transmitter dan receiver. Dari hasil penelitian yang sudah dilakukan pada pengiriman sinyal sinus pada 1 khz, 10 khz dan 20 khz dengan perubahan jarak 0-4 cm tegangan output mengalami pelemahan. Sedangkan pengiriman sinyal sinus pada 1 khz dengan perubahan jarak 0-4 cm tidak mengalami delay dan 10 khz dan 20 khz mengalami delay 10 µs. Untuk pengiriman sinyal kotak pada 1 khz, 10 khz dan 20 khz dengan perubahan jarak 0-4 cm tegangan output mengalami pelemahan. Sedangkan pengiriman sinyal kotak pada 1 khz dengan perubahan jarak 0-4 cm tidak mengalami delay. Sedangan pada 10 khz dan 20 khz mengalami delay 10 µs. Kata Kunci: VLC, tegangan, delay 1. Pendahuluan Visible Light Communication (VLC) adalah teknologi komunikasi yang menggunakan cahaya tampak untuk mengirimkan sinyal dengan media transmisinya adalah udara dan photodetector sebagai komponen penerima cahaya untuk dikonversi menjadi tegangan atau arus. Beberapa aplikasi dari VLC antara lain adalah untuk mobile conectivity yang meghubungkan beberapa perangkat data yang kecepatan datanya melebihi bluethoth dan Wi-Fi, komunikasi kendaraan yang berupa aplikasi VLC pada trafik light dan kendaraan dan lain-lain. Pada umumnya VLC menggunakan cahaya putih yang memiliki rentang 400 THz (780 nm) sampai 800 THz (375 nm) sebagai sinyal karier optik untuk mengirimkan sinyal informasi. VLC mampu mengirimkan data tanpa kabel dengan bit rate tinggi hingga 100 Mbps. Keuntungan utama dari VLC adalah tidak terpengaruh peralatan komunikasi berbasis Radio Frequency (RF). Hal ini memungkinkan komunikasi tanpa kabel dilakukan pada area yang penuh dengan komunikasi berbasis Radio Frequency. Selain itu, VLC merupakan komunikasi yang aman, mudah untuk diterapkan serta masih bebas menggunakan mana saja sehingga bisa menjadi alternatif komunikasi tanpa kabel bahkan menjadi standar baru dalam komunikasi tanpa kabel. Pada sistem VLC harus tetap memperhatian parameter untuk sistem * Korespondensi: haniah@pens.ac.id a) Prodi Teknik Telekomunikasi, Departemen Elektro Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS), Kampus PENS, Jl. Raya ITS, Sukolilo Surabaya, Indonesia komunikasi yaitu attenuasi dan delay propagasi [1]. Untuk sistem VLC menggunakan cahaya putih (multiple wavelength) dari LED yang berkedip dengan yang bisa diatur sesuai kebutuhan untuk pengiriman sinyal. Saat sinyal optik (cahaya) yang dipancarkan LED mencapai receiver, photodetector kemudian akan mengkonversi sinyal optik tersebut menjadi sinyal listrik berupa tegangan atau arus. Saat ini sudah banyak penelitian dan pengembangan perangkat menggunakan LED. Perangkat LED memiliki konsumsi daya yang rendah, umur yang relatif lama jika dibandingkan dengan lampu pendar seperti tubular lamp (lampu TL) atau lampu neon, tanpa mercury, perpaduan warna, serta switching yang cepat [2]. Sedangkan photodetector pada receiver bisa menggunakan photodiode ataupun phototransistor. Perbedaan dari kedua komponen tersebut adalah pada struktur bahan pembuatnya. Photodiode terbuat dengan konfigurasi PN junction, sedangkan phototransistor terbuat dengan konfigurasi NPN junction [3]. Berdasarkan penelitian Pang G., Ho K.L., Kwa T., Yang E, yang telah meneliti bahwa pengiriman sinyal audio menggunakan VLC dengan transmitter dan receiver dapat mencapai jarak 40 cm jika tanpa lensa, dan dapat mencapai jarak 200 cm menggunakan lensa pemfokus [4]. Penelitian Ma ruf dkk lebih lanjut melakukan penelitian bahwa komunikasi VLC dengan semakin jauh jarak antara transmitter dan receiver, maka pada pengiriman sinyal audio semakin besar system loss [5]. Sedangkan sinyal audio memiliki rentang antara 20 Hz hingga 20 khz, sehingga setiap dalam pengiriman sinyal audio memiliki respon yang 175

2 berbeda terhadap sistem dengan tegangan maupun delay yang terjadi. Parameter attenuasi dan delay sangat diperlukan pada sistem komunikasi. Untuk mengatasi keandalan suatu sistem komunikasi maka pada penelitian dibuat prototype VLC dengan menganalisa karakteristik tegangan output serta delay menggunakan input berupa sinyal sinus dan sinyal kotak yang memiliki rentang 1kHz sampai 20 khz sebagai fungsi jarak antara transmitter dan receiver. 2. Desain dan prototype dari VLC 2.1. Desain Sistem Prototype sistem VLC terdiri dari transmitter dan receiver seperti pada blok diagram pada Gambar 1. Untuk perangkat yang digunakan pada transmitter terdiri dari IC LM741 sebagai penguat sinyal input, transistor 2N3904 sebagai LED driver, dan LED Super-Bright putih sebagai pemancar cahaya. Sedangkan rangkaian receiver terdiri dari phototransistor GP1S53V yang memiliki sensitifitas panjang gelombang 400 nm hingga 1200 nm serta respon waktu 3 µs, IC LM 386 sebagai penguat sinyal output phototransistor, dan speaker Untuk rangkaian transmitter, input sinyal berupa sinyal sinus dan sinyal kotak yang dibangkitkan dari function generator. Sinyal input elektrik yang tersebut dikuatkan kemudian digunakan untuk mengontrol nyala LED. Karena sinyal yang tinggi, mata manusia tidak bisa melihat nyala/mati LED. Nyala on/off LED yang merepresentasikan sinyal elektrik kemudian ditransmisikan melalui udara. Pada receiver, komponen phototransistor akan mengkonversi kembali sinyal optik dari LED menjadi sinyal elektrik. Sinyal elektrik hasil konversi masih tergolong memiliki level tegangan rendah sehingga dibutuhkan penguat. Pada penelitian ini untuk sumber cahaya menggunakan perangkat LED karena daya yang digunakan rendah, lebih terang dan lebih murah seiring berkembangnya LED menggunakan LED lebih efektif dalam untuk transmisi sinyal optik dibandingkan lampu pendar. Transmitter ini terdiri dari konektor input sinyal audio, rangkaian penguat aktif operational amplifier, rangkaian LED driver, dan LED Super Bright. Untuk input pada rangkaian masuk ke rangkaian penguat aktif berupa operational amplifier untuk dikuatkan. Sinyal hasil penguatan digunakan oleh rangkaian LED driver untuk mengontrol nyala on/off dari LED kemudian ditransmisikan secara wireless sehingga diterima oleh receiver. Untuk rangkaian receiver terdiri dari phototransistor, rangkaian penguat aktif operational amplifier, dan konektor output speaker. Phototransistor mempunyai prinsip yang sama dengan photodiode dimana photodiode terbuat dari semiconductor p-n junction, sementara pada phototransistor ditambahkan semikonduktor tipe n pada konfigurasi photodiode tersebut. Photo-transistor pada dasarnya adalah transistor bipolar dengan base-collector junction yang dikemas secara transparan sehingga bisa menangkap cahaya. Electron dalam base-collector junction akan terlepas saat menerima photon cahaya dan menghasilkan arus, arus kemudian akan masuk dalam base dan dikuatkan [3].. 3. Pengujian Sistem Pada penelitian prototype ini digunakan untuk pengiriman sinyal sinus dan sinyal kotak dengan perubahan yaitu rendah yaitu 1 khz, 10 khz, dan 20 khz dengan melakukan perubahan jarak antara LED dan phototransistor. Sinyal Sinus / Kotak Function Generator Penguat Sinyal (Operational Amplifier) LED Driver Transmitter LED Phototransistor Receiver Demodulasi Sinyal Optik Penguat Sinyal (Operational Amplifier) Sinyal Output / Speaker Gambar 1. Blok diagram penelitian untuk sistem VLC. Gambar 2. Prototype rangkaian sistem VLC. 176

3 Untuk pengamatan dilakukan menggunakan oscilloscope dengan menggunakan dua channel untuk channel input (CH1) dan channel output (CH2). Pada CH1 adalah sinyal input yang diamati pada output penguat LM741 transmitter sedangkan CH2 adalah sinyal output yang diamati pada speaker. Sinyal input pada CH1 sudah melalui penguatan sinyal untuk men-drive LED, sinyal output pada CH2 juga sinyal hasil penguatan dari demodulasi optik oleh photo-transistor, serta terjadi perbedaan fase 90 o antara sinyal input dan output. Untuk pengamatan yang akan dilakukan adalah pengamatan tegangan input dan tegangan output serta delay pada komunikasi VLC. Sebelum melakukan pengujian dilakukan pengukuran noise dengan cara rangkaian dalam keadaan mati, CH1 di sinyal input dan CH2 pada sinyal ouput. Hasil pengukuran noise di CH2 adalah mv. Pada Gambar 4 adalah tampilan oscilloscope untuk pengiriman sinyal sinus dengan yaitu 10 khz pada jarak 0 cm. Hasil pengukuran seperti pada Gambar 4 dengan tegangan sinyal output 2,8 Vpp, serta terjadi delay sekitar 10 µs dapat dilihat pada Tabel Pengujian sistem menggunakan Sinyal Sinus Untuk pengujian menggunakan input berupa sinyal sinus, tegangan 4 Vpp dengan perubahan untuk yaitu 1 khz, 10 khz, dan yaitu 20 khz. Gambar 5. Hasil pengujian sinyal sinus pada 20 khz. Pada Gambar 5 adalah tampilan oscilloscope untuk pengiriman sinyal sinus dengan 20 khz pada jarak 0 cm. Hasil pengukuran tegangan pada Gambar 5 menunjukkan tegangan output yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan tegangan input. Untuk hasil pengukuran tegangan output sebesar 2 Vpp sehingga pada sistem VLC sudah mengalami pelemahan sinyal, dan sudah terdapat delay sekitar 10 µs dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil pengukuran sinyal sinus sebagai fungsi jarak. Gambar 3. Hasil pengujian Sinyal sinus pada 1 khz. Pada Gambar 3 untuk pengiriman sinyal sinus dengan rendah yaitu 1 khz pada jarak 0 cm terlihat sinyal output sebesar 3,6 Vpp sedikit mengalami pelemahan dan tidak ada delay yang terjadi dapat dilihat pada Tabel 1. Berdasarkan Tabel 1, delay terjadi pada audio 10 khz dan 20 khz. Sedang tegangan output mengalami pelemahan pada semua dan perubahan jarak dari 0 cm sampai 4 cm. Gambar 4. Hasil pengujian sinyal sinus pada 10 khz. 177

4 pengiriman sinyal kotak dengan 1 khz pada jarak 0 cm. Hasil pengukuran tegangan terlihat tegangan sinyal output sama besar tegangan dengan sinyal input, serta tidak ada delay yang terjadi seperti pada Tabel 2. Gambar 6. Grafik tegangan output pada pengiriman sinyal sinus sebagai fungsi jarak. Pada Gambar 6 merupakan grafik tegangan sinyal output pada pengiriman sinyal sinus dengan perubahan jarak antara LED dan phototransistor. Pengamatan dilakukan pada sinyal output dengan perubahan jarak 0 cm hingga 4 cm dengan step perubahan jarak 1 cm. Hasil pengamatan pada 1 khz dengan perubahan jarak maka semakin jauh jarak antara LED dan phototransistor, semakin besar pelemahan yang terjadi pada sinyal output. 3.2 Pengujian sistem menggunakan Sinyal Kotak Untuk pengujian menggunakan input berupa sinyal kotak, tegangan 8 Vpp dengan perubahan yaitu 1 khz, 10 khz, dan yaitu 20 khz dengan paramater perubahan jarak. Gambar 8. Hasil pengujian sinyal kotak pada 10 khz. Pada Gambar 8 adalah hasil pengujian untuk pengiriman sinyal kotak dengan 10 khz pada jarak 0 cm. Hasil pengujian pada Gambar 8 menampilkan hasil pengukuran tegangan sinyal input yang lebih besar daripada tegangan sinyal output dengan hasil pengukuran tegangan 7 Vpp, serta terdapat delay sekitar 10 µs seperti pada Tabel 2. Gambar 9. Hasil pengujian sinyal kotak pada 20 khz. Gambar 7. Hasil pengujian sinyal kotak pada 1 khz. Pada Gambar 7 adalah tampilan oscilloscope untuk Pada Gambar 9 adalah hasil pengujian untuk pengiriman sinyal kotak dengan 20 khz pada jarak 0 cm. Hasil pengujian pada Gambar 9 menampilkan hasil pengukuran tegangan sinyal input yang lebih besar 178

5 daripada tegangan sinyal output dengan hasil pengukuran tegangan 5 Vpp, serta terdapat delay sekitar 10 µs seperti pada Tabel 2. Dari Gambar 7-9 bisa dilihat bahwa pada 1 khz, 10 khz dan 20 khz untuk pengiriman sinyal kotak hasil pengukuran tegangan sinyal output mengalami perubahan bentuk sinyal. Untuk diatas 20 khz tegangan sinyal output sudah mengalami perubahan bentuk sinyal dari bentuk sinyal kotak berubah menjadi bentuk sinyal sinus. Berdasarkan Tabel 2, delay terjadi pada 10 khz dan 20 khz. Sedang tegangan output mengalami pelemahan pada semua dan perubahan jarak dari 0 cm sampai 4 cm. Gambar 10 merupakan grafik sinyal output pada pengiriman sinyal kotak dengan perubahan jarak antara LED dan phototransistor. Pengamatan dilakukan pada 1 khz, 10 khz dan 20 khz dengan perubahan jarak 0 cm hingga 4 cm dengan step perubahan jarak setiap 1 cm. Dengan perubahan jarak maka semakin jauh jarak antara LED dan phototransistor, semakin besar pelemahan yang terjadi pada sinyal output serta semakin besar yang digunakan, semakin besar pelemahan yang terjadi pada sinyal output. Tabel 2. Hasil peengukuran sinyal kotak sebagai fungsi jarak. Pada prototype ini hasil pengukuran tegangan dapat diamati bentuk sinyal pada sinyal input dan sinyal output. Pada pengiriman diatas 20 khz menggunakan sinyal kotak pada receiver terdapat perubahan bentuk sinyal dari bentuk sinyal kotak berubah menjadi bentuk sinyal sinus sehingga kurang sesuai apabila dimplementasikan pada sistem komunikasi digital. Apabila pada prototype VLC akan diimplentasikan pada komunikasi digital maka perlu mendesain ulang pada pemilihan LED dan phototransistor atau photodiode dengan memperhatikan responsibility phototransistor atau photodiode yang sesuai sehingga pada sisi receiver tidak mengalami perubahan bentuk sinyal menjadi sinus. Sedangkan dari hasil pengukuran untuk sinyal sinus pada tegangan output sinyal tidak mengalami bentuk sinyal sehingga dapat diimplemtasikan pada sistem komunikasi analog. Salah satu implentasi sistem komunikasi analog untuk pengiriman dengan menggunakan suara. Gambar 10. Grafik tegangan output pada pengiriman sinyal kotak sebagai fungsi jarak. 4. Kesimpulan Dari hasil penelitian yang sudah dilakukan pembuatan prototype VLC dan dilakukan pengukuran dengan perubahan parameter input berupa bentuk sinyal sinyal sinus dan sinyal kotak serta perubahan jarak maka dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain: 1. Pada pengiriman sinyal sinus pada 1 khz, 10 khz dan 20 khz dengan perubahan jarak 0-4 cm tegangan output mengalami pelemahan. 2. Pada pengiriman sinyal sinus pada 1 khz dengan perubahan jarak 0-4 cm tidak mengalami delay. Sedangan pada 10 khz dan 20 khz mengalami delay 10 µs. 3. Pada pengiriman sinyal kotak pada 1 khz, 10 khz dan 20 khz dengan perubahan jarak 0-4 cm tegangan output mengalami pelemahan. 4. Pada pengiriman sinyal kotak pada 1 khz dengan perubahan jarak 0-4 cm tidak mengalami delay. Sedangan pada 10 khz dan 20 khz mengalami delay 10 µs. Daftar Pustaka [1] Amrutha, S., Mathew, A., Rajasree, R., Sugathan, S. & Aravind S., A Visible Light Communication System for Indoor Application, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), 2014, Volume 3, Issue 12. [2] Lee C.G., Visible Light Communication, Advanced Trends in Wireless Communications, 2011, Chapter 17, InTech [3] Braley, J.S, Photo Detectors, 2008, The University of Rhode Island. [4] Pang, G., Ho, K.L., Kwa, T., Yang, E., Visible Light Communication for Audio Systems, IEEE Transactions 179

6 On Consumer Electronics, 1999, Volume 45 Nomer. 4, pp [5] Ma ruf, M.I., Othman, M.B., Sholeh, H.P., Audio Transmission Using Visible Light Communication (VLC), ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Asian Research Publishing Network (ARPN), 2015, Volume 10. Nomer