PENERAPAN MODULASI DPSK PADA TRANSMISI SERAT OPTIK

Transkripsi

1 JETri, Volume 9, Nomor 2, Februari 21, Halaman 1-12, ISSN PENERAPAN MODULASI DPSK PADA TRANSMISI SERAT OPTIK Harumi Yuniarti & Bambang Cholis Dosen-Dosen Fakultas Teknologi Industri, Universitas Trisakti Abstract Nowadays the implementions of the transmission modulation techniques (high channel capacity) in optical fibres have been widely developed, one of the successful key factors of this system is the application of digital modulation techniques and the adjustment of modulation pattern. Modulation pattern of adjustment measures on the operational requirements of the system was made possible by the utilization of techniques Apol RZ-DPSK (Alternate Polarization Return-to-Zero Differential Phase Shift Keying). It is considered likely because it can reduce the effects of inter-channel non-linearity, noise and simultaneously demonstrates increasing system margins. Keywords: ASK, FSK, PSK, DPSK, NRZ-DPSK, RZ-DPSK, Apol RZ-DPSK 1. Pendahuluan Sistem komunikasi transmisi serat optik berkembang pesat baik berupa komunikasi suara, video dan data. Pemanfaatan serat optik pada sistem transmisi merupakan nilai tambah dari suatu teknologi handal yang berkapasitas kanal besar, kecepatan tinggi, penerimaan data yang lebih akurat, teliti dapat dipercaya dan terjamin kerahasiaannya. Faktor kunci teknik pencapaian hasil tersebut, diataranya melalui perbaikan sinyal dengan menyesuaian pola modulasi yang digunakan. Salah satu teknik modulasi yang digunakan pada jaringan sistem komunikasi serat optik telah dikembangkan dengan format NRZ OOK (Non-Return-to-Zero On-Off Keying), sebagai format dasar. Seiring perkembangan teknologi, NRZ-OOK pun dianggap kurang memuaskan terutama dalam hal performansi dan toleransinya terhadap efek-efek linier maupun non-linier yang merupakan bagian penting dari sistem ini. Berbagai usaha dilakukan untuk mendapatkan sistem format modulasi yang memenuhi kebutuhan pengiriman data yang semakin besar. Salah satunya dengan menggunakan suatu modulator eksternal (Mach Zehnder) yang dapat menghasilkan berbagai macam format modulasi. Modulator Mach Zehnder menghasilkan beberapa jenis format modulasi optik. Beberapa modulasi yang dihasilkan mampu menjawab kebutuhan performansi yang lebih baik guna mengimbangi pesatnya perkembangan teknologi, baik dari

2 JETri, Volume 9, Nomor 2, Februari 21, Halaman 1-12, ISSN segi kecepatan data maupun kebutuhan serta kualitas sinyal yang baik. Untuk mengetahui format mana dari keluaran Mach Zehnder yang memiliki performansi yang lebih baik, telah dilaporkan pula bahwa beberapa format modulasi yang dihasilkan modulator Mach Zehnder yaitu NRZ-DPSK (Non- Return-to-Zero Differential Phase Shift Keying) dan RZ-DPSK.(Return-to- Zero Differential Phase Shift Keying) 2. Teknik Modulasi Proses penumpangan sinyal-sinyal informasi (optik) ke dalam sinyal pembawa (carrier), sehingga dapat ditransmisikan ke tujuan, disebut modulasi optik. Modulasi optik atau modulasi cahaya adalah teknik modulasi yang menggunakan berkas cahaya berupa pulsa-pulsa cahaya sebagai sinyal pembawa informasi. Berkas cahaya yang digunakan disini adalah berkas cahaya yang dihasilkan oleh suatu sumber cahaya (laser atau LED). Dibandingkan dengan modulasi konvensional, modulasi cahaya memiliki keunggulan dalam hal ketahanan terhadap noise yang sangat tinggi, karena sinyal tidak dipengaruhi medan elektromagnet. Di samping itu, sistem ini memungkinkan adanya bitrate hingga mencapai ratusan gigabit per detik. Dalam modulasi optik, sinyal dapat dimodulasi amplitudonya yang dikenal dengan modulasi intensitas (Intensity Modulation) berupa Amplitudo Shift Keying (ASK) / On-Off Keying (OOK). Selain itu, berkas cahaya dapat juga dimodulasi frekuensinya atau lebih tepat modulasi panjang gelombang (Wavelength Modulation). Dan yang ketiga adalah dimodulasi fasanya (Phasa Modulation) Modulasi Digital Modulasi digital merupakan proses penumpangan sinyal digital (bit stream) ke dalam sinyal carrier. Modulasi digital sebetulnya adalah proses mengubah-ubah karakteristik dan sifat gelombang pembawa (carrier) sedemikian rupa sehingga bentuk hasilnya (modulated carrier) memeliki ciri-ciri dari bit-bit ( atau 1) yang dikandungnya. Dengan mengamati modulated carriernya diketahui urutan bitnya disertai clock (timing, sinkronisasi). Melalui proses modulasi digital sinyal-sinyal digital setiap tingkatan dapat dikirim ke penerima dengan baik. Transmini digital telah menggantikan transmisi analog, hal ini disebabkan transmisi digital memungkinkan pemrosesan sinyal lebih mudah, kualitas transmisi yang lebih baik serta lebih kebal terhadap noise (gangguan). Pada dasarnya dikenal 3 prinsip atau sistem modulasi digital yaitu: ASK, FSK, dan PSK (Afrizal Y., dkk, 26: np). 2

3 Harumi Yuniarti & Bambang Cholis.Teknik Modulasi Transmisi Serat Optik Amplitude Shift Keying Amplitude Shift Keying (ASK) atau pengiriman sinyal berdasarkan pergeseran atau mengubah-ubah amplitude. Dalam proses modulasi ini kemunculan frekuensi gelombang pembawa tergantung pada ada atau tidak adanya sinyal informasi digital. Keuntungan yang diperoleh dari metode ini adalah bit per baud (kecepatan digital) lebih besar. Sedangkan kesulitannya adalah dalam menentukan level acuan yang dimilikinya, yakni setiap sinyal yang diteruskan melalui saluran transmisi jarak jauh selalu dipengaruhi oleh redaman dan distorsi lainnya. Metoda ASK hanya menguntungkan untuk hubungan jarak dekat. Faktor noise harus diperhitungkan dengan teliti, seperti juga pada sistem modulasi AM. Noise menindih puncak bentukbentuk gelombang yang berlevel banyak sukar mendeteksi dengan tepat menjadi level ambangnya. Gambar 1. merupakan Amplitudo Shift Keying. 1 1 Gambar 1. Amplitudo Shift Keying ASK disebut juga On-Off Keying (OOK) yang memodulasi sinyal optik dengan perubahan amplitudo antara dan 1 sementara frekuensi konstan dan tak ada lompatan fasa Frequncy Shift Keying Frequency Shift Keying (FSK) atau pengiriman sinyal melalui penggeseran frekuensi. Metoda ini merupakan suatu bentuk modulasi yang memungkinkan gelombang modulasi menggeser frekuensi output gelombang pembawa. Pergeseran ini terjadi antara harga-harga yang telah ditentukan semula dengan gelombang output yang tidak mempunyai fasa terputus-putus. Dalam proses modulasi ini besarnya frekuensi gelombang pembawa berubah-ubah sesuai dengan perubahan ada atau tidak adanya sinyal informasi digital. FSK merupakan metode modulasi yang paling populer. Dalam proses ini gelombang pembawa digeser ke atas dan ke bawah untuk memperoleh bit 1 dan bit. Gambar 2. merupakan Frequensi Shift Keying. 3

4 JETri, Volume 9, Nomor 2, Februari 21, Halaman 1-12, ISSN f 1 f f f1 Gambar 2. Frequensi Shift Keying Phase Shift Keying Phase Shift Keying (PSK) atau pengiriman sinyal melalui pergeseran fasa. Metoda ini merupakan suatu bentuk modulasi fasa yang memungkinkan fungsi pemodulasi fasa gelombang termodulasi di antara nilai-nilai diskrit yang telah ditetapkan sebelumnya. Dalam proses modulasi ini fasa dari frekuensi gelombang pembawa berubah-ubah sesuai dengan perubahan status sinyal informasi digital. Sudut fasa harus mempunyai acuan kepada pemancar dan penerima. Akibatnya, sangat diperlukan stabilitas frekuensi pada pesawat penerima. Guna memudahkan untuk memperoleh stabilitas pada penerima, kadang-kadang dipakai suatu teknik yang koheren dengan PSK yang berbeda-beda. Hubungan antara dua sudut fasa yang dikirim digunakan untuk memelihara stabilitas. Fasa yang ada dapat dideteksi bila fasa sebelumnya telah diketahui. Hasil dari perbandingan ini dipakai sebagai patokan (referensi). Untuk transmisi Data atau sinyal Digital dengan kapasitas, lebih efisien dipilih system modulasi PSK ( SHARP GP2D12, 25: np). Gambar 3. merupakan Phase Shift Keying. 1 1 s 1 s s s 1 Gambar 3. Phase Shift Keying 4

5 Harumi Yuniarti & Bambang Cholis.Teknik Modulasi Transmisi Serat Optik Pada PSK (Phase Shift Keying) jika terjadi loncatan fasa π menandakan biner 1 sedangkan biner jika tidak terjadi loncatan fasa. Sementara untuk DPSK (Differensial Phase Shift Keying) biner 1 ditandai dengan terjadinya loncatan fasa (perbedaan fasa) π, sedangkan jika tidak terjadi perbedaan fasa menandakan biner. Jadi apabila berturutan biner 1 muncul dua kali, maka akan terjadi berturut-turut loncatan fasa sebesar π seperti Gambar Gambar 4. Defferential Phase Shift Keying 2.2. Modulator Optik Modulator optik berfungsi memodulasi cahaya dengan cara mengubah-ubah amplitudo, frikuensi, fasa, atau intensitas cahaya sehingga mampu membawa sinyal info. Berdasarkan tempat terjadinya modulasi, ada 2 macam modulasi optik, sehingga dengan sendirinya ada 2 macam modulator, yaitu modulator internal (internal modulator) dan modulator eksternal (external modulator). Modulator internal memodulasi cahaya di dalam perangkat sumber cahayanya, sedangkan modulator eksternal memodulasi cahaya di luar perangkat sumber cahayanya Modulator Internal (Sumber Cahaya) Ada dua sumber cahaya yang dikenal dalam komunikasi optik: Light Emitting Diode (LED) dan Illuminating Laser Diode (ILD) yang lebih sering disebut laser. Laser mempunyai kriteria yang lebih baik dan lebih cocok untuk sistem yang digunakan daripada LED sebagai sumber cahaya. Hal ini dianggap Laser lebih kompatible dengan fiber optik jenis single mode sehingga sangat cocok digunakan untuk komunikasi jarak jauh. 5

6 JETri, Volume 9, Nomor 2, Februari 21, Halaman 1-12, ISSN Modulator Eksternal Modulator eksternal yang digunakan adalah elektro-optik yang memanfaatkan interaksi sinyal elektrik dengan media interaksi. Interaksi yang terjadi pada elektro-optik ini adalah terjadinya perubahan indek bias media interaksi akibat pengaruh medan elektrik yang diberikan kepada media interaksi tersebut. Jika medan elektrik diberikan kepada media interaksi optik maka distribusi elektron pada media interaksi akan terdistorsi dan terpolarisasi sehingga menyebabkan indeks bias media interaksi berubah secara isotropik sehingga akan mengubah karakteristik pandu gelombang optik atau karakteristik media interaksi. Dengan berubahnya karakteristik tersebut maka mode perambatan berkas akan berubah baik berupa perubahan fasa ataupun panjang gelombang. Mach Zehnder merupakan jenis modulator eksternal elektro-optik yang digunakan untuk mempengaruhi berkas cahaya yang melintas dengan menggunakan medan elektromagnetik tertentu yang dihasilkan oleh pulsapulsa listrik. Atau dengan kata lain modulator ini bekerja berdasarkan prinsip perpaduan (interferensi) dua berkas cahaya koheren yang menghasilkan pola garis-garis cahaya (fringe) sesuai dengan besarnya beda fasa antara dua berkas cahaya tadi. Gambar 5. adalah skema dasar Interferometer Mach Zehnder. Pada gambar tersebut nampak jelas cara kerja alat jika dilihat dari arah rambatan cahayanya. D 2 test arm M 1 W 1 W 3 W 2 L 2 P detector Laser M 2 Reference arm L 1 D 1 S sumber berkas W1,W2,W3 muka gelombang optik D1 dan D2 media semi pantul P titik fokus lensa L2 L1 dan L2 lensa kolimator M1 dan M2 cermin pemantul Gambar 5. Mach Zehnder 6

7 Harumi Yuniarti & Bambang Cholis.Teknik Modulasi Transmisi Serat Optik Perbedaan fasa yang terjadi bisa disebabkan dua hal, yaitu perbedaan fasa karena pemantulan atau perbedaan karena lintasan. Pada kasus ini perbedaan fasa yang ditimbulkan disebabkan karena perbedaan lintasan yang ditempuh kedua berkas sinar. Perbedaan fasa akibat pantulan tidak terjadi, karena pantulan masing-masing berkas sinar sama, yaitu tiap berkas sama-sama mengalami dua kali pemantulan. Beda fasa antara dua berkas cahaya pada titik P dapat dinyatakan dalam persamaan: dimana: h n : selisih jarak antara dua berkas cahaya dalam interferometer. : indeks bias medium perambatan optik. Pada titik P, tempat bertemunya dua berkas cahaya tadi, akan terjadi pola dengan titik pusat (fringe) terang jika: nh = m? m =, 1, 2,... dan fringe gelap jika: nh m=,1,2,... Dari persamaan diatas, pola interferensi muncul akibat perbedaan lintasan antara dua berkas cahaya yang masuk dalam interferometer sehingga menimbulkan perbedaan fasa antara kedua berkas tersebut. Jika tidak ada perbedaan lintasan antara kedua berkas, maka tidak akan timbul interferensi karena tidak ada beda fasa antara kedua berkas sehingga keduanya akan menyatu kembali dengan sempurna. Perbedaan lintasan ini muncul karena kedua berkas tiba pada titik yang berbeda pada L2 sehingga keduanya mencapai titik fokus lensa L2 yaitu P dengan menempuh jarak lintasan yang berbeda pula. Karena pola interferensi yang muncul tergantung pada parameter n dan parameter h (Zainol A.R., 28: np). 7

8 JETri, Volume 9, Nomor 2, Februari 21, Halaman 1-12, ISSN Pola Modulasi Pola modulasi menunjukkan kemiripan dengan yang biasa diterapkan dalam informasi digital yang datang untuk setiap pembawa optik. Cara umum yang mudah untuk melaksanakan pada kapasitas besar sampai pada B Gbit/s (4 G bit/s) adalah dengan ASK (Amplitude shift keying), yaitu dengan merubah saklar intensitas luaran sinar laser on/off, tergantung pada simbol yang dipancarkan tanda (1) atau () atau sebuah teknik modulasi dimana tiap simbol biner (1 atau ) dinyatakan dengan sebuah nilai khas dari amplitude cahaya seperti Gambar 6., pada kecepatan yang sama dengan frequensi B GHz [4 GHz]. Operasi ini umumnya dicapai melalui pengunaan modulator amplitudo sinyal listrik dengan sinyal optik yang diumpan dengan sinyal laser. Ini menghasilkan modulasi yang disebut NRZ (Non-Return-to-Zero). Normalized intensity Phase Optical Spectrum Eye Diagram T-1/B B-1/T T-1/B RZ-DPSK DPSK RZ NRZ 1,5 1,5 1,5 1,5 π π/2 -π/2 π π/2 -π/2 π π/2 -π/2 π π/2 -π/ Gambar 6. Karakteristik Format Modulasi 8

9 Harumi Yuniarti & Bambang Cholis.Teknik Modulasi Transmisi Serat Optik Pola RZ (Return-to-Zero) sering dipandang sebagai ASK masa depan pengganti NRZ. Pada penggunaan RZ, setiap simbol 1 dinyatakan sebagai sebuah pulsa yang dapat merupakan variabel waktu. Pulsa ini umumnya dipotongkan kedalam bentuk gelombang NRZ oleh kerja modulator amplitudo optik. Karena pola-pola ASK hanya digunakan dalam produk-produk pada 1 bit/s, DPSK (Differential Phase Shift Keying) berkemampuan kerja yang lebih baik pada 4 Gbit/s. Informasi dibawa oleh fasa itu sendiri. Gambar 6. terlihat bentuk gelombang sebuah deret biner 8 bit yang berhubungan dengan intensitas, fasa dan diagram mata yang termodulasi dengan pola NRZ, spektrum optik (hasil konvensional). Data DPSK dihasilkan dengan cara melewatkan sinar laser kedalam sebuah perangkat listrik-optik yang memodulasi fasa optik. Jika dihubungkan dengan sebuah pulsa (identik dengan sebuah modulator RZ tetapi digerakkan/ dipicu oleh sebuah pewaktu) untuk membuat data optik RZ-DPSK (dapat variasikan menggunakan DPSK atau RZ-DPSK), sebuah trik yang digunakan pada ujung penerima, karena photodioda yang digunakan untuk mengubah data optik yang menjadi data elektrik pada dasarnya peka intensitas cahaya. Kebanyakan trik yang lazim adalah deteksi beragam (differential detection), yaitu perbandingan phasa dari bit yang ditentukan dengan bit yang berikutnya, sebelum photodioda (jadi D yang melengkapi PSK dalam DPSK atau dalam RZ-DPSK). Operasi ini dikerjakan dalam sebuah interferometer fiber pasif (Mach zehnder) yang salah satu lengannya adalah satu bit lebih panjang daripada yang lain. Mengingat bahwa deteksi beragam berebut data optik, dimana hal ini hanya dapat dipulihkan bila dilewatkan kedalam sebuah precoder pada sisi transmiter. Selain itu interferometer memiliki keuntungan dari adanya dua lengan output yang membawa output-output tersebut saling melengkapi dari intensitas sinyal yang dibalik. Dengan menyimpangkan dari receiver lama (conventional) dengan ASK, dan adanya dua photodioda yang beroperasi paralel (photocurrentnya akan berkurang diujung), adalah dimungkinkan untuk meningkatkan kekuatan noise ~3dB. Dengan kata lain, bila level daya optik pada tiap serat input berkurang dengan ~3dB terkait spesifikasi daya untuk pola ASK, sistem masih dalam tuntutan industri. 3. A Pol RZ-DPSK Pada PSK (Phase Shift Keying) jika terjadi loncatan fasa π menandakan biner 1 sedangkan biner jika tidak terjadi loncatan fasa. 9

10 JETri, Volume 9, Nomor 2, Februari 21, Halaman 1-12, ISSN Sementara untuk DPSK (Differensial Phase Shift Keying) pada gambar 4, biner 1 ditandai dengan terjadinya loncatan fasa (perbedaan fasa) π, sedangkan jika tidak terjadi perbedaan fasa menandakan biner. Jadi apabila berturutan biner 1 muncul dua kali, maka akan terjadi berturut-turut loncatan fasa sebesar π. Dalam hal ini level optik dapat dinaikkan terkait spesifikasi daya untuk pola-pola ASK karena kedua pola tersebut (DPSK dan RZ-DPSK), memiliki resistensi intrinsik sangat baik terhadap pelemahan rambatan yang tergantung daya (Power Dependent Propagation Impairements, yang dikenal sebagai efek nonlinier antar kanal). Dari eksperimen yang dilaporkan oleh Alcatel-Lucent, resistensi ini membaik hal ini menunjukkan fakta bahwa cahaya lebih sesuai (dimodelkan) sebagai sebuah vektor dengan dua buah komponen polarisasi transversal. Pada Gambar 7. ditunjukkan, dengan menukar-ulang polarisasi dari bit-bit yang berseberangan kedalam sebuah modulator yang disediakan dan digerakkan pada setengah frekuensi informasi B, membuat data pertukar-ulangan polarisasi DPSK (APol RZ-DPSK), hal ini ditunjukkan bahwa margin-margin sistem dapat dinaikkan. Dimana teknik Apol ini memerlukan interferometer fiber pasif (Mach Zehnder) didalam perangkat penerimanya untuk memiliki satu lengan lebih panjang. Semua hal yang khas ini yang menjadikan APol RZ-DPSK satu dari banyak pola-pola modulasi yang mempunyai harapan baik untuk sistem berkapasitas besar (Alcatel Reseach and Inovation, 25: np). Gambar 7 Apol RZ-DPSK 1

11 Harumi Yuniarti & Bambang Cholis.Teknik Modulasi Transmisi Serat Optik Hasil eksperimen, seperti yang ditunjukkan Gambar 8. (Bigo, S & Charlet, G., 25: np). 13 Q 2 -factor (db) dB 3.5dB RZ-DPSK Apol RZ-DPSK 6 Channel power (2db/div) Gambar 8. Apol RZ-DPSK efek nonlinier pada serat optik dari bit-bit (dapat menaikkan ~3,5 db) Dengan adanya kenaikkan daya kanal (Channel Power) sebesar 3,5 db berarti telah terjadi kenaikan intensitas sinyal hingga lebih dari 5% bila menggunakan teknik Apol RZ-DPSK dibandingkan dengan RZ-DPSK. Dalam laporannya teknik ini telah dikembangkan pada transmisi 4 kanal pada 4 GBit/s dengan persyaratan industri dimana jarak yang digunakan adalah transpasifik. Salah satu faktor kunci teknik dalam pencapaian hasil ini adalah dengan perbaikan pola modulasi Apol RZ-DPSK (Alternate Polarization Return-to-Zero Differential Phase Shift Keying). Selain itu repeater-repeater (perangkat pengulang sinyal) yang bekerja berdasarkan konsep penguatan Raman (RFA) yang digunakan untuk membatasi akumulasi noise. Penguat-penguat ini mengharuskan susunan serat yang khas guna secara efisien mengurangi pelemahan penjalaran sinyal. Repeater Raman adalah sebuah teknik yang digunakan untuk menaikkan daya dari sebuah sinyal optik yang datang. Berkas optik berdaya tinggi (dari pompa) dikirimkan kedalam serat transmisi (transmission fibre) bersama dengan sinyal optik yang akan ditransmisikan. Sinyal optik memperoleh penguatan akibat interaksi antara bahan silika serat dan pompa photon. Teknik seperti ini dapat digunakan untuk mengatasi masalah-masalah pada kapasitaskapasitas tinggi dan jarak antar pengulang (repeater) yang lebih panjang, dibandingkan dengan EDFA (Erbium Doped Fibre Amplitier) yang lazim digunakan.( Afrizal Y., dkk., 26: np). 11

12 JETri, Volume 9, Nomor 2, Februari 21, Halaman 1-12, ISSN Kesimpulan Langkah penyesuaian pola modulasi pada persyaratan-persyaratan operasional sistem transmisi serat optik dengan kapasitas kanal besar ini dimungkinkan secara aktual dengan tujuan untuk memperbaiki performasi pengiriman sinyal menggunakan teknik transmisi digital, hal ini dilaporkan dapat mengantisipasi efek non linieritas dan noise yang terjadi antar kanal. Dalam kaitan ini digunakan Modulator Mach Zehnder untuk menghasilkan pola modulasi APol RZ-DPSK (alternate Polarization Return to Zero Defferential Phase Shift Keying). Dari hasil pemanfaatan pola ini menunjukkan, bahwa dengan adanya kenaikkan daya kanal (Channel Power) sebesar 3,5 db, hal ini berarti telah terjadi kenaikan intensitas sinyal hingga lebih dari 5% untuk transmisi jarak jauh (long houl) dengan kapasitas besar dan memenuhi kriteria batasan-batasan industri. Daftar Pustaka 1. Afrizal Y., dkk. 26. Perancangan dan Implementasi Teknik Modulasi Digital Menggunakan Binary Phase Shift Keying (BPSK), Disertasi. 2. Alcatel Reseach and Inovation. 25. Next Generation transponder for 4 Gbit/s WDM system DQPSK and Apol RZ-DPSK. 3. Bigo, S., and Charlet, G. 25. Technical challenges of 4 Gbit/s in WDM Submarine Trans-mission. 4. SHARP GP2D12, Modulasi Digital. (online), ( diakses 22 April 21: 14.2 WIB). 5. Zainol, A.R. 28. Analisa Perbandingan Sistem Format Modulasi Optik NRZ-DPSK & RZ-DPSK terhadap NRZ-OOK pada sistem Lightwave berkecepatan tinggi. 12