Peningkatan Kinerja Sistem Komunikasi Digital Di Lingkungan Kanal AWGN Dan Derau Impuls Menggunakan Teknik Multicarrier

Transkripsi

1 6 Peningkatan Kinerja Sistem Komunikasi Digital Di Lingkungan Kanal AWGN Dan Derau Impuls Menggunakan Teknik Multicarrier Titiek Suryani Multimedia Telecommunication Research group, Dept o Electrical Engineering, ITS Surabaya Indonesia 60, titiks@ee.its.ac.id Abstrak - Pada kanal komunikasi, sinyal inormasi yang dikirimkan selalu mengalami gangguan karena adanya derau yang menyebabkan terjadinya kesalahan deteksi sinyal sehingga terjadi perubahan bit atau simbol pada sisi penerima. Seberapa besar peningkatan kinerja sistem komunikasi digital dengan teknik carrier yang bekerja di kanal dimana gangguan berupa derau impuls banyak terjadi dianalisa dan hasilnya dibandingkan dengan sistem yang menggunakan carrier. Dari analisa diperoleh bahwa pada modulasi carrier, tanpa gangguan derau impuls, 0 - dapat dicapai dengan Eb/No sebesar 6,5 db. Sedangkan dengan adanya derau impuls nilai Eb/No yang diperlukan menjadi 8 db. Sistem modulasi carrier menunjukkan kinerja lebih baik daripada carrier bila amplitudo derau impuls cukup besar yaitu pada μ l =, σ l = dengan waktu kedatangan derau impuls paling rendah yaitu λ =,5.. PENDAHULUAN Sistem modulasi yang banyak dipakai saat ini adalah sistem modulasi digital diantaranya modulasi M-ary, dimana dewasa ini juga dikembangkan sistem carrier yang bertujuan untuk mengatasi berbagai gangguan dikanal, yaitu dengan jalan menumpangkan inormasi tidak hanya pada satu carrier tetapi dalam banyak carrier. Dengan demikian apabila satu carrier terganggu oleh derau, maka eek yang ditimbulkannya dapat diperkecil dan mudah diantisipasi. Pada kanal komunikasi, sinyal yang dikirim akan mengalami berbagai distorsi atau gangguan, diantaranya adalah disebabkan oleh derau. Derau yang secara alamiah terjadi adalah derau thermal yang karakteristiknya diasumsikan sebagai derau AWGN (Additive White Gaussian Noise). Selain itu derau yang juga sering muncul karena aktiitas relay pada sentral adalah derau impuls. Adanya berbagai gangguan dan derau pada kanal ini akan menyebabkan sinyal yang diterima tidak sama dengan sinyal yang dikirimkan, artinya akan terdapat error pada hasil estimasi bit-bit inormasi oleh detektor di penerima.. TINJAUAN PUSTAKA. Sistem Multicarrier QAM Teknik pengiriman data carrier merupakan bentuk lain dari komunikasi kanal. Teknik carrier membagi band rekuensi kanal menjadi beberapa subkanal. Sinyal inormasi dikirimkan melalui masingmasing subkanal. Gambar (a) dan (b) menunjukkan perbedaan teknik transmisi carrier dan carrier. Pada Gambar (b) dapat dilihat bahwa data dengan laju bit tinggi dikirimkan melalui beberapa subkanal. Akibatnya terjadi penurunan bit rate sebesar aktor N, dimana N merupakan banyaknya subkanal, yang menyebabkan periode simbol meningkat N kali dari semula. Pada domain rekuensi, bandwidth menjadi N kali lebih kecil daripada bandwidth sinyal. Sinyal pada masingmasing subkanal akan dimodulasi pada rekuensi tertentu, kemudian sinyal termodulasi tersebut dijumlahkan terlebih dahulu sebelum dikirimkan. g( g( g( g( e jω ot kanal e -jω ot (a) Struktur transmisi carrier e jω ot e jω kt e jω Nt kanal e -jω ot e -jω kt e -jω Nt g * (- g * (- g * (- g * (- (b) Struktur transmisi carrier Gambar. Perbedaan Teknik Single carrier dan Multi carrier JAVA Journal o Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct 003, ISSN

2 .. Konsep Transormasi Fourier Dengan konsep transormasi Fourier, modulasi carrier disisi pemancar pada gambar (b) dapat diwakili oleh gambar berikut : s d o ( 0 g o ( d d N- g (... g N- ( s ( s N- ( Σ s( Gambar. Konsep IFFT pada Pemancar OFDM Dimana : jω nt e,0 t < Ts gn( = 0, lainnya dimana : ω = π n n n = n Δ = n () Ts Persamaan () dan () menunjukkan bahwa rekuensi g n ( meningkat seiring dengan peningkatan n..3 Derau Kanal Pengertian derau selalu dikonotasikan sebagai sinyal yang selalu mengganggu. Keberadaan derau pada sinyal inormasi mempunyai kecenderungan merusak sinyal, sehingga mengganggu unjuk kerja sistem. Berdasarkan munculnya, ada jenis derau yaitu muncul secara alami dan muncul karena dibangkitkan manusia. Secara teoritis derau kanal sering dimodelkan sebagai Additive White Gaussian Noise (AWGN). Derau ini dapat dideskripsikan sebagai proses acak terdistribusi Gaussian dengan rata-rata nol. Proses acak Gaussian n( merupakan ungsi acak dengan harga n, pada saat tertentu t, dikarakteristikkan secara statistic dengan ungsi rapat probabilitas, pd, Gaussian. Selain derau AWG terdapat derau impuls, yang disebabkan oleh berbagai macam sumber yang terjadi secara alami atau karena buatan manusia. Model dari derau impuls dapat ditunjukkan dengan N I ( merupakan gambaran dari proses noise impuls, dimana [5] μ σ σ () s = e e e (9) (.3) 7 63 N I ( = Z( * h( (3) dan N ( Z( = Z iδ ( t ti) (4) i= 0 dimana Z i =Z ic -jz is adalah bilangan kompleks, independent, identik dengan distribusi variabel acak dan {ti} adalah durasi pulsa waktu kedatangan (arrival times). Pulsa : h( = hc ( jhs ( (5) dapat digunakan untuk mengatur model dari setiap impuls. Koeisien impuls Zi dapat ditulis sebagai berikut : Zi = Ri (cosθi j sinθi ) (6) dimana θ i diasumsikan berdistribusi uniorm dalam range [ π, π ] dan Ri berdistribusi lognormal seperti pada persamaan (7) berikut : ( ln r μ) (7) R ( r) = exp (π ) σ σ r dengan mean σ m = exp μ + (8) dan variansi [ ] Proses penghitungan N( dalam model yang sama, mempunyai interarrival time yang digambarkan oleh distribusi gamma. Untuk itu jika X adalah variabel acak waktu antar kedatangan, maka didapatkan : v x = exp( x / β ) v Γ( v) β (0) Disini x 0, v 0 dan β = ( v λ), dimana λ adalah jumlah rata-rata pulsa tiap satuan waktu. Sebagai contoh jika v=, didapatkan distribusi eksponensial x x = λe λ () dan jika v persamaan (0) menjadi untuk ungsi periodik x = δ ( x λ ) () Persamaan () menggambarkan waktu antar kedatangan untuk proses Poisson. Beberapa model pulsa dapat dilihat pada tabel. Pada gambar 3, ditunjukkan bentuk keluaran dari derau impuls. Dari gambar tersebut, dapat diketahui bahwa amplitudo dari derau impuls tidak tetap atau dengan kata lain berubah-ubah secara acak. Hal ini nantinya dapat mempengaruhi kinerja dari sistem modulasi dalam sistem komunikasi digital. JAVA Journal o Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct 003, ISSN

3 64 Tabel. Bentuk-bentuk Pulsa untuk Model Derau Impuls Bagian Real atau Imajiner dari h( [5] Bentuk pulsa Koeisien A untuk satuan tinggi Koeisien A untuk satuan luas Ae at u( A at e A sin ωctu( πa / ωc ωc a + ωc ω ω c Ae at cos ω0tu( c a + ω0 a Ap T ( T Gambar 3. Derau Impuls 3. PEMODELAN SIMULASI 3. Pemodelan Sistem Sistem yang disimulasikan, dimodelkan dalam bentuk baseband ekivalen. Jadi semua proses yang beroperasi pada rekuensi tinggi atau yang menghasilkan translasi sinyal ke rekuensi tinggi dapat ditiadakan. Gambar selengkapnya adalah sbb. amplitude derau impuls dibangkitkan dengan distribusi lognormal. Bentuk pulsa yang diambil berdasarkan persamaan yang ke ada pada tabel yaitu : at Bentuk pulsa = e A sinωctu( ωc (3) πa / ωc Dimana : A= ωce Untuk waktu kedatangan (arrival times) digunakan distribusi Poisson, dengan cara membangkitkan bilangan random U U(0,) dan menghitung t melalui persamaan : ti = ti (/ λ) lnu (4) Amplitudo dari derau impuls dibangkitkan menggunakan distribusi Lognormal melalui persamaan : Y X = e Y N( μ, σ ) dimana : ( ) μ = ln μ σ + μ σ ln + [( σ μ ) μ ] = (5) Bentuk derau impuls yang didapatkan adalah sebagai berikut : Iinput data Data simbol Mapping Multicarrier modulasi (IFFT) Noise impuls AWGN Gambar 5 Bentuk Keluaran Derau Impuls dengan μ, σ dan λ = = = Output data Demodulasi carrier (FFT) Channel Gambar 4. Diagram Blok Sistem Multicarrier 3. Pemodelan Derau Impuls Selain derau AWGN, pada simulasi juga dibangkitkan derau impuls yang komponenkomponennya dibangkitkan secara acak dengan distribusi Poisson untuk menggambarkan waktu kedatangan (interarrival times), sedangkan untuk 4. EVALUASI DATA SIMULASI 4. Data Simulasi Besarnya kesalahan bit akan mempengaruhi unjuk kerja sistem komunikasi digital, oleh karena itu untuk mengetahui unjuk kerja sistem yang disimulasikan dilakukan perhitungan pada bitbit hasil deteksi penerima. Perhitungan ini dilakukan pada sistem carrier dan carrier 6 QAM yang dipengaruhi oleh derau AWGN dan derau impuls. Evaluasi kinerja ini dilakukan dengan memvariasi waktu antar kedatangan dan amplitudo dari derau impuls. Data diambil dengan melakukan percobaan masing-masing titik pada graik 0 kali. Selanjutnya data hasil simulasi diolah dalam bentuk graik-graik Eb/No terhadap besarnya JAVA Journal o Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct 003, ISSN

4 65 (laju kesalahan yang terjadi pada bit-bit yang diterima). Eek derau impuls pada sistem carrier dan carrier dengan waktu antar kedatangan yang bervariasi diberikan pada gambar 6 dan 7. lamda=0. lamda=0.7 lamda=.5 Sedangkan eek derau impuls pada sistem carrier dan carrier dengan amplitudo impuls yang bervariasi diberikan pada Gb. 8 dan 9. ul=0.,tl=0. ul=,tl=0.8 ul=.5,tl=.5 Gambar 6. Pengaruh Derau Impuls pada Sistem Multicarrier dengan Waktu Antar Kedatangan yang Bervariasi lamda=0. lamda=0.7 lamda= Gambar 7. Pengaruh Derau Impuls pada Sistem Singleicarrier dengan Waktu Antar Kedatangan yang Bervariasi ul=0.,tl=0. ul=,tl=0.8 ul=.5,tl= Gambar 9. Pengaruh Derau Impuls pada Sistem Singlecarrier dengan Amplitudo Impuls yang Bervariasi Dari graik diatas terlihat bahwa pengaruh noise impuls terlihat pada harga Eb/No tinggi (diatas 3 db) hal ini dikarenakan pada harga Eb/No rendah pengaruh derau AWGN lebih dominan, sehingga pengaruh dari variasi waktu antar kedatangan dan amplitudo derau impuls tidak teramati dengan jelas. Pada nilai Eb/No tinggi terlihat bahwa pengaruh variasi amplitudo derau impuls lebih besar daripada variasi waktu antar kedatangan, hal ini terjadi karena terjadinya error sangat dipengaruhi oleh distorsi amplitudo pada sinyal. Untuk menganalisa pengaruh derau pada sistem carrier, hasil pengamatan perlu dibandingkan dengan sistem carrier. Graik hasil perbandingan untuk amplitudo dan waktu kedatangan yang tinggi pada kedua sistem diatas diberikan pada gambar 0 dan. Pada grambar 0 terlihat bahwa untuk nilai μ l =0, dan σ l =0, kinerja modulasi carrier lebih baik daripada carrier, karena pada nilai tersebut amplitudo derau impuls kecil sehingga tidak berpengaruh pada modulasi carrier dan carrier, yang lebih berpengaruh disini adalah adanya derau AWGN. Karena rapat daya noise yang sama (la pada semua rekuensi, maka pengaruhnya pada sistem carier dan carier juga sama. Gambar 8. Pengaruh Derau Impuls pada Sistem Multicarrier dengan Amplitudo Impuls yang Bervariasi JAVA Journal o Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct 003, ISSN

5 Gambar 9 Graik Perbandingan Eb/No Singlecarrier dan Multicarrier dengan μ l =0,, σ l =0, dan λ =,5 0-4 Gambar. Graik Perbandingan Eb/No Singlecarrier dan Multicarrier dengan μ l =, σ l = dan λ =0, Gambar 0 Graik Perbandingan Eb/No Singlecarrier dan Multicarrier dengan μ l =, σ l = dan λ =,5 Dari gambar 0 terlihat bahwa sistem carrier menunjukkan kinerja lebih baik daripada carrier pada nilai Eb/No diatas 5 db, karena dibawah 5 db variansi dari derau AWGN relati besar jadi lebih dominan daripada derau impuls. Selanjutnya eek dari semakin besarnya waktu kedatangan ditunjukkan pada gambar, dan 3. Dari graik terlihat bahwa sistem carrier lebih tahan tehadap gangguan derau impuls daripada sistem carrier, hal ini dikarenakan pada carrier derau impuls tersebut ditebar ke N jumlah subcarrier, sehingga amplitude impuls menjadi lebih kecil dan tidak berpengaruh pada carrier. Gambar. Graik Perbandingan Eb/No Singlecarrier dan Multicarrier dengan μ l =, σ l = dan λ =,5 Gambar 3. Graik Perbandingan Eb/No Singlecarrier dan Multicarrier dengan μ l =, σ l = dan λ =3 5. KESIMPULAN Sistem modulasi carrier menunjukkan kinerja lebih baik daripada sistem carrier untuk nilai Eb/No diatas 5 db jika harga μ l dan σ l.amplitudo derau impuls paling sedikit masing-masing. JAVA Journal o Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct 003, ISSN

6 67 Sistem modulasi carrier menunjukkan kinerja lebih baik daripada sistem carrier untuk nilai Eb/No diatas 5 db jika λ minimum waktu antar kedatang derau impuls berharga. BIODATA Untuk nilai Eb/No dibawah 5 db modulasi carrier dan carrier memiliki kinerja yang hampir sama, hal ini karena derau AWGN yang lebih dominan. Untuk mengatasi masalah derau impuls perlu diteliti penggunaan modulasi lainnya seperti M-ary PSK dan M-ary FSK. Kedua jenis modulasi ini lebih tahan terhadap derau yang banyak mengganggu/merusak amplitudo sinyal seperti halnya derau impuls, dikarenakan inormasi yang dikirim pada kedua modulasi tersebut disembunyikan pada phase dan rekuensi sinyal. Selain menggunakan teknik modulasi lain teknik pengkodean kontrol kesalahan yang mempunyai kemampuan mengatasi error burst juga dapat digunakan untuk meningkatkan kinerja sistem komunikasi digital. Titiek Suryani dilahirkan di Surabaya, tanggal 30 Nopember 964. Lulus S Jurusan Teknik Elektro ITS pada tahun 988 dan pada tahun 999 memperoleh gelar Magister Teknik di Program Studi Magister Elektroteknik ITB bidang studi Sistem Inormasi Telekomunikasi. Sejak tahun 989 menjadi anggota sta pengajar dan peneliti di Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 6. DAFTAR PUSTAKA. Proakis. J. G, Digital Communication, McGraw-Hill,Inc,New York, 989. Ghosh. M, Analysis o the Eect o Impulse Noise on Multicarrier and Single Carrier QAM System, IEEE Transaction on Communication, Vol.44, No., February 996, pp Shanmugam. K. Sam, Digital And Analog Communication System, Jhon Wiley & Sons, Inc, New York, Weizheng Wang, Communications Toolbox For Use with Matlab and Simulink, MathWork,Inc, Jeruchim, Michael C, Balaban, Philip, and Shanmugam, K. Sam, 99, Simulation o Communication System, Plenum Press, New York, USA. 6. Schwart, M, Inormation Transmission, Modulation and Noise,McGraw-Hill, 98. JAVA Journal o Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct 003, ISSN