MODULATOR DAN DEMODULATOR FSK (Frequency Shift Keying) Budihardja Murtianta Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik UKSW Jalan Diponegoro 52-60, Salatiga 50711 Email: budihardja@yahoo.com Intisari Pada tulisan ini akan dirancang dan direalisasikam alat modulator dan demodulator FSK (Frequency Shift Keying). Data yang dikirim dihasilkan dari saklar, sistem yang dibuat dapat memperlihatkan data dengan modulasi FSK (Frequency Shift Keying). Alat ini akan memperlihatkan proses pembentukan sinyal FSK (Frequency Shift Keying) pada tiap bloknya, sehingga pembaca dapat mengerti karakteristik isyarat yang dihasilkan. Kemudian isyarat dari modulator FSK (Frequency Shift Keying) akan dikirim melalui kabel tunggal. Data yang dikirim akan diterima demodulator, kemudian diubah menjadi isyarat digital sehingga diperoleh data semula yang dikirim. Pengujian dilakukan dengan data yang dimodulasi memiliki lebar data 8bit dengan kecepatan pengiriman data ±1200bps. Hasil uji tampak bahwa isyarat keluaran pada demodulasi FSK (Frequency Shift Keying) tertunda 100 µs dari isyarat aslinya. Kata kunci : Modulator, Demodulator, Frequency Phase Shift Keying 1. Pendahuluan Untuk mendukung kelangsungan proses komunikasi data dibutuhkan teknik modulasi digital untuk menangani hal tersebut. Informasi dapat dipancarkan secara sederhana dengan pensaklaran on dan off dengan carrier yang sesuai. Proses penyaklaran ini disebut dengan keying. Karakteristik penerima pesan hanya dapat mengawasandikan suatu pesan bila memiliki sandi yang tepat. Salah satu teknik modulasi digital yang dapat digunakan adalah FSK (Frequency Shift Keying. Teknik modulasi FSK (Frequency Shift Keying) mempresentasikan bit 1 dan 0 dalam 2 macam frekuensi yang berbeda, misal bit 0 : 500 Hz dan bit 1 : 2000 Hz sementara amplitudo dan fase isyarat tersebut konstan. Teknik modulasi ini banyak digunakan untuk transmisi dengan kecepatan rendah..
2. MODULATOR FSK (Frequency Shift Keying) FSK (Frequency shift keying) merupakan sistem modulasi digital yang relatif sederhana. Dalam modulasi FSK (Frequency Shift Keying), isyarat pemodulasi berupa aliran pulsa biner yang bervariasi diantara dua aras tegangan diskret. Rumus umum untuk sebuah isyarat FSK (Frequency Shift Keying) biner adalah: f m t V(t) Vc cos c t (1) 2 dengan : V(t) = adalah bentuk gelombang FSK biner; Vc = puncak amplitudo carrier tanpa termodulasi; c = carrier frekuensi (dalam radian); fm(t) = frekuensi isyarat digital biner pemodulasi; dan = beda isyarat pemodulasi (dalam radian). Keluaran modulator FSK (Frequency Shift Keying) adalah suatu frekuensi tertentu yang sudah ditentukan. Sesuai dengan perubahan isyarat data masukan biner dari logika 0 ke logika 1, atau sebaliknya, keluaran FSK (Frequency Shift Keying) bergeser diantara dua frekuensi yaitu suatu mark frekuensi untuk logika 1 dan suatu space frekuensi untuk logika 0. Pada FSK (Frequency Shift Keying) ada suatu perubahan frekuensi keluaran setiap adanya perubahan kondisi logika pada isyarat masukan. Sehingga menyebabkan laju perubahan keluaran akan sebanding dengan laju perubahan masukan. Dalam modulasi digital, laju perubahan masukan pada modulator disebut bit rate dan memiliki satuan bit per second (bps). Sedangkan laju perubahan pada keluaran modulator disebut baud atau baud rate. Dalam FSK (Frequency Shift Keying) biner, laju masukan dan laju keluaran adalah sama sehingga, bit rate dan baud rate adalah sama. Gambar 1. Modulator FSK (Frequency Shift Keying).
Modulasi frekuensi adalah sistem pemodulasi yang mengubah frekuensi isyarat pembawa sebanding dengan frekuensi sesaat isyarat pemodulasi, sementara amplitudo dipertahankan tetap. Pada sistem yang dirancang sebagai modulator FSK (Frequency Shift Keying) digunakan IC XR-2206 dengan pertimbangan IC XR-2206 dapat menghasilkan gelombang sinus, kotak, segitiga dengan frekuensi kerjanya hingga 1 MHz. Frekuensi keluaran XR 2206 ditentukan oleh besarnya nilai kapasitor yang terpasang pada pin 5 dan pin 6 dan besarnya nilai resistor yang dipasang pada pin 7 dan ground. Hubungan antara frekuensi dan nilai R dan C diberikan oleh persamaan : 1 f Hz (2) R C Untuk komponen R1 dan R2 digunakan R potensio, sehingga dapat diatur nilai R yang diinginkan, dan penggukuran frekuensi dapat dilakukan dengan lebih tepat. Untuk mendapatkan isyarat sinus 4,6 Khz dan 19,4 Khz, maka terlebih dahulu menetapkan nilai C yang akan dipakai. Pada realisasi alat nilai C yang digunakan sebesar 100 nf, dengan menggunakan Persamaan (2) maka didapat nilai R yang digunakan adalah 2173,9 dan 51,5 Ohm. Untai modulator FSK (Frequency Shift Keying) ditunjukkan pada Gambar 2 berikut. Gambar 2. Untai Modulator FSK (Frequency Shift Keying). Amplitudo keluaran maksimum bagi isyarat sinus ditentukan oleh nilai resistor eksternal pada pin 3, dengan besar gelombang keluaran adalah 60 mv untuk setiap1 k besar R3. Pada realisasi alat nilai R yang terukur 24 k maka amplitudo maksimum isyarat keluaran adalah 1,44 Volt. 3. DEMODULATOR FSK (Frequency Shift Keying) Demodulator FSK (Frequency Shift Keying) berfungsi sebagai pengembali isyarat FSK (Frequency Shift Keying) menjadi isyarat data digital. Karena hanya ada dua frekuensi masukan (mark dan space), maka di sini juga hanya ada dua keluaran error
voltage. Satu mewakili suatu logika 1 dan lainnya mewakili suatu logika 0. Gambar 3 dan Gambar 4 berikut merupakan demodulator FSK dan bagan kotak dari modulator tersebut. A FSK Receiver (Demodulator) Gambar 3. Demodulator FSK (Frequency Shift Keying). Bagan kotak modul demodulator FSK (Frequency Shift Keying) yang dirancang sebagai berikut. in B Low Pass Filter C Untai Offset D Pelipat Frekuensi E F G Low Pass Filter Komparator out Gambar 4. Bagan Kotak Demodulator FSK (Frequency Shift Keying). 3.1. TAPIS (Filter) Sifat filter yang umum dipakai adalah sifat melewatkan isyarat masukan pada frekuensi tertentu dan meredam isyarat masukan pada frekuensi lainnya. Berdasarkan daerah frekuensi yang dilewatkan dan daerah frekuensi yang diredam filter dapat dibagi menjadi tiga jenis antara lain: tapis lolos bawah, tapis lolos atas, dan tapis lolos pita. Isyarat termodulasi FSK (Frequency Shift Keying) terdiri dari isyarat frekuensi tinggi dan rendah yang merupakan isyarat informasi. Pada demodulator FSK (Frequency Shift Keying) hanya ada dua frekuensi masukan (mark dan space), maka di sini juga hanya ada dua keluaran error voltage. Satu mewakili suatu logika 1 dan lainnya mewakili suatu logika 0. Untuk memenuhi kondisi tersebut maka dalam perancangan ini digunakan tapis lolos bawah yang bertujuan untuk menghilangkan frekuensi tinggi. Untai tapis lolos bawah ditunjukkan pada Gambar 5 berikut.
Gambar 5. Untai Tapis Lolos Bawah. Realisasi tapis lolos bawah dirancang dengan menggunakan Op-Amp dengan kemiringan -20dB/decade ini berarti bahwa bila frekuensi meningkat 10 kali fc, tegangan keluaran akan berkurang 20dB. Persamaan frekuensi penggal untuk untai di atas sebagai berikut. 1 f c (3) 2 RC Untuk komponen R digunakan R potensio, sehingga dapat diatur nilai R yang diinginkan. Pada realisasi alat nilai R terukur sebesar 890 Ohm sedangkan nilai C yang digunakan sebesar 0,1 uf, dengan menggunakan Persamaan (3) maka didapatkan frekuensi penggal sebesar 1790 Hz. 3.2 Untai Offset Keluaran untai LPF (Low Pass Filter) masuk pada untai offset dengan tujuan menghilangkan tegangan DC yang ada. Pada sistem terdapat R potensio yang digunakan untuk mengatur nilai tegangan pada V2. Untai Offset ditunjukkan pada Gambar 6 berikut. Gambar 6. Untai Offset.
Setelah didapat nilai V2 yang sama dengan V1, dengan menggunakan untai penguat membalik dasar dan menambahkan resistor masukan lainnya; kita dapat membuat penguat penjumlah membalik. Tegangan keluaran dibalikkan dan nilainya sama dengan penjumlahan aljabar. Sehingga didapat persamaan sebagai berikut: Rf Rf Rf V out V1 V2... V n (4) R1 R2 Rn Bila semua resistor luar sama nilainya (Rf = R1 = R2 =... = Rn), keluaran dapat dengan mudah dihitung sebagai penjumlahan aljabar masing-masing tegangan masukan, atau : V out V1 V2... V n (5) 3.3 Untai Pelipat Frekuensi Keluaran untai offset masuk pada untai pelipat frekuensi dengan tujuan menghilangkan tegangan negatif yang ada sehingga hanya ada tegangan positif. Untai pelipat frekuensi ditunjukkan pada Gambar 7. berikut. Gambar 7. Untai Pelipat Frekuensi. Dengan masukan berupa gelombang sinus keluaran yang dihasilkan berupa penyearahan gelombang penuh yang memiliki kelipatan dua kali frekuensi isyarat masukan. Untuk isyarat positif, untai ini bertindak sebagai penguat tak membalik, dan untuk isyarat negatif untai ini bertindak sebagai penguat membalik. 3.4. Untai Tapis Keluaran untai pelipat frekuensi masuk pada untai tapis dengan tujuan memperbaiki isyarat yang ada. Pada sistem terdapat R potensio yang digunakan untuk mengatur nilai amplitudo pulsa yang diterima. Untai tapis ditunjukkan pada Gambar 8 berikut.
Gambar 8. Untai Tapis Lolos Bawah. Realisasi tapis lolos bawah dirancang dengan menggunakan Op-Amp dengan kemiringan -20dB/decade ini berarti bahwa bila frekuensi meningkat 10 kali fc, tegangan keluaran akan berkurang 20dB. 3.5. Untai Komparator Besar isyarat selisih yang dihasilkan oleh untai tapis ini kemudian akan dibandingkan dengan tegangan referensi nol (ground) untuk mengetahui polaritasnya. Selisih positif dikodekan dengan logika 1 dan selisih negatif dikodekan dengan logika 0. Logika 1 harus memiliki besar tegangan dengan aras TTL sementara logika 0 tidak boleh ke tegangan negatif seperti umumnya Op-Amp yang difungsikan sebagai sebuah komparator. Untuk itu dipakai IC komparator dengan seri LM 319. Untai komparator ditunjukkan pada Gambar 9 berikut. Gambar 9. Untai Komparator.
4. Pengukuran dan Analisa Modem FSK 4.1. Modulator FSK Pengujian modul modulator FSK (Frequency Shift Keying) dengan memberikan masukan isyarat berupa logika digital dari modul data masukan, didapatkan hasil isyarat dengan dua frekuensi yaitu f1 4,6 khz dan f2 19,4 khz. Gambar 10. Isyarat Keluaran Titik B Pengujian Sistem Modulator Demodulator (Frequency Shift Keying). FSK Dari hasil di atas, dengan volt/div sebesar 2 v/div dan time/div sebesar 250 us/div maka dapat diketahui isyarat yang dihasilkan oleh modul modulator FSK (Frequency Shift Keying) memiliki tegangan offset sebesar ± 4,4 Volt. Pada realisasi alat amplitudo maksimum isyarat keluaran adalah 1,44 Volt. Dari hasil di atas dapat kita ketahui amplitudo tegangan yang dihasilkan oleh modul modulator FSK (Frequency Shift Keying) memiliki tegangan sebesar ± 2,8 Vpp. Dari pengujian didapatkan kesimpulan bahwa modul modulator FSK (Frequency Shift Keying) mampu menghasilkan dua frekuensi berbeda. 4.2. DEMODULATOR FSK Demodulator FSK (Frequency Shift Keying) berfungsi sebagai pengembali isyarat FSK (Frequency Shift Keying) menjadi isyarat data digital. Perancangan sistem demodulasi FSK (Frequency Shift Keying) ini terdiri dari untai tapis, untai offset, untai pelipat frekuensi, untai komparator, dan untai delay. 4.2.1. Untai Tapis Titik C merupakan keluaran untai tapis. Pada tahap pengujian ini isyarat masukan modulator FSK (Frequency Shift Keying) ditapis dengan menggunakan tapis lolos bawah dan hasil yang didapatkan sebagai berikut.
Gambar 11. Isyarat Keluaran Titik C Pengujian Sistem Modulator Demodulator FSK (Frequency Shift Keying). Dari hasil di atas, dengan volt/div sebesar 1 v/div dan time/div sebesar 500 us/div kita ketahui isyarat keluaran pada titik C memiliki amplitudo kurang lebih setengah dari amplitudo pada modul modulator FSK (Frequency Shift Keying) untuk frekuensi rendah dan amplitudo untuk frekuensi tinggi pada titik C sangat kecil sekali. Amplitudo tegangan untuk frekuensi 4,6 khz juga ikut turun dikarenakan pada tapis yang dirancang frekuensi penggal berada pada frekuensi 1790 Hz. Pada frekuensi penggal isyarat masukan akan turun 3 db (amplitudo isyarat menjadi 0,707 kali amplitudo isyarat masukan atau 0.707 * 2.8 Vpp = 1,98 Vpp). Jika nilai frekuensi meningkat 10 kali frekuensi penggal maka tegangan keluaran akan berkurang 20dB sehingga amplitudo isyarat menjadi 0,1 kali amplitudo isyarat masukan atau 0.1 * 2.8 Vpp = 0,28 Vpp. Untuk nilai amplitudo tegangan pada frekuensi 19,6 khz akan lebih kecil dari 0,28 Vpp. Dari hasil yang diperoleh di atas dapat disimpulkan bahwa untai tapis lolos bawah yang ada pada modul demodulator FSK (Frequency Shift Keying) berfungsi dengan baik. 4.2.2. Untai Offset Pada tahap pengujian untai offset ini isyarat masukan dari modulator FSK (Frequency Shift Keying) yang telah ditapis tegangan DC offsetnya akan diturunkan ke sumbu nol. Hasil pengujian sistem didapatkan sebagai berikut. Gambar 12. Isyarat Keluaran Titik D Pengujian Sistem Modulator Demodulator FSK (Frequency Shift Keying).
Dari hasil di atas, dengan volt/div sebesar 1 v/div dan time/div sebesar 500 us/div maka dapat diketahui isyarat yang dihasilkan pada titik D memiliki tegangan sama dengan tegangan pada titik C hanya tegangan DC offsetnya turun. Dari pengujian didapatkan kesimpulan bahwa untai offset yang ada pada modul demodulator FSK (Frequency Shift Keying) mampu berfungsi dengan baik. 4.2.3. Untai Pelipat Frekuensi Pada tahap pengujian untai pelipat frekuensi ini dengan masukan berupa gelombang sinus keluaran yang dihasilkan berupa penyearahan gelombang penuh yang memiliki kelipatan dua kali frekuensi isyarat masukan. Hasil pengujian sistem didapatkan sebagai berikut. Gambar 13. Isyarat Keluaran Titik E Pengujian Sistem Modulator Demodulator FSK (Frequency Shift Keying). Dari hasil di atas, dengan volt/div sebesar 2 v/div dan time/div sebesar 500 us/div maka dapat diketahui isyarat yang dihasilkan pada titik E akan memiliki nilai tegangan yang berasal dari frekuensi 4,6 khz sedangkan frekuensi 19,4 khz nilai tegangan yang dihasilkan sangat kecil atau tidak ada. Dari pengujian didapatkan kesimpulan bahwa untai pelipat frekuensi yang ada pada modul demodulator FSK (Frequency Shift Keying) mampu berfungsi dengan baik. 4.2.4. Untai Tapis Pada tahap pengujian untai tapis ini dengan masukan untai pelipat frekuensi keluaran yang dihasilkan akan lebih halus atau memperbaiki isyarat yang ada. Hasil pengujian sistem didapatkan sebagai berikut. Gambar 14. Isyarat Keluaran Titik F Pengujian Sistem Modulator Demodulator FSK (Frequency Shift Keying).
Dari hasil di atas, dengan volt/div sebesar 2 v/div dan time/div sebesar 500 us/div maka dapat diketahui isyarat yang dihasilkan pada titik F akan memiliki keluaran yang lebih baik. Dari pengujian didapatkan kesimpulan bahwa untai tapis yang ada pada modul demodulator FSK (Frequency Shift Keying) mampu berfungsi dengan baik. 4.2.5. Untai Komparator Pengujian untai komparator pada titik G dilakukan dengan cara keluaran untai tais pada titik F masuk pada untai komparator dengan tujuan mendapatkan tegangan DC, dengan aras tegangan 0Volt untuk frekuensi tinggi dan 5Volt untuk frekuensi rendah. Hasil pengujian sistem didapatkan sebagai berikut. Gambar 15. Isyarat Keluaran Titik G Pengujian Sistem Modulator Demodulator FSK (Frequency Shift Keying). Dari hasil di atas, dengan volt/div sebesar 5 v/div dan time/div sebesar 500 us/div maka dapat diketahui isyarat yang dihasilkan pada titik G akan memiliki keluaran tegangan DC dengan aras tegangan 0Volt untuk frekuensi 19,4 khz dan 5Volt untuk frekuensi 4,6 khz. Dari pengujian didapatkan kesimpulan bahwa untai komparator yang ada pada modul demodulator FSK (Frequency Shift Keying) mampu berfungsi dengan baik. 5. Kesimpulan 1. Data serial sebanyak 8 bit dikirim pada modulator FSK (Frequency Shift Keying) dan menghasilkan keluaran modulator FSK (Frequency Shift Keying) memiliki dua frekuensi berbeda bersesuaian dengan data yang diberikan pada masukan. Hasil keluaran modul demodulator FSK (Frequency Shift Keying) berupa tegangan naik atau turun bersesuaian dengan data yang diberikan pada masukan. 2. Modulator FSK (Frequency Shift Keying) dapat menghasilkan keluaran sesuai dengan data masukan dan berjalan dengan baik. 3. Demodulator FSK (Frequency Shift Keying) dapat menghasilkan keluaran sesuai dengan data yang dikirim dari modulator FSK (Frequency Shift Keying) dan
berjalan dengan baik. Dari hasil pengujian dengan cara membandingkan hasil pengukuran alat dengan hasil menurut teori dapat diketahui bahwa alat dapat bekerja dengan baik. 4. Dari hasil pengujian dengan cara membandingkan hasil pengukuran alat dengan hasil menurut teori dapat diketahui bahwa alat dapat bekerja dengan baik. Daftar Pustaka 1. Hughes, F.W., Op Amp Handbook, Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1981. 2. Budiharto, Widodo., Elektronika Digital dan Mikroprosesor, ANDI, Yogyakarta, 2005. 3. Proakis, John G, Digital Communication, McGraw-Hill, Series in Electrical Engeneering, 1983. 4. Haykin, Simon, Digital Communication, McGraw-Hill, Series in Electrical Engeneering, 2002. 5. Young, Paul H, Electronic Communication Technique, 5 th Edition, Pearson Printice Hall,inc., New Jersey, 1991. 6. Miller, Gary M., Modern Electronic Communication, 4 th Edition, Prentice- Hall,Inc., New Jersey, 1993. Riwayat Penulis Budihardja Murtianta Memperoleh gelar sarjana dari Jurusan Teknik Elektro Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga, pada tahun 1986 dan gelar master dari Asian Institute of Technology, Bangkok,Thailand pada tahun 1996. Sejak tahun 1986 sampai sekarang bekerja sebagai dosen di Fakultas Teknik Program Studi Teknik Elektro Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga.