1/6 Rancang Bangun Demodulator FSK 9600 Baud untuk Perangkat Transceiver Portable Satelit IiNUSAT - 1 Muhamad Aenurrofiq Alatasy, Prof. Ir. Gamantyo H., M.Eng, Ph.D. Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Abstrak Dalam upaya pengembangan sistem stasiun bumi pada proyek satelit Iinusat-1 (Indonesia Inter University Satellite -1) dimana diperlukan sebuah perangkat portable guna pemanfaatannya di lapangan dalam hal mobilitas. Di dalam perangkat portable ini terdiri dari beberapa model, salah satunya adalah demodulator FSK. Data yang dipancarkan diterima oleh penerima UHF (436 MHz) untuk kemudian akan diubah dari sinyal sinusoida kebentuk sinyal digital kembali oleh demodulator FSK. Proses desain dimulai dari awal, dimana konsep dikembangkan menampilkan satu transceiver terpadu, dimana didalamnya terdapat modul demodulator dengan kecepatan 9600 baud yang dirancang untuk pada jalur downlink ke satelit. Perangkat ini menerima masukan dari perangkat RF berupa sinyal IF 455 KHz kemudian didemodulasi untuk dipisahkan paket datanya yang diteruskan ke perangkat pengolah data. Pada tugas akhir ini modul demodulator FSK direalisasikan menggunakan dengan chip tunggal IC XR2211. Dengan frekuensi tengah 12500 Hz. Pada tugas akhir ini juga dilakukan perancangan dan pembuatan modul serta pengujian peralatan demodulator FSK,. Hasil dari tugas akhir bahwa sinyal yang didapatkan tidak berbentuk sinyal kotak yang sempurna, maka demodulator ini tidak baik digunakan dengan kecepatan data 9600bps. Kata Kunci: Demodulator FSK nonkoheren, IiNUSAT. I. PENDAHULUAN S alah satu bagian penting dari sistem operasional satelit adalah sistem komunikasinya itu sendiri. Satelit berada sangat jauh dari pengguna (user) di bumi, oleh karenanya dibutuhkan komunikasi radio. Radio akan digunakan untuk komunikasi data digital antara satelit dan ground station. Perkembangan komunikasi data dengan radio dekade ini sangatlah pesat, dimana pada awalnya menggunaka radio suara dengan sebuah modem audio. Frekuensi rendah adalah frekuensi yang paling optimal untuk melakukan komunikasi data jarak jauh, bisa UHF maupun VHF, karena jika menggunakan frekuensi yang lebih tinggi, maka daya jangkaunya menjadi berkurang dan juga ada konsekuensi bahwa jumlah data yang dikirim menjadi terbatas. Salah satu tipe ground station yang akan dibangun ada portable transceiver dimana sistem ini terdiri dari berbagai modul-modul, salah satunya adalah demodulator FSK yang dilengkapi dengan perangkat modem. Dalam upaya pengembangan sistem stasiun bumi pada proyek satelit Iinusat-1 (Indonesia Inter University Satellite -1) dimana diperlukan sebuah perangkat portable guna pemanfaatannya di lapangan dalam hal mobilitas. Salah satu tipe ground station yang akan dibangun adalah portable transceiver dimana sistem ini terdiri dari berbagai modulmodul, salah satunya demodulator FSK. Ada beberapa metode demodulasi yang dapat digunakan, tapi pemilihan lebih mengarah pada Frequency Shift Keying (FSK) karena pertimbangan penerimaan yang non-coherent [1]. Yang dimaksud dengan deteksi non-coherent yaitu dengan filtering Output demodulator ini dapat berupa data digital pada level TTL maupun serial RS232 dengan penambahan modul pengubah level tegangan. Demodulator ini sangat sederhana dan mempunyai kemampuan transfer data yang terbatas yaitu 9600 bps namun tidak menutup kemungkinan untuk dilakukan pengembangan. II. DASAR TEORI Untuk keperluan transmisi data dikembangkan teknik yang dinamakan modulasi FSK. Dari sistem FSK dapat diatur sedemikian rupa untuk memberikan transmisi narrowband maupun wideband. Untuk membangkitkan sinyal FSK, kita bisa menggunakan teknik modulasi seperti pada gambar 2. Deretan biner masukan direpresentasikan sebagai bentuk on-off. Dengan menggunakan Inverter dibagian kanal bawah, seperti terlihat pada gambar 2 akan dihasilkan frekuensi yang bergantian di keluarannya. Osilator dengan frekuensi f 1 di kanal atas aktif jika masukannya berlogika 1 sedangkan osilator dengan frekuensi f 2 di kanal bawah tidak aktif dengan hasil keluaran pada frekuensi f 1 yang ditransmisikan. Jika masukan modulator berlogika 0, osilator di kanal atas tak aktif dan osilator di kanal bawah aktif sehingga frekuensi f 2 yang ditransmisikan. Dua frekuensi f 1 dan f 2 dipilih pada perkalian bilangan bulat dari laju bit 1/Tb. Pada modulasi FSK frekuensi carrier digeser oleh input data yang berupa biner. Ketika sinyal input biner berubah dari logika 0 ke logika 1 atau sebaliknya, maka output FSK bergeser antara dua frekuensi (frekuensi mark dan space). Output modulasi
2/6 FSK akan mengalami perubahan frekuensi untuk setiap terjadinya perubahan kondisi logika dari sinyal input data sehingga kecepatan perubahan output modulasi FSK akan sama dengan kecepatan perubahan data pada input. Hasil modulasi sinyal FSK didapatkan dengan cara menjumlahkan 2 frekuensi yang berbeda dari frekuensi carrier dan data, dimana dua buah sinyal dengan amplitude A, tetapi frekuensi berbeda, f 1 dan f 2, digunakan untuk merepresentasikan biner 1 dan 0. Secara matematis dapat dituliskan[2] : berunjuk kerja tinggi. Pemakaianya terbatas pada modemmodem data yang asinkronous, unjuk kerja rendah dan murah. Oleh karena itu, penerapan cukup luas pada system transmisi data. FSK adalah modulasi digital yang relative sederhana. serta modulasi sudut yang mempunyai bentuk selubung (envelope) konstan yang mirip dengan modulasi frekuensi kecuali bahwa sinyal pemodulasinya berupa aliran pulsa biner yang berubah-ubah diantara dua level tegangan, FSK memiliki bentuk penampakan gelombang yang konstan dari modulasi sudut yang similar (sama) terhadap frekuensi modulasi konvensional kecuali bahwa sinyal modulasinya adalah untaian pulsa biner yang bervariasi di antara dua tegangan diskrit disbanding perubahan bentuk gelombang secara terus menerus. Data Carrier Gambar 2 Blok diagram Modulator FSK Sinyal FSK Gambar 1 Gelombang Termodulasi FSK S 1 (t) = A cos (2πf 1 t) untuk symbol 1 (1) S 2 (t) = A cos (2πf 2 t) untuk symbol 0 (2) dimana, S 1 (t) = sinyal keluaran FSK untuk bit 1 S 2 (t) = sinyal keluaran FSK untuk bit 0 A = amplitude sinyal f 1 = frekuensi carrier 1 f 2 = frekuensi carrier 2 Pada dasarnya penerima cukup membedakan dua keadaan saja. Hal ini berbeda dengan pengiriman sinyal analog murni yang bentuknya dapat agak berbeda pada saat diterima oleh penerima. Agar data atau informasi dapat disalurkan melalui saluran transmisi yang mempunyai jarak jangkau jauh diperlukan gelombang yang mempunyai frekuensi tingggi sebagai pembawa. Gelombang ini disebut carier,disebut demikian karena seolah-olah sinyal analog tadi membawa (carry) sinyal informasi digital tersebut. Dalam teknik modulasi sinyal pembawa diubah sehingga informasi dapat dibawa atau disalurkan. Modulasi FSK merupakan modulasi yang mempunyai kinerja yang lebih baik dan menggunakan system deteksi yang lebih sederhana dibangdingkan dengan PSK. karena itu jarang digunakan untuk sistem-sistem radio digital Gambar 3 Demodulator FSK non coherent [3] Untuk mendeteksi sinyal FSK dari Modulator FSK dan mengubahnya ke data digital semula, maka diperlukan suatu teknik yang dinamakan demodulasi sinyal FSK. Sinyal FSK bisa dideteksi dengan menggunakan deteksi tak koheren. Yang dimaksud dengan deteksi tak koheren yaitu dengan filtering. Pada deteksi tak koheren memiliki Care to Noise Ratio (CNR) yang lebih tinggi dari CNR pada deteksi koheren sehingga deteksi tak koheren memiliki probabilitas kesalahan yang lebih tinggi dari deteksi koheren. Pada Gambar 3 ditunjukkan sebuah metode pendeteksian sinyal FSK dengan metode tak koheren. Penerima terdiri dari sepasang filter yang dicocokkan yang diikuti oleh detektor selubung. Filter di bagian atas dicocokkan terhadap sinyal FSK untuk frekuensi f 1 dan filter di bagian bawah dicocokkan terhadap sinyal FSK untuk frekuensi f 2. Low pass filter yang berkesinambungan untuk mencegah aliasing yang disebabkan oleh sampling alami dari filter penerima. Filter yang dicocokkan ini merupakan low pass filter dengan frekuensi pusat di f 1 dan f 2. Gambar 4 menunjukkan sebuah LPF aktif. OP-amp berfungsi sebagai buffer sedangkan rangkaian depannya adalah sebuah filter pasif dari rangkaian R-C. rangkaian
3/6 filter R-C apabila berdiri sendiri maka impenansi outputnya akan selalu berubah apabila frekuensi sinyal input berubah. Apabila digabungkan dengan rangkaian buffer maka impedansi output akan menjadi tetap dan nilainya kecil karena sama dengan impedansi dari op-amp[4]. 3.1 Simulasi modulasi dengan Data Random. Pada simulasi ini digunakan data random untuk level sinyal high (1) dan low (0) pada baud rate 9600 bps. Dengan frekuensi mark 10800 Hz dan frekuensi space 14500 Hz.Hasil plot untuk input data random : Gambar 4 Rangkaian LPF Tengan output (Vo) diumpan balik pada titik masukan negative. Karena op-amp ideal maka tegangan selisih (differensial input) sama dengan nol, sehingga tegangan pada masukan negative sama dengan tegangan pada masukan positif yang merupakan tegangan akibat pembagi tegangan sinyal input resistor R dan impedansi C, sama dengan Vo. Gambar 5 Plot domain waktu untuk data random VVVV = 1 VVVV (1+jjjj CCCC ) (3) Dimana: Vo = tegangan output Vi = tegangan input III. RANCANG BANGUN DEMODULATOR FSK Demodulator adalah sebuah mutivibrator yang digerakkan dari tepi menampilkan konversi frekuensi ke tegangan yang mengijinkan untuk menyaring data yang ditransmisikan dari sinyal termodulasi. Trigger monostabil pada positif dan negatif menuju tepi sinyal yang terbatas, sehingga menghasilkan pada outputnya, sebuah aliran pulsa dengan panjang yang tepat pada sebuah frekuensi ganda pada sinyal input terbatas. Demodulator digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal persegi. Untuk mempersiapkan demodulator ini di butuhkan data-data yang dapat menunjang segala yang berkaitan dengan demodulator tersebut. Pada tahap ini digunakan sebuah script MATLAB untuk mensimulasikan berbagai baud rate dan frekuensi mark dan space, yang hasilnya nanti dapat digunakan sebagai pertimbangan dalam perancangan dan pemilihan komponen perangkat yang dibuat. Simulasi ini dapat digunakan untuk modulasi dengan data random, bergantian, maupun data konstan. Simulasi ini dapat menghasilkan plot gambar sinyal termodulasi ke dalam domain waktu dan domain frekuensi. Gambar 6 Plot domain frekuensi untuk data random 3.2 Simulasi modulasi dengan Data Konstan. Pada simulasi ini digunakan data konstan untuk level sinyal high (1) dan low (0) pada baud rate 9600 bps. Dengan frekuensi mark 10800 Hz dan frekuensi space 14500 Hz.Hasil plot untuk input data konstan : Gambar 7 Plot domain waktu untuk data konstan
4/6 f o = ff 1 xx ff 2 (4) dimana: f o = frekuensi tengah f 1 = frekuensi mark f 2 = frekunsi space Gambar 8 Plot domain frekuensi untuk data konstan 3.3 Demodulator XR 2211 XR 2211 adalah IC yang dibuat untuk komunikasi data untuk aplikasi modem FSK. IC ini mempunyai tegangan supply antara 4,5 V sampai dengan 20 V dan frekuensi antara 0,01 Hz sampai dengan 300 KHz. XR 2211 terdiri input preamplifier, analog multiplier yang digunakan sebagai detektor phase dan voltage controller oscillator (VCO). Demodulator ini akan menerima masukan berupa sinyal FSK yang dihasilkan modulator, seperti pada waktu dipancarkan, sinyal ini berupa sinyal sinusoidal yang berubah-ubah frekuensinya sesuai dengan data yang dikirimkan. Demodulator akan mengubah kembali sinyal sinusoidal tersebut menjadi sinyal digital (biner). Pengubahan oleh demodulator dilakukan dengan membandingkan dengan frekuensi tengah (fo). Frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tengah akan menghasilkan output logika high, sedangkan frekuensi input yang kurang dari frekuensi tengah akan menghasilkan output logika low. Frekuensi tengah ditentukan dengan mengatur besarnya hambatan pada R0 dan besarnya C0 (kondensator yang terhubung pada pin 13 dan 14 IC XR2211). Preamplifier digunakan sebagai penguat. Detector phase digunakan sama seperti digital exclusive OR gate (XOR). Outputnya menghasilkan penjumlahan dan pengurangan frekuensi-frekuensi dari input dan output VCO. VCO adalah oscillator yang dikontrol oleh arus, dimana arus input normal (f O ) ditentukan oleh resistor R o yang dihubungkan ke ground dan arus penggeraknya dengan resistor R 1 dari detector phase. Keluaran dari detector phase merupakan hasil dari penjumlahan dan pengurangan antara sinyal input dan frekuensi VCO. Ketika terkunci, frekuensinya adalah f in + f vco (2 kali f in ketika terkunci) dan f in - f vco (0 Hz ketika terkunci). Dengan penambahan sebuah kapasitor ke output detector phase, frekuensi 2 kali f in akan direduksi, meninggalkan tegangan DC yang mewakili perbedaan phase antara kedua frekuensi itu. FSK komparator digunakan untuk menentukan jika VCO diset diatas ataupun dibawah frekuensi tengah, sehingga FSK komparato akan menghasilkan output aktif high atau aktif low. Gambar 10 Rangkaian demodulator menggunakan XR 2211 Gambar 9 Blok Diagram XR-2211 Nilai frekuensi tengah ditentukan berdasarkan nilai kedua frekuensi yang dihasilkan oleh modulator FSK. Penentuan nilai frekuensi tengah dihitung dengan persamaan : Gambar 11 Realisasi Demodulator FSK 9600 baud
5/6 IV. PENGUJIAN ALAT Pengujian ini bertujuan untuk melihat apakah sinyal FSK yang dihasilkan sudah sesuai atau belum. Pengujian demodulator XR 2211 dilakukan dengan cara mencari nilai frekuensi tengah atau frekuensi VCO. Frekuensi VCO pada demodulator harus di setting, agar demodulator dapat menerima dan mendemodulasikan sinyal FSK yang diterima dengan cara mengubah-ubah hambatan Rx. Pengaturan nilai frekuensi VCO pada demodulator sebesar 12490 Hz dapat dilihat pada gambar 12. Sedangkan sesuai perhitungan frekuensi tengah dari frekuensi mark dan frekuensi space yaitu 12513,99 Hz. Pengujian berikutnya bertujuan untuk melihat apakah keluaran demodulator yang dihasilkan sudah sesuai dengan inputan modulator atau belum. Inputan modulator berupa sinyal kotak dan keluaran demodulator berupa sinyal kotak. Hasil yang didapatkan adalah output dari demodulator hampir sama dengan input pada modulator yaitu berupa sinyal kotak. Gambar 12 Hasil pengaturan VCO demodulator Pengaturan nilai frekuensi VCO maksimal pada demodulator adalah sebesar 12500 Hz dapat dilihat pada gambar 12. Nilai frekuensi tengah demodulator sama dengan nilai frekuensi tengah pada modulator. Setelah mendapatkan nilai frekuensi tengah dan sesuai dengan yang diinginkan maka demodulator siap untuk diuji dengan frekuensi generator untuk melihat apakah modulator dapat medemodulasikan sinyal FSK dengan baik. Gambar 15 Hasil pengujian modem ( input 9600 Hz) V. KESIMPULAN Berdasarkan dari sistem yang telah diimplementasikan dan hasil analisa pada pengukuran alat yang telah dilakukan, dari hasil pengujian sinyal keluaran demodulator menggunakan XR 2211, menggunakan frekuensi mark 10800 dan frekuensi space 14500 Hz dengan nilai frekuensi tengah 12500 Hz. Sinyal yang didapatkan tidak berbentuk sinyal kotak yang sempurna, maka demodulator ini tidak baik digunakan dengan kecepatan data 9600bps. DAFTAR PUSTAKA Gambar 13 Keluaran demodulator Function Generator Sinyal Logic Modulator XR2206 Sinyal Logic Demodulator XR2211 Gambar 14 Diagram blok pengukuran modem Sinyal Logic Osciloscope Pengujian modem dilakukan untuk mengetahui proses modulasi dan demodulasi apabila dihubungkan dengan function generator (gambar 14). [1] Charles Thompson Adam, M. Hussain Zahir, O Shea Peter A Single-Bit Digital Non-Coherent Baseband BFSK Demodulator, IEEE Region 10 Conference 2004, 21-24 Nov.2004,Vol.1,pp.515-518. [2] Sklar, Bernard, Digital Communications : Fundamentals and Aplications, 2nd edition, Prentice Hall International Inc, 2001. [3] Peebles, P.Z, Digital Communication Systems, Prentice Hall, USA, 1987. [4] Pujiono, Rangkaian Elektronika Analog, Surabaya. Institut Teknologi Sepuluh Nopember,2011. [5] Mc Dermott, T., Wireless Digital Communication Design and Theory, Tucson Amateur Packet Radio Corporation, USA, 1998.
6/6 DAFTAR RIWAYAT HIDUP Muhamad Aenurrofiq Alatasy dilahirkan di Brebes, 29 Juni 1988. Merupakan putra pasangan Ata dan Alqomah. Penulis lulus dari SDN Kutamendala I tahun 2000 dan melanjutkan ke SLTPN 1 Tonjong. Kemudian penulis melanjutkan ke SMAN 5 Purwokerto pada tahun 2003 dan lulus pada tahun 2006. Setelah itu, penulis melanjutkan kuliah D3 di Universitas Diponegoro Jurusan Teknik Elektro (2006-2009). Kemudian pada tahun 2010 penulis meneruskan kuliah S1 di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dengan mengambil bidang studi Telekomunikasi Multimedia.