BAB II TINJAUAN TEORITIS 2.1 Tinjauan Pustaka Realisasi PLL (Phase Locked Loop) sebagai modul praktikum demodulator FM sebelumnya telah pernah dibuat oleh Rizal Septianda mahasiswa Program Studi Teknik Telekomunikasi tahun 2007. Modul praktikum demodulator FM menggunakan PLL (Phase Locked Loop) yang telah dibuat memiliki spesifikasi sebagai berikut: Frekuensi kerja carrier ± 20 KHz Informasi 300-3400 Hz Menggunakan IC LM555 Panel hanya terdiri dari dua blok diagram Pada proyek akhir ini penulis membuat sebuah modul praktikum demodulator FM dengan PLL (Phase Locked Loop) dengan frekuensi carrier yang lebih tinggi dan dengan panel yang berisi blok lengkap dari tiga blok diagram PLL (Phase Locked Loop) yaitu Phase Detector, Low Pass Filter (LPF) dan VCO (Voltage Controlled Oscillator). 2.2 Teori Dasar Modulasi Modulasi adalah proses menumpangkan sinyal informasi yang berfrekuensi rendah ke sinyal pembawa yang berfrekuensi tinggi agar dapat dipancarkan atau dikirimkan melalui media udara (radio)[ 1]. Dalam sistem komunikasi saat ini bila ditinjau dari jenis sinyal pemodulasinya. Modulasi terdiri dari 2 jenis, yaitu: Modulasi Analog Modulasi analog adalah sistem modulasi yang sinyal pemodulasinya adalah sinyal analog. Modulasi analog memiliki sifat kontinyu seperti modulasi amplitudo dan modulasi sudut. Sinyal analog bekerja dengan mentransmisikan suara dan gambar dalam bentuk gelombang kontinyu (continous varying). Dua parameter/ karakteristik terpenting yang dimiliki oleh sinyal analog adalah amplitudo dan frekuensi. Sinyal analog biasanya Ibnu Nugraha (091331048) 4
dinyatakan dengan gelombang sinus, mengingat gelombang sinus merupakan dasar untuk semua bentuk sinyal analog. Hal ini didasarkan bahwa berdasarkan analisis fourier, suatu sinyal analog dapat diperoleh dari perpaduan sejumlah gelombang sinus. Dengan menggunakan sinyal analog, maka jangkauan transmisi data dapat mencapai jarak yang jauh, tetapi sinyal ini mudah terpengaruh oleh noise[ 2]. Modulasi Digital Modulasi digital adalah sistem modulasi yang sinyal pemodulasinya adalah sinyal digital. Modulasi digital memiliki sifat diskrit seperti modulasi ASK (Amplitude Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying) (BPSK, QPSK, 8PSK) dan QAM. Sinyal digital merupakan hasil teknologi yang dapat mengubah signal menjadi kombinasi urutan bilangan 0 dan 1 (juga dengan biner), sehingga tidak mudah terpengaruh oleh derau, proses informasinya pun mudah, cepat dan akurat, tetapi transmisi dengan sinyal digital hanya mencapai jarak jangkau pengiriman data yang relatif dekat[ 2]. 2.3 Alasan Modulasi Ada beberapa alasan mengapa diperlukannya proses modulasi, diantaranya: Ukuran antena Propagasi / perambatan yang efektif, memerlukan ukuran antenna ¼ - ½ dari panjang gelombang sinyal yang akan ditransmisikan. λ c f Contoh : = panjang gelombang = kecepatan cahaya = frekuensi sinyal suara Frekuensi sinyal suara: 300-3000 Hz Ukuran antena : ¼ - ½? (pjg gelombang) dari sinyal yg akan ditransmisikan Sehingga didapat : (1) Ibnu Nugraha (091331048) 5
= 100 km λ = 100 km, sehingga ukuran antena harus ¼ - ½ = 25 50 km, jadi tidak praktis. Interferensi sinyal Sinyal-sinyal suara (frekuensinya sama) jika ditransmisikan secara bersamaan interferensi, dimana sinyal saling tumpang tindih dan mengganggu satu sama. Dengan modulasi, frekuensi sinyal-sinyal suara dipindahkan ke wilayah frekuensi yang jauh lebih tinggi, sehingga dapat ditempatkan pada daerah-daerah frekuensi yang berbedabeda[ 6]. 2.4 Modulasi Frekuensi Modulasi Frekuensi dapat didefinisikan sebagai deviasi frekuensi sesaat sinyal carrier (sinyal pembawa) sesuai dengan amplitude sesaat sinyal pemodulasi (sinyal informasi). Sinyal pembawa atau sinyal carrier biasanya berupa gelombang sinusoidal sedangkan sinyal pemodulasi atau sinyal informasi dapat berupa gelombang apa saja (sinusoidal, kotak, segitiga, gigi gergaji atau sinyal audio). Persamaan hasil modulasi frekuensi: (2) Dimana: = Gelombang hasil modulasi frekuensi = Frekuensi sudut pembawa (rad/s) = Frekuensi sudut pemodulasi = Deviasi frekuensi (Hz) = Frekuensi modulasi (Hz) = Indeks modulasi frekuensi Ibnu Nugraha (091331048) 6
Skema dari gelombang carrier dengan modulasi frekuensi ditunjukkan dengan gambar berikut: Sinyal Carrier Puncak Pembawa Pembawa Sinyal Audio Sinusoida Sinyal FM Gambar 1 Modulasi Frekuensi 2.4.1 Deviasi Frekuensi Perubahan frekuensi disebut Deviasi Frekuensi atau Simpangan Frekuensi ( f). Harga maksimum disebut dengan deviasi frekuensi dan ditulis dengan. Deviasi frekuensi maksimum maks terjadi saat puncak posiif dan puncak negatif sinyal informasi. (3) (4) Dan bisa disebut, maka: (5) (6) Ibnu Nugraha (091331048) 7
2.4.2 Indeks Modulasi Indeks modulasi FM (m ) merupakan perbandingan antara deviasi f frekuensi maksimum dengan frekuensi sinyal pemodulasi. (7) Dengan: = Deviasi frekuensi (Hz) = Frekuensi modulasi (Hz) = Indeks modulasi frekuensi Besarnya indeks modulasi FM dapat dipilih sebesar mungkin sejauh tersedia bandwidth (lebar bidang) untuk keperluan transmisinya. Biasanya besarnya indeks modulasi ini akan dimaksimalkan dengan cara mengatur besarnya deviasi frekuensi maksimal yang diijinkan. 2.4.3 Bandwidth FM Bandwidth FM menurut fungsi Bessel: Dimana: = jumlah pasangan frekuensi-frekuensi sisi yang masih signifikan = frekuensi maksimum sinyal pemodulasi (Hz) Bandwidth FM menurut rumus Carlson: (8) Dimana: = deviasi maksimum gelombang FM = frekuensi maksimum sinyal informasi (9) 2.5 Demodulator FM Demodulasi adalah kebalikan dari modulasi, demodulasi adalah proses memperoleh kembali sinyal informasi dari pembawanya[ 1]. Demodulasi frekuensi adalah sebuah rangkaian yang mengkonversikan Ibnu Nugraha (091331048) 8
perubahan frekuensi yang sangat cepat ke perubahan tegangan linier. Alat yang digunakan untuk proses demodulasi adalah demodulator. Untuk frekuensi modulasi, demodulator yang digunakan adalah demodulator FM. Demodulator FM terdiri dari berbagai jenis, yaitu: Slope Detector Round Travis Detector Quadrature Detector Ratio Detector, dll 2.6 PLL (Phase Locked Loop) PLL adalah sebuah sistem yang mensinkronisasikan dan menyesuaikan osilator satu dengan osilator lainnya dengan membandingkan phasa antara kedua sinyal. PLL biasanya digunakan untuk frequency Shyntesis, membangkitkan clock pada mikrokontroller, membangkitkan frekuensi carrier, modulator FM, demodulator FM dan lain-lain[5]. PLL sendiri terdiri dari beberapa bagian yang diantaranya Detektor Phasa, Filter dan VCO. Berikut ini adalah blok diagram Phase Locked Loop (PLL) secara umum: Gambar 2 Diagram blok PLL (Phase Locked Loop) secara umum Oscillator Reference Osilator referensi ini menghasilkan frekuensi input bagian PLL. Untuk menjaga agar sistem Phase Loop tetap akurat, maka osilator referensi harus tetap dalam keadaan stabil. Frekuensi osilator referensi ini besarnya harus dibuat sama dengan besar frekuensi umpan balik bila dalam keadaan lock, sehingga bila kedua sinyal tersebut menjadi input Ibnu Nugraha (091331048) 9
detektor phasa maka Detektor phasa dapat membandingkan phasa kedua dari sinyal tersebut. dari rangkaian Osilator yang mengguankan sebuah kristal, yang mempunyai frekuensi outputnya sebesar 5kHz. Maka kapasitor variabel fungsinya untuk menjaga keseimbangan agar output rangkaian sama dengan frekuensi kristal. Untuk demodulator FM, Osilator Referensi berasal dari sinyal FM yang mengandung informasi. Detektor Phasa Rangkaian detektor phasa adalah rangkaian yang berfungsi untuk memperoleh beda phasa dari kedua input yaitu sinyal arus dan sinyal tegangan. rangkaian ini terdiri dari rangkaian buffer, zero crossing detector dan ICXOR. Di Rangkaian detektor beda phasa itu D1 dan D2 adalah dioda zener 4.7 Volt. fungsi dari dua dioda itu adalah sebagai pengaman agar sinyal output yang dilewatkan hanya memiliki amplitudo sebesar Vzener ditambah Vforward yaitu 4.7 V ditambah dengan sekitar 0.7 V sama dengan ±5.4 V saja. Filter Filter yang digunakan dalam PLL biasanya menggunakan LPF (Low Pass Filter). Low Pass Filter (LPF) adalah sebuah rangkaian yang tegangan keluarannya tetap dari DC naik sampai ke suatu frekuensi cutoff fc. Bersama naiknya frekuensi di atas fc, tegangan keluarannya diperlemah (turun). Low Pass Filter adalah jenis filter yang melewatkan frekuensi rendah serta meredam atau menahan frekuensi tinggi. Bentuk respon LPF seperti ditunjukkan gambar 3 di bawah ini. Ibnu Nugraha (091331048) 10
Gambar 3 Respon Frekuensi LPF VCO VCO (Voltage Controlled Oscillator) adalah osilator LC yang frekuensinya bisa dikendalikan dari tegangan yang diberikan pada varaktornya (lihat gambar b). Varaktor adalah dioda yang bila diberi tegangan balik akan menjadi kapasitor, dimana nilai kapasitansinya tergantung dari tegangan yang diberikan padanya. Jadi dengan mengubah tegangan pada varaktor itu, frekuensi VCO akan berubah. Sementara itu nilai kapasitansi varaktor (maupun kapasitansi intrinsik dalam transistor) sangat mudah dipengaruhi oleh suhu. Inilah yang membuat frekuensi VCO mudah berubah (kurang stabil). Gambar 4 Rangkaian VCO PLL menggunakan dua jenis osilator itu (kristal dan VCO) sedemikian rupa sehingga menghasilkan frekuensi output yang stabil dan sekaligus mudah diubah-ubah (variabel). Caranya adalah dengan membagi frekuensi VCO dan kemudian membandingkannya dengan frekuensi referensi yang berasal dari osilator kristal (gambar d). Ibnu Nugraha (091331048) 11
Dua buah sinyal dikatakan memiliki frekuensi yang sama bila beda phasa antara keduanya selalu tetap. Bila misalnya frekuensi VCO berubah maka beda phasa antara osilator kristal dan VCO akan berubah. Perubahan beda phasa ini kemudian oleh detektor phasa dikonversi menjadi perubahan tegangan error. Tegangan error berupa deretan pulsa-pulsa ini kemudian dilewatkan ke rangkaian Low Pass Filter sehingga menjadi tegangan DC yang benar-benar rata. Selanjutnya perubahan tegangan DC yang sudah rata ini diberikan pada varaktor sehingga frekuensi VCO kembali seperti semula. Dengan cara ini maka frekuensi VCO akan terkunci (locked) dan selalu sama dengan frekuensi osilator kristal. Berhubung osilator kristal sangat stabil maka frekuensi VCO dengan sendirinya akan ikut stabil. Inilah prinsip kerja PLL (gambar c). Gambar 5 Prinsip Kerja Phase Locked Loop (PLL) Dalam gambar (d) frekuensi referensi (fr) berasal dari osilator kristal yang telah dibagi (oleh rangkaian pembagi frekuensi) dengan bilangan pembagi = R. Sementara itu, sebelum dibandingkan dengan frekuensi referensi (fr), frekuensi output VCO (fo) juga dibagi dengan bilangan pembagi = N. Pada saat sistem PLL ini dalam keadaan terkunci (locked) maka fr = fo / N atau dengan kata lain: (10) Berdasarkan persamaan ini maka fo akan mudah dibuat variabel dengan mengubah besarnya bilangan N, dimana N adalah bilangan Ibnu Nugraha (091331048) 12
bulat dan fr adalah satuan terkecil dari perubahan fo. Satuan terkecil ini sering disebut step. Dengan demikian mudah di dihitung Bila fr = 100 khz maka fo = N. 100 khz. Bila fr = 10 khz maka fo = N. 10 khz Bila fr = 1 khz maka fo = N. 1 khz, dst. N adalah bilangan bulat, bukan pecahan, dan N bisa bernilai 1 hingga tak berhingga. Dalam praktek umumnya N ditentukan oleh lebar frekuensi kerja VCO karena tidak ada VCO yang mampu bekerja pada frekuensi nol hingga tak berhingga. Kesimpulan penting yang bisa diambil dari sini adalah bahwa frekuensi output PLL sangat stabil, sestabil kristal. Selain itu, frekuensi output PLL ini juga dapat diubah-ubah dengan amat mudah, cukup dengan mengubah besarnya bilangan pembagi (N). Ketika berdiri sendiri, frekuensi output VCO sangat tidak stabil. Hal ini disebabkan karena kapasitansi varaktor dan kapasitansi intrinsik di dalam transistor yang digunakan, sangat dipengaruhi oleh suhu lingkungan. Bila suhu berubah maka frekuensi VCO akan berubah, sehingga dinyatakan bahwa frekuensi VCO tidak stabil. Ketidakstabilan frekuensi VCO ini kemudian diatasi dengan sistem PLL. Perubahan suhu lingkungan umumnya berlangsung sangat lambat. Ordenya bisa detik, menit atau jam. Perubahan yang lambat ini cukup mudah diikuti oleh Low Pass Filter (LPF) di dalam PLL sebab time response dari LPF ini telah sengaja dibuat lambat. Ketika frekuensi VCO berubah sedemikian cepat maka LPF tidak mampu lagi mengikuti perubahan itu. 2.6.1 Demodulator FM dengan PLL (Phase Locked Loop) Salah satu aplikasi dari PLL (Phase Locked Loop) adalah untuk demodulator FM. PLL FM demodulator atau biasa disebut detektor dapat dibuat dengan mudah karena kini dalam membuat rangkaian demodulator FM Ibnu Nugraha (091331048) 13
dapat menggunakan IC (Integrated Circuit) yang didalamnya sudah terdapat beberapa rangkaian seperti detektor fasa dan VCO. Demodulator FM dengan PLL kini digunakan dalam berbagai jenis peralatan radio. Demodulator FM dengan PLL memiliki beberapa keuntungan, diantaranya: Linearitas: Linearitas dari PLL demodulator FM diatur oleh tegangan dengan karakteristik frekuensi VCO dalam PLL. Karakteristik dari VCO dapat dibuat relatif linear, tingkat distorsi dari PLL demodulasi biasanya sangat rendah. Tingkat distorsi biasanya sepersepuluh persen. Biaya manufaktur: Pembuatan demodulator FM dengan PLL dapat menggunakan Integrated Circuit (IC). Hanya beberapa komponen eksternal diperlukan, dan tidak perlu menggunakan induktor sebagai bagian dari rangkaian resonan untuk VCO sehingga bisa membuat biaya lebih murah. Hal tersebut membuat PLL sebagai demodulator FM sangat mudah untuk dibuat. Ibnu Nugraha (091331048) 14