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) memeiliki ciri-ciri dari bit-bit (0 atau 1) yang dikandungnya. Berarti dengan mengamati modulated carriernya, kita bisa mengetahui urutan bitnya disertai clock (timing, sinkronisasi).
Melalui proses modulasi digital sinyal-sinyal digital setiap tingkatan dapat dikirim ke penerima dengan baik. Untuk pengiriman ini dapat digunakan media transmisi fisik (logam atau optik) atau non fisik (gelombang-gelombang radio).

Pada dasarnya dikenal 3 prinsip atau sistem modulasi digital yaitu:

1. Amplitude Shift Keying

Amplitude Shift Keying (ASK) atau pengiriman sinyal berdasarkan pergeseran amplitude, merupakan suatu metoda modulasi dengan 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. Oleh sebab itu meoda ASK hanya menguntungkan bila dipakai untuk hubungan jarak dekat saja.
Dalam hal ini faktor derau harus diperhitungkan dengan teliti, seperti juga pada sistem modulasi AM. Derau menindih puncak bentuk-bentuk gelombang yang berlevel banyak dan membuat mereka sukar mendeteksi dengan tepat menjadi level ambangnya.

2. 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 ang 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 0. Kondisi ini masing-masing disebut space dan mark. Keduanya merupakan standar transmisi data yang sesuai dengan rekomendasi CCITT.
FSK juga tidak tergantung pada teknik on-off pemancar, seperti yang telah ditentukan sejak semula. Kehadiran gelombang pembawa dideteksi untuk menunjukkan bahwa pemancar telah siap.
Dalam hal penggunaan banyak pemancar (multi transmitter), masing-masingnya dapat dikenal dengan frekuensinya. Prinsip pendeteksian gelombang pembawa umumnya dipakai untuk mendeteksi kegagalan sistem bekerja.
Bentuk dari modulated Carrier FSK mirip dengan hasil modulasi FM. Secara konsep, modulasi FSK adalah modulasi FM, hanya disini tidak ada bermacam-macam variasi /deviasi ataupun frekuensi, yang ada hanya 2 kemungkinan saja, yaitu More atau Less (High atau Low, Mark atau Space). Tentunya untuk deteksi (pengambilan kembali dari kandungan Carrier atau proses demodulasinya) akan lebih mudah, kemungkinan kesalahan (error rate) sangat minim/kecil.
Umumnya tipe modulasi FSK dipergunakan untuk komunikasi data dengan Bit Rate (kecepatan transmisi) yang relative rendah, seperti untuk Telex dan Modem-Data dengan bit rate yang tidak lebih dari 2400 bps (2.4 kbps).

3. 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 denganperubahan 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. Dalam keadaan seperti ini , 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 kecepatan tinggi, lebih efisien dipilih system modulasi PSK.
Dua jenis modulasi PSK yang sering kita jumpai yaitu :

3.1. BPSK

BPSK adalah format yang paling sederhana dari PSK. Menggunakan dua yang tahap yang dipisahkan sebesar 180° dan sering juga disebut 2-PSK. Modulasi ini paling sempurna dari semua bentuk modulasi PSK. Akan tetapi bentuk modulasi ini hanya mampu memodulasi 1 bit/simbol dan dengan demikian maka modulasi ini tidak cocok untuk aplikasi data-rate yang tinggi dimana bandwidthnya dibatasi.

3.2. QPSK

Kadang-Kadang dikenal sebagai quarternary atau quadriphase PSK atau 4-PSK, QPSK menggunakan empat titik pada diagram konstilasi, terletak di sekitar suatu lingkaran. Dengan empat tahap, QPSK dapat mendekode dua bit per simbol. Hal ini berarti dua kali dari BPSK. Analisa menunjukkan bahwa ini mungkin digunakan untuk menggandakan data rate jika dibandingkan dengan sistem BPSK. Walaupun QPSK dapat dipandang sebagai sebagai suatu modulasi quaternary, lebih mudah untuk melihatnya sebagai dua quadrature carriers yang termodulasi tersendiri. Dengan penafsiran ini, maka bit yang digunakan untuk mengatur komponen phase pada sinyal carrier ketika digunakan untuk mengatur komponen quadrature-phase dari sinyal carrier tersebut. BPSK digunakan pada kedua carrier dan dapat dimodulasi dengan bebas.

Propagasi gelombang

Propagasi gelombang adalah perambatan gelombang pada media perambatan. Media perambatan atau biasa juga disebut saluran transmisi gelombang dapat berupa fisik yaitu sepasang kawat konduktor, kabel koaksial dan berupa non fisik yaitu gelombang radio atau sinar laser.

Polarisasi Gelombang Elektromagnetik

J, Herman (1986: 1.43) menyatakan polarisasi gelombang didefinisikan sebagai sifat gelombang elektromagnetik yang menjelaskan arah dan amplitudo vektor kuat medan magnet sebagai fungsi waktu. Ada tiga macam polarisasi gelombang yaitu polarisasi linier, polarisasi lingkaran, dan polarisasi eliptis.

Gelombang Ruang Bebas (Free Space)
Pembiasan (Refraction) oleh Atmosfir Bumi

Pada atmosfir bumi terjadi pembiasan gelombang sekitar 18 km dari permukaan bumi di daerah khatulistiwa dan sampai sekitar 8 dan 11 km di daerah kutub selatan dan utara. Untuk itu radius bumi diubah disesuaikan demikian hingga kelengkungan relatif antara gelombang dan bumi tetap seperti yang ditunjukkan Gambar 6 Radius kelengkungan bumi yang telah disesuaikan dengan perbandingan antara radius efektif bumi dan radius bumi yang sesungguhnya disebut dengan faktor K. Pada kondisi atmosfir normal, dalam perhitungan radius bumi ekuivalen biasanya digunakan K = 4/3 (J, Herman, 1986: 3.2).

Propagasi Line of Sight (LOS)

Propagasi gelombang pada frekuensi diatas 30 MHz memanfaatkan gelombang langsung dan gelombang pantul oleh permukaan bumi. Pada Gambar 8 berikut ini adalah gambaran dari propagasi Line of Sight (LOS).
Pada propagasi LOS terdapat daerah yang harus dan wajib terhindar dari halangan, daerah itu disebut dengan daerah fresnel (fresnel zone).

Redaman pada ruang bebas (free space loss)

Redaman LOS berharga rata-rata sama dengan redaman ruang bebas. Dalam perhitungan redaman lintasan dianggap tetap sehingga untuk LOS adalah (J, Herman, 1986: 3.29):
Lp = 32,5 + 20 log d (km) + 20 log f (MHz) (2.5)

Difraksi (Diffraction) dan Hamburan (Scattering)

Difraksi oleh Penghalang (Knife Edge Diffraction)
Difraksi adalah kemampuan gelombang untuk berbelok setelah mengalami benturan dengan penghalang. J, Herman (1986: 4.5) menyatakan difraksi oleh bukit, pohon, bangunan dan lain-lain sulit sekali dihitung, akan tetapi perkiraan redamannya dapat diperoleh dengan mengingat harga-harga ekstrim yang disebabkan oleh difraksi rintangan tajam yang menyerap sempurna (Knife Edge Diffraction).

Hamburan oleh Troposfir (Troposphere Scatter)

Sistem komunikasi radio yang mengunakan sifat hamburan gelombang elektromagnetik oleh partikel-partikel troposfir yang disebut sistem tropo atau thin line troposcattering system. Jaraknya berkisar 200 – 800 km dan frekuensi yang dipakai yaitu 300 – 30.000 MHz berada di daerah UHF dan SHF (J, Herman,1986: 4.11).

Propagasi Gelombang Radio
Gelombang Radio dan Spektrum Elektromagnetik

Gelombang radio termasuk keluarga radiasi elektromagnetik meliputi infra merah (radiasi panas), cahaya tampak (visible light), ultraviolet, sinar-X, dan bahkan panjang gelombang Gamma yang lebih pendek dan sinar kosmik. Gelombang elektromagnetik berasal dari interaksi antara medan listrik dan medan magnet

Menurut John (1988: 8-10) Nilai panjang gelombang λ berhubungan dengan frekuensi f dan kecepatan gelombang v, dimana kecepatan gelombang bergantung pada media. Dalam kasus ini medianya adalah ruang bebas (free space/vacuum).
λ= v / f
dimana : v= c (ruang bebas)= 3 x 108 m s-1

Frekuensi gelombang radio yang mungkin dapat dipantulkan kembali adalah frekuensi yang berada pada range Medium Frequency (MF) dan High Frequency (HF). Adapun gelombang radio pada Very High Frequency (VHF) dan Ultra High Frequency (UHF) atau yang lebih tinggi, secara praktis

dapat dikatakan tidak dipantulkan oleh ionosphere akan tetapi hanya sedikit dibiaskan dan terus laju menghilang ke angkasa luar. Gelobang radio yang menghilang ke angkasa luar tadi dalam istilah propagasi dikatakan SKIP.





Dalam istilah propagasi, pantulan yang hanya sekali bolak balik dinamakan single hop dan
yang berkali-kali dinamakan multiple hop. Sudah barang tentu dalam perjalanannya, gelobang radio akan mengalami pengurangan kekuatannya dan juga efisiensi setiap kali pantulan akan mengurangi pula kekuatan gelombang radio sehingga pancaran dengan multi hop akan lebih lemah dibanding

Makin tinggi frekuensi gelombang radio, dapat dikatakan secara praktis makin sulit dipantulkan oleh ionosphere. Untuk gelombang yang cukup rendah misalnya pada band 160 meter, gelombang yang dipancarkan hampir tegak lurus ke atas dapat dipantulkan balik ke bumi.


Dengan sudut pantul yang hampir tegak lurus tersebut, jarak capai kembali ke bumi relatif sangat dekat (untuk sngle hop). Untuk mencapai jarak yang jauh diperlukan multiple hop, dan sudah barang tentu kekuatanya menjadi lemah, sihingga untuk mencapai jarak yang cukup jauh pada band tersebut atau band-band rendah yang lain diperlukan daya pancar pesawat yang relatif lebih besar.

Makin tinggi frekuensi gelobang radio, agar dapat dipantulkan oleh ionosphere diperlukan sudut yang makin kecil. Dengan sudut pantul yang kecil tersebut jarak capai pantulannya ke bumi
makin jauh. Pada Very High Frequency sudut pantul yang diperlukan sangat kecil sehingga secara praktis tidak mungkin dilakukan. Kita telah rasakan bersama bahwa apabila kita bekerja pada band 10 meter, dengan daya pancar yang relatif kecil, misalnya 5 Watt sudah dapat mencapai benua Amerika dan benua Eropa.





Agar kita mendapatkan sudut pancaran yang efektif untuk setiap band frekuensi, diperlukan pemilihan jenis antena yang tepat. Setiap jenis antena cenderung mempunyai pola radiasi yang berbeda dan dengan mempelajari berbagai pola radiasi dari berbagai jenis antena, kita dapat memperoleh jenis antena yang tepat untuk band-band tertentu.
Dengan sifat gelombang MF dan HF seperti telah diuraikan tadi, maka untuk keperluan komuniksi jarak jauh kita cenderung menggunakan high frequency.
Karena gelombang radio pada high frequency dapat mencapai jarak yang jauh dengan hanya mengharapkan bantuan dari benda-benda alam yang ada disekeliling bumi atau dikatakan pancaran
secara teresterial.
Dengan dikembangkannya satelit komunikasi radio yang dapat bertidak sebagai repeater atau pancar ulang, maka teknologi ini memberikan era baru dalam propagasi radio, ialah dengan dimungkinkannya pancaran pada band-band frekuensi di atas HF untuk mencapai jarak jauh.
Oleh karena secara praktis gelombang radio pada range di atas HF tidak dipantulkan oleh ionosphere, maka ia dapat menembus angkasa luar dengan efisien dan mencapai satelit dengan baik.