SISTEM KOMUNIKASI ANALOGBUKU AJAR: Dennis Roddy & John Coolen. KOMUNIKASIELEKTRONIKA. PENERBIT ERLANGGA, EDISI KETIGA

KLASIFIKASI FREKUENSI RADIO

EHF (Extremely high frequency)Gelombang ruang, radar; komunikasi ruang angkasa;Garis pandangan gelombang mikro.

SHF (Super High Frequency) Seperti EHP.

UHF (Ultra High Frequency) Gelombang ruang;Komunikasi radio garis pandangan,Dan pelayanan-pelayanan siaran.

VHF (Very High Frequency) seperti UHF.

HF (High Frequency). Gelombang ionosfotik. Komunikasi radio gelombang pendek.

MF (Medium Frequency). Gelombang tanah untuk jarak-jarak pendek ; gelombang ionosferik untuk jarak yang lebih panjang. Siaran, dan komunikasi-komunikasi radio.

LF (Low Frequency), Gelombang permukaan; Gelombang langit juga digunakan tetapi kurang terandal.Siaran waktu standar dan frekuensi: Navigasi radio.

VLF (Very Low Frequency) Gelombang permukaan dan gelombang langit untuk jarak-jarak jauh, dapat ditangkap sebagai ragam waveguide. Seperti LF

1. `ELF (Extremely Low Frequency)Komunikasi di bawah permukaan.

1

300

100

10

1

30

300

100

10

1

30

3

3

300 1

10 30

3 100

kHz

Hz

MHz m

km

Mm

mm GHz

300 1

10 30

Modulasi Amplituda

1. PENGANTAR

Memodulasi berarti mengatur, atau menyetel, dan dalam telekomunikasi tepatnya ini berarti mengatur suatu parameter dari suatu pembawa (carrier) frekuensi-tinggi dengan pertolongan sinyal informasi yang berfrekuensi lebih rendah. Secara singkat : Modulasi adalah peristiwa penumpangan sinyal informasi pada sinyal pembawa. Keperluan akan modulasi mula-mula timbul dalam transmisi radio dari sinyal-sinyal frekuensi rendah (misalnya frekuensi audio). Didapatkan bahwa untuk radiasi yang efisien, dimensidimensi antena harus kira-kira sama orde besarnya dengan panjang-gelombang (wavelength) dari sinyal yang sedang dipancarkan. Seperti ditunjukkan dalam Apendiks B, Persamaan (B.4), frekuensi f dan panjang-gelombang λ dari sebuah gelombang elektromagnetik dihubungkan dengan kecepatan cahaya c oleh

f λ = c

Kebanyakan sinyal-sinyal informasi frekuensi-rendah mempunyai frekuensi dalam orde I kHz, dan karena gelombang-gelombang elektromagnetis bergerak dalam ruang angkasa dengan kecepatan sinar, panjang gelombangnya akan sama dengan

sekitar 188 mil. Jelas bahwa tidak mungkin untuk membuat antena dengan ukuran ini.

Masalah ini diatasi dengan menggunakan sinyal frekuensi-rendah tersebut untuk memodulasi sebuah sinyal frekuensi-tinggi yang dinamakan gelombang pembawa (carrier wave), yang kemudian dipancarkan. Gelombang pembawa adalah selalu berbentuk sinusoida, dan perubahan tegangan-waktu dari gelombang dapat dinyatakan dengan persamaan

e = Ec maks sin (ωct + θ) (8.1)

Parameter-parameter dari gelombang ini yang dapat dimodulasi adalah (1) Ecmaks untuk modulasi amplituda; (2) fc (atau c = 2πfc) untuk modulasi frekuensi; (3) θ untuk modulasi fasa. Modulasi frekuensi dan fasa keduanya

2

masuk dalam kategori umum modulasi sudut, yang akan dibahas dalam Bab 10.

Modulasi juga membawa kita ke pengembangan suatu bentuk transmisi yang dikenal sebagai frequency-division multiplexing, yang akan dibicarakan dalam Bab 9.

Sebagian besar dari sifat-sifat penting modulasi amplitudo dapat dipelajari dengan menggunakan asumsi bahwa sinyal (frekuensi-rendah) yang memodulasi adalah sebuah gelombang sinus atau kosinus (setelah ditunjukkan dalam Bab 2 dan 3 bahwa sinyalsinyal dasar yang sesungguhnya terdiri dari rentetan gelombang-gelombang sinus (kosinus). Jika tidak dinyatakan yang lain, sinyal yang memodulasi akan direpresentasikan dengan

em = Em maks sin ωmt (8.2)

ωm = 2πf m

2. MODULASI AMPLITUDA

Bila suatu gelombang pembawa dimodulasi amplituda, maka amplituda bentukgelombang tegangan pembawa dibuat berubah sebanding engan tegangan yang memodulasi, sehingga

ec = (Ec maks + em)sin ωct (8.3)

di mana e adalah tegangan sesaat dari sinyal yang dimodulasi, Ecmaks

tegangan pembawa puncak tanpa modulasi, dan em tegangan modulasi sesaat (instantaneous).

Gambar 8.1 memperlihatkan perubahan-perubahan dengan waktu dari sinyal yang dimodulasi untuk satu siklus, dengan memisalkan bahwa baik pembawa maupun sinyal modulasi adalah berbentuk sinusoida. Puncak-puncak dari siklus pembawa dapat dihubungkan sehingga membentuk sebuah gelombang selubung (envelope wave), yang diberikan oleh

eenv = Ec maks + em (8.3)

di mana eenv adalah nilai sesaat dari bentuk gelombang selubung.

3

GAMBAR 8.1. Bentuk gelombang sebuah sinyal yang dimodulasi- amplituda.

Dengan menggantikan em dari Persamaan (8.2) ke dalam Persamaan (8.4) dan eenv dari Persamaan (8.4) ke dalam Persamaan (8.3), maka tegangan sinyal yang dimodulasi menjadi

e = eenv sin ωct

= (Ec maks + Em maks sin ωct ) sin ωct (8.5)

Suatu ukuran modulasi yang berguna ialah indeks modulasi m, yang didefinisikan sebagai

Em maks

m = (8.6) Ec maks

Sebagai fungsi m, Persamaan (8.5) dapat dituliskan sebagai

e = (Ec maks (1+ m sin ωmt ) sin ωct (8.7)

Tanpa kehilangan sifat umumnya, amplitudo pembawa dapat dimisalkan sama dengan 1 V, sehingga Persamaan (8.7) menjadi

e = (1+ m sin ωmt ) sin ωct (8.8)

4

eenv = Ec maks + em

Ec maks

0

Ec maks

Persamaan (8.8) diberikan sketsanya dalam Gambar 8.2 untuk tiga nilai m yang berbeda. Akan terlihat bahwa untuk m lebih besar daripada satu, puncak-puncak dalam (inward) dari selubung terpotong, ketika pembawa hilang sama sekali karena rangkaian modulator didorong ke cutoff. Keadaan ini.harus dicegah, karena akan menimbulkan cacat pada sinyal modulasi; cacat semacam ini jugs menghasilkan suatu. bentuk interferensi yang dikenal sebagai percikan jalur-sisi (sideband splatter), yang akan diuraikan dalam bagian yang berikut:

Nilai m yang terkecil jelas adalah nol (bersesuaian dengan Emmaks= 0), sehingga batas-batas praktis pada m dapat dinyatakan dengan mudah sebagai 0 ≤ m≤ 1.

2.1 Spektrum Frekuensi

Ide tentang sebuah spektrum telah diperkenalkan dalam Bab 2, di mana diperlihatkan bahwa spektrum menunjukkan amplitudo dan frekuensi dari gelombang-gelombang

5

GAMBAR 8.2. Bentuk-gelombang tegangan keluaran yang dimodulasi untuk berbagai-bagai nilai dari indeks modulasi m: (a) untuk m = 0.5 (dimodulasi kurang); (b) untuk m = 1,0 (dimodulasi penuh); (c) untuk m > 1.0 (dimodulasi lebih).

sinus dan kosinus komponen yang bersama-sama membentuk sebuah gelombang yang kompleks. Gelombang yang dimodulasi-amplitudo dari Persamaan (8.8) adalah kompleks, dan karena itu dapat juga diuraikan ke dalarn komponen-komponen sinus dan kosinus:

yang diperoleh dengan menggunakan identitas trigonimetris:

6

Persamaan (8.9) terdiri dari tiga komponen terpisah, yang dapat dipandang sebagai tiga buah generator sinusoida sendiri-sendiri yang dihubungkan seri, seperti terlihat dalam Gambar 8.3(a). Suku pertama di sisi sebelah kanan jelas adalah gelombang pembawa dengan amplitudo 1 V dan frekuensi fc karena wc = 2πfc. Suku kedua adalah gelombang kosinus dengan amplitudo ½m, dan frekuensi fc - fm, karena ωc – ωm = 2π ( fc - fm ). Komponen ini dikenal sebagai frekuensi sisi yang lebih rendah (lower side frequency). Suku ketiga adalah juga suatu gelombang kosinus dengan amplitudo Zm, dan frekuensi fc - fm. Ini dikenal sebagai komponen frekuensi sisi yang lebih tinggi (upper side frequency). Spektrum yang merepresentasikan gelombang yang dimodulasi amplitudo diperlihatkan dalam Gambar 8.3(b). Perlu diingat bahwa Ecmak~ telah ditetapkan sama dengan 1 V. Untuk nilai-nilai lain dari Ecmax, tinggi dari panah-panah spektrum harus diberi skala yang sesuai.

Analisis frekuensi yang dinyatakan oleh Persamaan (8.9) adalah lebih dari sekedar perhitungan matematik yang menarik, dan nyatanya, salah satu dari cara-cara praktis yang paling penting dari transmisi sinyal, yang dikenal sebagai transmisi jalur-sisi-tunggal (single sideband transmission), adalah didasarkan pada analisis ini (metoda-metoda jalur-sisi-tunggal dilukiskan dalam Bab 9).

Contoh 8.1 Sebuah gelombang pembawa dengan frekuensi 10 MHz dan nilai puncak 10 V dimodulasi amplitudo oleh sebuah gelombang sinus 5-kHz dengan amplitudo 6 V. Tentukanlah indeks modulasi, dan gambarkanlah spek tururnnya.

Penyelesaian Dari Persamaan (8,6)

Frekuensi-frekuensi sisi adalah 10 ± 0,005 = 10,005 dan 9,995 MHz. Ampktudo dari masing-masing frekuensi sisi, menurut Persamaan (8.9) adalah (m/2) Ecmaks (perhatikan bahwa ini adalah sama dengan (1/2) Emmaks

maks yang adalah 3V. Spektrumnya diperlihatkan dalam Gambar 8.3.(c).

7

GAMBAR 8.3. (a) Representasi generator dari suatu gelombang yang dimodulasi; (b) spektrum sebuah bentuk-gelombang yang dimodulasi 100%; (c) spektrum sebuah pembawa 10-MHz yang dimodulasi 50% dengan suatu sinyal 5-kHz.

2.2. Daya rata-rata

Persarnaan (8.9) dapat dinyatakan dengan sedildt berbeda sebagai

8

yang untuk singkatnya dapat ditulis sebagai

e = eC + eL = ev (8.11)

di manaeC = tegangan pembawa sesaateL = tegangan frekuensi sisi bawah sesaat ev = tegangan frekuensi sisi atas sesaat

Daya sesaat yang ditimbulkan oleh gelombang yang dimodulasi pada sebuah resistor R adalah

Suku-suku yang dikuadratkan merepresentasikan daya sesaat dari masing-masing gelombang komponen. Daya rata-rata dalam sebuah sebuah gelombang sinus atau kosinus adalah Pav = E2/R, di mana E adalah tegangan rms. Tegangan pembawa rms adalah Ec = 0,707 Ecmaks dan daya rata-rata yang berkaitan dengan suku kuadrat pertama (pembawa) pada sisi sebelah kanan dari Persamaan (8.12) dapat ditulis sebagai

Tegangan frekuensi sisi rms adalah E, = 0,707 (1/2m) Ecmaks = 1/2mEc, dan karena itu daya rata-rata pada masing-masing komponen frekuensi sisi (berkaitan dengan sukusuku daya sesaat, yang kedua dan ketiga sisi sebelah kanan dari Persamaan (8.12) adalah

Sekarang dengan meninjau suku-suku perkalian-silang dari Persamaan (8.12) (yang terletak di antara tanda kurung), dengan cara yang sama seperti pads Persamaan (8.9) dapat diperlihatkan dengan mudah bahwa

9

suku-suku perkalian-silang ini dapat dinyatakan sebagai jumlah dan selisih dari gelombang-gelombang sinus dan kosinus. Ini berarti bahwa daya sesaat yang direpresentasikan oleh masing-masing suku perkalian-silang adalah juga berbentuk sinusoida (atau kosinusoida), dan karena itu, nilai rata-ratanya adalah nol. Daya rata-rata total PT dalam gelombang yang dimodulasi karena itu terdiri dari jumlah rata-rata komponen masing-masing:

Karena itu,

Untuk modulasi 100%, m, = 1, daya rata-rata pada salah satu dari frekuensi sisi, dari Persamaan (8.14), adalah

Dan juga dari Persamaan (8.16), daya rata-rata total adalah

Karena itu, perbandingan dari daya frekuensi sisi tunggal terhadap daya total adalah 1/6. Karena frekuensi sisi mengandung semua informasi tentang sinyal modulasi (amplitudo dan frekuensi), maka sebenarnya hanya satu frekuensi sisi saja yang perlu dipancarkan, yang akan mengakibatkan penggunaan yang jauh lebih efisien dari daya yang dipancarkan. Sudah tentu, dalam praktek sinyal modulasi akan sangat kompleks, sehingga perbandingan daya 1/6 tidak akan selalu benar; dan jugs, yang harus dipancarkan adalah sebuah jalur-sisi (sideband) seperti yang telah dibicarakan dalam Bagian 2.4, dan bukannya hanya satu frekuensi saja. Tetapi secara umum masih tetap benar bahwa dengan transmisi jalur-sisi-tunggal, diperoleh penggunaan yang lebih efisien dari daya yang dipancarkan.

2.3 Tegangan dan Arus Efektif

Misalkan bahwa E adalah tegangan efektif, atau rms, dari gelombang yang dimodulasi; maka daya rata-rata-total PT dapat-dinyatakan sebagai

10

Dengan membandingkan ini dengan Persamaan (8.16), diperoleh

Dimana Ec adalah tegangan rms dari pembawa tanpa modulasi. Karena itu dari Persamaan (*.20) didapatkan

Penalaran yang serupa dapat diterapkan untuk arus, sehingga dihasilkan

di mana I adalah arus rms dari pembawa yang dimodulasi, sedangkan I, adalah arus rms dari pembawa tanpa modulasi. Persamaan (8.20) digunakan sebagai dasar untuk salah satu metoda pengukuran indeks modulasi, yaitu dengan mengukur arus antena; tetapi metoda ini agak kurang peka. Misalkan bahwa perbandingan dari arus-arus rms dengan dan tanpa modulasi adalah

Maka dengan suku-suku I, Persamaan (8.20) dapat disusun kembali sebagai

Dengan memonitor arus antena, dan menetapkan pembacaan yang berhubungan dengan I, sama dengan satu, maka ammeter dapat langsung dikalibrasi sebagai fungsi dari m. Adalah suatu keharusan

11

(8.23)

(8.22)

bahwa digunakan sebuah ammeter yang benar-benar membaca nilai rms.

Contoh 2 : Bila tanpa modulasi arus rms antena dari sebuah pemancar radio adalah 10, A, dan arus itu naik menjadi 12 A bila pembawa dimodulasi dengan gelornbang sinusoida. Hitunglah indeks modulasi.

Penyelesaian Dari Persamaan (8.23),

Dari Persamaan (8.24)

2.4. Modulasi Sinyal dengan Gelombang Kompleks

Seperti ditunjukkan dalam Bab 2, misalkan bahwa sinyal modulasi adalah dalam bentuk

Gelombang pembawa yang dimodulasi akan diberikan oleh Persamaan (8.3):

Dari sini dapat diterapkan uraian (ekspansi) yang serupa dengan yang digunakan untuk mendapatkan Persamaan (8.9), dan akan dihasilkan sepasang frekuensi sisi untuk setiap komponen harmonisa dari gelombang modulasi. Indeks modulasi untuk setiap komponen harmonisa dapat didefinisikan:

12

(8.25)

Spektrumnya ditunjukkan dalam Gambar 8.4(a). Dapat dilihat dari sini bahwa timbul jalur-sisi jalur-sisi, yang terdiri dari bermacam-macam frekuensi sisi atas dan bawah.

Cara yang sama dapat pula diterapkan bila sinyal modulasi terdiri dari gelombanggelombang sinus yang tidak perlu ada hubungan harmonisa antara satu dengan yang lain, seperti misalnya:

maka spektrumnya adalah seperti diberikan dalam Gambar 8.4(b).Bila sinyal modulasi terdiri dari suatu jalur frekuensi-frekuensi seperti

pada pembicaraan atau musik, pada umumnya spektrum dari gelombang yang dimodulasi adalah seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8.4(c). Frekuensi-frekuensi sinyal modulasi untuk sinyal-sinyal siaran AM dalam jalur MF (550 sampai 1600 kHz) dibatasi sampai maksimum 5 kHz, dan penentuan frekuensi pemancar-pemancar (station allocation) ditetapkan dengan jarak 10 kHz antar-stasiun, sehingga diperlukan lebar jalur transmisi sebesar 10 kHz.

Rumus untuk daya rata-rata dalam gelombang dengan modulasi-kompleks dapat diturunkan dengan cara yang sama seperti Persamaan (8.16), sehingga memberikan

Karena itu nilai-nilai rms untuk modulasi gelombang kompleks diberikan oleh

Pengukuran tegangan dan arus untuk menentukan indeks modulasi akan menghasilkan suatu nilai efektif meff, dimana

13

GAMBAR 8.4. Spektrum frekuensi dari suatu sinyal pembawa AM yang dimodulasi dengan sinyal yang mengandung beberapa frekuensi: (a) spektrum yang mengandung frekuensi-frekuensi modulasi dengan hubungan harmonisa; (b) spektrum yang mengandung frekuensi-frekuensi modulasi tanpa hubungan apapun; (c) representasi jalur modulasi untuk suatu sinyal modulasi kompleks seperti pada musik atau pembicaraan.

Dengan membandingkan Persamaan (8.26) dan (8.29) diperoleh

(8.30)

14

Perlu diperhatikan bahwa untuk mencegah modulasi-lebih (overmodulation), kedalaman modulasi (modulation depth) tidak boleh melebihi 10%, dan ini pads umumnya adalah lebih membatasi daripada ketentuan meff ≤ 1. Kedalaman modulasi didefinisikan sebagai perbandingan dari perubahan ke bawah maksimum dalam amplitudo

Modulasi Jalur Sisi Tunggal

(Single Side Band = SSB)

1. PENGANTAR

Dalam tahun-tahun terakhir ini komunikasi pada jalur HF sudah menjadi semakin ramai, sehingga diperlukan-jarak antar sinyal yang lebih dekat dalam spektrum. Sistem jalur sisi-tunggal (single sideband system), yang hanya memerlukan setengah dari lebarjalur sebuah sinyal AM biasa dan dengan demikian juga daya yang jauh lebih kecil, karena itu digunakan secara luas dalam bagian spektrum ini.

Telah ditunjukkan dalam Bagian 8.2.2 bahwa semua informasi modulasi yang perlu untuk transmisi sinyal dan diperolehnya kembali sinyal tersebut terdapat pada masingmasing jalursisi dari suatu sinyal yang dimodulasi-amplitudo. Ditunjukkan juga bahwa pads modulasi sinusoida 100%, hanya 1/6 dari daya total terdapat pada masing-masing jalursisi, sementara yang 2/3 lagi ada pada sinyal pembawa, yang tidak mengandung informasi. Jadi, jika pembawa dan ralah satu jalursisi dapat dihapuskan dari sinyal sebelum transmisi, hanya setengah dari lebar jalur diperlukan untuk transmisi (yang sesuai dengan frekuensi modulasi maksimum yang akaii dipancarkan), dan hanya 1/6 dari daya total yang perlu dipancarkan untuk tingkat sinyal yang sama. Suatu perbandingan dari spektra sinyal dari sinyal-sinyal AM lengkap (DSBFC = double-sideband full carrier) dengan jalursisi-ganda pembawa ditekan (DSBSC = double-sideband suppressed carrier) dan dengan sinyal-sinyal jalursisi-tunggal pembawa ditekan (SSBSC = single-sideband

15

GAMBAR 9.1. Spektra sinyal yang dimodulasi-amplitudo: (a) Jalursisi-ganda pembawa lengkap (DSBFC); (b) Jalursisi-ganoa pembawa ditekan (DSBSC); (c) Jalursisi-tunggal mbawa ditekan (SSBSC), yang menggunakan jalursisi atas (USB = upper sideband); (d) SSBSC wang menggunakan jalursisi bawah (LSB = lower sideband) I.

suppressed carrier) yang menggunakan salah satu jalursisi ditunjukkan dalam Gambar 9.1. Perhatikan bahwa dalam (c) dan (d) hanya terdapat satu jalursisi, dan bahwa itu hanya memerlukan setengah lebar jalur dari (a) atau (b).

2. PRINSIP-PRINSIP JALURSISI-TUNGGAL

Persamaan (8.9) menunjukkan bahwa suatu sinyal yang dimodulasi sinusoida biasa mengandung tiga komponen, pada suatu frekuensi sisi atas, pada frekuensi sisi bawah, dan pada frekuensi pembawa. Lebih lanjut, sinyal ini adalah ekivalen dari sinusoida pembawa yang dikalikan dengan sinyal modulasi dan ditambah dengan suatu komponen dc.

Kedua frekuensi sisi sepenuhnya disebabkan oleh perkalian dari pembawa dan sinyal modulasi, sedangkan suku pembawa hanya disebabkan oleh adanya ketidak-seimbangan dc dalam sinyal modulasi. Karena itu, jika

16

rangkaian modulasi dapat dibalans sehingga suku dc ditiadakan, tetapi suku perkalian tetap ada keluaran akan

mengandung hanya dua suku jalursisi, seperti ditunjukkan dalam Persamaan (9.1).

Rangkaian semacam ini dinamakan suatu "modulator balans" (balanced modulator), dan beberapa rangkaian modulator balans akan dibicarakan dalam bagian-bagian yang berikut.

Metoda pertama untuk membangkitkan suatu sinyal SSB diturunkan langsung dari prinsip yang disebutkan di atas. Rangkaian terdiri dari sebuah modulator balans yang menghilangkan pembawa, dan diikuti oleh sebuah filter bandpass yang menghapuskan jalursisi yang tidak dikehendaki. Baik jalursisi atas maupun jalursisi bawah dapat digunakan, asal saja penerima dapat diatur untuk mendemodulasi salah satu dengan semestinya.

Metoda "Pergese Fasa" ("Phasing") dan yang dinamakan "Metoda Ketiga" keduanya tergantung pada pergeseran fasa majemuk (multiple phase shifting) dan penghapusan diferensial untuk menghilangkan pembawa din jalursisi yang tidak dikehendaki. Ketiga metoda ini akan dibicarakan dengan terperinci dalam Bagian 9.4.

Demodulasi suatu sinyal SSB dapat dilaukan dengan mengalikannya dengan suatu tegangan pembawa yang dibangkitkan secara'lokal pada penerima. Detektor-detektor yang menggunakan prinsip ini dikenal sebagai "detektor-detektor hasilkali" (product detector), an kebanyakan rangkaian modulator balans dapat juga igun an untuk maksud ini, karena mereka juga bergantung pada proses perkalian dalam operasinya. Adalah penting bahwa dibuat sedekat mungkin serempak dalam frekuensi dan fasa dengan pembawa aslinya, seperti yang akan dibicarakan lebih lanjut dalam Bagian 9.5. Untuk memperagakan bahwa proses perkalian mendemodulasi jalursisi tunggal yang masuk, tinjaulah suatu frekuensi sisi bawah AL cos (ωc - ωm)t, di mana amplitudo AL adalah sebanding dengan amplitudo dari sinyal modulasi Emmaks. Dengan memperkalikannya dengan suatu gelombang pembawa sin ct dihasilkan lah

17

bahwa amplitudo dari sinyal informasi yang didemodulasi adalah sebanding dengan amplitudo dari frekuensi sisi yang diterima. Komponen-komponen di sekitar harmonisa pembawa dapat dihilangkan dengan mudah dengan filter low pass.

3. MODULATOR BALANS

Modulator balans adalah jantung dari semua metoda-metoda modulasi dan demodulasi SSB. Setiap rangkaian yang pada keluarannya dapat menghasilkan hasilkali (product) dari dua sinyal masukan yang terpisah sebagai salah satu dari suku-sukunya, dapat digunakan sebagai suatu modulator balans. Tiga buah rangkaian semacam ini akan dibicarakan di sini.

3.1 Rangkaian Modulator Balans FET

Rangkaian ini adalah satu dari sekelompok rangkaian-rangkaian yang menggunakan karakteristik tidak-linear dari sebuah alat semikonduktor untuk membangkitkan hasilkali dari dua masukan. Ini adalah suatu bentuk rangkaian jembatan di mana bagian pembawa dari sinyal dihapuskan dalam rangkaian keluaran push-pull yang diperlihatkan dalam Gambar 9.2. FET digunakan karena transistor ini mempunyai karakteristik transfer yang tidak-linear, sehingga keluaran mengandung suatu suku yang merupakan hasilkali dari tegangan-tegangan masukan. Lengkung transfer (Id versus Vg,) dari sebuah FET hampir berbentuk parabola, dan dapat didekati dengan

di mana I, adalah arus untuk tegangan sumber-gerbang (gate-source) nol, sedangkan a, b, ... adalah konstanta-konstanta. Karena anus pengosongan (drain current) id1 dan id2 mengalir dengan arah-arah yang berlawanan pada

18

gulungan primer dari transformator keluaran, arus primer efektif ip adalah

(9.4)

Dengan menerapkan hukum tegangan Kirchhoff ke rantai-rantai masukan dari Gambar 9.2 diperoleh

GAMBAR 9.2. Suatu rangkaian modulator balans.

Dengan memasukkannya ke dalam Persamaan (9.4) didapatkan

ip = a(em) + b(2ec)(em) (9.5)

Transformator keluaran RF akan menolak suku frekuensi rendah (em), dan hanya meneruskan suku hasilkali 2bece,,,. Suku ini hanya mengandung jalursisi Jalursisi atas dan bawah; tidak ada suku pembawa seperti dalam Persamaan (8.9). Sebagai contoh, untuk modulasi sinusoida suku hasilkali mengandung (sin w,.t)(sin wn,t ), yang dapat diuraikan sebagai

sin ωct sin ωmt = ½[cos(ωct - ωct) - cos(ωct - ωct) (9.6)

19

Dari sini dapat dipilih frekuensi sisi yang sesuai dengan bantlian sebuah filter. Rangkaian ini memerlukan transistor-transistor yang bersesuaian (matched); yaitu, Io, a, dan b untuk masing-masing transistor harus sama.

3.2. IC Modulator Balans

Modulator-modulator balans juga tersedia dalam bentuk IC; Gambar 9.3 adalah rangkaian untuk suatu unit yang tersedia di pasaran. Ini adalah suatu unit dengan kemampuan yang beraneka ragam dan dapat dipakai untuk banyak hal (lihatlah Motorola Application Note AN 531). Rangkaian ini adalah satu dari sekelompok rangkaianrangkaian yang menggunakan switching untuk memperoleh pembalikan polaritas sinyal secara periodik, sehingga memberikan efek perkalian sinyal dengan suatu gelombang persegi. Berikut ini adalah analisis sederhana dari rangkaian bila digunakan sebagai sebuah modulator balans dengan pembawa yang besar. Pembawa dapat dipandang sebagai suatu tegangan switching yang secara bergantian menswitch transistor-transistor Q1, Q4 , dan Q2, Q3 hidup dan mati (ON dan OFF), di mana setiap pasangan diswitch bersama-sama. Gambar 9.3(b) menunjukkan keadaan rangkaian ketika pembawa telah menswitch Q2, Q3

hingga hidup (dan Q1, Q4 mati). Dengan memisalkan arus-arus basis dapat diabaikan untuk semua keadaan, dan menjumlahkan arus-arus pada persimpangan A dan B diperoleh

Pada persimpangan A: I2 = I + ie

Pada persimpangan B: I1 = I - Ie

Tegangan keluaran vo adalah

vo= V2V1

= R( I2-I1 ) = R( 2ie ) (9.7)

Dengan menerapkan hukum tegangan Kirchhoff pada rantai yang mengandung e„1 dan RQ didapatkan

em = Vbe5 + ve – Vbe6

Rangkaian bekerja dengan I » ie, sehingga Vbe55 = Vbe6. Jadi,

20

Em ve

Karena itu,

di mana em adalah tegangan modulasi. Dengan memasukkan Persamaan (9.8) ke dalam Persamaan (9.7),

Bila masukan pembawa berubah polaritasnya, transistor-transistor Q1, Q4 diswitch hidup dan Q2, Q3 mati. Maka rangkaian menjadi seperti terlihat dalam Gambar 9.3(c). Tegangan keluaran sekarang adalah

Jadi kerja dari pembawa adalah menswitch vo di antara ± em2R/Re, pada frekuensi pembawa, seperti ditunjukkan oleh Persamaan (9.9) dan (9.10). Dengan merepresentasikan kerja switching dengan suatu fungsi gelombang-persegi p(t), pada frekuensi

21

GAMBAR 9.3. Sebuah modulator belans IC: (a) Rangkaian dasi modulator balans Motorola MC 1596; (b) Rangkaian ekivalen untuk keadaan ketika tegangan pembawa negatif telah menswitch hidup transistor-transistor 02, 03; (c) Rangkaian ekivalen untuk keadaan ketika tegangan pembawa positif telah menswitch hidup transistor-transistor Qt, 04. Diambil dari Motorola Application Note AN 531. (Seizin Motorola, Inc.)

22

pembawa, Persamaan (9.9) dan (9.10) dapat dikombinasikan untuk memberikan

Seperti ditunjukkan dalam Persamaan (2.4), suatu gelombang persegi dapat diuraikan menjadi suatu deret sinusoida; dan karena itu dengan memisalkan amplitudo satu, p(t) dapat dinyatakan sebagai

Karena itu, dari Persamaan (9.11), setelah memasukkan Persamaan (9.12), tegangan keluaran terlihat mengandung sebuah suku hasilkali em sin wqt. Untuk modulasi sinusoids, ini dapat diuraikan seperti diperlihatkan oleh Persamaan (9.6), yang menunjukkan bahwa keluaran mengandung frekuensi-frekuensi sisi atas dan bawah. Komponenkomponen lain, yang adalah frekuensi-frekunsi sisi di sekitar harmonisa-harmonisa yang lain dari frekuensi pembawa (lihat Perasmaan (9.12)), dapat difilter dengan mudah. Pembawa itu sendiri serta harmonisanya tidak timbul pada keluaran.

Transistor-transistor Ql, Q2, Q3, dan Q4 dapat diswitch oleh pembawa sinusoida tingkat-rendah sehingga jalursisi jalursisi di sekitar harmonisa pembawa juga tidak timbul pada keluaran. Ragam kerja ini mempunyai kelebihan dalarn hal diperlukannya penyaringan yang lebih sedikit pada keluaran, tetapi kekurangannya ialah bahwa tingkat keluaran tergantung pada amplitudo pembawa.

Keuntungan-keuntungan modulator balans jenis IC adalah bahwa bagian-bagiannya dapat dibuat lebih mendekati identik (misalnya, disesuaikan atau matched untuk karakteristik-karakteristik) daripada seperti dalam rangkaian dengan komponen-komponen farik; lagi pula, rangkaiannya tidak memerlukan penggunaan transformator.

3.3 Modulator Gelang Balans-Ganda

Gambar 9.4(a) menunjukkan sebuah rangkaian yang dikenal sebagai modulator ge-lang balans-ganda (double-balanced ring modulator), yang digupakan dengan luas sekali pada telefoni pembawa. Nama ini timbul dari kenyataan bahwa rangkaian adalah balans baik untuk frekuensi pembawa maupun untuk frekuensi-frekuensi modulasi, dan tidak satupun dari keduanya timbul dengan sendirinya pada keluaran; dan juga, dioda-dioda membentuk suatu rangkaian gelang ABCD. Kerjanya adalah serupa dengan modulator balans IC yang telah diuraikan dalam bagian terdahulu. Pembawa adalah besar dan be-kerja sebagai suatu sinyal switching, yang dengan berganti-ganti memberikan jaiur

23

konduksi seperti ditunjukkan dalam Gambar 9.4(b) dan (c), bagi sinyal modulasi. Terlihat bahwa ini adalah serupa dengan jalur jalur switching yang diperlihatkan dalam Gambar 9.3(b) dan (c). Analisis dari rangkaian adalah juga sama, dan menghasilkan suatu sinyal keluaran yang sebanding dengan p(t) . e,,,, di mana p(t) adalah fungsi switching gelombang-persegi pada frekuensi pembawa dan em adalah sinyal modulasi.

GAMBAR 9.4. (a) Modulator gelang balans-ganda; (b) Jalur-jalur konduksi bila dioda-dioda AB dan CD mendapat bias-maju; (c) Jalur-jalur konduksi bila dioda-dioda BC dan DA mendapat bias-maju.

4. PEMBANGKITAN SSB

4.1 Metoda Modulator-Filter Balans

Bentuk yang paling tua dari pemancar SSB menggunakan sebuah rangkaian modulator balans untuk membangkitkan sinyal DSBSC yang kemudian diikuti oleh "filter-filter jalursisi", yaitu filter-filter bandpass sempit yang hanya meneruskan jalursisi frekuensifrekuensi yang dikehendaki. Sistem dalam Gambar 9.5(a) menunjukkan pemancar semacam itu yang menggunakan filter-filter bandpass untuk menghapuskan jalursisi yang tidak dikehendaki. Modulasi awal terjadi pada suatu frekuensi rendah seperti misalnya 100 kHz karena kesukaran dalam mendapatkan filter~filter

24

bandpass dengan karakteristik tajam yang diperlukan pada frekuensi pemancar. Sebuah rangkaian modulator balans melaksanakan modulasi pertama ini, dan menghasilkan suatu sinyal yang mengandung kedua jalursisi tetapi tanpa pembawa. Biasanya disediakan sebuah filter bandpass SSB, dan operator dapat memilih jalursisi yang memberikan hasil terbaik dengan menswitch masuk suatu kristal pembawa yang lain untuk memindahkan frekuensi pembawa ke ujung yang lain dari passband. Sebuah penyampur balans dan osilator kristal memberikan konversi-ke atas ke frekuensi akhir pemancar, dan sebuah penguat RF linear menyediakan penguatan daya keluaran. Harus digunakan penguat-penguat linear untuk mencegah timbulnya cacat jalursisi dan kemungkinan dibangkitkannya kembali jalursisi kedua.

GAMBAR 9.5. Pemancar SSBSC yang menggunakan filter-filter bandpass untuk menghapuskan jalursisi yang tidak dikehendaki.

9.4.2 Metoda Pergeseran Fasa

Gambar 9.6 menunjukkan suatu cara lain untuk mendapatkan sinyal SSBSC. Rangkaian ini tidak mempunyai filter apapun dan modulasi primer dapat dilakukan pada frekuensi transmisi akhir. Cara ini tergantung pada pergeseran fasa dan penghapusan untuk menghilangkan pembawa dan jalursisi yang tidak dikehendaki. Dengan menggunakan identitas trigonometri standar, rumus untuk frekuensi sisi bawah tunggal dapat diurai-kan menjadi

Cos( ct - mf ) = ( ½ ) (Cos ct Cos mt + sin ct sin mt) (9.13)

Suku pertama pada sisi sebelah kanan adalah hasilkali dari pembawa dan sinyal modulasi yang keduanya digeser fasanya sebesar 900, sedangkan suku kedua adalah hasilkali dari pembawa dan sinyal modulasi. Rangkaian-rangkaian yang diperlukan untuk menghasilkan pergeseran-pergeseran fasa,

25

perkalian-perkalian, dan penjumlahan adalah relatif sederhana dan ditunjukkan dalam bentuk diagram-blok dalam Gambar 9.6. (Pembaca se-harusnya dapat menunjukkan bahwa dengan susunan seperti dalam Gambar 9.6, dibangkitkan suatu komponen frekuensisisi atas sin(c + m)t.)

Sumber sinyal primer adalah sebuah osilator kristal. Sinyalnya mendorong sebuah modulator balans secara langsung, dan sebuah modulator balans yang lain lewat suatu rangkaian yang menggeserkan fasanya sehingga berselisih fasa 90° dengan yang langsung. Kedua modulator balans tersebut menghapuskan pembawa itu sendiri dari sinyalsinyal keluaran. Sinyal audio langsung dimasukkan ke modulator dengan pembawa yang digeser, sedangkan ke modulator yang tidak digeser pembawanya dimasukkan sinyal audio yang sebelumnya sudah digeser fasanya dengan 90°. Modulator pertama menghasilkan dua jalursisi, yaitu jalursisi atas dan bawah, tetapi masing-masing digeser fasanya dengan + 90°. Modulator kedua juga menghasilkan jalursisi jalursisi atas dan bawah, tetapi dalam hal ini, jalursisi atas digeser dengan + 90°, sedangkan jalursisi bawah digeser dengan - 90°. Hasilnya ialah bahwa jalursisi jalursisi atas dari kedua modulator adalah sefasa satu dengan yang lain dan langsung dijumlahkan dalam penguat penjumlahan untuk menghasilkan sinyal jalursisi keluaran yang dikehendaki. Jalursisi jalursisi bawah digeser sedemikian sehingga keduanya berselisih fasa 180° satu terhadap yang lain, sehingga akan saling menghapuskan bila dijumlahkan. Jalursisi yang tertinggal diperkuat

GAMBAR 9.6. Sebuah pemancar SSB. yang menggunakan pergeseran fasa untuk memperoleh penghepi;san dari jalursisi.

26

oleh penguat-penguat daya RF linear pada tingkat-tingkat terakhir sebelum dipancarkan. Pemindahan ke jalursisi bawah dapat dilakukan dengan menggantikan jaringan penggeser-fasa pembawa dengan yang memberikan pergeseran fasa sebesar - 90°.

Meskipun sistem ini lebih rumit daripada yang menggunakan filter-filter, masing masing rangkaiannya adalah sederhana saja, dan dengan pengaturan yang berhati-hati pada modulator, dapat diperoleh penolakan yang lebih baik dari jalursisi yang tidak dikehendaki, dibandingkan dengan yang dapat diperoleh dari filter-filter. Dihilangkannya tingkat konverter-ke atas juga mengurangi kemungkinan timbulnya cacat sinyal setelah modulasi. Perlu dicatat bahwa jaringan penggeser-fasa pada masukan modulasi harus memberikan pergeseran yang sama besarnya pada semua frekuensi-frekuensi dalam jalursisi modulasi. Rangkaian-rangkaian semacam ini memang mungkin dibuat, tetapi akan menjadi rumit dan mahal. Cara yang menggunakan "Metoda Ketiga" menghilangkan keperluan akan jaringan penggeser-fasa berjalur-lebar ini.

4.3 Metoda Ketiga

Cara ketiga untuk memperoleh modulasi SSBSC dengan sederhana dinamakan juga rnetoda ketiga Metoda ini dirintis oleh D.K. Weaver, dan dikembangkan pada tahuntahun 1950-an. Cara ini mirip dengan metoda pergeseran-fasa seperti yang telah disajikan, dalarn hal digunakannya penggeseran dan penghapusan dalam operasinya, tetapi berbeda dalam kenyataan bahwa sinyal audio dimodulasikan dulu pada suatu subpembawa (subcarrier) audio. Sistem ini diperlihatkan dalam Gambar 9.7. Modulatormodulator 1 dan 2 bekerja untuk mengkombinasikan sinyal audio dengan sub pembawa audio, sehingga keluaran modulator 1 mengandung jalursisi atas dan bawah, yang kedua nya tergeser fasanya sebesar 900, sedangkan keluaran modulator 2 mengandung jalursisi atas dan bawah yang tidak digeser. Jalursisi jalursisi atas dari keduanya dihilangkan oleh filter-filter low-pass yang memotong pada frekuensi subpembawa fo. Sinyal-sinyal ini kemudian dimasukkan ke modulator 3 dan 4, yang didorong berturut-turut oleh fre-kuensi pembawa RF langsung, dan frekuensi pembawa RF yang digeser fasanya 90°. Keluaran dari modulator 3 mengandung suatu kelompok jalursisi (fc + fo- fm) yang digeser dengan + 90° dan suatu kelompok jalursisi kedua (fc - f° + fm) yang digeser dengan - 90°. Modulator 4 menghasilkan (fc

+ fo - fm) yang digeser dengan + 90°, yang adalah sefasa dengan komponen pertama dari modulator 3 dan dapat dijumlahkan langsung dengannya;

27

modulator yang sama juga menghasilkan (fc – fo + fm) yang digeser dengan + 90°, yang adalah berselisih fasa 180° dengan komponen yang sesuai dan modulator 3, sehingga akan saling menghapus. Keluaran yang diperoleh dari rangkaian penjumlahan adalah komponen (fc + fo - fm)(di mana pergeseran fasa 90° dapat diabaikan), yang sesuai dengan jalursisi bawah dari fm pada frekuensi pembawa (fc + fo). Jalursisi yang lain dan pembawa sudah dihapuskan.

Jika masukan-masukan pembawa ke modulator 3 dan 4 saling ditukarkan, keluarannya adalah jalursisi atas pada frekuensi pembawa (fc - fo). Perlu dicatat bahwa subpembawa audio dapat ditempatkan ditengah-tengah daerah frekuensi modulasi. Jika ini dilakukan, frekuensi modulasi dapat lebih besar daripada f° dan setengah dari jalursisi bawah dari modulator-modulator (1 dan 2) akan terlipat di dalam daerah dari 0 sampai fo dan dicampur dengan setengah yang lain dari jalursisi. Ini tidak akan berakibat apaapa, karena modulator-modulator akhir (3 dan 4) bekerja dengan cara sedemikian sehingga frekuensi-frekuensi jalursisi yang ditimbulkan olehnya adalah seluruhnya pada satu sisi saja dari pembawa (fc + fo).

GAMBAR 9.7. “Metode Ketiga” pembangkitan sinyal SSBSC

5. PENERIMAAN SSB28

Dari Bagian 2 telah dicatat bahwa bila suatu sinyal SSB dikaiixan dengan suatu sinyal pembawa serempak, hasilnya akan mengandung sinyal modulasi yang ash. Dalam praktek, demodulasi diperoleh dengan menggunakan salah satu dari detektor hasilkali atau rangkaian-rangkaian modulator balans yang ditambah dengan filter-filter jalursisi IF dengan cutoff tajam untuk memilih jalursisi yang dikehendaki dari sinyal-sinyal yang diterima.

Karena sinyal yang masuk dan sinyal pembawa lokal harus tetap sedekat mungkin serempak dalam frekuensi untuk menghindari cacat yang berat, perlu disediakan kestabilan yang baik pada osilator demodulasi akhir; untuk osilator pertama harus disediakan kestabilan yang baik sekali atau pengatur frekuensi otomatis (AFC). Untuk mendapatkan kestabilan ini digunakan osilator-osilator kristal atau penyusun-penyususn frekuensi (frequency synthesizers).

Karena sinyal-sinyal SSB biasanya diatur dekat sekali satu dengan yang lain di dalam spektrum frekuensi, diperlukan selektivitas saluran berbatasan yang sangat baik. Konversi ganda hampir selalu digunakan dalam penerima-penerima SSB. Osilator penyampur kedua biasanya adalah sebuah osilator kristal yang juga menyediakan sumber frekuensi primer untuk demodulator akhir (melalui pengali-pengali atau pembagi-pembagi).

Di dalam komunikasi digunakan beberapa variasi dari SSB. Pertama-tama, salah satu dari jalursisi atas atau bawah dapat digunakan untuk saluran informasi, atau dalam hal jalursisi yang berdiri sendiri (independent), kedua jalursisi dapat digunakan, yaitu satu untuk masing-masing saluran. Berikutnya, suatu pembawa lengkap atau pembawa yang ditekan sebagian dapat dipancarkan, bahkan pembawa mungkin seluruhnya ditekan.

Gambar 9.8 menunjukkan diagram blok dari sebuah penerima komunikasi yang khas yang dirancang untuk digunakan dalam penerimaan SSB dalam cakupan HF dari 3 hingga 30 MHz. Kecuali osilator-osilator lokalnya, rangkaian adalah sesuai dengan standar untuk penerima konversi-ganda sampai ke keluaran dari penguat IF kedua. IF pertama adalah pada 2,2 MHz, dengan lebar jalur 10 kHz, sedangkan IF kedua adalah 200 kHz, juga dengan lebar jalur 10 kHz. Osilator lokal pertama dan penguat RF ditala secara manual, dalam dua jalur yang dapat dipindahkan (diswitch). Osilator lokal kedua adalah sebuah osilator kristal pada 2,0-MHz. Keluarannya dibagi dengan sepuluh dalam sebuah rangkaian counter digital untuk memberikan sinyal pedoman 200-kHz untuk dimodulator.

Penguat IF kedua diikuti oleh dua buah filter, satu untuk masing-29

masing jalursisi dengan bandpass selebar 4 kHz. Jalursisi yang cocok dipilih dengan sebuah sakelar, dan ini merupakan masukan yang lain ke detektor, yang adalah sebuah detektor (demodulator) hasilkali. Keluaran detektor diteruskan lewat sebuah penguat audio yang diberi gerbang (gated), yang akan mematikan sinyal keluaran untuk menekan kebisingan bila tingkat sinyal jatuh di bawah suatu nilai minimum (squelch). Sinyal IF yang diperkuat disearahkan untuk menyediakan tegangan AGC untuk rangkaian squelch dan penguatpenguat RF dan IF.

Penerima-penerima variabel manual seperti ini kadang-kadang sukar digunakannya. Osilator demodulator adalah cukup stabil, tetapi osilator lokal pertama juga harus stabil dan variabel. Setiap perubahan pada osilator pertama ini akan menyebabkan sinyal

30

31

SSB bergerak relatif terhadap pembawa demodulasi dan menimbulkan efek distorsi yang sukar untuk dikendalikan. Tersedianya penyintesis frekuensi digital dalam bentuk IC dengan harga yang pantas, yang dapat dikontrol dengan kristal untuk kestabilan yang baik, telah memungkinkan dibuatnya penerima-penerima SSB yang sangat baik dengan harga yang pantas pula. Salah satu penerapan yang terbesar dari teknik ini ialah dalam transceiver-transceiver Jalur Antar - Penduduk bersaluran-majemuk (multichannel Citizens Band transceivers).

6. SISTEM-SISTEM SSB YANG DIRUBAH

1. SSB Pembawa Pemandu

Sistem SSB pembawa pemandu (pilot carrier SSB system) diatur sedemikian sehingga suatu sinyal pembawa dengan tingkat rendah ikut dipancarkan bersama jalursisi tunggal, pads tempat yang semestinya dalam spektrum, tetapi pada tingkat yang jauh lebih rendah daripada yang seharusnya untuk hal transmisi DSBFC. Pembawa pemandu ini digunakan pada penerima untuk membuat osilator lokal demodulator serempak dengan pembawa aslinya, sehingga dengan demikian banyak sekali memperbaiki kerja demodulator.

Gambar 9.9(a) dan (b) menunjukkan sebuah pemancar radio dan penerima pembawa pemandu SSB, sedangkan Gambar 9.9(c) memperlihatkan spektra frekuensi dari sinyal-sinyal pada berbagai titik di dalam sistem. Sinyal audio, yang mungkin adalah suatu saluran telepon dalam daerah 0 - 4 kHz (A), dimasukkan ke modulator balans untuk menghasilkan jalursisi Jalursisi atas dan bawah di sekitar kedudukan pembawa pada 100 kHz (B). Sebuah filter jalursisi atas melewatkan jalursisi atas di antara 100 - 104 kHz, yang kemudian ditambah dengan sebagian dari pembawa setelah melalui sebuah atenuator, untuk menghasilkan sinyal (C). Tingkat pembawa yang disisipkan kembali diatur melalui atenuator tersebut. Sinyal ini kemudian dimodulasikan pada suatu pembawa 2900 kHz oleh sebuah modulator balans kedua yang bekerja sebagai penyampur untuk menghasilkan suatu jalursisi atas dengan sinyal-sinyal antara 3000 dan 3004 kHz serta sebuah jalursisi bawah antara 2800 - 2796 kHz (D). Sebuah filter bandpass melewatkan jalursisi atas dan menolak jalursisi bawah sehingga didapatkan sinyal (E), yang kemudian diperkuat dan dipancarkan.

32

Pada penerima, sinyal 3 MHz ditangkap, diperkuat dan dikonversi-ke bawah menjadi IF pada 100 ± 5 kHz, yang menghasilkan pembawa pemandu pada 100 kHz dan sinyal USB dalam daerah 100 - 104 kHz (F). Sinyal ini diteruskan lewat sebuah filter jalursisi atas ke modulator balans, dan lewat sebuah filter bandpass yang sangat sempit pads 100 kHz dan kemudian dikenakan ke masukan dari osilator fasa-terkunci untuk menghasilkan pembawa .100 kHz yang diserempakkan untuk demodulator. Sebuah filter low pass akhir menghilangkan komponen-komponen jumlah dari demodulator, sehingga yang tertinggal hanyalah sinyal audio 0 - 4 kHz (G). Karena osilator demodulator terkunci path pembawa pemandu, sedikit penyimpangan (drift) dalam rangkaian-rangkaian akan dibetulkan secara otomatis sehingga terjadilah demodulasi yang stabil. Sinyal bias dari osilator Lasa-terkunci dapatjuga digunakan untuk memberikan pengaturan frekuensi otornatis (AFC) pada osilator penalaan penerima.

33

GAMBAR 9.9. Sistem Radio Pembawa Pemandu SSB: (a) Pemancar; (b) Penerima; (c) Spektra sinyal pada berbagai titik dalam sistem

2. Jalursisi yang Berdiri-Sendiri (Single Side Band = SSB) Untuk transmisi SSB, pembawa dan satu jalursisi dihapuskan dari

sinyal. Jalursisi yang dihapuskan itu dapat diganti dengan jalursisi informasi yang lain, yang dibuat dengan memodulasikan sinyal masukan yang lain pada pembawa yang sama; dengan cara ini diperoleh apa yang dikenal sebagai transmisi jalursisi yang berdiri sendiri (independent sideband = ISB). Sinyal-sinyal ash keduanya mempunyai frekuensi-frekuensi dalam daerah audio, tetapi pada sinyal yang dipancarkan masing-masing sinyal menempati kelompok-kelompok frekuensi yang berbeda di dalam spektrum. Proses pembagian sinyalsinyal dalam spektrum frekuensi yang sedemikian sehingga mereka tidak saling berimpitan dinamakan proses pelipat-gandaan pembagian frekuensi (frequency division multiplexing = FDM). FDM akan dibahas dengan lebih terperinci dalam bagian yang berikut.

Modulasi ISB memberikan mekanisma dasar untuk mendapatkan

34

FDM. Gambar 9.10 menunjukkan diagram blok dari sebuah pemancar ISB yang menyediakan empat saluran telepon-radio multipleks pada pembawa yang sama. Setiap saluran telepon dibatasi pada frekuensi dalam daerah 0,25 - 3 kHz, sedikit kurang dari yang biasanya disediakan untuk saluran-saluran telepon, oleh filter-filter low pass (A dalam Gambar 9.10(b)). Saluran-saluran 2 dan 3 dipasangkan ke masukan-masukan dari dua buah modulator balans yang mendapatkan umpan dari osilator pembawa 6,25 kHz yang sama, sehingga menghasilkan sinyal-sinyal LSB dari 3,25 - 6 kHz dan sinyal-sinyal USB dari 6,5 - 9,25 kHz pada masing-masing keluarannya. Filter-filter LSB dengan bandpass 6 - 3,25 kHz menghapuskan jalursisi Jalursisi atas, dan jalursisi Jalursisi bawah kemuthan ditambahkan ke sinyal-sinyal dari saluran 1 dan 4. Kedua sinyal yang dihasilkan dengan demikian mengandung saluran-saluran 1 dan 2 yang dimultipleks pembagian frekuensinya pada satu penyalur (line) dan saluran-saluran 3 dan 4 yang dimultipleks pembagian frekuensinya pada penyalur yang lain, seperti terlihat dalam spektra (B). Kedua sinyal ini merupakan masukan-masukan ke pemancar ISB yang sesungguhnya, dan dapat dipasangkan langsung atau dihubungkan lewat saluran-saluran telepon dengan panjang tertentu, jika letak pemancar adalah jauh dari terminal multipleks.

Pada bagian modulator ISB, kedua sinyal 12 dan 34 dimasukkan ke dua buah modulator balans yang juga diumpan dari sebuah osilator pembawa 100 kHz bersama. Keluarannya adalah dua sinyal yang masing-masing mengandung jalursisi jalursisi atas dan bawah di sekitar frekuensi pembawa 100 kHz, seperti diperlihatkan dalam spektra (C). Sinyal saluran 12 diteruskan lewat sebuah filter USB dengan pass band 100 - 106 kHz untuk menghapuskan jalursisi bawahnya, sedangkan saluran 34 diteruskan lewat sebuah filter LSB dengan pass band 94 - 100 kHz untuk menghilangkan jalursisi atas-nya. USB 12 dan LSB 34 dan sebagian yang kecil dari pembawa pemandu 100 kHz (yang diperoleh lewat sebuah atenuator dari osilator pembawa) dijumlahkan untuk memberikan sinyal akhir (spektra D). Sinyal ini mengandung keempat sinyal-sinyal saluran masukan yang tersebar dalam frekuensi, yaitu dua sinyal pada masing-masing sisi pembawa 100 kHz, dengan tidak ada satupun yang menutupi lainnya.

35

36

Sinyal 100 kHz yang dimodulasi ini dapat dipancarkan langsung pada suatu hubungan kabel frekuensi tinggi, atau seperti dalam uraian ini, sinyal dapat dinaikkan lagi ke suatu frekuensi radio yang lebih tinggi untuk transmisi lewat atmosfer. Selebihnya dari rangkaian pemancar adalah dua tingkat konversi-frekuensi-ke atas, dan penguat daya ke antena. Diperlukan dua tingkat konversi-ke atas, karena jika digunakan hanya satu ting kat untuk peningkatan frekuensi yang lebih dari 10 : 1, komponen-komponen frekuensi selisih yang tidak dikehendaki dari penyampur akan menjadi terlalu dekat dengan kom-ponen-komponen frekuensi jumlah, sehingga tidak mudah dipisahkan dengan filter, terutama jika frekuensi pembawa akhir adalah lebih dari beberapa MHz.

Konverter - ke atas pertama terdiri dari sebuah rangkaian modulator balans yang digunakan sebagai penyampur, sebuah osilator pembawa 3 MHz, dan sebuah filter bandpass cutoff tajam dari 3,1 ± 0,006 MHz. Rangkaian ini menghasilkan sinyal yang ditunjukkan dalam spektra (E), yang sama dengan spektra (D) kecuali bahwa pusatnya sudah dipindahkan dalam frekuensi dari pusat 100 kHz ke pusat 3,1 MHz.

Konverter-ke atas terakhir bekerja dengan cara yang sama, dan membawa sinyal ke frekuensi tengah akhir fT (spektra (F)). Di sini juga dipilih kelompok frekuensi jumlah, tetapi kali ini frekuensi-frekuensi selisih adalah 6 MHz lebih rendah, sehingga sangat memudahkan pekerjaan penyaringan terakhir. Sebuah penguat daya RF linear yang ditala pada frekuensi transmisi fT membawa sinyal ke tingkat daya antena yang dikehendaki.

Rangkaian ini melukiskan penggunaan ISB dalam tiga penerapan yang berbeda. Yang pertama adalah untuk melaksanakan FDM pads tingkat-tingkat frekuensi rendah yang diperlukan untuk transmisi langsung lewat kabel; hal ini akan dibahas lebih lanjut pada bagian yang berikut. Yang kedua ialah untuk modulasi ISB dari sebuah pembawa frekuensi radio, dan yang ketiga ialah penggunaannya dalam konversi frekuensi atau penyampuran.

37

Modulasi Frekuensi1. PENGANTAR

Dalam modulasi sudut, sinyal informasi dapat digunakan untuk mengubah frekuensi pembawa, sehingga menimbulkan modulasi frekuensi, atau untuk mengubah sudut fasa yang mendahului (lead) atau tertinggal (lag), sehingga menimbulkan modulasi fasa. Karena frekuensi dan fasa keduanya adalah parameter dari sudut pembawa, yang adalah suatu fungsi dari waktu, istilah umum modulasi fasa diartikan sebagai mencakup keduanya. Modulasi frekuensi dan modulasi fasa mempunyai beberapa sifat yang sangat mirip, tetapi juga mempunyai perbedaan-perbedaan yang menonjol. Hubungan antara keduanya akan dibahas secara terperinci dalam bab ini.

Dibandingkan dengan modulasi amplitudo, modulasi frekuensi mempunyai beberapa kelebihan tertentu. Yang terutama ialah bahwa perbandingan S/N dapat ditingkatkan tanpa harus menambah daya yang dipancarkan (tetapi ini memang harus diimbangi dengan meningkatnya lebar jalur frekuensi yang diperlukan); bentuk-bentuk interferensi tertentu pad & penerima lebih mudah untuk ditekan; dan proses modulasi dapat ddakukan pada tingkat daya yang rendah pada pemancar, sehingga dengan demikian tidak diperlukan daya modulasi yang terlalu besar.

2. MODULASI FREKUENSI

Sinyal modulasi em digunakan untuk merubah frekuensi pembawa. Misalnya, em mungkin digunakan untuk mengubah kapasitansi dari rangkaian osilator frekuensi pembawa (lihat Bagian 10.5.1). Misalkan bahwa perubahan pada frekuensi pembawa adalah keen, di mana k adalah konstanta yang dikenal sebagai konstanta deviasi frekuensi; maka frekuensi pembawa sesaat (instantaneous) adalah

fi =f, + kem (10.1)

Dimana fc adalah frekuensi pembawa tanpa modulasi.

38

Misalnya, bila em gelombang sinus,

em = Emmaks sin mt (10.2)

Frekuensi pembawa sesaat menjadi

em = fc + kEmmaks sin mt (10.3)

Sketsa dari f; ditunjukkan dalam Gambar 10.1(a). Adalah penting untuk dipahami bahwa ini adalah suatu lengkung frekuensi-waktu, dan bukannya suatu lengkung amplitudo-waktu. Lengkung amplitudo-waktu untuk pembawa yang dimodulasi-frekuensi ditunjukkan dalam Gambar 10.1(b).

Deviasi frekuensi puncak dari sinyal didefinisikan sebagai

Δf = kEmmaks, (10.4)sehingga Persamaan.(10.3) menjadi

ft = fc + Δf sinmt (10.5)

Contoh 10.1 Buatlah sketsa dari lengkung frekuensi-sesaat-waktu untuk suatu gelombang pembawa 100-MHz, yang dimodulasi-frekuensi oleh suatu gelombang persegi 1-kHz, dengan deviasi puncak 90 kHz.

Penyelesaian Sketsanya diperlihatkan dalam Gambar 10.1(c).

Agar dapat memperoleh suatu pengertian kuantitatif tentang modulasi frekuensi, pertama-tama perlu diturunkan persamaan untuk gelombang yang dimodulasi. Pembawa yang tidak dimodulasi adalah suatu gelombang sinus, seperti yang dinyatakan dalam Persamaan (8.1), untuk mana tanpa kehilangan sifat umumnya, Ec maks dapat dibuat

39

GAMBAR 10.1. (a) Lengkung frekuensi-waktu sesaat; (b) Iengkung amplitudo-waktu pembawa untuk suatu pembawa yang dimodulasi-frekuensi secara sinusoida; (c) lengkung frekuensi-waktu sesaat untuk Contoh 10.1.

sama dengan satu:

c = sin(ct + Φ) (10.6)

di mana c = 2πfc, = suatu frekuensi sudut konstan dalam rad/det, dan adalah suatu sudut fasa konstan dalam radian.

Persamaan (10.6) adalah suatu bentuk yang khusus dari suatu rumus yang lebih umum:

e = sin θ(t) (10.7)

40

Frekuensi sudut dari rumus umum ini adalah kecepatan perubahan waktu dari 0(t), dan hanya bila frekuensi I mstan maka bentuk khusus Persamaan (10.6) berlaku.

Bila frekuensi berubah-ubah, seperti dalam modulasi frekuensi, suatu frekuensi sudut sesaat (instantaneous angular frequency) dapat didefinisikan sebagai

Dengan mengintegrasikan terhadap waktu, didapat

Frekuensi sesaat f dihubungkan dengan modulasi oleh Persamaan (10.5). Misalnya, untuk frekuensi sudut yang konstan w. (tidak dimodulasi)

di mana 0 adalah konstanta integrasi.

Persamaan (10.6) diperoleh bila Persamaan (10.10) dimasukkan ke dalam Persamaan (10.7).

Untuk modulasi sinusoida, Persamaan (10.5) dimasukkan ke dalam Persamaan (10.9) untuk memberikan

di mana c = 2πfm . Konstanta Φ dapat dibuat sama dengan nol dengan pemilihan sumbu pedoman yang sesuai, dan persamaan untuk gelombang yang dimodulasi frekuensi sinusoida diperoleh dengan memasukkan Persamaan (10.11) ke dalam Persamaan (10.7)

41

Perhatikan bahwa Persamaan (10.12) tidak akan dapat diturunkan hanya dengan menggantikan ft dengan f dalam Persamaan (10.6); alasannya adalah karena Persamaan (10.6) telah diturunkan dengan dasar frekuensi yang konstan, dan sudah tentu modulasi frekuensi membuat ini tidak berlaku.

Indeks modulasi untuk modulasi frekuensi didefinisikan sebagai

Persamaan untuk pembawa yang dimodulasi sinusoida menjadi

Tidak seperti modulasi amplitudo, indeks modulasi untuk modulasi frekuensi dapat lebih besar daripada satu.

2.1 Spektrum Frekuensi

Analisis matematik dari Persamaan (10.14) yang akan dapat memberikan spektrum frekuensi untuk suatu gelombang yang dirnodulasi frekuensi sinusoida adalah jauh lebih sulit daripada analisa modulasi-amplitudo yang bersesuaian (misalnya, lihatlah Ben Zeines, Electronics Communication Systems, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1970, Bagian 9.13), dan hanya hasil-hasilnya saja yang akan digunakan di sini. Spektrum ternyata terdiri dari sebuah komponen pembawa, dan frekuensi-frekuensi sisi pada harmonisa dari frekuensi modulasi, meskipun pada nada modulasi aslinya tidak terdapat harmonisa. Amplitudo-amplitudo dari berbagai komponen spektral diberikan oleh suatu Fungsi Bessel dari Jenis Pertama

42

GAMBAR 10.2. Grafik dari besarnya pembawa dan tiga frekuensi sisi yang pertama dari suatu gelombang yang dimodulasi-frekuensi sinusoids, dengan pembawa yang besarnya satu volt versus indeks modulasi m f. (Ini adalah grafik dari Fungsi-Fungsi Bessel dari gelombang).

(Bessel's Function of the First Kind), yang di sini dinyatakan dengan Jn(mf); mf adalah indeks modulasi yang didefinisikan dalam Persamaan (10.13), dan n adalah orde dari frekuensi sisi. Dalam notasi matematika, m f disebut sebagai argumen, dan n orde dari Fungsi Bessel. Fungsifungsi Bessel tersedia baik dalam bentuk grafik maupur. dalarn bentuk daftar seperti terlihat dalam Gambar 10.2, dan Daftar 10.1. Jo(mf) memberikan amplitudo dari komponen pembawa.

Sebagai contoh penggunaan Daftar 10.1,idapat dilihat bahwa untuk mf = 0,5, komponen-komponen spektral adalah

43

Kenyataan bahwa komponen spektrum pada frekuensi pembawa berkurang amplitudonya tidak berarti bahwa gelombang pembawa dimodulasi-amplitudo. Gelombang pembawa adalah jumlah dari semua komponen-komponen dalam spektrum, dan jumlah ini memberikan pembawa dengan amplitudo konstan seperti ditunjukkan dalam Gambar 10.1(b). Bedanya ialah bahwa pembawa yang dimodulasi bukanlah suatu gelombang sinus, sedangkan komponen spektrum pada frekuensi pembawa gelombang sinus. (Semua komponen-korponen spektrum adalah gelombang-gelombang sinus atau kosinus). Akan terlihat dari Daftar 10.1 bahwa amplitudo-amplitudo dalam beberapa hal dapat menjadi negatif, tetapi biasanya tidak perlu menunjukkan ini dalam suatu grafik spektrum, dan yang diperlihatkan hanyalah nilai modulusnya saja. Akan terlihat juga

DAFTAR 10.1. Amplitudo-amplitudo Komponen Spektrum untuk suatu Pembawa yang Dimodulasi-Frekuensi sinusoida dengan Amplitudo Tanpa Modulasi sebesar 1 V (Modulus-modulus Amplitudo yang lebih kecil dari |0.01| tidak diperlihatkan).

bahwa untuk nilai-nilai m f tertentu (2.4, 5.5, 8.65, dan nilai-nilai lebih tinggi yang tidak diperlihatkan), amplitudo pembawa adalah nol. Ini membantu untuk menggaris-bawahi kenyataan bahwa yang menjadi

44

nol adalah komponen sinusoida spektrum pada frekuensi pembawa, dan bukannya pembawa yang dimodulasi yang tidak berbentuk sinusoida, dan yang berubah dari puncak positif ke negatif (dalam hal ini 1 V) sementara frekuensi berubah-ubah.

Spektra untuk bermacam-macam nilai m f ditunjukkan dalam Gambar 10.3(a), (b), dan (c). Pada setiap keadaan, garis-garis spektral berjarak f,,, satu dari yang lain,

GAMBAR 10.3. Spektra untuk gelombang-gelombang yang dimodulasi frekuensi dengan bentuk sinusoida dengan indeks modulasi: (a) mf = 1.0; (b) mf = 2,4 (perhatikan pembawa yang menghilang; (c) m f = 5,0

45

dan lebar jalur yang diduduki oleh spektrum terlihat sama dengan

di mana n adalah orde frekuensi sisi yang tertinggi yang amplitudonya masih cukup berarti. Dari Daftar 10.1 akan terlihat bahwa bila orde frekuensi sisi lebih besar dari (mf + 1), aplitudonya adalah 5% dari amplitudo pembawa tanpa modulasi, atau bahkau lebih kecil lagi. Dengan menggunakan ini sebagai pedoman untuk persyaratan-per-syaratan lebar, jalur, Persamaan (10.15) dapat ditulis sebagai

atau, dengan substitusi untuk m f dari Persamaan (10.13),

Untuk melukiskan pentingnya hal ini, akan ditinjau tip buah contoh:

Jadi, meskipun frekuensi modulasi berubah dari 0,1 kHz ke 10 kHz, atau dengan suatu faktor 100 : 1, lebar jalur yang diduduki spektrum hanya berubah sedikit saja, yaitu dari 150 kHz ke 170 kHz. Contoh-contoh ini menunjukkan mengapa modulasi frekuensi kadang-kadang disebut juga sebagai suatu sistem dengan lebar jalur-konstan

(Setengah semester pertama)46

1.2Daya Rata-Rata

Fungsi-fungsi Bessel memberikan hubungan antara amplitudo tegangan dari masingmasing komponen sisi frekuensi sinusoida terhadap amplitudo pembawa tanpa modu. lasi, sebagai

Dengan memisalkan bahwa amplitude En, dan Ec adalah nilai-nilai rms dari sunusoida,

daya yang terkandung pada masing-masing komponen sinusoida (sisa pembawa dan masing-masing frekuensi sisi) diberikan oleh

Dengan memperhatikan bahwa hanya terdapat satu komponen pembawa, sedangkan untuk setiap frekuensi sisi nomor n terdapat sepasang komponen, daya total pada sinyal yang dimodulasi menjadi

di mana P. diperoleh dari Persamaan (8.13), dan Jn adalah untuk suatu nilai indeks modulasi m f yang konstan. Daya total dalam bentuk-gelombang yang dimodulasi adalah tetap konstan untuk semua kondisi modulasi. Dengan makin mendalamnya modulasi, daya diambil dari komponen pembawa dan dibagikan kembali pada komponen-komponen frekuensi sisi. Hal ini ditunjukkan oleh kenyataan bahwa jumlah kuadrat dari koefisien-koefisien fungsi Bessel .dalam Persamaan (10.20) untuk suatu nilai m f tertentu adalah selalu sama dengan satu.

47

Contoh 10.2 Suatu pembawa tanpa-modulasi 15-W dimodulasi-frekuensi oleh suatu sinyal sinusoida sedemikian sehingga deviasi frekuensi puncak adalah 6 kHz. Frekuensi dari sinyal modulasi adalah 1 kHz. Hitunglah keluaran daya rata-rata dengan menjumlahkan daya untuk semua komponen frekuensi sisi.

Penyelesaian Keluaran daya rata-rata total P adalah 15 W dengan dimodulasi. Untuk menguji bahwa ini adalah juga nilai yang didapat dari penjumlahan kuadrat-kuadrat Fungsi Bessel, dari Persamaan (10.13) kita dapatkan

Nilai-nilai fungsi Bussel untuk mf = 6 dapat dibaca dari Daftar 10.1,

dan dimasukkan ke dalam Persamaan (10.20) untuk memberikan

PT = 150,152 + 2(0,282 +0,24 2 + 0,112 + 0,362 +0,36 2 +0,25 2

+0,132 +0,06 2 +0,02 2 + 0) 012)] = 15(1,00) = 15 W

Sebagai akibatnya, karena daya rata-rata tidak berubah dengan modulasi frekuensi, tegangan dan arcs rms juga akan tetap konstan pada masing-masing nilai tanpa-modulasinya.

2.3. Modulasi Gelombang-Kompleks: Perbandingan Deviasi

Dalam proses modulasi frekuensi, ada juga terbentuk hasil-hasil intermodulasi; yaitu, frekuensi-frekuensi selisih (beat frequencies) akan terjadi di antara berbagai-bagai frekuensi sisi bila sinyal modulasinya bukan berbentuk sinusoida atau konsinusoida. Tetapi, dari pengalaman diketahui bahwa persyaratan-persyaratan lebar jalur ditentukan oleh deviasi frekuensi maksimum dan frekuensi modulasi tertinggi (harmonisa) yang ada di dalam gelombang modulasi

48

kompleks. Perbandingan dari deviasi maksimum dan komponen frekuensi tertinggi dinamakan perbandingan deviasi (deviation ratio). Dengan mendefinisikan ini sebagai M, maka

di mana ΔF adalah deviasi frekuensi maksimum dan Fm komponen frekuensi tertinggi dalam sinyal modulasi. Maka kemudian lebar jalur diberikan oleh Persamaan (10.16) dengan menggantikan m f dengan M, dengan batas-batas ketelitian yang lama pula. Jadi

Ini dikenal sebagai aturan Carson.

Contoh 10.3 Peraturan-peraturan di Kanada menyatakan bahwa untuk siaran FM, deviasi maksimum yang diizinkan adalah 75 kHz dan frekuensi modulasi maksimum 15 kHz. Hitunglah lebar jalur maksimum yang diperlukan.

Penyelesaian Dengan menggunakan Persamaan (10.22),

Penelitian Daftar 10.1 menunjukkan bahwa frekuensi-frekuensi sisi dengan amplitudo 1 % masih terdapat hingga pasangan frekuensii sisi yang ke sembilan, jadi aturan Carson memberikan lebar jalur diperlukan yang terlalu rendah. Untuk M yang sama dengan atau lebih besar dari 5, taksiran yang lebih baik diberikan oleh Bmaks = 2(M + 4) Fm. Dalam contoh ini, akan dihasilkan suatu lebar jalur maksimum yang diperlukan sebesar 270 kHz. Hambatan-hambatan ekonomis pada peralatan komersil membatasi kemampuan lebar jalur dari penerima-penerima sampai kira-kira 200 kHz.

2.4. Pengukuran Indeks Modulasi

Spektrum untuk suatu gelombang yang dimodulasi sinusoida dapat langsung diukur pada suatu penganalisa spektrum (spectrum analyzer) dan deviasi frekuensi pembawa diukur tersendiri pada sebuah meter deviasi frekuensi. Untuk suatu frekuensi modulasi tertentu (misalnya 1

49

kHz), amplitudo dari sinyal modulasi dapat diatur sehingga komponen pembawa dari spektrum, seperti yang terlihat pada penganalisa spektrum, menghilang. Perbandingan amplitudo-amplitudo modulasi di mana hal ini terjadi harus sama dengan (2,4) : (5,5) : (8,65), karena deviasi harus sebanding dengan amplitudo sinyal modulasi, dan Daftar 10.1 menunjukkan bahwa ini adalah nilai-nilai mf untuk mana pembawa adalah nol. Pengukuran derivasi memungkinkan dihitungnya mf, dengan diketahuinya fm.

3. MODULASI FASA

Modulasi fasa dihasilkan bila sudut fasa 0 dari pembawa dibuat menjadi fungsi dari sinyal modulasi. Pembawa tanpa modulasi diberikan oleh

Jika dimodulasi fasa, Φc, diganti dengan 1(t), di mana

K adalah konstanta deviasi fasa (analog dengan k untuk modulasi frekuensi) dan Φc seperti yang sudah-sudah adalah sinyal modulasi. Biasanya Φc dapat dihapuskan dari persamaan karena merupakan konstanta yang tidak mempengaruhi modulasi. Lagi pula, dengan membuat em=Emmaksm(t), seperti yang sudah-sudah Persamaan (10.24) dapat ditulis sebagai

Jelas bahwa adalah deviasi fasa puncak.

Dengan memasukkan Persamaan (10.25) dalam Persamaan (10.23) diperoleh rumus untuk gelombang yang dimodulasi-fasa:

Untuk modulasi sinusoida, Persamaan (10.27) menjadi

50

dimana

Dan untuk menekankan kesamaannya dengan modulasi frekuensi sinusoida, deviasi fasa puncak dinamakan indeks modulasi fasa dengan lambang mp. Maka Persamaan (10.28) menjadi

Dengan membandingkan Persamaan (10.29) dengan Persamaan (10.14), kesamaan antara modulasi fasa dan modulasi frekuensi untuk sinyal-sinyal modulasi sinunoida akan menjadi jelas, terutama bila diingat bahwa satu-satunya perbedaan antara sukusuku modulasi sinusoida dan kosinusoida adalah pada selisih fasa sebesar 90°, yang tidak akan langsung kelihatan bila sinyal-sinyal didemodulasi.

Pada tahap ini akan banyak ditarik pelajaran bila kita bandingkan ketiga metoda modulasi, yaitu modulasi-modulasi amplitudo, frekuensi, dan fasa. Gambar 10.4 memperagakan keadaan bila suatu pembawa sinusoida dimodulasi oleh suatu tegangan tangga (step voltage). Pada modulasi amplitudo (Gambar 10.4(a)), amplitudo akan mengikuti perubahan tangga tersebut, sementara frekuensi – dan fasa tetap konstan dengan waktu.

51

GAMBAR 10.4. Memodulasi dengan suatu bentuk-gelombang tangga (step): (a) AM; (b) FM; (c) PM

Perubahan amplitudo dapat dilihat misalnya pada sebuah osiloskop. Pada modulasi frekuensi, yang ditunjukkan dalam Gambar 10.4(b); amplitudo dan fasa tetap konstan, sementara frekuensi mengikuti perubahan tangga. Perubahan ini dapat juga dilihat, misalnya pada sebuah penghitung frekuensi (frequency counter).

Pada modulasi fasa, amplitudo tetap konstan sedangkan sudut fasa mengikuti perubahan tangga dengan waktu, seperti tampak dalam Gambar 10.4(c). Perubahan fasa diukur dengan berpedoman pada fasa yang seharusnya akan terjadi tanpa adanya modulasi. Setelah perubahan tangga dalam fasa, pembawa sinusoida akan tampak seolaholah merupakan perpanjangan dari lengkung garis terputus-putus yang ditunjukkan pada grafik amplitudo-waktu dalam Gambar 10.4(c). Lagi pula, dari grafik amplitudowaktu terlihat bahwa frekuensi gelombang sebelum perubahan tangga adalah sama seperti sesudah perubahan tersebut. Tetapi, pada saat fasa berubah menurut tangga, pergeseran (displacement) mendadak dari bentuk-gelombang pada sumbu waktu akan membuatnya kelihatan seakan-akan frekuensi, mengalami perubahan yang mendadak pula. Ini ditunjukkan oleh "paku" (spike) pada grafik frekuensi-waktu dalarn Gambar 10.4(c). Sebuah meter-fasa dapat digunakan untuk mengukur perubahan fasa, tetapi ini memerlukan bentuk-gelombang pedoman, dan hasilnya tidak didapat langsung seperti pada pengukuran amplitudo atau frekuensi. Perubahan "paku" pada frekuensi dapat langsung diukur pada sebuah penghitung frekuensi. Pada prinsipnya, perubahan semu (apparent) dari frekuensi pada modulasi fasa akan terjadi, bahkan juga bila frekuensi sumber dari pembawa dipertahankan konstan, misalnya dengan menggunakan osilator kristal. Dalam praktek terbukti bahwa dengan menggunakan modulasi fasa, ayunan-ayunan frekuensi yang besar adalah lebih sukar untuk diperoleh.

Hubungan matematis antara modulasi frekuensi dan modulasi fasa diberikan dalam Bagian 10.4.

3.1. Spektrum Sebuah Gelombang yang Dimodulasi-Fasa dengan Bentuk Sinusoida

Sebagai hasil dari perbandingan Persamaan (10.29) dan (10.14), untuk nilai indeks modulasi yang sama, spektrum dari gelombang

52

yang dimodulasi-fasa akan sama seperti spektrum untuk gelombang yang dimodulasi-frekuensi. Misalnya, untuk mp = 5,0, berlaku juga spektrum dari Gambar 10.3(c).

4. EKIVALENSI ANTARA FM DAN PM

Frekuensi sudut sesaat seperti didefinisikan dalam Persamaan (10.8) adalah

Untuk suatu gelombang yang dimodulasi-fasa, modulasi fasa dinyatakan dengan Persamaan (10.24) dan

Karena itu, dengan menerapkan Persamaan (10.8), modulasi fasa mempunyai suatu frekuensi sudut ekivalen

Misalkan bahwa feq(t) merepresentasikan modulasi frekuensi ekivalen dalam Persamaan (10.31); maka

Pentingnya Persamaan (10.32) ini terletak pada kenyataan bahwa semua penerimapenerima modulasi-sudut selalu mengartikan modulasi sudut sebagai modulasi frekuensi (bahkan juga "diskriminator fasa" yang diuraikan dalam Bagian 10.6). Ini berarti bahwa keluaran sinyal demodulasi adalah seban_ding dengan deviasi frekuensi, dari sinyal modulasi yang diterima. Hal ini dilukiskan untuk tiga bentuk-gelombang yang berbeda-beda dari Gambar 10.5, untuk sistem yang ditunjukkan dalam Gambar 10.5(a). Untuk gelombang modulasi segitiga dari Gambar 10.5(b), modulasi fasa adalah

53

Karena itu

di mana a adalah modulus dari kecuraman garis-garis (yang dimisalkan sama untuk kecuraman positif dan negatif). Suku Φ(t) mempunyai keberulangan (periodicity) seperti m(t). Dengan menerapkan Persamaan (10.32),

Jadi feq(t) adalah suatu gelombang persegi seperti terlihat pada Gambar 10.5(b), dengan feq(t).

Untuk sinyal modulasi gelombang-persegi dalam Gambar 10.5(a), kecepatan perubahan dari Φ(t) atau kecuraman dari grafik adalah nol kecuali pada titik-titik di mana gelombang berubah (berbalik) tandanya, di mana kecepatan tersebut secara teoretis adalah ± ∞. Karena itu, dengan menerapkan Persamaan (10.32), feq(t) akan sama dengan nol kecuali pada titik-titik pembalikan, di mana nilainya akan direpresentasikan oleh pulsa-pulsa seperti terlihat dalam Gambar 10.5(c). Bentuk-gelombang tegangan keluaran akan mengikuti bentuk-gelombang feq(t).

54

GAMBAR 10.5. Modulasi fasa dengan berbagai sinyal modulasi kompleks: (a) sistem modulasisudut; m(t) adalah masukan modulasi dan meq(t) arlalah keluaran penerima yang dihasilkan; (b) gelo mbang modulasi berbentuk segitiga yang meng hasil kan keluaran gel ombang-persegi; (c) gelombang modulasi persegi yang rnengakibatkan terjadinya pulsa-pulsa pada keluaran; (d) gelombang modulasi sinusoida yang menghasilkan suatu keluaran kosinusoida.

Untuk sinyal modulasi sinusioda, Gambar 10.5(d),

55

Suku feq(t) diperlihatkan dalam Gambar 10.5(d), dan akan terlihat bahwa deviasi frekuensi ekivalen maksimum adalah

Δ feq = fmmp (10.33)

Bentuk-gelombang tegangan keluaran akan mengikuti lengkung feq(t), dan karena itu amplitudo tegangan keluaran, yang sebanding dengan Δfeq, adalah sebanding pula dengan fm.mp. Untuk suatu mp yang konstan, keluaran adalah sebanding dengan frekuensi modulasi.

Contoh 10.4 Sebuah gelombang sinus 2-kHz dengan amplitudo-konstan digunakan untuk memodulasi-fasa suatu pembawa. Beberapa waktu kemudian, frekuensi sinyal modulasi dinaikkan menjadi 5 kHz. Jelaskan apa yang terjadi pada sinyal keluaran dari suatu penerima yang digunakan untuk menerima gelombang yang dimodulasi tersebut.

Penyelesaian Frekuensi dari sinyal tegangan keluaran akan naik dari 2 menjadi 5 kHz dan amplitudonya akan naik dengan faktor 5/2, atau 2,5 kali.

Hubungan yang dinyatakan oleh Persamaan (10.32) digunakan sebagai dasar untuk memperoleh modulasi frekuensi dad modulasi fasa. Teorinya adalah sederhana saja. Φ(t) yang biasanya dibuat sebanding dengan m(t), sekarang dibuat sebanding dengan mtegraT dari m(t), biasanya dengan pertotongan suatu jaringan integrasi sederhana seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10.6. Jadi, dengan menerapkan Persamaan (10.24) (dan menghapuskan konstanta Φc),

56

Karena itu ii

GAMBAR 10.6. Konversi dari modulasi fasa menjadi modulasi frekuensi.

di mana Δ feq adalah variasi frekuensi puncak ekivalen yang sama dengan KEm maks/ 2πRC.

Persamaan (10.34) menunjukkan bahwa modulasi frekuensi ekivalen dari modulator fasa dan integrator adalah sebanding dengan sinyal modulasi aslinya, yang memang adalah keadaang diinginkan.

5. RANGKAIAN-RANGKAIAN MODULAR SUDUT

Dalam analisis yang diberikan di sini, dimisalkan bahwa berlaku keadaan-keadaan sinyal kecil (small signal conditions); selanjutnya dimisalkan juga bahwa kecepatan modulasi (modulation rate) adalah cukup lambat untuk analisis sinusoida pada frekuensipembawa yang akan digunakan.

5.1. Dioda Varaktor

Dioda varaktor adalah sebuah dioda sambungan (junction diode) pn, yang kapasitansi pengosongannya (depletion capacitance) berubah-ubah sesuai dengan bias terbalik, seperti terlihat dalam Gambar 10.7(a). Nama varakt berasal dari variabel reaktor. Untuk penerapan-penerapan pada penalaan, dioda ini dapat

57

Dengan menerapkan Persamaan (10.32),

direpresentasikan dengan rangkaian ekivalen yang mendekati dan terdiri dari kapasitansi pengosongan Cd yang terhubung seri dengan RS, yang adalah resistansi dari bahan bagian-bagian pn, dan resistansi dari perkawatan.

Suatu tegangan bias de tertentu dikenakan pada varaktor, dan ini mengatur nilai Cd ke suatu nilai tengah Cd0 yang menentukan frekuensi resonansi tanpa-modulasi dari sebuah rangkaian tala di mana terdapat varaktor tersebut. Tegangan modulasi ditambahkan pada bias ini dan menyebabkan kapasitansi berubah-ubah di sekitar njlai Cdo dengan adanya modulasi, sehingga mengakibatkan frekuensi resonansi dari rangkaian LC berubah-ubah di sekitar nilai-tengahnya fo.

Rangkaian LC. tala tersebut dapat digunakan sebagai jaringan yang menentukanfrekuensi dalam salah satu dari rangkaian-rangkaian osilator LC standar untuk memberikan modulasi frekuensi langsung, atau rangkaian itu dapat juga digunakan sebagai sebuah reaktor tegangan-variabel untuk menggeser fasa sinyal dari suatu osilator yang tetap untuk memberikan modulasi fasa langsung.

5.3 Pemancar FM yang Dimodulasi Langsung

Modulasi frekuensi langsung (direct FM), Gambar 10.9(a), dapat diperoleh dengan menggunakan rangkaian-rangkaian dari Gambar 10.7(b) atau Gambar 10.8(a). Deviasi frekuensi puncak dibuat tetap kecil, dan sinyal yang dimodulasi dari osilator kemudian diteruskan ke sebuah rangkaian pengali frekuensi yang menaikkan frekuensi keluaran ke frekuensi pembawa yang dikehendald. Sebuah penguat daya mendorong antena.

Modulasi frekuensi langsung pada frekuensi pembawa akhir memang dapat digunakan dengan dihilangkannya tingkat-tingkat pengali, tetapi akan segera timbul suatu pertentangan, yaitu antara diperlukannya deviasi frekuensi yang cukup dan keharusan mempertahankan kestabilan frekuensi yang tinggi. Osilator-osilator kristal dapat langsung dimodulasi frekuensi karena frekuensi kristal dapat "ditarik" sedikit; tetapi untuk memperoleh deviasi-deviasi akhir yang dapat digunakan, diperlukan suatu faktor perkalian frekuensi yang tinggi, seperti dilukiskan di bawah ini. Meskipun demikian, modulasi frekuensi langsung digunakan juga untuk FM jalur-sempit yang hanya memakai deviasi-deviasi yang relatif kecil.

Bila suatu sinyal FM dilewatkan melalui rangkaian pengali frekuensi seperti misalnya sebuah penguat kelas C yang tangki keluarannya ditala pada harmonisa kedua atau ketiga, bukan hanya frekuensi pembawa saja yang akan dikalikan, tetapi juga deviasi

58

frekuensinya. Perbandingan perkalian akan sama dengan angka harmonisa terhadap mans keluaran ditala.Perbedaan antara perkalian frekuensi dan konversi-ke atas seperti yang diperoleh dengan penyampuran adalah penting dalam operasi sistem-sistem FM. Rumus umum untuk suatu pembawa yang dim.odulasi-frekuensi diberikan oleh Persamaan (10.12). Seperti ditunjukkan dalam Bagian 5.7.1, sebuah penguat kelas C menimbulkan harmonica dari sinyal masukan dan, asal saja rangkaian keluaran tala-harmonisa cukuh lebar jalurnya untuk menerima jalursisijalursisi, harmonisa yang ke-n dari masukan, Persamaan (10.7), akan dipilih, dan memberikan sebagai tegangan keluaran

Vkeluar= sin ( nθ(t) ) (10.61)

θ(t) diberikan oleh Persamaan (10.9), dan karena itu frekuensi keluaran adalah

fkeluar = nfi= nfc + n Δfm(t) (10.62)

Ini menunjukkan bahwa deviasi dikalikan dengan nomor harmonisa n.

Bila sinyal dikonversi-ke atas dengan menyampur dengan suatu frekuensi osilator fo, frekuensi akhir diberikan oleh

fkeluar = fo + fi

= (fo + fl) + Δfm(t) (10.63)

Frekuensi pembawa dinaikkan ke fo + f, dan modulasi tidak berubah.

Teori di atas digunakan dalam rancangan yang ditunjukkan dalam Gambar 10.9(b) untuk memperoleh suatu kenaikan deviasi tanpa menaikkan frekuensi pembawa. Frekuensi masukan f;, yang diberikan oleh Persamaan (10.5) dikalikan ke atas menjadi nfi. Ini kemudian dimasukkan ke sebuah konverter ke-bawah bersama-sama dengan suatu frekuensi osilator fo = (n - 1)f, sehingga frekuensi keluaran yang dihasilkar, adalah (f diberikan oleh Persamaan (10.5))

fkeluar =nfi + fo

= (fc + Δfm(t) (10.64)

59

Ini menunjukkan bahwa pembawa dikonversikan kembali ke frekuensi aslinya dengan deviasi yang dikalikan dengan n.

Bila osilator utama adalah hanya sebuah osilator LC, rancangan modulasi-langsung tidak mampu untuk memenuhi peraturan-peraturan tentang kestabilan frekuensi. Dalam Gambar 10.9(c) kestabilan diperbaiki dengan suatu rangkaian AFC. Suatu contoh (sample) dari sinyal keluaran akhir dicampur dengan sinyal dari suatu osilator kristal yang stabil. IF yang dihasilkan mengandung frekuensi selisih antara pembawa dan osilator tetap. Suatu rangkaian diskriminator membangkitkan suatu tegangan yang sebanding dengan frekuensi selisih ini. Ini juga mengandung sinyal modulasi, dan sebuah filter lowpass digunakan untuk menghilangkan ini, sehingga hanya meninggalkan suatu tingkat do yang berubah-ubah yang sebanding dengan selisih antara frekuensi pembawa dan osilator. Tegangan ini ditambahkan ke sinyal audio modulasi dan dimasukkan ke modulator reaktansi dengan cara sedemikian sehingga membetulkan setiap penyimpangan pada frekuensi osilator utama. Perolehan dari rantai (loop) umpan-balik frekuensi ditentukan oleh konstanta perkalian frekuensi dan oleh perolehan-perolehan modulator dan diskriminator. Harus dijaga dengan baik bahwa rantai umpan-balik adalah stabil; jika tidak, dapat terjadi osilasi pada frekuensi-frekuensi modulasi.

Penguat-penguat daya kelas C dapat digunakan untuk pemancar-pemancar FM, karena setiap perubahan-perubahan kecil pada amplitudo sinyal FM biasanya pada rangkaian-rangkaian penerima dihapuskan oleh penguat-penguat pembatas (limiting amplifier). Lagi pula, penguat-penguat tersebut tidak mempunyai pengaruh penting apapun pada modulasi itu sendiri, sedangkan interferensi kebisingan banyak berkurang. Hasilnya ialah bahwa pemancar FM adalah jauh lebih efisien daripada suatu pemancar AM.

60

GAMBAR 10.9. (a) Sebuah pemancar FM yang dimodulasi langsung; (b) sistem untuk menaikkan deviasi suatu sinyal FM; (c) modulator reaktansi yang distabilkan frekuensi.

61

5.4. Pemancar FM yang Dimodulasi Tidak Langsung

Modulasi fasa dapat digunakan untuk mendapatkan modulasi frekuensi dengan metoda tidak4angsung, yang teorinya telah diberikan dalam Bagian 10.4. Hanya diperlukan integrasi sinyal modulasi sebelum memasukkannya ke modulator fasa, sedangkan modulasi fasa didapatkan dengan salah satu dari rangkaian-rangkaian Gambar 10.8(c) atau Gambar 10.8(b). Diagram blok untuk pemencar semacam itu ditunjukkan dalam Gambaf 10.10(a). Pemancar ini banyak sekali digunakan dalam peralatan telepon radio VHF dan UHF.

Sebuah metoda tidak-langsung lain yang sangat banyak digunakan ialah metoda Armstrong, di mana modulasi frekuensi didapatkan dari suatu gabungan DSBSC dan modulasi fasa. Gambar 10.10(b) menunjukkan diagram blok dari sebuah pemancar FM yang dimodulasi-Armstrong. Sumber pembawa adalah sebuah osilator kristal dengan suatu frekuensi yang mudah untuk ditangani dalam modulator-modulator. Biasanya ini adalah cukup rendah, seperti misalnya 100 kHz, karena perlunya melakukan beberapa tahap perkalian frekuensi. Suatu contoh (sampel) dari pembawa dipisahkan dan digeser dengan 90° sebelurn dikenakan ke sebuah modulator balaris. Audio diteruskan lewat sebuah rangkaian integrator sebelurn dimasukkan ke modulator.

Keluaran dari modulator balans diperkecil amplitudonya sehingga menjadi sangat kecil dibandingkan dengan keluaran osilator. Keluaran ini adalah jumlah phasor dari kedua jalursisi, tanpa pembawa dan digeser fasanya dengan 90° terhadap keluaran osilator. Bila jalursisi jalursisi ditambahkan pada keluaran osilator, terjadilah modulasi fasa. Ini dapat dilihat dari diagram phasor dari Gambar 10.10(c). Jumlah phasor jalursisi mendahului pembawa dengan 90° dan berubah-ubah amplitudonya. Ini ditambahkan secara phasor pada pembawa untuk menghaasilkan tegangan Epm. Dengan berubahnya besar jalursisi jalursisi, berubah pula sudut Φ antara Epm dan pembawa. Sudut ini diberikan oleh

Tetapi, jika sudut Φ dapat dibuat kurang dari kira-kira 10°, maka tangennya akan hampir sama dengan sudutnya sendiri.

62

Karena itu, untuk deviasi-deviasi sudut yang kecil, yaitu kurang dari 10o, suatu kesalahanan yang kurang dari 1% akan terjadi pada modulasi dan

63

GAMBAR 10.10. Modulasi frekuensi tidak-langsung: (a) modulasi fasa ke modulasi frekuensi; (b) metoda Armstrong; (c) diagram phasor yang melukiskan prinsip dari metoda Armstrong

Ini menunjukkan bahwa modulasi fasa 0 adalah sebanding dengan sinyal DSB, yang pada gilirannya sebanding pula dengan sinyal modulasi yang diintegrasikan, dan seperti telah diperlihatkan sebelumnya, ini menghasilkan modulasi frekuensi ekivalen.

Pada titik ini gelombang mempunyai deviasi frekuensi yang sangat kecil, dan ini harus ditingkatkan sebelum transmisi. Ini dicapai dengan melewatkan sinyal FM melalui serangkaian penguat-penguat pengali frekuensi hingga deviasinya menjadi cukup besar. Sinyal kemudian dikonversi-ke atas atau -ke bawah sampai pada frekuensi pancaran terakhir dan digunakan untuk mendorong sebuah penguat daya kelas C.

Contoh 10.7 Sebuah pemancar Armstrong akan digunakan untuk transmisi pada 15k MHz dalam jalur VHF, dengan deviasi maksimum sebesar 15 kHz pada frekuensi audio minimum dari 100 Hz. Osilator primer adalah sebuah osilator kristal 100 kHz, dan untuk mencegah cacat audio, deviasi modulasi-fasa permulaan dibuat lebih kecil dari 12°. Hitunglah besarnya faktor perkalian frekuensi yang harus disediakan untuk mendapatkan deviasi yang seharusnya dan tentukanlah suatu gabungan dari doublers (pengganda) dan triplers (pengali tiga) yang dapat memberikan ini. Tentukanlah juga kristal penyampur dan masing-masing tingkat-tingkat pengali yang diperlukan.

64

Penyelesaian Deviasi fasa maksimum dari modulator adalah

Bentuk-gelombang yang dimodulasi akan lewat melalui rentetan yang terdiri dari enam tingkat tripler, yang memberikan deviasi akhir sebesar

0,02094 x 729 = 15,265 kHz

pada frekuensi dari 0,1 x 729 = 72,9 MHz. Deviasinya adalah agak tinggi,

tetapi sedikit atenuasi pada sinyal audio akan mengimbangi hal ini. Sinyal osilator penyampur adalah

fo = 152 - 72,9 = 79,1 MHz

Cara mernperoleh fs yang terbaik ialah dengan menggunakan dua tingkat tripler dari sebuah osilator kristal 8,7889 MHz.

10.5.5 Preemphasis

Preemphasis sinyal modulasi adalah perlu untuk mengimbangi deemphasis yang dimasukkan ke dalam penerima untuk memperbaiki perbandingan S/N (lihat Bagianbagian 10.7 dan 10.6.9). Sebuah jaringan preemphasis sederhana ditunjukkan dalam Gambar 10.11 bersama dengan modulus dari fungsi transfer. Di dalam daerah preemphasis, w 1 < w < (02,

di mana J 1 = (1/21rCR1) dan f1 distandardisasikan pada 2,1 kHz. Frekuensi (f2) di mana preemphasis jadi merata dipilih di atas bandpass. Perlu dicatat bahwa modulasi fasa itu sendiri memberikan karakteristik preemphasis yang diperlukan jika integrator diubah sehingga tidak efektif di atas frekuensi

65

cutoff preemphasis 2,1 kHz.

5.6 Siaran FM

Persyaratan utama untuk siaran FM ialah "fidelity" yang sangat baik, karena bahan siaran utama adalah musik. Modulasi frekuensi dalam beberapa cara berfungsi untuk memperbaiki fidelity ini. Pertama, karena siaran FM terjadi pada jalur VHF dari 88 sampai 108 MHz, dapat digunakan jalur dasar (baseband) yang jauh lebih lebar. Lebar jalur dasar utama yang sekarang banyak digunakan ialah 50 Hz sampai 15 kHz, dengan deviasi maksimum yang diizinkan sebesar ± 75 kHz. Jarak antar saluran adalah 200 kHz dan keluaran-keluaran daya yang dipakai dapat mencapai hingga 100 kW.

Gambar 10.11. Sebuah jaringan preemphasis dan fungsi transfernya

Hingga belum lama berselang, siaran-siaran FM mono saluran-tunggal adalah umum, tetapi sekarang hampir semua stasiun-stasiun FM memancarkan programa stereo duasaluran. Dalam waktu dekat ini mungkin diubah lagi lebih lanjut untuk memberikan stereo empat-saluran. Selanjutnya, beberapa stasiun FM masih "memultipleks-pembagian-frekuensi" suatu saluran tambahan pada pembawanya untuk keperluan mem-

66

berikan musik latar-belakang (background music) pada gedung-gedung yang sifatnya untuk umum; sistem ini diberi lisensi sebagai suatu "otorita komunikasi bantuan" ("subsidiary communications authorization" = SCA).

Pemancar yang digunakan adalah khas dari jenis Armstrong yang telah dibicarakan dalam Bagian 10.5.4. Deviasi-deviasi permulaan dibuat kecil untuk membatasi distorsi modulasi, dan banyak digunakan tingkat-tingkat perkalian frekuensi untuk membawa deviasi ke tingkat yang diperlukan pada keluaran. Sekali lagi, untuk menyediakan keluaran daya yang diperlukan, tingkat akhir adalah sebuah penguat kelas C paralel push-pull. Pada tingkat ini digunakan tabung-tabung vakum yang didinginkan dengan air.

Perbedaan utama antara sistem-sistem FM yang telah dibicarakan dan sistem siaran terletak pada komposisi dari sinyal audio yang disajikan ke modulator. Ini adalah suatu sinyal terpadu yang membawakan beberapa sinyal, dan semua ini akan kita bicarakan sekarang.

Pertama-tama, jika akan digunakan transmisi FM mono, hanya satu saluran saja yang diperlukan, dan saluran audio tunggal itu langsung dikenakan ke masukan modulator. Harus diadakan kompensasi penuh untuk memberikan fidelity yang baik dalam jalur dari 50 hingga 15,000 Hz.

Stereo dua-saluran diperoleh sebagai berikut. Kedua saluran audio tidak hanya dimultipleks-pembagian-frekuensi sebelum modulasi. Mula-mula keduanya dicampur untuk memberikan dua buah sinyal baru, yang satu di antaranya adalah suatu sinyal mono yang balans (seimbang). Yang pertama adalah jumlah dari dua saluran-saluran masukan, dan yang kedua adalah selisihnya. Saluran jumlah langsung dimodulasikan pada bagian jalur dasar (baseband) antara 50 dan 15.000 Hz. Sinyal selisih dimodulasiDSBSC pada kedudukan (slot) 23-53 kHz di sekitar suatu pembawa pada 38 kHz. Sebuah pembawa pemandu (pilot carrier) pada 19 kHz juga dipancarkan. Sinyal jumlah dari bagian audio dari jalur dapat didemodulasi oleh sebuah penerima FM mono untuk memberikan penerimaan mono biasa. Sebuah penerima dengan demodulator stereo juga dapat mengambil kembali sinyal selisih, dan menggabungkan keduanya untuk menghasilkan sinyal-sinyal saluran L dan R asli (L = left, kiri; R = right, kanan). Gambar 10.12(a) menunjukkan diagram blok dari rangkaian-rangkaian penyampur pramodulasi.

Saluran-saluran L dan R dijumlahkan dan diteruskan lewat filter 15 kHz low-pass untuk membentuk bagian mono dari sinyal jalur dasar. Saluran R dibalikkan (inverted) dan kemudian ditambahkan ke sinyal L untuk mendapatkan sinyal selisih L-R. Sinyal ini dimodulasi DSBSC pada pembawa 38 kHz oleh sebuah modulator balans, dan diteruskan lewat sebuah filter bandpass 23-53 kHz untuk menghilangkan setiap komponen-sinyal yang tidak diinginkan. Kedua jalur saluran dan pembawa pemandu 19-kHz ditambahkan bersama untuk menghasilkan sinyal jalur dasar akhir,

67

Gambar 10.22(b). Sinyal terpadu (composite) akhir ini diserahkan ke masukan modulator dari pemancar FM.

GAMBAR 10.12. Sebuah pemancar siaran stereo FM: (a) skema blok; (b) spektrum jalur-dasar (base band) yang menunjukkan kedudukan dati saluran 7,5 kHz tambahan.

Sebuah saluran tambahan sering dimodulasikan pada pembawa yang sama untuk pelayanan ke usaha-usaha komersil, seperti misalnya musik untuk gudang-gudang dan bangunan-bangunan umum. Saluran ini dibatasi pada lebar jalur sinyal sebesar 7,5 kHz dan dimultipleks agar terletak pada daerah dari 53 sampai 75 kHz dengan pembawa pemandu pada 67 kHz. Frekuensi-frekuensi jalur-sisi ditunjukkan dalam Gambar 10.12(b). Saluran tambahan tidak sedikitpun mengganggu siaran biasa.

6. DETEKTOR MODULAR SUDUT

6.1 Deteksi Dasar dari Sinyal-Sinyal FM

Untuk dapat mendeteksi suatu sinyal FM, diperlukan suatu rangkaian yang tegangan keluarannya berubah secara linear sesuai dengan frekuensi dari sinyal masukan. Detektor kecuraman (slope detector) adalah suatu rangkaian dasar dari rangkaian semacam itu, meskipun linearitas responsnya tidak baik. Gambar 10.13(a) menunjukkan susunan dasamya. Dengan

68

menala rangkaian untuk menerima sinyal pada kecuraman (lereng) dari lengkung respons, Gambar 10.13(b), besarnya pembawa V dibuat berubah-ubah dengan frekuensi. Dalam hal ini rangkaian ditala sedemikian sehingga frekuensi resonansinya fo adalah lebih reridah daripada frekuensi pembawa f . Bila frekuensl sinyal meningkat ke atas f1, dengan modulasi amplitudo tegangan pembawa akan jatuh. Bila frekuensi sinyal menurun ke bawah f , tegangan pembawa akan meningkat. Perubahan tegangan terjadi karena perubahan dalam besarnya impedansi pada rangkaian tala sebagai fungsi dari frekuensi, dan ini menghasilkan konversi yang efektif dari modulasi frekuensi menjadi modulasi amplitudo. Modulasi didapatkan kembali dari modulasi amplitudo dengan menggunakan sebuah detektor selubung biasa. Tetapi, daerah linear pada karakteristik transfer tegangan/frekuensi adalah agak terbatas.

GAMBAR 10.13. (a) Detektor kecuraman FM; (b) grafik dari besarnya tegangan versus frekuensi; (c) detektor kecuraman tala-ganda balans (atau detektor Round-Travis); (d) grafik dari tegangan keluaran versus frekuensi, yang menunjukkan lengkung fungsi transfer yang berbentuk-S.

69

Linearitas dapat diperbaiki dengan menggunakan susunan dari Gambar 10.13(c), yang rangkaiannya dikenal sebagai detektor Round-Travis, atau detektor kecuraman balans (balanced slope detector). Rangkaian ini menggabungkan dua rangkaian dari jenis yang ditunjukkan dalam Gambar 10.13(a) dalam suatu konfigurasi yang seimbang (balans). Satu detektor kecuraman ditala pada fol di atas frekuensi pembawa yang masuk, sedangkan yang lain f02 di bawah frekuensi pembawa, dan detektor-detektor selubung menggabungkannya untuk memberikan suatu keluaran diferensial. Ini berarti bahwa dengan menunjukkan respons V1 sebagai positif, respons V2 dapat ditunjukkan negatif pada sumbu-sumbu yang sama; keluarannya yang adalah Vo = I V1 I + I V2 I, akan berbentuk huruf S bila dipetakan terhadap frekuensi, seperti terlihat dalam Gambar 10.13(d). Lengkung-S (S-curve) ini adalah karakteristik dari detektor-detektor FM. Bila sinyal yang masuk adalah tanpa modulasi, keluaran akan balans menjadi nol; bila pembawa menyimpang ke arah fol, IV, I bertambah sementara I V21 berkurang, dan keluaran menjadi positif; sebaliknya, bila pembawa menyimpang ke arah f02, I V1' berkurang sedangkan I V21 bertambah, sehingga keluaran menjadi negatif.

6.2 Diskriminator Foster-Seeley Diskriminator Foster-Seeley mendapatkan kembali tegangan modulasi

dari modulasi frekuensi dengan menggunakan pergeseran sudut-fasa antara tegangan-tegangan primer dan sekunder dari suatu tiaiistorinafor-yang ditala. Sudut fasa in Fada1ah fungsi dari frekuensi, dan dengan mengaturnya sehingga komponen-komponen jumlah-phasor dan selisih-phasor dari tegangan-tegangan primer dan sekunder dimasukkan ke dua buah detektor selubung yang keluarannya kemudian digabungkan, demodulasi sudah di-peroleh. Karena tergantung pada variasi sudut fasa, rangkaian ini juga dikenal sebagai suatu diskriminator fasa, tetapi jangan dikira bahwa rangkaian ini mendeteksi modulasi fasa secara langsung; rangkaian itu mengubah suatu variasi frekuensi yang sebenarnya atau yang ekivalen menjadi suatu variasi sudut-fasa rangkaian, yang pada gilirannya diubah pula menjadi suatu variasi amplitudo.

Rangkaian dasarnya ditunjukkan dalam Gambar 10.14(a). Kapasitor C, mempunyai reaktansi yang dapat diabaikan pada frekuensi pembawa; karena itu, hampir seluruh tegangan primer akan terpasang pada kumparan frekuensi radio (radio-frequency choke - RFC), yang mempunyai reaktansi tinggi pada frekuensi pembawa. Tegangan primer dihubungkan dari RFC ke sadapan tengah (center tap) dari sekunder transformator, yang mengakibatkan bahwa tegangan frekuensi-radio yang terpasang pada dioda

70

D1 adalah V1 + z V2, dan pada dioda D2, V1 - 1 V2. Hubungan fasa antara V1

dan V2 dapat diperoleh sebagai berikut. EMF yang diimbas pada sekunder transformator E2 mempunyai hubungan dengan tegangan primer menurut persamaan

dan untuk frekuensi-frekuensi yang sangat dekat ke resonansi, E2 praktis tidak mengalami pergeseran fasa. EMF sekunder ini dikenakan pada rangkaian resonansi seri yang dibentuk oleh R2, L2, dan C2, yang impedansinya adalah

71

GAMBAR 10.14. (a) Diskriminator Foster-Seeley; (b) jumlah-jumlah phasor V, ± /V, pada resonansi (f = f,); (c) jumlah-jumlah phasor V, ±'/~V2 untuk f > fo; (d) jumlah-jumlah phasor V, ± %VZ untuk f < fo; (e) tegangan keluaran versus deviasi frekuensi.

Misalkan bahwa deviasi frekuensi dari pembawa adalah Sw, sehingga pada setiap saat,

= o +

72

setelah mengsubstitusikan dari Persamaan-persamaan (1.125), (1.65), dan (10.69), dan mengingat bahwa di dekat resonansi, y2 Q2 < 1 sehingga besarnya arus terutama ditentukan oleh resistansi sekunder. Arus pada resonansi tidak mengalami pergeseran fasa dari V1, tetapi pergeseran fasa 12

bervariasi langsung di sekitar nol sesuai dengan deviasi frekuensi pembawa. Tegangan V2 adalah jatuh-tegangan pada kapasitas C2 yang disebabkan oleh arus 12, yang setelah substitusi menjadi

dan di mana sudut deviasi adalah kurang dari kira-kira 0,5 radian dan Q diperoleh dari Persamaan (1.62). Ini menunjukkan bahwa tegangan sekunder V2 telah tergeser dari tegangan primer V1 dengan - 90°, dan mempunyai suatu pergeseran fasa lagi yang berbanding lurus terhadap deviasi frekuensi.

Jumlah phasor dari V1 ± 1 V2 kemudian adalah seperti terlihat dalam Gambar 10.14(b), (c), dan (d) untuk tiga keadaan frekuensi pembawa yang berbeda. Detektor selubung D1 akan menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan I

VD1 I , sedangkan detektor selubung D2, suatu tegangan keluaran yang sebanding dengan I VD21. (Untuk penjelasan tentang cara kerja detektor selubung, lihatlah Bagian 8.2.7). Tegangan keluaran terlihat adalah

di mana K adalah konstanta dari rangkaian-rangkaian detektor.

73

Sebagai ringkasan, dengan meningkatnya frekuensi, pergeseran fasa menjadi makin negatif dan I VD21 bertambah sementara I VD 11 berkurang; karena itu Vo menjadi makin positif. Bila frekuensi berkurang, pergeseran fasa menjadi lebih positif dan I VD2 I ber kurang sedangkan I VD 1 I bertambah; karena itu Vo menjadi

GAMBAR 10.15. Unit penerima FM yang menggunakan penguat-penguat IC dan sebuah diskrin-dnator Foster-Seeley. (Seizin Motorola, Inc.).

makin negatif. Lengkung dari tegangan keluaran Vo versus deviasi frekuensi Of diberikan sketsanya dalam Gambar 10.14(e). Lengkung-S ini adalah karakteristik dari diskriminator; lengkungan pads ujung-ujungnya ditimbulkan oleh karena sangat mengecilnya tegangan sekunder pads frekuensi-frekuensi yang jauh dari resonansi. Perubahan-perubahan amplitude diperkecil hingga tingkat yang dapat diabaikan dengan membatasi-besar (amplitude-limiting) sinyal sebelum dimasukkan ke diskriminator. Dalam praktek didapatkan banyak sekali ragam dari rangkaian ini, dan Gambar 10.15 menunjukkan salah satu yang menggunakan IC. Dalam penerapan ini, blok penguat MFC6010 memberikan perolehan (gain) sedangkan blok penguat MC1355 menyediakan pembatasan-perolehan (gain limiting). Terlihat bahwa tegangan primer digandengkan ke sekunder dengan bantuan sebuah gulungan ketiga (yang dikenal sebagai gulungan terrier)

74

yang digandengkan dengan kuat sekali ke primer. Lagi pula, titik pentanahan telah dipindahkan sehingga keluaran dapat diambil terhadap tanah, sehingga susunan ini adalah jauh lebih praktis.10.6.3 Detektor Perbandingan (ratio detector)

Suatu perubahan yang sangat sederhana dapat dilakukan pads diskniminator FosterSeeley untuk memperbaiki fungsi pembatasan-besar; tetapi besarnya keluaran terpaksa sedikit dikorbankan. Caranya ialah dengan membalikkan salah satu dioda sehingga susunan ini adalah jauh lebih praktis.

----- o O o -----

Derau

2. PENGANTAR

Penerimaan suatu sinyal dalam sistem telekomunikasi dapat dirusak oleh derau (noise), yang mungkin berasal bermacam-macam sumber. Misalnya, satu sumber yang jelas mungkin berupa hubungan-hubungan yang tidak betul di dalam peralatan, yang pada prinsipnya dapat dihilangkan.

Derau juga terjadi bila hubungan-hubungan listrik yang mengandung arus diputuskan atau ditutup, seperti misalnya dalam sistem pengapian (ignition) mobil atau pada sikat-sikat (brushes) sebuah mesin listrik. Sekali lagi, pads prinsipnya kebisingan dari sumber-sumber ini dapat ditekan dengan efektif pads sumbernya.

Gejala-gejala alam yang menimbulkan derau misalnya adalah badai listrik, semburan api matahari (solar flare), dan sabuk-sabuk radiasi

75

(radiation belt) tertentu di ruang angkasa. Satu-satunya cara yang efektif untuk mengurangi kebisingan semacam itu ialah dengan penempatan dan pengarahan kembali antena penerima di mana mungkin, untuk membuat penerimaan kebisingan seminimal mungkin, sementara sinyal yang diterima diusahakan tidak banyak berkurang.

Selain itu, ada jugs sumber-sumber derau yang alami, atau mendasar, di dalam peralatan-peralatan elektronik; sumber-sumber ini dinamakan mendasar (fundamental) karena merupakan bagian yang tak dapat dihindari dari sifat fisik dari bahan-bahan yang digunakan untuk membuat komponen-komponen elektronik tersebut.

Derau semacam ini ternyata tunduk pada hukum-hukum fisika tertentu, dan pengertian tentang ini memungkinkan dirancangnya peralatan-peralatan, di mana pengaruh darau dapat dibuat minimum.

Seperti dalam pengertian biasa, derau dapat terdengar; tetapi dalam arti yang lebih luas, kebisingan juga meliputi gangguan-gangguan visual (yang terlihat) seperti yang terjadi dalam penerimaan siaran televisi, atau dalam rekaman daftar untuk data (chart recording of data). Dalam hubungannya dengan telekomunikasi, kebisingan juga akan digunakan untuk menyatakan gangguan-gangguan listrik yang menimbulkan derau yang dapat didengar atau dapat dilihat, dan juga kesalahan-kesalahan dalam transmisi data.

3. DERAU TERMIS

Elektron-elektron bebas di dalam sebuah penghantar bergerak secara sembarang sebagai akibat dari diterimanya energi termis (thermal energy = energi panas). Jadi, pada setiap saat tertentu, suatu kelebihan elektron mungkin terjadi pada salah satu ujung penghantar itu, dan meskipun tegangan rata-rata yang dialdbatkannya adalah nol, days rata-rata yang tersedia adalah tidak nol (sama seperti suatu keluaran day sinyal rata-rata dapat diperoleh dari suatu tegangan sinusoida yang rata-ratanya adal nol).

Karena daya derau disebabkan oleh energi panas, daya tersebut dikenal seba ai derau termis (atau kadang-kadang derau Johnson, menurut nama penemunya). Tentunya dapat diharapkan bahwa daya derau termis akan ada kaitannya dengan suhu penghantar, dan telah didapatkan bahwa daya rata-rata adalah sebanding dengan su)1i absolut dari penghantar tersebut. Juga telah ditemukan bahwa daya kebisingan rata-rata sebanding dengan lebar-bidang (bandwidth, atau lebar jalur) frekuensi, atau spektrum dari kebisingan termis; hal ini akan dijelaskan kelak dengan lebih mendetil.

76

Hukum yang menghubungkan daya dearu yang tersedia (rata-rata) dengan suhu dan lebar-bidang adalah

di manaPn = daya dearu rata-rata yang tersedia, watt T = suhu penghantar, okelvin B = lebar-bidang spektrum kebisingan, hertz k = konstanta Boltzmann

= 1,38 x 10-23 joule/kelvin

Hukum yang sangat sederhana tetapi berguna ini dapat dibenarkan atas dasar-dasar fisika. Ini berarti bahwa sebuah penghantar dapat dipandang sebagai suatu pembangkit energi listrik hanya dengan cara berada pada suatu suhu tertentu. Bentuk-gelombang tegangan sesaat/waktu (instantaneous voltage/time) yang khas diperlihatkan dalam Gambar 4.1(a).

GAMBAR 4.1. (a) Variasi tegangan/waktu untuk tegangan derau; (b) kerapatan spektrum daya derau untuk kebisingan termis.

Dalam Bab 2 sudah dijelaskan bahwa setiap bentuk-gelombang tegangan/waktu mempunyai suatu spektrum frekuensi, dan dalam hal tegangan derau termis, yang penting adalah kerapatan spektrum daya (power

77

spectrum density). Kerapatan spektrum daya adalah daya derau rata-rata per hertz lebar-bidang, dan dari Persamaan (4.1) ini adalah

Sn= kT watt/hertz (W/Hz) (4.2)

Jadi grafik kerapatan spektrum untuk derau termis adalah seperti terlihat dalam Gambar 4.1(b). Pada suhu ruangan (T= 2900 K), kerapatan spektrum adalah

Untuk suatu lebar-bidang sebesar 1 MHz, daya derau yang tersedia adalah

Kita mungkin mengira bahwa ini adalah suatu daya yang kecil saja dan kurang berarti; tetapi untuk melihatnya dengan perspektif yang benar, kita harus membandingkannya dengan daya sinyal yang tersedia. Sinyal itu besarnya mungkin

dalam orde 1,0µV EMF dalam suatu sumber 50-52, sehingga daya sinyal yang tersedia (lihatlah Persamaan 1.136) adalah

Daya sinyal dan derau terlihat mempunyai besar dengan orde yang sama, dan setiap penguatan yang berikutnya tidak akan memperbaiki perbandingan sinyal-derau (signal-to-noise ratio).

Karena merupakan sebuah generator daya listrik (meskipun daya derau dalam hal ini), penghantar itu mempunyai suatu rangkaian generator tegangan ekivalen, atau arus ekivalen, yang dapat melukiskan sumber derau tersebut. Pertama-tama kita tinjau rangkaian ekivalen tegangan. Daya rata-rata yang dicatu oleh sebuah generator tegangan dengan tegangan rms dalam

78

sebesar E8, dan resistansi dalam R8, ke suatu beban RL, Gambar 4.2(a), bila bersesuaian (matched, yaitu Rs = RL) adalah suatu maksimum, dan diberikan oleh Persamaan (1.136) sebagai

Dengan menerapkan penalaran ini untuk sebuah resistansi R, yang dianggap sebagai sebuah generator derau dengan tegangan derau rms sebesar En, didapat

Persamaan ini menunjukkan bahwa sifat-sifat derau (kebisingan) termis sebuah penghantar dapat direpresentasikan oleh rangkaian ekivalen dari Gambar 4.2(b). Ini adalah salah

GAMBAR 4.2. (a) Sebuah generator tegangan dengan tegangan rms dalam Es dan resistansi dalam Rs, dihubungkan ke sebuah beban RL; (b) rangkaian ekivalen generator-tegangan untuk suatu sumber derau (c) rangkaian ekivalen generator-arus untuk suatu sumber tegangan.

satu representasi derau yang paling berguna dan digunakan dengan luas dalam perhitungan-perhitungan performa kebisingan dari peralatan-peralatan. Dalam menggunakannya, lebih baik untuk bekerja dengan E2

n dan bukannya En, karena alasan-alasan yang akan dijelaskan kemudian.

Rangkaian ekivalen generator arus untuk dearu termis ditunjukkan dalam Gambar 4.2(c), yang dapat diturunkan dengan mengikuti langkah-langkah yang serupa seperti untuk rangkaian tegangan. Arus derau kuadrat-rata-rata

79

(dari Persamaan (1.138) setelah menggantikan kTB untukPL) adalah

di mana

Jika sebuah penghantar dengan resistansi R mencatu daya kebisingan termis ke suatu resistansi beban RL, maka resistansi beban RL juga harus mencatu daya kebisingan termis ke penghantar, dan dalam keadaan keseimbangan termis (thermal equilibrium), pertukaran daya bersih (net) adalah nol. Sebaliknya, bila beban adalah sebuah indikator keluaran (misalnya pengeras suara), keluaran derau akan berupa hasil dari RL dan R bersama-sama.

2.1 Resistor dalam Seri

Rangkaian ekivalen tegangan derau perlihatkan dalam Gambar 4.3(a). Karena dua buah resistor seri dapat digantikan dengan sebuah resistor tunggal Rs = R1 + R2, rangkaian dapat digambar kembali seperti dalam Gambar 4.3(b). Dari sini kita dapatkan bahwa

Ini menunjukkan bahwa tegangan derau resultan yang dikuadratkan adalah sama dengan juinlah dari kuadrat masing-masing tegangan kebisingan, atau sama juga dengan

Perhatikanlah bahwa penjumlahan begitu saja dari tegangan-tegangan kebisingan, yaitu (En1 + En2) akan memberikan hasil yang salah; karena alasan ini, lebih baik untuk bekerja dalam tegangan kebisingan yang dikuadratkan.

Cara ini jelas dapat diperluas untuk resistor-resistor seri yang berapa pun banyaknya, sehingga tegangan derau resultan adalah:

80

81

GAMBAR 4.3. (a) Due sumber derau yang terhubung Seri; (b) rangkaian ekivalen generatortegangan untuk hubungan Seri; (c) due sumber derau yang terhubung paralel; (d) rangkaian ekivalen generator-arus untuk (c); (e) rangkaian ekivalen generator-tegangan untuk (c).

2.2 Resistor dalam Paralel

Untuk dua buah resistor yang diparalel rangkaian derau ekivalen adalah seperti terlihat dalam Gambar 4.3(c). Di sini adalah paling mudah untuk bekerja dengan konduktansi G dan rangkaian ekivalen generator-arus. Karena dua buah konduktansi paralel dapat digantikan dengan sebuah konduktansi tunggal Gp = G1 + G2 , rangkaian dapat digambar kembali seperti dalam Gambar 4.3(d). Dari sini, kita peroleh

Cara ini juga dapat diperluas untuk resistor-resistor paralel yang berapa pun jumlahnya, sehingga didapat

Bila dikehendaki untuk memperoleh rangkaian ekivalen generator-tegangan untuk resistor-resistor yang diparalel, resistansi-paralel ekivalen Rp

digunakan seperti terlihat,dalam Gambar 4.3(e), di mana

Contoh Soal: Dua buah resistor, 20 kΩ dan 50 kΩ, berada pada suhu ruangan.(290° K). Hitunglah tegangan derau termis untuk lebar-bidang 100 kHz: (a) untuk masing-masing resistor; (b) untuk kedua resistor dalam seri; (c) untuk kedua resistor dalam paralel.

82

dan

Penyelesaian

(Perhatikanlah penggunaan kesebandingan di sini).

(b) Dalam seri,

Karena itu,

Hasil dalam seri: En = 10,59 μV

83

Karena itu En = 4,78 µv (hasil dalam parallel)

Pesawat Penerima

1. PENGANTAR

Pesawat penerima radio melakukan fungsi-fungsi yang berikut ini. Mereka memisahkan sebuah sinyal radio yang dikehendaki dari semua sinyal radio lain yang mungkin diterima oleh antena, dan menolak semua sinyal lain tersebut. Sinyal yang dipisahkan tersebut kemudian diperkuatnya sampai ke suatu tingkat yang dapat digunakan. Akhirnya, sinyal suara dipisahkannya dari pembawa (carrier) radio, dan diteruskannya ke pemakai.

Bab ini akan mempelajari prinsip-prinsip kerja dari beberapa pesawat penerima radio yang umum dipakai, sebagian besar pembahasan didasarkan pada diagram-diagram blok, sedangkan untuk rangkaian terperinci dari masing-masing blok, pembaca dipersilahkan melihat kembali bab-bab yang terdahulu.

2. PENERIMA SUPERHETERODYNE

84

Penerima-penerima model lama yang dipakai untuk penerimaan sinyal yang dimodulasi-amplitudo atau sinyal-sinyal telegraf dengan pembawa-yang-terputus-putus (interrupted-carrier telegraph signals) menggunakan prinsip frekuensi radio yang ditala atau tuned radio frequency (disingkat TRF). Ini hanya berupa sebuah rantai penguatpenguat, yang masing-masing ditala pada frekuensi yang sama dan sinyal berbatasan yang buruk, terutama bila diharuskan untuk menala pada cakupan-cakupan frekuensi yang lebar, karena Q dari rangkaian-rangkaian tala berubah-ubah dengan frekuensi.

Penerima superheterodyne dikembangkan untuk memperbaiki selektivitas saluran berbatasan (adjacent channel selectivity) ini dengan menempatkan

bagian terbesar dari selektivitas frekuensi pada tingkat-tingkat frekuensi-antara (intermediate frequency.

85

GAMBAR 7.1. (a) Rangkaian penerima superheterodyne. (b) Spektra sinyal dalam penerima superheterodyne.

IF) setelah konversi frekuensi yang pertama. Adalah jauh lebih mudah untuk mendapatkan selektivitas ini pada IF, karena rangkaian-rangkaian tinggal tetap-ditala pada IF, dan tidak berubah-ubah meskipun dipilih stasiun-stasiun yang berbeda. Prinsip superheterodyne adalah sedemikian bahwa jika dua buah sinyal sinusoida dengan frekuensi yang berbeda dicampur, sehingga keduanya saling mengalikan (multiply) atau saling menambah (add) dan kemudian diteruskan lewat sebuah rangkaian dengan fungsi transfer tidaklinear, maka sinyal keluaran akan mengandung komponen-komponen sinyal pada frekuensi-frekuensi yang merupakan jumlah, selisih, dan masing-masing dari kedua frekuensi asal tersebut. Juga akan terdapat campuran-campuran harmonisa dari sinyal-sinyal ini, tetapi jika kedua frekuensi dasar dipilih dengan hati-hati, ini tidak akan saling mengganggu (interfere).

Prinsip inilah yang menjadi dasar dari modulasi amplitudo dan semua proses konversi-frekuensi - seperti misalnya, multipleks frekuensi dari saluran-saluran telepon. Penerima siaran superheterodyne adalah penerapan yang orisinil dari prinsip ini, dan masih merupakan salah ,,satu yang terbesar. Istilah "superheterodyne" adalah singkatan dari "supersonic

86

heterodyne", yang dapat diartikan sebagai pembangkitan frekuensi-frekuensi campuran (beat frequencies) di atas batas pendengaran.

Penerima superheterodyne dasar dilukiskan dalam Gambar 7.1. Tingkat pertama adalah sebuah penguat RF ditala, yang kegunaan utamanya adalah untuk memperbaiki perbandingan S/N (lihat Bagian 4.9.1). Tingkat ini juga memberikan sedikit perbaikan dalam selektivitas RF dan penurunan pancaran kembali dari osilator (oscillator re-radiation). Tetapi, pada penerima-penerima yang murah tingkat ini biasanya ditiadakan. Keluaran dari tingkat RF tala diumpankan ke masukan sinyal dari sebuah rangkaian osilator-penyampur di mana terjadi pembangkitan frekuensi-frekuensi campuran (heterodyning). Rangkaian osilator biasanya ditala dengan penalaan kapasitansi, dan ketiga kapasitor tala (tuning capacitor) disatukan (ganged) secara mekanis pada sebu sumbu dan tombol pengaturan bersama. Osilator dan penyampur dapat me an rangkaianrangkaian terpisah, atau dapat juga dikombinasikan seperti dalam rangkaian penyampur autodyne.

Keluaran penyampur (frekuensi selisih untuk konversi-ke bawah dalam penerima) diumpankan ke dua buah penguat tala IF, yang ditala-tetap dan mempunyai cukup selektivitas untuk menolak sinyal-siny'al dari saluran yang berbatasan. Keluaran dari penguat IF dimasukkan ke detektor, di mana sinyal audio dihasilkan kembali, atau didemodulasi (demodulated). Detektor juga menyediakan sinyal-sinyal untuk pengaturan perolehan otomatis. (automatic gain control = AGC) dalam penerima-penerima AM, atau pengaturan frekuensi otomatis (automatic frequency control = AFC) dalam penerima-penerima FM. Sinyal AGC dikenakan pada satu atau beberapa dari penguat IF dan RF, sedangkan sinyal AFC digunakan untuk membetulkan frekuensi osilator lokal. Keluaran audio diteruskan melalui sebuah pengatur volume ke penguat audio, yang biasanya terdiri dari satu penguat tegangan tingkat-rendah yang diikuti oleh sebuah penguat daya, dan akhirnya dihubungkan ke sebuah pengeras suara.

3. PILIHAN FREKUENSI ANTARA DAN FREKUENSI OSILATOR

Frekuensi antara (intermediate frequency = IF) pada umumnya dipilih lebih rendah daripada frekuensi sinyal terendah yang akan diubah, meskipun dalam beberapa hal khusus suatu konversi - ke atas boleh juga digunakan. Frekuensi yang sebenarnya terpilih adalah suatu kompromi. Makin rendah IF yang dipilih, makin mudah pula untuk mendapatkan

87

selektivitas yang diperlukan untuk menolak sinyal-sinyal dari saluran yang berbatasan. Tetapi penolakan sinyal-sinyal bayangan (image signals) akan membaik dengan menaikkan frekuensi (lihat Bagian 7.4). Jika IF terlalu tinggi, dan jatuh ke dalam cakupan frekuensi sinyal, mungkin terjadi pengumpanan langsung, yaitu sinyal langsung masuk ke bagian IF.Pilihan cakupan frekuensi osilator terutama ditentukan oleh cakupan penalaan kapasitor tala, yang dinyatakan sebagai suatu perbandingan, yaitu,

Frekuensi osilator fo dapat dibuat lebih kecil atau lebih besar daripada frekuensi sinyal fs. Jika dibuat lebih kecil, maka

Jika frekuensi osilator dibuat lebih rendah daripada frekuensi sinyal, cakupan aan osilator akan lebih besar daripada jika frekuensi osilator dipilih lebih tinggi. Jik juga dipilih suatu nilai IF yang tinggi, cakupan talaan kapasitor osilator akan jadi be lebihan. Masalah ini tidak begitu kritis pada frekuensi-frekuensi sinyal yang lebih tin , tetapi adalah cukup serius untuk jalur MF (medium frequency = frekuensi menengah), seperti dilukiskan dalam contoh berikutContoh 1 Hitunglah cakupan talaan yang perlu untuk kapasitor dalam sebuah penerima superheterodyne MF yang bekerja pada cakupan sinyal-sinyal dari 500 kHz hingga 1600 kHz, dan menggunakan IF sebesar 465 kHz, jika osilatornya adalah:

(a) Lebih tinggi daripada sinyal frekuensi. (b)Lebih rendah daripada sinyal frekuensi.PenyelesaianCakupan frekuensi dari frekuensi sinyal adalah 500 sampai yang memberikan perbandingan frekuensi sebesar

88

Jika dibuat lebih besar, maka

Karena kapasitansi yang perlu untuk menala rangkaian berubah sesuai dengan kebalikan kuadrat dan frekuensi, perbandingan kapasitansi yang

diperlukan menjadi

(a) Untuk fo > fs, cakupan fo adalah

465 + (500 sampai 1600) = (965 sampai 2065)kHz

Ini memberikan perbandmgan frekuensi untuk osilator menjadi

dan perbandingan kapasitansi untuk kapasitor osilator adalah

(b) Untuk fo < fs, dari Persamaan (7.2a), cakupan fo adalah

-465 + (500 sampai 1600) = 35 sampai 1135 kHz

Perbandingan-perbandingan yang bersesuaian adalah

Cakupan osilator atas harus digunakan. Kombinasi IF dan frekuensifrekuensi osilator ini adalah khas untuk hampir semua penerima siaran AM untuk jalur MF yang dimaksudkan untuk pasaran domestik.

4. PENOLAKAN BAYANGAN

Rangkaian penyampur superheterodyne menghasilkan komponen-komponen sinyal pada frekuensi IF yang adalah selisih antara frekuensi osilator dan frekuensi sinyal. Per-

89

(Tidak praktis!)

samaan (7.2) menunjukkan bahwa sinyal dapat berada di atas atau di bawah frekuensi osilator dan masih menghasilkan suatu sinyal IF. Jika ujung depan

(tingkat RF) penerima tidak mempunyai talaan yang sangat selektif, yang memang akan demikian halnya jika hanya digunakan sebuah rangkaian tala tunggal, bila ditala pada suatu frekuensi sinyal fo - IF, tingkat RF juga akan memberikan respons pada sinyal fo + IF. Sinyal yang lain ini disebutkan sebagai frekuensi bayangan fi , yang diberikan oleh

fi = fs ± 2IF (7.3)

di mana tanda plus digunakan bila fo > fs, dan tanda minus bila fo < fs. Frekuensi bayangan hanya dapat ditolak oleh selektivitas rangkaian-rangkaian tala yang ditempatkan di depan penyampur. Jika frekuensi bayangan sudah terlanjur diubah menjadi IF, frekuensi tersebut tidak mungkin dipisahkan lagi dari sinyal yang dikehendaki.

Ujung depan sebuah penerima adalah satu atau beberapa rangkaian resonansi yang ditala, yang berfungsi sebagai filter. Sebuah rangkaian semacam ini dilukiskan dalam Gambar 7.2(a), di mana suatu rangkaian tala paralel didorong oleh sebuah sumber arus konstan IS (sebuah penguat) dan menghasilkan tegangan keluaran V,. Responsnya pada suatu frekuensi yang dekat dengan tetapi tidak pada resonansi dapat diperoleh sebagai berikut. Besarnya admitansi paralel dari rangkaian resonansi diberikan olehdi mana

dan di mana adalah kurang dari satu dekade di atas atau di bawah o. Tegangan ke-luaran dalam cakupan frekuensi ini diberikan oleh

yang pada resonansi ( = o) dapat diringkas menjadi Vo (res) = Is/yo. Respons relatif pada suatu frekuensi di luar resonansi diberikan oleh

untuk rangkaian tala tunggal. Jika beberapa rangkaian tala dimasukkan dan diisolasikan dengan penguat-penguat, maka respons keseluruhan diberikan oleh hasil-kali

90

di mana

Perbandingan-perbandingan Ar biasanya dinyatakan dalam decibel (dB) dengan meng-gunakan Persamaan (A4).

GAMBAR 7.2. (a) Rangkaian tala paralel. (b) Penolakan fre ensi bayangan.

Gambar 7.2(b) menunjukkan respons sebuah rangkaian tala tunggal yang dibuat graf1knya terhadap frekuensi. Respons puncak terjadi pada sinyal fs, dengan hanya sedikit sekali penurunan respons pada batas-batas dari bandpass IF, yang juga diperlihatkan. Frekuensi fo ditunjukkan pada f8 + IF dan bayangan pada fs + 2 IF. Kemampuan penolakan-bayangan ialah besarnya penurunan respons dalam decibel terhadap respons pads frekuensi resonansi, dan dapat dihitung dengan mudah untuk kasus rangkaiantunggal. Contoh berikut ini akan melukiskan masalahnya.Contoh 2 : Sebuah penerima siaran AM mempunyai IF = 465 kHz dan ditala pada

500 kHz dengan suatu Q sebesar 50 pada frekuensi tersebut. Hitunglah penolakan bayangan dalam dB.

Penyelesaian Dari Persamaan (7.5), respons relatif adalah

91

Dari Persamaan (7.3fi=fs+21Fx465) =1430 kHz

Dari Persamaan (1.65),

Jadi, jika sebuah pemancar dengan kuat sinyal yang sama dengan sinyal yang dikehendaki diterima pada bayangan, yaitu 1430 kHz, sinyal tersebut akan timbul pada keluaran diperlemah (attenuated) dengan - 42 dB. Seandainya ditambahkan sebuah penguat tala RF, maka selektivitas akan menjadi lipat dua, dan penolakan bayangan akan menjadi - 84 dB, jadi lebih dari cukup.

Suatu fenomena yang mirip dengan penolakan bayangan dan terjadi pada frekuensi frekuensi tinggi adalah apa yang dinamakan penerimaan ganda (double spotting); Hal ini terjadi karena alasan yang persis sama seperti dalam respons bayangan, dan kejadiannya adalah sebagai berikut. Sementara osilator lokal ditala menurun pada spektrumnya, sebuah sinyal fs diterima, yaitu pada frekuensi fo - IF. Sementara frekuensi osilator lokal terus diturunkan, sinyal yang sama diterima lagi, kali ini dengan osilator lokal ditala di bawah frekuensi sinyal, sehingga f s

(sekarang frekuensi bayangan) sekarang adalah fo + IF. Amplitudonya akan berkurang, tergantung pada besarnya penolakan bayangan dari penguat RF. Jadi pengaruh penerimaan ganda ialah bahwa pemancar yang sama kelihatannya diterima pada dua posisi setelan yang berbeda pada penunjuk gelombang.

Satu penyelesaian untuk masalah-masalah respons bayangan dan penerimaan ganda ini ialah dengan mempertajam selektivitas dari penguat RF, atau dengan menaikkan IF sehingga bayangannya terletak di luar respons dari penguat, atau suatu kombinasi dari kedua cara tersebut.

Cara penyelesaian lain untuk masalah respons bayangan ialah dengan memilih suatu frekuensi IF pertama yang terletak di atas frekuensi maksimum yang akan ditala, dengan osilator lokal menala cakupan di atas frekuensi itu. Frekuensi-frekuensi bayangan untuk sistem semacam ini terletak bahkan lebih tinggi lagi, yaitu di atas frekuensi-frekuensi osilator dan dapat dengan mudah dihilangkan pada tingkat RF dengan sebuah filter lowpas's yang cutoffnya terletak di bawah IF pertama. Sampai belum lama berselang sistem ini agak

92

kurang praktis, karena filter-filter IF dengan bandpass yang'cukup sempit untuk frekuensi-frekuensi tinggi tidak dapat diperoleh. Tetapi perkembangan-perkembangan terakhir dalam filter-filter kristal dan keramik telah menyediakan bermacam-macam filter IF dengan jalur sempit untuk frekuensi-frekuensi dalam daerah VHF, dan sistem ini sekarang adalah cukup praktis.

93