BABIV

PERCOBAAN 3

FREQUENCY MODULATION

4.1 KompetensiSetelah menyelesaikan Praktikum 3 FM, Mahasiswa mampu:

1. Membangkitkan Sinyal FM

2. Mendeteksi Sinyal FM

4.2 Dasar Teori 4.2.1 Modulasi Frekuensi

Modulasi frekuensi adalah suatu bentuk modulasi dimana frekuensi sinyal

pembawa divariasikan secara proposional berdasarkan amplitudo sinyal input.

Amplitudo sinyal pembawa tetap konstan. Selain itu Frequensi gelombangnya

adalah lurus dan tidak berubah-ubah tergantung pada dimana antenenya

menghadap dan akan terpengaruh oleh adanya hambatan semacam

bangunan,gunung dll. Jangkauannya pendek dan frequensi audio yg diikutkan

padanya tdk mengalami perubahan sehingga sampai pd penerima suaranya akan

tetap sama. Sehingga sangat baik untuk meneruskan sinyal audio tanpa perubahan

sampai pada pendengarnya

4.2.2 Pembangkitan Sinyal FMCara yang paling banyak digunakan untuk membangkitkan FM disebut

FM. Metode ini menggunakan perangkat aktif yang dapat diatur untuk

mengimplementasikan fungsi tegangan ke frekuensi (V/F).Salah satu perangkat

yang digunakan adalah dioda varaktor.Lebih jauh lagi, kapasitansi dari varaktor

dioda bervariasi tergantung pada tegangan prasikap mundur yang diberikan naik

atau turun.Digunakan dengan rangkaian penala, diode varaktor dapat mengubah

tegangan sinyal input ke oscillator yang menghasilkan berbagai macam frekuensi

keluar. Sistem ini sering disebut frequency modulated oscillator, atau FMO. Lihat

gambar 4.1.

Gambar 4.1 Diagram Pembangkitan Sinyal FM

4.2.2.1 Osilator Clapp

Osilator Clapp adalah salah satu dari beberapa jenis osilator

elektronikdibangun dari transistor (atau tabung vakum ) dan umpan balik positif

jaringan, dengan menggunakan kombinasi dari induktansi (L) dengan kapasitor

(C) untuk penentuan frekuensi, demikian juga disebut osilator LC. Osilator Clapp

tersusun dari tiga buah kapasitor dan satu buah induktor. Konfigurasi osilator

clapp sama dengan osilator colpits namun ada penambahan kapasitor yang

disusun seri dengan induktor(L).

Gambar 4.2 Rangkaian Osilator Clapp

Mengacu pada sirkuit dalam gambar, jaringan terdiri dari induktor tunggal

dan tiga kapasitor.Kapasitor C1 dan C2 membentuk suatu pembagi tegangan yang

menentukan jumlah tegangan umpan balik diterapkan pada masukan

transistor.Osilator Clapp adalah osilator Colpitts yang memiliki kapasitor

tambahan ditempatkan secara seri dengan induktor.

Osilator ini diciptakan oleh James Kilton Clapp pada tahun 1948. Menurut

Vackár, osilator dari jenis ini dikembangkan sendiri oleh beberapa penemu, dan

satu dikembangkan oleh Gouriet telah beroperasi di BBC sejak tahun

1938. Osilator Clapp memiliki kestabilan frekuensi yang luar biasa.Ini adalah

variasi sederhana dari osilator Colpitts. Tangki kapasitansi total adalah kombinasi

seri C 1 dan C 2. Inductance efektif L tangki bervariasi dengan mengubah

reaktansi bersih dengan menambahkan dan mengurangkan reaktansi kapasitif

melalui CT dari reaktansi induktif LT C. Biasanya 1 dan C 2 yang jauh lebih besar

dari CT, sedangkan LT dan CT adalah seri resonansi pada frekuensi yang

dikehendaki dari operasi 1. C dan C 2 menentukan rasio umpan balik, dan mereka

begitu besar dibandingkan dengan penyesuaian CT CT yang hampir tidak

berpengaruh pada osilator back.The Clapp pakan mencapai reputasi untuk

stabilitas sejak kapasitansi stray yang dibanjiri oleh C 1 dan C 2 yang berarti

bahwa frekuensi hampir sepenuhnya ditentukan oleh LT dan CT.

4.2.2.2 Dioda Varaktor

Dioda Varactor disebut juga sebagai dioda kapasitas yang sifatnya

mempunyai kapasitas yang berubah-ubah jika diberikan tegangan. Dioda ini

bekerja didaerah reverse mirip dioda Zener. Bahan dasar pembuatan dioda

varactor ini adalah silikon dimana dioda ini sifat kapasitansinya tergantung pada

tegangan yang diberikan padanya. Jika tegangan tegangannya semakin naik,

kapasitasnya akan turun.

Gambar 4.3 Simbol Dioda Varaktor

Pada dasarnya dioda varactor termasuk dioda khusus yang banyak

digunakan dalam aplikasi frekuensi tinggi seperti radio atau pesawat televisi dan

pengendalian motor listrik. Prinsip kerja dioda varactor adalah jenis dioda yang

dilengkapi dengan komponen kapasitor sehingga kapasitor tersebut akan dimuati

arus apabila ada arus yang mengalir melalui dioda tersebut

Kelebihan dari dioda ini adalah mampu menghasilkan nilai kapasitansi

tertentu sesuai dengan besar tegangan yang diberikan kepadanya.Dengan dioda ini

maka sistem penalaan digital pada sistem transmisi frekuensi tinggi mengalami

kemajuan pesat, seperti pada radio dan televisi.Contoh sistem penalaan dengan

dioda ini adalah dengan sistem PLL (Phase lock loop), yaitu mengoreksi oscilator

dengan membaca penyimpangan frekuensinya untuk kemudian diolah menjadi

tegangan koreksi untuk oscilator.

4.2.3 Memperbaiki Linieritas Modulasi FM

Linearitas dan effisiensi adalah hal yang bertolak belakang. Dengan

lineritas penguat yang tinggi akan didapatkan effisiensi yang rendah. Dan dengan

lineritas penguat yang rendah akan didapatkan effisiensi yang tinggi.

Pada pemancar FM, linieritas dari sinyal tidak begitu berpengaruh karena

informasi dari sinyal FM ada frekuensinya. Lain dengan pemancar AM yang

memerlukan linieritas sinyal yang tinggi karena informasi dari sinyal AM terletak

pada amplitudonya.

Untuk pemancar FM penguat transistor yang dibias sebagai kelas C bisa

menjadi pilihan. Pada penguat kelas C, transistor tidak dibias sama sekali

sehingga transistor akan menghantar hanya pada saat ada separuh gelombang

positif pada basisnya (transistor NPN). Walaupun demikian keluaran penguat

kelas C masih dapat menghasilkan gelombang sinus yang utuh karena adanya

indukor pada kolektor akan menghasilkan setengah gelombang.

4.2.4 Automatic Gain Control (AGC)

Automatic Gain Control (AGC) merupakan suatu rangkaian yang mampu

mengatur penguatan pada suatu sistem dan mengontrolnya secara automatis.

Ratarata level sinyal keluaran merupakan feedback untuk mengatur gain agar

sesuai dengan range level sinyal masukan. Automatic Gain Control secara efektif

menurunkan level daya bila sinyal terlalu kuat dan menaikkannya bila sinyal yang

diterima terlalu rendah. Automatic Gain Control diperlukan setelah sinyal

diproses pada downconverter sehingga range sinyal dapat diproses pada

Intermediate Frekuensi (IF).

AGC berfungsi untuk membatasi besar daya yang tertangkap agar tidak

terjadi kelebihan beban & distorsi karena penguat biasanya dirancang untuk

mendeteksi sinyal terlemah dan mempunyai linearitas terbatas. AGC juga dapat

digunakan sebelum ADC pada DSP untuk efisiensi bit.

4.2.5. Pendeteksian Sinyal FM

Umumnya, penerima gelombang Fm modern menggunakan subsistem

phase-locked loop (PLL) sebagai pendeteksi.PLL tidak sensitive terhadap variasi

amplitudo dan dapat melakukan fungsi F/V, karena itu dapat digunakan sebagai

pendeteksi FM. Pada penerima FM stereo juga harus terdapat rangkaian

demultiplexing. Pendeteksi PLL dapat dilihat pada gambar 4.4

Gambar 4.4 Diagram Pendeteksian Sinyal FM

Cara kerja pendeteksi PLL adalah sebagai berikut: Voltage Controlled

Oscillator (VCO) bekerja bebas pada intermediate frequency (IF) 10,7 MHz.

Sinyal yang masuk, jika tidak termodulasi, terkunci dengan sinyal VCO,

menyebabkan tidak ada sinyal dari tahapan LPF yang keluar.

Sekarang, asumsikan bahwa sinyal yang masuk telah termodulasi dengan

nada suara tunggal. Pendeteksi fasa (phase detector) akan menampilkan tegangan

error pada VOC dengan maksud untuk mengatur agar VOC terkunci terhadap

sinyal yang masuk. Karena frekuensi sinyal yang masuk melakukan simpangan

diatas atau dibawah intermediate frequency 10.7 MHz dengan jumlah simpangan

tertentu per detik, VCO akan melakukan hal yang sama, mengikuti variasi

frekuensi sinyal masukan. Tegangan error (error voltage) dari LPF, yang

menggerakan VCO, akan identik dengan sinyal pemodulasi, yang kemudian

digunakan sebagai sinyal keluaran (gelombang suara/informasi).

4.2.5.1 Phase Locked Loop (PLL)

PLL detector merupakan detektor dengan sistem umpan balik yang

memberikan tegangan kesalahan yang sebanding dengan beda fasa antara sinyal

masuk dan sinyal yang dihasilkan oleh VCO. Tegangan kesalahan disaring dan

diberikan ke VCO sehingga VCO bekerja pada frekuensi sinyal.Kalau frekuenssi

naik, tegangan kesalahan naik dan meninggikan VCO. Begitu pula sebaliknya,

VCO mengendalikan tegangan sehingga mengikuti modulasi frekuensi dari sinyal

masuk dan jika controlled voltage masuk dari serpih PLL, maka PLL berperan

sebagai detector FM.

Gambar 4.5 Diskriminator PLL

PLL kependekan dari ‘Phase-Locked Loop’ pada dasarnya adalah sebuah

system control frekuensi yang memanfaatkan sensitivitas deteksi fasa antara

sinyal input dan output dari sebuah rangkaian osilasi yang terkontrol.

Rangkaian PLL yang paling sederhana yaitu terdiri dari sebuah VCO

(Voltage Control Oscillator), detector fasa (Phase detector), dan crystal oscillator.

Sebuah frekuensi f1 yang dihasilkan oleh crystal oscillator kemudian diumpankan

ke rangkaian phase detector untuk dibandingkan dengan frekuensi f2 dari VCO.

Phase detector akan membandingkan frekuensi f1 dan f2, pada kondisi awal f1 ≠

f2 karena frekuensi dari VCO = 0 Hz.

Karena ada perbedaan frekuensi antara f1 dan f2, maka rangkaian phase

detector akan menghasilkan tegangan Vdc yang mencatu VCO. Tegangan Vdc ini

menyebabkan rangkaian VCO berosilasi dan menghasilkan sebuah frekuensi f2.

Rangkaian VCO akan terus berosilasi menghasilkan frekuensi f2 sampai f2 = f1.

Ketika f2 = f1, maka tegangan Vdc keluaran rangkaian phase detector = 0 dan ini

menyebabkan rangkaian VCO berhenti berosilasi (Locked) saat frekuensi dan fasa

dari kedua sinyal sama, maka rangkaian ini disebut dengan Phase-Locked Loop.

Karakteristik PLL :

1. Kebal terhadap noise meski sinyal masukan lemah dan daerah yang

masuk PLL terkunci pada masukan IF

2. Lebar jalur ditetapkan oleh tapis LPF (dengan mengubah RC)

3. Mempunyai dua keluaran yaitu VCD dan dari penguat

Kegunaan PLL :

1. Detector dalam penerima AM

2. Dalam menerima sinyal TV untuk mengsinkronkan ayunan horisontal

dan ayunan vertikal

3. Penala stereo FM

4. Synthesizer frekuensi

5. Signal Tracking satelit

Ketika sebuah modulator terkena frekuensi yang berosilasi pada frekuensi

IF tengah, bila tidak ada sinyal yang diterima atau bila modulasi pembawa yang

diterima = 0 maka keluaran osilator memiliki frekuensi yang sama seperti IF yang

diterima dan rangkaian pembanding fasa mengahasilkan suatu sinyal nol. Jika

frekuensi sinyal yang diterima berubah-ubah sesuai sinyal pemodulasi, nilai

tegangan pada masukan VCD akan berubah-ubah disekitar nilai bias seirama

dengan sinyal modulasi.

4.2.5.2 Quadrature Detector

Pada quadrature detector, sinyal FM yang diterima dibagi menjadi dua

sinyal.Salah satu nya diteruskan melalui High-reactance capacitor yang

menggeser fasa sinyal 90 derajat. Sinyal yang tergeser fasa ini kemudian

diteruskan ke sebuah rangkaian LC, yang resonant pada Sinyal FM tidak

termodulasi, "center" atau "carrier" frequency. Jika sinyal FM yang diterima sama

dengan center frequency, maka 2 sinyal akan memiliki beda fasa 90 derajat dan

mereka dikatakan dalam kondisi "Phase Quadrature" yang mana menjadi nama

metode ini. Dua sinyal ini kemudian dikalikan bersama pada alat analog atau

digital yang disebut phase detector, yang mana outputnya sebanding dengan beda

fasa antara dua sinyal. Dalam kasus Sinyal FM tidak termodulasi, output phase

detector adalah konstan, yaitu nol (0).

Namun jika sinyal FM yang diterima telah termodulasi, maka frekuensinya

akan berfariasi dari center frequency. Jika demikian, Rangkaian LC Resonant

akan menggeser fasa lebih jauh dari pergeseran kapasitor, jadi jumlah pergeseran

fasa berupa penjumlahan dari 90 derajat dari kapasitir dan pergeseran fasa positif

atau negatif yang diakibatkan oleh rangkaian LC. Sehingga kini output dari phase

detector tidak lagi nol dan dapat digunakan untuk memperoleh sinyal asli yang

digunakan untuk memodulasi pembawa FM.

Gambar 4.6 Quadrature Detector

4.2.5.3 Detektor Perbandingan (Ratio Detector)

Ratio Detector merupakan farian dari Diskriminator Foster Seeley, tapi

salah satu dioda dihubungkan dengan arah berlawanan.Output dari detektor ini

merupakan penjumlahan dari tegangan dioda dan center tap.Output yang melewati

dioda dihubungkan pada kapasitor yang bernilai besar, yang menghilangkan noise

AM pada keluaran ratio detector. Berbeda dengan Diskriminator Foster-Seeley,

Ratio detector tidak akan merespon sinyal AM. Namun keluarannya hanya 50%

dari output dari Diskriminator Fooster-Seeley untuk sinyal masukan yang sama.

Gambar 4.7 Rangkaian Ratio Detector

Output dari rangkaian ini tidak diukur antara 2 dioda sebagaimana

diskriminator, karena tegangannya tidak berbeda dengan modulasi.Sebaliknya,

keluarannya diukur antara center tap yang memuat resistor beban dan sambungan

antara C4 dan C5. Tegangan keluarannya akan satu setengah dari perbedaan

antara tegangan di C4 dan C5

4.2.6 Spektrum Sinyal FM

Spektrum frekuensi FM lebih kompleks dibanding AM, lebih mudah

dijelaskan dengan fungsi Bessel dari jenis yang pertama yang dinyatakan dengan

Jn(mf) dimana n : orde frekuensi sisi.

v=A {J0 (mf )sin ωc t +J 1 ( mf ) [sin (ωc+ωm ) t−sin ( ωc−ωm ) t ]+J 2 (mf ) [sin (ωc+2 ωm )t +sin (ωc−2ωm ) t ]+J 3 (mf ) [sin (ωc+3ωm ) t−sin (ωc−3 ωm ) t ]+J 4 ( mf ) [sin (ωc+4 ωm ) t+sin ( ωc−4 ωm ) t ] …. }

Terlihat spektrum terdiri dari pembawa dan berpasangan bidang sisi yang

tak berhingga diwakili koefisien j.

Gambar 4.8 Spektrum Sinyal FM

Misalnya untuk mf=0,5

Pembawa (fc) J0(0,5) = 0,94

Frekuensi-frekuensi sisi orde pertama (fc ± fm) J1(0,5) = 0,24

Frekuensi-frekuensi sisi orde kedua (fc ± fm) J2(0,5) = 0,03

Gambar spektrum frekuensi untuk beberapa nilai mf :

Gambar 4.9 Spektrum Frekuensi FM

4.2.7 Bandwith FM

Lebar bandwidth sinyal FM adalah tak berhingga.Namun pada praktek

biasanya hanya diambil bandwidth dari jumlah sideband yang signifikan.Jumlah

sideband signifikan ditentukan oleh besar indeks modulasinya seperti dalam

fungsi table besel. Pada tabel 4.1

Table 4.1 Tabel Beselβ J0(β) J1(β) J2(β) J3(β) J4(β) J5(β) J6(β) J7(β) J8(β) J9(β)

0,01 1,0 0,005

0,2 0,99 0,1

0,5 0,94 0,24 0,03

1 0,77 0,44 0,11 0,02

2 0,22 0,58 0,35 0,13 0,03

3 -0,26 0,34 0,49 0,31 0,13 0,04 0,01

4 -0,4 -0,7 0,36 0,43 0,28 0,13 0,05 0,02

5 -0,18 -0,33 0,05 0,37 0,39 0,26 0,13 0,05 0,02

6 0,15 -0,28 -0,23 0,12 0,36 0,36 0,25 0,13 0,06 0,02

Keterangan :

Ji = nilai amplitude komponen frekuensi sideband ke i (i≠0)

J0 = nilai amplitude komponen frekuensi sinyal pembawa (bukan sideband)

β = mf : indeks modulasi

Lebar bandwidth pada modulasi FM dapat ditentukan menggunakan

teorema carson sebagai berikut:

BW FM=2 ( f d+ f m )

Dimana,

fd = frekuensi deviasi

fm = frekuensi maksimum sinyal pemodulasi

4.2.8 Modulasi Sinyal Sinus FM

Proses modulasi frekuensi digambarkan sebagai berikut:

Gambar 4.10 Bentuk Sinyal Modulasi FM

Besar perubahan frekuensi (deviasi), δ atau fd, dari sinyal pembawa

sebanding dengan amplitude sesaat sinyal pemodulasi, sedangkan laju perubahan

frekuensinya sama dengan frekuensi sinyal pemodulasi. Persamaan sinyal FM

dapat dituliskan sebagai berikut:

eFM=ec sin (ωc t+mf sin ωm t )

Keterangan:

eFM =Nilai sesaat sinyal FM

ec = amplitudo maksimum sinyal pembawa

ωc = 2πfc dengan fc adalah frekuensi sinyal pembawa

ωm = 2πfm dengan fm atau fs adalah frekuensi sinyal pemodulasi

mf = indeks modulasi frekuensi

Pada modulasi frekuensi kita mengenal istilah indeks modulasi (mf).

Indeks modulasi ini didefinisikan sebagai berikut:

mf =f d

f s= δ

f m

4.3 Alat dan Perangkat

1. Modul M6 : FM Generator

2. Modul M7 : FM Detector

3. Modul Power Supply

4. Osiloskop Single Trace

5. Kabel hubung capit buaya secukupnya

6. Kabel hubung test point

7. Audio generator

8. Frequency Counter

9. Multitester

4.4 Cara Kerja

4.4.1 Linearitas Modulator, Linearitas Demodulator dan AFC

1. Hubungkan output FM Generator (C12) dengan input FM detector (IF

AMPL.).

2. Set potensio R8 posisi maksimum (searah jarum jam), berikan catu

daya ground dan +12 volt dari modul power supply (-12V tidak

digunakan dalam percobaan ini).

3. Berikan tegangan pada ujung R1 dari modul power supply +12P. Atur

potensiometer power supply agar tegangan di ujung R1=2 volt. Ukur

frekuensi pada C12 dengan counter.

4. Naikkan tegangan di R1, ukur frekuensinya (di C12), ukur tegangan

AFC, dan ukur tegangan di AUDIO tegangan dari 2 volt hingga 12

volt dengan step 0,25 volt.

5. Plotting di kertas grafik, Vr1 vs frekuensi output (C12), hitung

tegangan yang memberikan deviasi penyimpangan 15 kHz dan 75 kHz

dari 10,7 MHz.

Catatan :

- Vr1 yang memberikan frekuensi 10,7 MHz = VT01 volt.

- Tegangan yang memberikan deviasi frekuensi 15 kHz = VT02 volt.

- Tegangan yang memberikan deviasi frekuensi 75 kHz = VT03 volt.

4.4.2 Automatic Gain Control (AGC)

1. Tetapkan tegangan di R1 sebesar VT01 volt. Besarnya sinyal IF dapat

diatur dengan merubah R8 (yang berupa potensiometer).

2. Minimumkan R8, catat tegangan output peak to peak, tegangan AGC

dan arus IF.

3. Pindah posisi R8 untuk 5 kedudukan (atur sendiri, posisi ke 5 adalah

maksimum), tiap-tiap harga R8, catat tegangan outputnya, AGC serta

arus IF.

4.4.3 Modulasi Sinyal Sinus

1. Dengan menggunakan tegangan 12 volt, inputkan sinyal dan audio

generator sebesar 500 Hz ke C1.

2. Hubungkan Osiloskop ke output FM detector (Audio).

3. Ulangi percobaan sebanyak 10 variasi dengan frekuensi 500 Hz sampai

15KHz.