xT1_612005004_Judul
17
MODUL MODULATOR-DEMODULATOR BINARY PHASE SHIFT KEYING (BPSK) MENGGUNAKAN METODE COSTAS LOOP Oleh Arivia Aurelia Devina Pramono NIM : 612005004 Skripsi ini untuk melengkapi syarat-syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik dalam Konsentrasi Teknik Telekomunikasi FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO DAN KOMPUTER UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA Januari 2012
Transcript of xT1_612005004_Judul
MODUL MODULATOR-DEMODULATOR BINARY
PHASE SHIFT KEYING (BPSK) MENGGUNAKAN
METODE COSTAS LOOP
Oleh
Arivia Aurelia Devina Pramono
NIM : 612005004
Skripsi ini untuk melengkapi syarat-syarat memperoleh
Gelar Sarjana Teknik
dalam
Konsentrasi Teknik Telekomunikasi
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO DAN KOMPUTER
UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA
SALATIGA
Januari 2012
MODUL MODULATOR-DEMODULATOR BINARY PHASE
SHIFT KEYING (BPSK) MENGGUNAKAN
METODE COSTAS LOOP
Oleh :
Arivia Aurelia Devina Pramono
NIM : 612005004
Tugas Akhir ini telah diterima dan disahkan
sebagai salah satu persyaratan guna mencapai gelar
SARJANA TEKNIK
Dalam
Konsentrasi Teknik Telekomunikasi
FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA
SALATIGA
Disahkan oleh
Pembimbing I Pembimbing II
Ir.Budihardja Murtianta, M.Eng Deddy Susilo, S.T.
Tgl ………………………… Tgl …………………………
i
MODUL MODULATOR-DEMODULATOR BINARY PHASE SHIFT KEYING
(BPSK) MENGGUNAKAN METODE COSTAS LOOP
Arivia Aurelia Devina Pramono
NIM : 612005004
FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA
2012
Pembimbing :
Ir.Budihardja Murtianta, M.Eng
Deddy Susilo, S.T.
INTISARI
Tugas akhir ini akan merancang dan merealisasikan suatu perangkat transmisi
data berbasis BPSK (Binary Phase Shift Keying) menggunakan metode Costas Loop
pada demodulatornya. Pada prinsipnya Costas Loop adalah bentuk khusus dari PLL
yang difungsikan untuk melakukan demodulasi sinyal-sinyal yang termodulasi secara
supressed-carrier. Costas Loop menggunakan umpan balik negatif untuk melakukan
carrier recovery, kemudian sinyal pembawa yang dihasilkan digunakan untuk
melakukan demodulasi sinyal BPSK-nya. Perangkat yang dibuat pada Tugas Akhir
ini berupa modulator – demodulator BPSK dengan frekuensi 10kHz-48kHz dan
untuk transmisi secara nirkabel ditambahkan pemancar dan penerima FM yang akan
mentranslasikan sinyal pembawa ke frekuensi radio 80MHz. Secara umum, alat ini
dapat mendemodulasikan sinyal BPSK tanpa error (BER=0). Berdasarkan pengujian
yang telah dilakukan kadang muncul fenomena fasa ambigu yang menyebabkan false
locking pada Costas Loop, sehingga data yang didemodulasikan menjadi terbalik dari
data aslinya.
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur serta rasa terimakasih penulis panjatkan kehadirat Tuhan
yang Maha Esa yang telah memerikan berkat dan perlindungan kepada penulis
sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini sebagai syarat kelulusan dari
Fakultas Teknik Jurusan Elektro Universitas Kristen Satya Wacana.
Penulis menyadari bahwa usaha yang telah dilakukan sejauh ini tentu tidak
akan berarti tanpa bantuan dan dorongan serta bimbingan dari berbagai pihak. Dalam
kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya
kepada :
1. Tuhan yang Maha Esa atas berkat dan rahmat yang telah diberikan kepada
penulis hingga saat ini.
2. Papa dan Mama penulis yang telah memberikan dorongan baik moral,
semangat, pengertian, doa, kebutuhan material selama kuliah dan
pembuatan tugas akhir ini.
3. Keluarga adik penulis, Renard dan Rizard, yang telah memberikan dorongan
baik moral, semangat, pengertian, doa.
4. Bapak Ir. Budihardja Murtianta, M.Eng, selaku dosen pembimbing I yang
telah banyak memberi bimbinganm pengarahan, dan pengertian kepada
penulis selama pembuatan tugas akhir ini.
5. Bapak Deddy Susilo, S.T, selaku dosen pembimbing II yang telah banyak
memberi bimbinganm pengarahan, dan pengertian kepada penulis selama
pembuatan tugas akhir ini.
6. Seluruh staf pengajar, staf administrasi, serta laboran untuk kesediaannya
membantu kelancaran selama kuliah dan sampai pembuatan tugas akhir ini.
iii
7. Teman-teman mahasiswa yang tidak dapat disebutkan satu-persatu, yang
telah membantu penulis selama perkuliahan.
Pada kesempatan ini, kami juga mohon maaf jika dalam penyusunan tugas ini
telah melakukan beberapa kesalahan atau hal-hal yang kurang berkenan di hati.
Akhir kata, penulis berharap semoga tugas akhir ini bermanfaat bagi
pembaca. Penulis juga menyadari bahwa penulisan tugas akhir ini masih jauh dari
sempurna, oleh karenanya penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang
membangun agar segala kekurangan yang ada dapat diperbaiki.
Salatiga, Januari 2012
Penulis
iv
DAFTAR ISI
Halaman
INTISARI ...................................................................................................................i
KATA PENGANTAR ................................................................................................ii
DAFTAR ISI ..............................................................................................................iv
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................ix
DAFTAR TABEL .................................................................................................... xiii
DAFTAR SIMBOL ................................................................................................. xiv
BAB I . PENDAHULUAN .........................................................................................1
1.1. Latar Belakang Masalah........................................................................1
1.2. Tujuan....................................................................................................3
1.3. Spesifikasi Alat .....................................................................................3
1.4. Sistematika Penulisan ............................................................................4
BAB II .DASAR TEORI ............................................................................................6
2.1. Sistem Komunikasi................................................................................7
2.2. Modulasi dan Demodulasi Digital .........................................................9
v
2.3. Modulasi dan Demodulasi BPSK.........................................................14
2.4. Costas Loop..........................................................................................18
2.5. Phase Locked Loop...............................................................................24
2.5.1. Bagian Detektor Fasa (PLL)........................................................28
2.5.2. Bagian VCO ................................................................................31
2.5.3. Bagian Loop Filter ......................................................................33
BAB III . PERANCANGAN DAN REALISASI .......................................................37
3.1. Perancangan Bagian Pemancar ..............................................................38
3.1.1. Perancangan Simulator Data (Pseudo Random Generator) .......38
3.1.2. Perancangan Modulator BPSK ....................................................41
3.1.2.1. Untai Level Shifter ..........................................................41
3.1.2.2. Untai Tapis Pelewat Rendah ...........................................42
3.1.2.3. Untai Osilator ..................................................................45
3.1.2.4. Untai Selektor Keluaran BPSK.......................................46
3.1.3. Pemilihan Modul Modulator FM ................................................49
3.2. Perancangan Bagian Penerima ...............................................................50
3.2.1. Pemilihan Demodulator FM........................................................50
3.2.2. Perancangan Demodulator BPSK ...............................................51
3.2.2.1. Untai Pengali ...................................................................51
vi
3.2.2.1.1. Pengali Jalur Infasa .......................................53
3.2.2.1.2. Pengali Jalur Quadrature .............................54
3.2.2.1.3. Pengali Jalur Tengah ......................................55
3.2.2.2. Untai Arm Filter ..............................................................57
3.2.2.3. Untai Loop Filter .............................................................60
3.2.2.4. Rangkaian VCO dan Penggeser 90o......................................... 65
3.2.2.5. Rangkaian Decision Device ............................................69
BAB IV . PENGUJIAN DAN ANALISIS SISTEM MODULASI DAN
DEMODULASI BINARY PHASE SHIFT KEYING (BPSK)......................70
4.1. Pengujian Bagian Pemancar..................................................................70
4.1.1. Pengujian Simulator Data (Pseudo Random Generator)
(Titik A).......................................................................................71
4.1.2. Pengujian Bagian Modulator BPSK ............................................71
4.1.2.1. Pengujian Level Shifter (Titik B) ...................................72
4.1.2.2. Pengujian Tapis Pelewat Rendah Bessel orde 6
(Titik C) ..........................................................................72
4.1.2.3. Pengujian Bagian Osilator (Titik D) ...............................73
4.1.2.4. Pengujian Selektor Keluaran BPSK (Titik E) .................74
vii
4.1.3. Pengujian Pemancar FM .............................................................74
4.2. Pengujian Bagian Penerima ...................................................................76
4.2.1. Pengujian Penerima FM ..............................................................76
4.2.2. Pengujian Bagian Costas Loop ...................................................77
4.2.2.1. Pengujian Masukan Costas Loop (Titik A) ....................77
4.2.2.2. Pengujian VCO dan Penggeser 90o (Titik H).................77
4.2.2.3. Pengujian Pengali di Jalur Infasa dan Quadrature
(Titik B dan C)...............................................................79
4.2.2.4. Pengujian Arm Filter di Jalur Infasa dan Quadrature
(Titik D dan E) ................................................................80
4.2.2.5. Pengujian Pengali Ketiga di Jalur Tengah (Titik F) .......81
4.2.2.6. Pengujian Loop Filter (Titik G) ......................................83
4.2.2.7. Pengukuran Decision Device ..........................................84
4.3. Pengukuran Bit Error Rate (BER) .........................................................85
4.4. Pengukuran Hold Range dan Lock Range Costas Loop .......................87
4.5. Masalah Fasa Ambiguitas pada Costas Loop .......................................90
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................................92
viii
5.1. Kesimpulan ............................................................................................92
5.2. Saran .....................................................................................................93
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................95
LAMPIRAN A DOKUMENTASI ALAT
LAMPIRAN B PROGRAM SIMULATOR DATA
LAMPIRAN C DATA SHEET
ix
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Diagram Blok Sistem Komunikasi .........................................................7
Gambar 2.2. Sinyal OOK............................................................................................10
Gambar 2.3. Sinyal FSK.............................................................................................11
Gambar 2.4. Sinyal PSK.............................................................................................11
Gambar 2.5. Spektrum Sinyal ASK, FSK, PSK..........................................................12
Gambar 2.6. Perbandingan Probabilitas Error ASK, PSK, dan FSK ..........................13
Gambar 2.7. Diagram Blok Modulator BPSK Sederhana...........................................14
Gambar 2.8. Diagram Blok Modulator BPSK ............................................................15
Gambar 2.9. Proses Pembentukan Sinyal BPSK........................................................15
Gambar 2.10. Sinyal NRZ Unipolar dan NRZ Bipolar ................................................16
Gambar 2.11. Demodulasi Sinyal BPSK ....................................................................17
Gambar 2.12. Diagram Blok Costas Loop .................................................................19
Gambar 2.13. Bentuk Linier Suatu Sistem Umpan Balik Negatif ..............................21
Gambar 2.14. Diagram Blok Costas Loop secara Lengkap ........................................21
Gambar 2.15. Model Linier Costas Loop...................................................................24
Gambar 2.16. Diagram Blok PLL ..............................................................................25
Gambar 2.17. Pemodelan Linier Detektor Fasa .........................................................28
Gambar 2.18. Pemodelan Linier Detektor Fasa dalam ranah s ..................................29
Gambar 2.19. Diagram Blok Pengali ..........................................................................29
Gambar 2.20. Grafik Karakteristik Detektor Fasa .....................................................31
x
Gambar 2.21. Grafik Karakteristik VCO....................................................................32
Gambar 2.22. Model Linier VCO ...............................................................................32
Gambar 2.23. Passive Lead-Lag Filter ......................................................................33
Gambar 2.24. Active Lead-Lag Filter ........................................................................33
Gambar 2.25. Active P-I Filter ....................................................................................34
Gambar 2.26. Permodelan Linier ................................................................................34
Gambar 2.27. Tanggapan Frekuensi PLL ..................................................................35
Gambar 3.1. Diagram Blok Komunikasi Digital .........................................................37
Gambar 3.2. Diagram Blok PRG ...............................................................................39
Gambar 3.3. Pin-pin AT tiny 13A ...............................................................................39
Gambar 3.4. Untai Pembangkit PRG .........................................................................40
Gambar 3.5. Modulator BPSK....................................................................................41
Gambar 3.6. Untai Level Shifter.................................................................................42
Gambar 3.7. Perbandingan Group Delay Filter-Filter Tradisional .............................43
Gambar 3.8. Untai Tapis Lolos Bawah Sallen Key Orde 2........................................44
Gambar 3.9. Untai Tapis Bessel Orde 6 .....................................................................45
Gambar 3.10. Untai Osilator .......................................................................................46
Gambar 3.11. Diagram Saklar Analog ........................................................................47
Gambar 3.12. Untai Selektor Keluaran BPSK............................................................48
Gambar 3.13. Modul Modulator FM..........................................................................49
Gambar 3.14. Untai Demodulator FM .......................................................................50
Gambar 3.15. Diagram Blok Costas Loop .................................................................51
Gambar 3.16. Realisasi Pengali dengan MC1495 .....................................................56
xi
Gambar 3.17. Untai Penguat Opamp Tak Membalik ..................................................57
Gambar 3.18. Sinyal yang Terdistorsi Karena ISI......................................................58
Gambar 3.19. Realisasi Arm Filter.............................................................................59
Gambar 3.20. Tanggapan Frekuensi PLL ..................................................................61
Gambar 3.21. Untai Active Lead-Lag Filter...............................................................63
Gambar 3.22. Tanggapan Frekuensi Loop Filter .......................................................64
Gambar 3.23. Untai VCO ...........................................................................................66
Gambar 3.24. Pengaturan Tetapan VCO ....................................................................66
Gambar 3.25. Grafik frekuensi keluaran vs tegangan masukan VCO ........................67
Gambar 3.26. Untai pengatur frekuensi tengah VCO.................................................68
Gambar 3.27. Untai Penggeser Fasa 90 derajat ..........................................................68
Gambar 3.28. Hasil Simulasi Untai Penggeser Fasa 90 derajat .................................68
Gambar 3.29. Untai Decision Device .........................................................................69
Gambar 4.1. Sinyal Pseudo Random Generator(PRG)..............................................71
Gambar 4.2. Gambar titik pengujian di Modulator BPSK .........................................71
Gambar 4.3. Sinyal Level Shifter ...............................................................................72
Gambar 4.4. Sinyal keluaran Tapis Lolos Rendah .....................................................73
Gambar 4.5. Sinyal Keluaran Osilator ........................................................................73
Gambar 4.6. Sinyal Keluaran BPSK dengan fc = 48KHz..........................................74
Gambar 4.7. Keluaran Pemancar FM .........................................................................75
Gambar 4.8. Keluaran Penerima FM .........................................................................76
Gambar 4.9. Diagram Blok Costas Loop dan Titik-titik pengujiannya ......................77
Gambar 4.10. Sinyal Keluaran VCO dan DFF...........................................................78
xii
Gambar 4.11. Penggeseran 90 Derajat pada Kedua Keluaran DFF...........................78
Gambar 4.12. Keluaran Pengali 1 dan 2.....................................................................79
Gambar 4.13. Keluaran Arm Filter ............................................................................81
Gambar 4.14. Keluaran Pengali Ke-3 ........................................................................83
Gambar 4.15. Keluaran Loop Filter ...........................................................................84
Gambar 4.16. Keluaran Decision Device ...................................................................85
Gambar 4.17. Perbandingan Data Asli dengan Hasil Demodulasi..............................86
Gambar 4.18. Contoh Grafik Tegangan Keluaran PLL vs Frekuensi Masukan .........87
Gambar 4.19. Skema Pengukuran Hold Range dan Lock Range ...............................88
Gambar 4.20. Hasil Demodulasi yang Terbalik ..........................................................91
xiii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1. Koefisien Tapis Bessel...............................................................................44
xiv
DAFTAR SIMBOL
= Sinyal informasi yang ditransmisikan di pemancar, bisa
dinyatakan dalam sinyal Unipolar atau Bipolar NRZ (Volt).
= Sinyal informasi hasil demodulasi (Volt).
= Sinyal BPSK (Volt).
= Sinyal pembawa BPSK (Volt).
= Sinyal masukan ke Costas Loop/PLL (Volt).
= Sinyal keluaran VCO di Costas Loop (Volt).
= Sinyal keluaran VCO di Costas Loop yang digeser 900
(Volt).
= Sinyal keluaran dari pengali jalur Infasa (Volt).
= Sinyal keluaran dari pengali jalur Quadrature (Volt).
= Bati pengali di Jalur Infasa.
= Bati pengali di Jalur Quadrature.
= Sinyal keluaran jalur Infasa (Volt).
= Sinyal keluaran jalur Quadrature (Volt).
= Bati pengali di jalur tengah.
= Sinyal keluaran detektor fasa PLL dan Costas Loop (Volt).
= Sinyal keluaran Loop Filter (Volt).
= Fasa sinyal masukan PLL/Costas Loop (rad).
= Fasa sinyal keluaran PLL/Costas Loop (rad).
xv
= Beda fasa antara sinyal masukan dan keluaran PLL/Costas
Loop (rad)
= Tetapan detektor fasa (Volt/rad).
= Tetapan VCO (rad/Volt).
= Frekuensi tengah operasional VCO (rad).
= Fungsi pindah Loop Filter.
= Bati frekuensi tinggi Loop Filter.
= Bati frekuensi rendah Loop Filter.
dan = Pole-pole dari Loop Filter.
= Lebar pita PLL/Costas Loop (rad).
= Damping ratio PLL/Costas Loop.
= Pole tambahan pada PLL.
