Percobaan Modulasi Frequensi
Download as DOCX, PDF1 like1,781 views
Dokumen tersebut membahas tentang modulasi frekuensi dan pendeteksian sinyal FM. Secara ringkas, modulasi frekuensi adalah bentuk modulasi dimana frekuensi sinyal pembawa diubah sesuai sinyal input, sedangkan amplitudonya tetap. Pendeteksian sinyal FM pada umumnya menggunakan phase locked loop yang mampu mendeteksi perubahan frekuensi tanpa terpengaruh amplitudo.
![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(𝑚 𝑓)sin 𝜔𝑐t + 𝐽1(𝑚 𝑓)[sin( 𝜔𝑐 + 𝜔 𝑚)t − sin( 𝜔𝑐 − 𝜔 𝑚)t]
+ 𝐽2 (𝑚 𝑓)[sin( 𝜔𝑐 + 2𝜔 𝑚)t + sin( 𝜔𝑐 − 2𝜔 𝑚)t]
+ 𝐽3 (𝑚 𝑓)[sin( 𝜔𝑐 + 3𝜔 𝑚)t − sin( 𝜔𝑐 − 3𝜔 𝑚)t]
+ 𝐽4 (𝑚 𝑓)[sin( 𝜔𝑐 + 4𝜔 𝑚)t + sin( 𝜔𝑐 − 4𝜔 𝑚)t] … . }](https://image.slidesharecdn.com/percobaan3print-170328125945/85/Percobaan-Modulasi-Frequensi-10-320.jpg)
Percobaan Modulasi Frequensi
- 1. BAB IV PERCOBAAN 3 FREQUENCY MODULATION 4.1. Tujuan Percobaan 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 FM Cara 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.
- 2. Gambar 4.1 Diagram Pembangkitan Sinyal FM 4.2.2.1 Osilator Clapp Osilator Clapp adalah salah satu dari beberapa jenis osilator elektronik dibangun 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
- 3. 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 Varactor 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
- 4. 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 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
- 5. 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.
- 6. 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
- 7. 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
- 8. pada masukan VCD akan berubah-ubah disekitar nilai bias seirama dengan sinyal modulasi. 4.2.5.2 Detector Reaktif (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.
- 9. 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.
- 10. 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(𝑚 𝑓)sin 𝜔𝑐t + 𝐽1(𝑚 𝑓)[sin( 𝜔𝑐 + 𝜔 𝑚)t − sin( 𝜔𝑐 − 𝜔 𝑚)t] + 𝐽2 (𝑚 𝑓)[sin( 𝜔𝑐 + 2𝜔 𝑚)t + sin( 𝜔𝑐 − 2𝜔 𝑚)t] + 𝐽3 (𝑚 𝑓)[sin( 𝜔𝑐 + 3𝜔 𝑚)t − sin( 𝜔𝑐 − 3𝜔 𝑚)t] + 𝐽4 (𝑚 𝑓)[sin( 𝜔𝑐 + 4𝜔 𝑚)t + sin( 𝜔𝑐 − 4𝜔 𝑚)t] … . }
- 11. 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 :
- 12. 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 Besel β 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
- 13. 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: 𝐵𝑊𝐹𝑀 = 2( 𝑓𝑑 + 𝑓𝑚) 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
- 14. 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: 𝒆 𝑭𝑴 = 𝒆 𝒄 𝐬𝐢𝐧(𝝎 𝒄 𝐭 + 𝒎 𝒇 𝐬𝐢𝐧 𝝎 𝒎 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: 𝒎 𝒇 = 𝒇 𝒅 𝒇 𝒔 = 𝜹 𝒇 𝒎
- 15. 4.3 Alat dan Bahan 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 dari 10,7 MHz. Catatan : - Vr1 yang memberikan frekuensi 10,7 MHz = VT01 volt. - Tegangan yang memberikan deviasi frekuensi 15 kHz = VT02 volt.
- 16. 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 sera arus IF. 4.4.3 Modulasi Sinyal Sinus 1. Tetapkan tegangan di R1 sebesar VT01 volt. Inputkan sinyal dari audio generator sebesar VT02 volt pp dengan frekuensi 500 Hz, gambar sinyal di output FM Detector (Audio). 2. Ulangi percobaan untuk frekuensi 1K, 2K, 3K, 4K, 5K, 6K, 7K, 10K, dan 15K