TEKNIK ENCODING

Modulasi adalah proses encoding sumber data dalam suatu sinyal carrier dengan frekuensi fc.

Macam - macam teknik encoding :

· Data digital, sinyal digital

· Data analog, sinyal digital

DATA DIGITAL, SINYAL DIGITAL

Sinyal digital adalah sinyal diskrit dengan pulsa tegangan diskontinyu. Tiap pulsa adalah elemen sinyal data biner diubah menjadi elemen - elemen sinyal.

Spektrum sinyal : disain sinyal yang bagus harus mengkonsentrasikan kekuatan transmisinya pada daerah tengah dari bandwidth transmisi; untuk mengatasi distorsi dalam penerimaan sinyal digunakan disain kode yang sesuai dengan bentuk dari spektrum sinyal transmisi.

Elemen sinyal adalah tiap pulsa dari sinyal digital. Data binary ditransmisikan dengan meng-encoder-kan tiap bit data menjadi elemen-elemen sinyal.

Ketentuan :

· Unipolar: Semua elemen-elemen sinyal dalam bentuk yang sama yaitu positif semua atau negatif semua.

· Polar :adalah elemen-elemen sinyal dimana salah satu state logic dinyatakan oleh level tegangan positif dan sebaliknya oleh tegangan negatif

· Rating Data : Rating data transmisi data dalam bit per secon

· Durasi atau panjang suatu bit: Waktu yang dibutuhkan pemancar untuk memancarkan bit

· Rating modulasi

· Rating dimana level sinyal berubah

· Diukur dalam bentuk baud=elemen-elemen sinyal per detik

· Tanda dan ruang

· Biner 1 dan biner 0 berturut-turut

· Modulation rate adalah kecepatan dimana level sinyal berubah, dinyatakan dalam bauds atau elemen sinyal per detik.

· Istilah mark dan space menyatakan digit binary '1' dan '0'.

Tugas-tugas receiver dalam mengartikan sinyal-sinyal digital:

• receiver harus mengetahui timing dari tiap bit

• receiver harus menentukan apakah level sinyal dalam posisi bit high(1) atau low(0).

Tugas-tugas ini dilaksanakan dengan men-sampling tiap posisi bit pada tengah-tengah interval dan membandingkan nilainya dengan threshold.

Faktor yang menentukan sukses dari receiver dalam mengartikan sinyal yang datang :

• Data rate (kecepatan data) : peningkatan data rate akan meningkatkan bit error

rate (kecepatan error dari bit).

• S/N : peningkatan S/N akan menurunkan bit error rate.

• Bandwidth : peningkatan bandwidth dapat meningkatkan data rate.

Lima faktor yang perlu dinilai atau dibandingkan dari berbagai teknik komunikasi :

• Spektrum sinyal : disain sinyal yang bagus harus mengkonsentrasikan kekuatan transmisinya pada daerah tengah dari bandwidth transmisi; untuk mengatasi distorsi dalam penerimaan sinyal digunakan disain kode yang sesuai dengan bentuk dari spektrum sinyal transmisi.

• Clocking : menentukan awal dan akhir dari tiap posisi bit dengan mekanisme synchronisasi yang berdasarkan pada sinyal transmisi.

• Deteksi error : dibentuk dalam skema fisik encoding sinyal.

• Interferensi sinyal dan Kekebalan terhadap noise

• Biaya dan kesulitan : semakin tinggi kecepatan pensinyalan untuk memenuhi data rate yang ada, semakin besar biayanya.

Perlu diketahui

· Waktu bit saat mulai dan berakhirnya

· Level sinyal

Faktor-faktor penerjemahan sinyal yang sukses

· Perbandingan sinyal dengan noise(gangguan)

· Rating data

· Bandwidth

Perbandingan Pola-Pola Encoding

· Spektrum sinyal

Kekurangan pada frekuensi tinggi mengurangi bandwidth yang dibutuhkan. Kekurangan pada komponen dc menyebabkan kopling ac melalui trafo menimbulkan isolasi Pusatkan kekuatan sinyal di tengah bandwidth

· Clocking

· Sinkronisasi transmiter dan receiver

· Clock eksternal

· Mekanisme sinkronisasi berdasarkan sinyal

· Pendeteksian error

· Dapat dibangun untuk encoding sinyal

· Interferensi sinyal dan kekebalan terhadap noise

· Beberapa code lebih baik daripada yang lain

· Harga dan Kerumitan

· Rating sinyal yang lebih tinggi(seperti kecepatan data) menyebabkan harga semakin tinggi

· Beberapa code membutuhkan rating sinyal lebih tinggi

Pola –Pola encoding

· Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

· Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)

· Bipolar-AMI

· Pseudoternary

· Manchester

· Differential Manchester

· B8ZS

· HDB3

Pengertian dari Format-Format sinyal encoding adalah sebagai berikut

Dengan penggambaran pulsanya sebagai berikut :

Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L):yaitu suatu kode dimana tegangan negatif dipakai untuk mewakili suatu binary dan tegangan positif dipakai untuk mewakili binary lainnya.

· Dua tegangan yang berbeda antara bit 0 dan bit 1

· Tegangan konstan selama interval bit

· Tidak ada transisi yaitu tegangan no return to zero

Contoh:

· Lebih sering, tegangan negatif untuk satu hasil dan tegangan positif untuk yang lain

· Ini adalah NRZ-L

Nonreturn to Zero Inverted (NRZI):yaitu suatu kode dimana suatu transisi (low ke high atau high ke low) pada awal suatu bit time akan dikenal sebagai binary '1' untuk bit time tersebut; tidak ada transisi berarti binary '0'. Sehingga NRZI merupakan salah satu contoh dari differensial encoding.

• Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) dalam kesatuan

• Pulsa tegangan konstan untuk durasi bit

• Data dikodekan / diterjemahkan sebagai kehadiran(ada) atau ketiadaan sinyal transisi saat permulaan bit time

• Transisi (dari rendah ke tinggi atau tinggi ke rendah) merupakan biner 1

• Tidak ada transisi untuk biner 0

• Sebagai contoh encoding differential

Keuntungan differensial encoding :

· lebih kebal noise

· tidak dipengaruhi oleh level tegangan.

Kelemahan dari NRZ-L maupun NRZI :

· keterbatasan dalam komponen dc dan kemampuan synchronisasi yang buruk

NRZ

Encoding differential

• Data menggambarkan perubahan daripada level

• Deteksi yang lebih dapat dipercaya untuk transisi daripada level

• Pada transmisi yang lebih komplek layoutnya lebih mudah hilang pada polatitas

NRZ pros and cons

• Pros

· Mudah untuk teknisi

· Membuat kegunaan bandwidth menjadi baik

• Cons

· Komponen dc

· Kekurangan dari kapasitas sinkronisasi

• Digunakan untuk recording magnetik

• Tidak sering digunakan untuk transmisi sinyal

Biner Multilevel

• Digunakan lebih dari 2 level

• Bipolar-AMI

• Zero menggambarkan tidak adanya line signal

• Satu menggambarkan positif atau negatif sinyal

• Satu pulsa menggantikan dalam polaritas

• Tidak ada kerugian dalam sinkronisasi jika panjang tali (nol masih bermasalah)

• Bandwidth rendah

• Tidak ada jaringan untuk komponen dc

• Mudah mendeteksi error

Pseudoternary

• Satu menggambarkan adanya jalur sinyal

• Zero menggambarkan perwakilan dari positif dan negatif

• Tidak adanya keuntungan atau kerugian pada bipolar-AMI

Keunggulan multilevel binary terhadap NRZ :

· kemampuan synchronisasi yang baik

· tidak menangkap komponen dc dan pemakaian bandwidth yang lebih kecil

· dapat menampung bit informasi yang lebih.

Kekurangannya dibanding NRZ :

· diperlukan receiver yang mampu membedakan 3 level (+A, -A, 0) sehingga membutuhkan lebih dari 3 db kekuatan sinyal dibandingkan NRZ untuk probabilitas bit error yang sama.

Bipolar-AMI and Pseudoternary

Pertukaran untuk biner multilevel

• Tidak ada efisiensi pada NZR

· Tiap elemen sinyal hanya menggambarkan satu bit

· Pada 3 level sistem dapat menggambarkan log23 = 1.58 bits

· Receiver harus membedakan diantara 3 level (+A, -A, 0)

· Membutuhkan kira-kira lebih dari 3db kekuatan sinyal untuk kemungkinan yang sama dalam bit error

Dua fase:Dua tekniknya yaitu manchester dan differential manchester.

• Manchester

· Transisi di tengah untuk tiap periode bit

· Perpindahan transisi sebagai clock dan data

· Rendah ke tinggi menggambarkan nol

· Tinggi ke rendah menggambarkan zero

· Digunakan IEEE 802.3

• Differential Manchester

· Transisi Midbit adalah hanya clocking

· Transisi dimulai saat periode bit menggambarkan zero

· Tidak ada transisi yang dimulia saat periode bit dalam menggambarkan nol

· Catatan : ini adalah pola differential encoding

· Digunakan IEEE 802.5

Keuntungan rancangan biphase :

• Synchronisasi : karena adanya transisi selama tiap bit time, receiver dapat men-synchron-kan pada transis tersebut atau dikenal sebagai self clocking codes.

• Tidak ada komponen dc.

• Deteksi terhadap error : ketiadaan dari transisi yang diharapkan, dapat dipakai untuk mendeteksi error.

Kekurangannya :

· memakai bandwidth yang lebih lebar dari pada multilevel binary.

Manchester Encoding

Differential Manchester Encoding

Data Analog, Sinyal Digital

• Digitalisasi

— Konversi dari data analog ke data digital

— Data digital lalu dp ditransmisikan menggunakan NRZ-L

— Data digital dp ditransmisikan menggunakan code lain selain NRZ-L

— Data digital dapat dikonversikan kembali ke sinyal analog

— Konversi analog ke digital dilakukan menggunakan codec

— Pulse code modulation

— Delta modulation

Pulse Code Modulation(PCM) (1)

• Jika suatu sinyal dicuplik (sampling) dg interval regular dg laju lebih besar drpd dua kali frekuensi tertinggi sinyal, sampel-sampel memuat semua informasi dari sinyal original

• Data suara dibatasi di bawah 4000Hz

• Memerlukan 8000 sampel per detik

• Sampel-sampel analog (Pulse Amplitude Modulation, PAM)

• Tiap sampel dialokasikan nilai digital

Jika sinyal diambil pada interval regular kecepatannya lebih tinggi daripada kedua sinyal frekuensi, sample menahan banyak informasi pada sinyal original – (Proof - Stallings appendix 4A).

Batas data voice(suara) sampai 4000Hz

Membutuhkan 8000 sample tiap detik

Sample-sample analog (Pulse Amplitude Modulation, PAM)

Tiap sample diberikan nilai digital

Pulse Code Modulation(PCM) (2)

• Sistem 4 bit memberikan 16 level

• Kuantisasi

— Error kuantisasi atau noise

— Aproksimasi berarti tdk mungkin utk mendpkan kembali sinyal original secara eksak

• Sampel 8 bit memberikan 256 level

• Kualitas sebanding dg transmisi analog

• 8000 sampel per detik dg masing-masing sampel 8 bit memberikan 64kbps

PCM Example

PCM Block Diagram

Dibatasi frekuensi dibawah 4000 Hz, prosedur lama dapat menjelaskannya, 8000 sampel per detik akan cukup mampu mengkarakteristikkan sinyal suara dengan lengkap. Patut dicatat, bagaimanapun juga, bahwa ini merupakan sampel-sampel analog, yang disebut sebagai sampel Pulsa Amplitudo Modulasi (PCM). Untuk mengubah menjadi digital, masing-masing sampel analog ini harus ditandai dengan suatu kode biner. Gambar 5.10 menunjukkan contoh di mana masing-masing sampel didekati dengan terkuantisasi menjadi satu dari 16 level yang berbeda. Kemudian masing-masing sampel ditunjukkan melalui 4 bit. Namun karena nilai-nilai yang di kuantisasi merupakan perkiraan, tidak mungkin bisa mewakili sinyal yang asli dengan sangat tepat. Dengan menggunakan sampel 8-bit, yang memungkinkan 256 level kuantisasi, mutu sinyal suara yang diwakili mampu dibandingkan dengan sinyal suara yang diperoleh melalui transmisi analog. Patut dicatat bahwa hal ini menyatakan secara tidak langsung bahwa rate data 8000 sampel per detik x 8 bit per sampel = 64 kbps diperlukan untuk sinyal suara tunggal. Jadi, PCM memulai dengan suatu waktu-kontinu, sinyal amplitudo-kontinu (analog), dari mana sinyal digital dihasilkan. Sinyal digital terdiri dari blok-blok n bit, dimana setiap bilangan bit n adalah amplitudo pulsa PCM. Pada penerima, proses ini dibalik agar menghasilkan sinyal analog. ingat, bagaimanapun juga, proses ini melanggar perihal teori pengambilan sampel. Dengan mengkuantisasi pulsa PAM, sinyal yang asli sekarang hanya pendekatannya dan tidak dapat diperbaharui dengan tepat. efek ini dikenal sebagai. Error Terkuantisasi atau Derau kuantisasi. Perbandingan sinyal-terhadap-derau untuk derau kuantisasi dapat dinyatakan sebagai [GIBS93].

NSR = 20 Log2n + 1,67 dB = 6,02n + 1,76dB

Jadi, masing-masing bit tambahan yang dipergunakan untuk kuantisasi meningkatkan SNR kira-kira 6 dB, yang merupakan faktor 4. Biasanya, skema PCM diperhalus menggunakan teknik yang disebut pengkodean nonlinear, yang artinya bahwa level-level kuantisasi tidak dipergunakan sama. Problem yang didapat bila sinyal diperlakukan sama adalah membuat rata-rata error absolut untuk setiap sampel juga sama, tanpa memperhatikan level sinyal. Akibatnya, nilai-nilai amplitudo yang lebih rendah relatif lebih terdistorsi. Dengan memperbesar jumlah langkah-langkah kuantisasi untuk sinyal-sinyal beramplitudo rendah, serta memperkecil jumlah langkah-langkah kuantisasi untuk sinyal beramplitudo besar, dapat diperoleh pengurangan yang nyata di semua distorsi sinyal. Efek yang sama dapat diperoleh dengan menggunakan kuantisasi yang seragam tetapi juga melakukan Companding (penyingkatan diperluas) dari sinyal analog input. Companding adalah proses mempersingkat rentang intensitas sebuah sinyal dengan penambahan lebih banyak penguat untuk sinyal-sinyal yang lemah dibanding terhadap sinyal yang kuat pada input. Pada output operasi Pembalikan digunakan. Untuk sinyal-sinyal suara, peningkatan sebesar 24 sampai 30 dB diperoleh

Nonlinear Encoding

• Level kuantisasi tidak sama

• Mengurangi keseluruhan distorsi sinyal

• Dapat juga dilakukan dengan companding

Effect dari Non-Linear Coding

Fungsi Companding Tipikal

Delta Modulation

• Input analog diaproksimasikan dg fungsi tangga (staircase function)

• Naik atau turun satu level (d) pd tiap interval sample

Delta Modulation - contoh

Delta Modulation – Operasi

Delta Modulation – Performansi

• Reproduksi suara baik

— PCM - 128 level (7 bit)

— Voice bandwidth 4khz

— Memerlukan 8000 x 7 = 56kbps utk PCM

• Kompresi data dp memperbaiki ini

— mis. Teknik Interframe coding untuk

Data Analog, Sinyal Analog

• Mengapa memodulasi sinyal analog?

— Frekuensi lebih tinggi dp memberikan transmisi yg lebih efisien

— Memungkinkan frequency division multiplexing

• Tipe-Tipe modulasi

— Amplitude

— Frequency

— Phase

Modulasi Analog

SISTEM PENGKODEAN SINYAL

Dasar Teori

1. Konsep dasar sistem pengkodean

Kesalahan (error) merupakan masalah pada sistem komunikasi, sebab dapat

mengurangi kinerja dari sistem. Untuk mengatasi masalah tersebut diperlukan suatu

sistem yang dapat mengkoreksi error. Oleh karena itu pada sistem komunikasi

diperlukan sistem pengkodean. Gambar 2.1 memperlihatkan sistem pengkodean

satu tingkat.

SUMBER DATA USER

Gambar.1.1 Sistem Pengkodean 1 tingkat

Bit stream dari sumber data, masuk ke encoder untuk dikedekan. Kemudian

bit stream yang telah dikodekan dikirimkan melalui kanal untuk didekodekan.

Setelah didekodekan oleh decoder, data tersebut dikirimkan ke user.

2. Kemampuan koreksi kesalahan dari kode.

Besarnya kemampuan koreksi kesalahan dari suatu kode, tergantung dari

kode tersebut. Untuk kode blok yang berdasarkan bit, kemampuan koreksi kesalahan

dituliskan dalam rumus berikut

Dimana : d min = jarak minimum dari kode

Pada rumus tersebut tampak bahwa kemampuan koreksi kesalahan dari kode

blok yang berdasarkan bit, ditentukan oleh jarak minimum dari kode tersebut.

Sebagai contoh, Reed Salomon, mempunyai jarak minimum 3, dengan

menggunakan persamaan (1.1) diperoleh besarnya kemampuan koreksi kesalahan

dari kode Konvolusi adalah sebesar 1 bit.

Untuk kode Reed Salomon, jarak minimum digantikan dengan jarak bebas

yang dinotasikan dengan d f ree . Besarnya kemampuan koreksi kesalahan dari kode

Konvolusi dituliskan dalam rumus berikut :

Pada rumus tersebut tampak bahwa kemampuan koreksi kesalahan dari kode

Reed Salomon ditentukan jarak bebas. Sebagai contoh suatu kode Reed Salomon

mempunyai jarak bebas sebesar 5,dengan menggunakan persamaan (2.2) diperoleh

besarnya kemampuan koreksi kesalahan sebesar 2 bit salah dari urutan bit yang

1 .

diterima sepanjang.

N = n ( m + L )

Dimana : N = panjang urutan bit

N = jumlah adder

M = jumlah memori

L = truncation length dari kode Reed Salomon, yang panjangnya sebanyak

Baris dari generator matriks.

Unipolar

• Arus mengalir satu arah , dan perubahan arah putar motor tergantung dari lilitan (koil) yang dialiri arus

• Lilitan terpisah dalam 2 bagian dan masing-masing bagian hanya dilewati arus dalam satu arah saja.

Kelemahan jenis Bipolar adalah bahwa rangkaian drivernya lebih kompleks, karena harus dapat mengalirkan arus dalam 2 arah (bolak-balik) lewat koil yang sama.

Inti rangkaian sebenarnya adalah sebuah buffer arus yang berfungsi menguatkan arus-arus logika dan MCU yang menggerakkan motor stepper.

Buffer ini dibentuk dengan menggunakan 2 transistor Bipolar NPN dalam konfigurasi Darlington untuk

menghasilkan penguat arus (hfe) yang tinggi.

Menggunakkan 2 buah rangkaian darlington

Bipolar

Mengacu pada transistor biasa atau IC yang bertentangan dengan komponen MOS dan CMOS.

Bipolar Memory

Memori komputer yang memakai IC bipolar sebagai bagian dari memorinya.

Algoritma Pembangkitan Salah Bit.

Pada penulisan ini didefinisikan transmisi tanpa modulasi dan format sinyal

adalah bipolar dimana bit 1 mewakili tegangan V volt dan bit 0 mewakili tegangan –V

volt. Bila bit 1 dikirim, error terjadi jika noise positip dengan tegangan lebih besar

dari pada V. Hal ini dapat dibuktikan sebagai berikut. Untuk sinyal dengan format

bipolar, bit 1 mewakili tegangan V volt dan bit 0 mewakili tegangan – V volt,

mempunyai tegangan Treshold sebesar :

Vth =2 ( V V . + (3.5)

= 0 volt

Gambar 3.4 memperlihatkan format sinyal bipolar:

Apabila bit 1 dikirim maka error akan terjadi jika tegangan lebih kecil dari harga

Treshold ( 0 Volt ). Tegangan akan lebih kecil dari 0 volt jika noise negatip dengan

tegangan lebih kecil dari –V. Apabila bit 0 dikirim maka error akan terjadi jika

tegangan lebih besar dari harga Treshold (0 Volt). Tegangan akan lebih besar dari 0

jika noise positip dengan tegangan lebih besar dari +V.

Karena parameter yang dipakai didalam program adalah Signal to Noise ratio

(S/R) dan yang akan dicari adalah tegangan (V), maka perlu dibuat suatu hubungan

antara tegangan dan variansi dengan signal noise. Didefinisikan tegangan kuadrat

(V2) sama dengan daya sinyal (S) karena seolah-olah tegangan dc dan σ2 sama

dengan daya noise (N). Dari definisi tersebut dapat dibuat suatu persamaan yaitu :

NS V = 22σ(3.6)

Bila σ2 = 1 maka persamaan (3.6) menjadi :

V2 =NS(3.7)

Pada penulisan ini diasumsikan noise adalah Gaussian dengan rataan 0 dan

variansi σ2. Oleh karena asumsi noise adalah Gaussian maka dalam simulasi ini

diperlukan pembangkit bilangan acak Gaussian dengan rataan = 0. Karena telah

didefinisikan bahwa variansi = 1 maka dalam simulasi diambil harga variansi = 0.

Implementasi program pembangkitan bilangan acak yang terdistribusi

Gaussian dengan rataan = 0 dan variansi = 1 adalah sebagai berikut :

Var

v1, v2, v3, v4 : real;

Begin

Repeat

v1:=2.0*Random-1;

v2:=2.0*Random-1;

v3:=v1*v1+v2*v2;

Until v3<=1.0

v4:=sqrt((-2*ln(v3)/v3);

u:=v1*v4

End;

Diagram alir pembangkitan salah bit diperlihatkan pada gambar 3.5.

Proses pembangkitan salah bit dimulai dengan memberikan nilai Signal to

Noise Ratio (SNR) yang diinginkan. Dari harga Signal to Noise Ratio dihitung

besarnya tegangan (V) dengan menggunkan persamaan 3.7. Kemudian dibangkitkan

sample noise (u) yang berupa bilangan acak berdistribusi Gaussian dengan rataan 0

dan variansi = 1.

Setelah itu diambil bit-bit yang keluar dari encoder dimana tiap yang diambil

dibandingkan dengan tiap sample noise yang dibangkitkan. Berdasarkan sample

noise dan bit-bit yang keluar dari encoder diputuskan apakah terjadi atau tidak. Bila

yang diambil adalah bit 1, error terjadi jika sample noise negatip dengan tegangan

lebih kecil dari –V. Bila yang diambil adalah bit –0, error terjadi jika noise positip

dengan tegangan lebih besar dari +V. Jika terjadi error, bit tersebut di invert yakni

bit 1 menjadi bit 0 dan bit 0 menjadi bit 1.

Rangkaian Darlington untuk mengatur jumlah arus pada motor stepper

Keuntungan rancangan biphase :

• Synchronisasi : karena adanya transisi selama tiap bit time, receiver dapat men-synchron-kan pada transis tersebut atau dikenal sebagai self clocking codes.

• Tidak ada komponen dc.

• Deteksi terhadap error : ketiadaan dari transisi yang diharapkan, dapat dipakai untuk mendeteksi error.

Kekurangannya :

· memakai bandwidth yang lebih lebar dari pada multilevel binary.

BER Teoritis

Multilevel binary

• Untuk memperoleh BER tertentu, perlu daya 3 dB lebih besar dibandingkan NRZ

Biphase

Kasus Manchester dan differential Manchester

Keunggulan

• Sinkronisasi: penerima dapat melakukan sinkronisasi pada setiap transisi dalam 1 durasi bit
• Tanpa komponen dc
• Deteksi kesalahan: transisi yang tidak terjadi di tengah bit dapat digunakan sebagai indikasi kesalahan
• 
  

Kelemahan

• Bandwidth lebih besar dibandingkan NRZ dan multilevel binary Kode Manchester digunakan pada standar IEEE 802.3 (CSMA/CD) untuk LAN dengan topologi bus, media transmisi kabel koaksial baseband dan twisted pair Kode differential Manchester digunakan pada IEEE 802.5 (token ring LAN), media transmisi STP