TRANSMISI DIGITAL

1. TRANSMISI DIGITAL

2. Transmisi adalah proses pengangkutan informasi dari satu titik ke titik lain di dalam suatu jaringan • Jarak antar titik bisa sangat jauh • Bisa ada banyak elemen jaringan yang terhubung • Elemen-elemen tersebut dihubungkan oleh koneksi yang disediakan oleh sistem transmisi

3. Elemen Sistem Transmisi • Untuk sistem komunikasi dua arah, maka pada arah transmisi yang berlawanan juga diperlukan elemen yang sama

4. Elemen Sistem Transmisi (2) • Transmitter • Transmitter mengolah sinyal masukan menjadi sinyal yang sesuai dengan karakteristik kanal transmisi • Pengolhan sinyal meliputi encoding dan modulasi • Transmission Channel • Kanal transmisi adalah suatu media elektral yang menjembatani sumber dan tujuan • Bisa berupa pasangan kabel, coaxial, radio atau serat optik • Setiap kanal transmisi menyumbangkan sejumlah loss transmisi atau redaman sehingga daya sinyal akan berkurang seiring bertambahnya jarak • Sinyal juga akan terdistorsi akibat perbedaan redaman yang dialami oleh komponen-komponen frekuensi sinyal yang berbeda • Sinyal biasanya terdiri dari banyak komponen frekuensi yang mana beberapa diantaranya teredam ada juga yang tidak teredam. Kondisi ini akan menyebabkan perubahan bentuk sinyal (distorsi) • Receiver • Penerima mengolah sinyal yang masuk dari kanal transmisi • Proses pada penerima meliputi penapisan (filtering) untuk menghilangkan out-of-bandnoise, penguatan (amplification) untuk mengkompensasiloss transmisi, ekualisasi (equalizing)untuk mengkompensasi distorsi), serta demodulasi dan decoding untuk membalikkan proses yang terjadi di transmiter • Noise, Distortion, and Interference • Merupakan faktor-faktor yang mempengaruhi sinyal yang ditransmisikan

5. Sinyal dan Spektrum • Sinyal komunikasi merupakan besaran yang selalu berubah terhadap waktu • Setiap sinyal dapat dinyatakan di dalam domain waktu (time domain) maupun didalam domain frekuensi (frequency domain) • Ekspresi sinyal di dalam domain frekuensi disebut spektrum • Sinyal di dalam domain waktu merupakan penjumlahan dari komponen-komponen spektrum sinusoidal • Analisa Fourier digunakan untuk menghubungkan sinyal dalam domain waktu dengan sinyal di dalam domain frekuensi

6. Contoh #1 This is baseband transmission (no modulation involved) • Jika misalnya durasi pulsa adalah T = 1 ms, maka komponen spektrum yang paling kuat berada di bawah 1 kHz (1/T = 1/1 ms = 1,000 1/s = 1 kHz) • Dari hasil di atas kita punya rule of thumbbahwa kita dapat mengirimkan 1.000 pulsa seperti di atas di dalam satu detik melalui kanal yang bandwidthnya 1 kHz (sama dengan sinyal biner berkecepatan 1-Kbps). • Untuk menaikkan kecepatan data (data rate), kita harus menurunkan durasi pulsa tetapi konsekuensinya lebar spektrum akan naik sehingga membutuhkan bandwidth yang lebih lebar • Misalnya bila ingin menaikkan data rate menjadi 10 kali lebih tinggi, maka kita harus menggunakan pulsa yang 10 kali lebih singkat dan membutuhkan bandwidth yang 10 kali lebih leba time domain of a pulse frequency domain of a pulse

7. Contoh #2 • Contoh di atas menunjukkan sebuah pulsa yang dikirimkan sebagai frekuensi radio (menggunakan modulasi amplitude shift keying (ASK)) • Terlihat bahwa spektrum terkonsentrasi pada frekuensi pembawa fc (bukan pada frekuensi 0 seperti pada contoh sebelumnya) • Perhatikan bahwa lebar spektrum di sekitar frekuensi pembawa hanya tergantung pada durasi pulsa T seperti pada contoh sebelumnya • Jika data rate kita naikkan (dengan mempersingkat durasi pulsa), maka spektrum akan melebar sehingga dibutuhkan bandwidth frekuensi radio yang lebih lebar

8. Esensi dari dua contoh tadi... • Bandwidth merupakan faktor pembatas utama untuk transmisi • Dari dua contoh sebelumnya kita bisa menyimpulkan adanya hubungan antara data rate dengan bandwidth yang diperlukan • Dengan menurunkan data rate kita bisa menaikkan kapasitas jaringan • Ingat pada waktu kita membahas speech coding: “riset di dalam speech coding selalu mencari teknik coding yang mampu memberikan data rate yang sekecil mungkin dengan kualitas yang masih dapat diterima” • Tujuannya agar jumlah pembicaraan di dalam jaringan meningkat walaupun kapasitas jaringan tetap

9. Data Rate Maksimum dari Sebuah Kanal Transmisi

10. Symbol Rate (Baud Rate) dan Bandwidth • Komunikasi membutuhkan bandwidth transmisi yang memadai untuk mengakomodasi adanya spektrum sinyal; kalau tidak, akan terjadi distorsi

11. Kenyataan: • Setiap kanal komunikasi memiliki bandwidth yang terbatas • Semakin tinggi data rate, durasi pulsa digital yang digunakan akan semakin pendek • Semakin pendek durasi pulsa, semakin lebar bandwidth yang digunakan • Ketika sebuah sinyal berubah-rubah dengan cepat (dari sisi waktu), spektrumnya akan melebar sehingga kita katakan bahwa sinyal itu memiliki bandwidth yang lebar

12. Pulsa keluaran yang diharapkan Pulsa keluaran Jika B=2*1/T Pulsa keluaran Jika B=1*1/T Pulsa keluaran Jika B=(1/2)*1/T Pulsa keluaran Jika B=(1/4)*1/T Ilustrasi • Misalnya kita masukan sebuah pulsa digital berdurasi T (T = 1ms) ke dalam suatu kanal yang memiliki sifat seperti lowpass filter ideal dengan bandwidth B Kanal Transmisi dengan Bandwidth B

13. Esensi dari ilustrasi • Pulsa keluaran akan semakin terdistorsi bila bandwidth kanal transmisi semakin kecil

14. intersymbol interference (ISI) Ilustrasi lain • Andaikan kita kirim beberapa pulsa digital untuk kasus yang paling buruk (bandwidth terkecil) dari yang sudah ditunjukkan pada ilustrasi sebelumnya Kanal Transmisi dengan Bandwidth B = (1/4)*1/T • ISI akan menyebabkan kesalahan pendeteksian sinyal di penerima • Bit ‘0’ bisa disangka bit ‘1’ dan sebaliknya

15. Esensi ilustrasi • Pengiriman sinyal dengan data rate tinggi harus menggunakan kanal transmisi yang bandwidthnya lebar • Supaya efek ISI tidak terasa • Bandingkan ilustrasi berikut dengan ilustrasi sebelumnya Kanal Transmisi dengan Bandwidth B = 2*1/T • ISI yang terjadi tidak akan menyebabkan kesalahan deteksi

16. Pada transmisi baseband, suatu sinyal digital yang terdiri dari r symbols per detikmemerlukan bandwidth transmisi, B (dalam satuan Hertz),sebesar : B  r/2 • Istilah symbol mengacu pada satu sinyal pulsa yang digunakan untuk mentransmisikan data digital • Satu symbol belum tentu merepresentasikan 1 bit data • Contoh: Pada modulasi QPSK, satu symbol merepresentasikan 2 bit data digital • Oleh karena itu jumlah symbol yang dikirimkan per detik dinyatakan di dalam baud (bukan bit rate) • Jadi transmisi data dengan kecepatan 1000 baud (symbol/detik) sama dengan bit rate 2000 bit per detik bila menggunakan modulasi QPSK • Dengan demikian, bandwidth yang tersedia (dalam satuan hertz)menentukan maximum symbolratedalam satuan bauds • Catatan: B merupakan bandwidth teoritis

17. Zero crossings • Hubungan antara bandwidth dengan baud rate (yang sudah kita lihat sebelumnya) diturunkan menggunakan sifat-sifat pulsa sinc • Pulsa sinc memiliki zero crossing pada interval 1/(2W) • Dengan analisa Fourier kita dapat menunjukkan bahwa pulsa sinc tidak memiliki komponen frekuensi yang lebih tinggi daripada W • Jika kanal transmisi merupakan lowpass filter ideal dengan bandwidth lebih tinggi dari W, maka kanal tersebut akan cocok digunakan bagi pengiriman pulsa sinc yang memiliki zero crossing pertama pada t = 1/2W tanpa mengalami distorsi • Bentuk pulsa di keluaran akan tetap karena seluruh komponen frekuensi di keluaran akan tetap sama seperti di masukan

18. Sifat pulsa sinc yang memiliki zero crossing secara periodik setiap 1/2W (untuk pulsa sinc dengan komponen frekuensi maksimum W) dapat dimanfaatkan untuk mengirimkan pulsa berikutnya tepat pada t = 1/2W • Pulsa sebelumnya (previous pulse) tidak akan berpengaruh kepada pulsa berikutnya (next pulse) karena nilai previous pulse tepat sedang nol pada saat t = 1/2W • Di penerima, penentuan nilai pulsa dilakukan setiap n.1/(2W), dimana n = 1, 2, 3, ...

19. Dengan skema pengiriman pulsa sinc seperti yang sudah disampaikan sebelumnya, selang waktu antar pulsa adalah T = 1/2W, dengan demikian data rate r = 1/T = 2W • Bila data rate kita naikkan sedemikian hingga WB, maka selang waktu antar pulsa T  1/2B, sehingga r  1/T = 2B • Nilai ini memberikan rate maximum teoritis untuk transmisi symbol sehingga kita dapat katakan bahwa symbolratedan bandwidthmemiliki hubungan r ≤ 2B atau B ≥ r/2

20. Dalam kenyataan, tidak ada yang namanya pulsa sinc itu, sehingga analisa kita menghasilkan symbol rate maksimum pada suatu kanal lowpass • Di dalam kenyataan digunakan pulsa yang mirip dengan pulsa sinc • bandwidthnya biasanya 1,5 sampai 2 kali lebih lebar daripada pulsa sinc

21. Symbol Rate dan Bit Rate • Dalam komunikasi digital, digunakan symbol-symbol (berbentuk pulsa) sebagai representasi informasi • Bila kita dapat membuat beberapa symbol dengan amplituda yang berbeda (masing-masing merepresentasikan bit-bit yang dibawanya), maka kita dapat menaikkan data rate dengan tetap mempertahankan symbol rate

22. Gambar (a) di atas memperlihatkan empat buah simbol yang masing-masing digunakan untuk merepresentasikan 2 bit informasi • Gambar (b) memperlihatkan penggunaan symbol di dalam mengirimkan deretan bit 011011000110 (a) (b)

23. Secara umum, jumlah simbol (M) ditentukan oleh jumlah bit informasi (k) yang diwakilinya, yaitu: M = 2k • Hubungan antara bit rate dengan jumlah simbol adalah sbb: Bit rate = rb= r log2M [bps] • Pada contoh sebelumnya jumlah simbol ada sebanyak M = 2k = 22 = 4, maka bit rate = rb= r log2M = r log24 = 2 bps. Maka bila baud rate adalah 1 kbaud, maka bit rate sama dengan 2 kbps. • Ingat log22n = n • Nilai baud rate bisa lebih kecil daripada bit rate • Jadi dengan baud rate tertentu kita bisa terus menaikkan bit rate dengan cara menambah jumlah simbol (dengan kata lain: memperbanyak jumlah bit yang dibawa oleh satu simbol)

24. Kalau gitu.... Naikin aja terus jumlah bit per simbol agar bit rate transmisi sebesar mungkin.... Kalau hanya bandwidth batasannya memang demikian... Tetapi ada faktor pembatas lain yaitu: Noise.......

25. Level sinyal maksimum selalu terbatas Delapan level simbol Empat level simbol noise Semakin banyak jumlah simbol, deteksi simbol semakin sulit dilakukan dan pengaruh noise akan semakin signifikan (bisa menyebabkan perubahan level simbol)

26. Kapasitas Maksimum Kanal Transmisi • Noise menurunkan kualitas komunikasi analog dan memunculkan error pada komunikasi digital • Ukuran noise relatif terhadap sinyal dinyatakan oleh S/N • S/N biasanya dinyatakan dalam decibel: (S/N)dB= 10 log (S/N) [dB]

27. Pada tahun 1948, Claude Shannon mempublikasikan suatu kajian mengenai data rate maksimum teoritis pada kanal komunikasi yang terganggu noise

28. Dengan mempertimbangkan sekaligus bandwidth dan noise, Shannon menyatakan bahwa error-free bit rate (bit rate yang tidak mengakibatkan error) pada suatu kanal transmisi tidak dapat melebihi kapasitas maksimum C • Secara matematis, C dinyatakan oleh: C=Blog2(1+S/N) • Dimana: • C = Data rate informasi maksimum dalam satuan bit per detik • B = bandwidth dalam satuan Hertz • S = daya sinyal • N = daya noise • S/N = Signal-to-noise ratio, dinyatakan dalam perbandingan daya (bukan dalam dB)

29. Contoh: • Misalkan suatu kanal transmisi yang bebas noise memiliki bandwidth 4 kHz. Maka symbol ratemaksimum pada kanal tersebut adalah r ≤ 2B= 8 kbauds • Artinya, kita dapat mengirimkan sampai 8000 sinyal (simbol) per detik • Bila kanal di atas digunakan pada suatu lingkungan yang mengandung noise dengan S/N sebesar 28 dB (bila dinyatakan dalam bentuk perbandingan S/N = 102,8 ≈ 631 • Maksimum bit rate menurut Shannon = C • C = B log2(1 + S/N) = 4.000 log2(632) = 37.2 Kbps • Agar batas kapasitas kanal tidak terlampaui, maka jumlah bit persimbol yang diijinkan untuk ditransmisikan pada kanal di atas adalah 4 • Ingat rumus ini: Bit rate = r log2M • Bila kita masukkan hasil perhitungan di atas: 37,2 kbps = 8 kbauds * log22k ;maka jumlah bit maksimum yang diperbolehkan adalah sebanyak 4 bit per simbol

30. Line Coding • Line coding merupakan metoda untuk merubah simbol dari sumber ke dalam bentuk lain untuk ditransmisikan • Line coding merubah pesan-pesan digital ke dalam deretan simbol baru (ini merupakan proses encoding) • Decoding bekerja kebalikannya yaitu merubah kembali deretan yang sudah dikodekan (encoded sequence)menjadi pesan aslinya • Sistem yang menggunakan line coding tetapi tidak melibatkan modulasi disebut sistem transmisi baseband • Spektrum hasil pengkodean tetap berada di dalam rentang frekuensi pesan asli

31. Tujuan Line Coding • Merekayasa spektrum sinyal digital agar sesuai dengan medium transmisi yang akan digunakan • Dapat dimanfaatkan untuk proses sinkronisasi antara pengirim dan penerima (sistem tidak memerlukan jalur terpisah untuk clock) • Dapat digunakan untuk menghilangkan komponen DC sinyal (sinyal dengan frekuensi 0) • Komponen DC tidak mengandung informasi apapun tetapi menghamburkan daya pancar • Line coding dapat digunakan untuk menaikkan data rate • Beberapa teknik line coding dapat digunakan untuk pendeteksian kesalahan

32. Pada contoh di atas, setiap 2 bit data dikodekan ke dalam 4 level simbol • Jadi bit rate akan menjadi dua kali dari bit baud rate

33. Berdasarkan level sinyal yang digunakan, line coding dapat dikatagorikan sbb.: • Unipolar : menggunakan level +v, 0 • Polar (antipodal) : menggunakan level +v, -v • Bipolar (pseudoternary): menggunakan level +v, 0, -v

34. Line coding yang akan kita bahas • NRZ • RZ • AMI • HDB3 • CMI • Manchester • Differential Manchester • B8ZS • nBmB

35. Non Return to Zero (NRZ) • Bit “1” dinyatakan oleh “high signal” selama perioda bit • Bit "0" dinyatakan oleh “low signal” selama perioda bit • Kelemahan: • Tidak ada informasi timing di dalam bentuk sinyal sehingga sinkronisasi bisa hilang bila muncul deretan 0 yang panjang • Spektrum NRZ mengandung komponen DC • Varian dari NRZ: • NRZ-L (Non-Return-to-Zero-Level) : Level konstan selama perioda bit • NRZ-I : (Non-Return-to-Zero-Invert on ones): bit “1” dikodekan dalam bentuk transisi sinyal (dari high-ke-low atau low-ke-high), sedangkan “0” dikodekan dengan tidak adanya transisi sinyal • NRZ-M (Non-Return-to-Zero-Mark): level berubah bila ada bit “1” • NRZ-S (Non-Return-to-Zero-Space): level berubah bila ada bit “0” • NRZ bisa unipolar maupun polar

36. Unipolar NRZ-L Polar NRZ-L Unipolar NRZ-M Unipolar NRZ-S

37. 1.2 NRZ 1 0.8 0.6 power density 0.4 0.2 0 1 0 2 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 0.4 0.6 0.2 -0.2 fT Spektrum NRZ

38. Return to Zero (RZ) • Bit "1" dinyatakan oleh “high signal” selama setengah perioda bit dan dinyatakan oleh “low signal” pada seengah perioda bit berikutnya • Memungkinkan pengambilan informasi clock bila ada deretan 1 yang panjang • Kelemahan • Bandwidht yang diperlukan dua kali NRZ • Sulit mengambil informasi clock bila ada deretan nol yang panjang • Mengandung komponen DC

39. AMI (Alternate Mark Inversion) • Pseudoternary code • Bit "0" dinyatakan sebagai level nol • Bit "1" dinyatakan oleh level positif dan negatif yang bergantian • Karakteristik sinyal hasil pengkodean AMI • Tidak memiliki komponen DC (kelebihan) • Tidak memecahkan masalah kehilangan sinkronisasi bila terdapat deretan nol yang panjang Polaritas level antara dua buah bit “1” yang berurutan berkebalikan

40. HDB3 • Berbasis kode AMI • Jumlah nol berurutan yang diperbolehkan maksimum 3 • Ide dasar: mengganti empat nol berurutan menjadi "000V" atau "B00V" • "V" adalah pulsa yang menyalahi aturan AMI mengenai perubahan polaritas yang berurutan • Aturan penggunaan "000V" atau "B00V" adalah sbb: • "B00V" digunakan jika sampai pulsa sebelumnya, sinyal mengandung komponen DC (yaitu jumlah pulsa negatif dan pulsa positif tidak sama) • "000V" digunakan jika sampai pulsa sebelumnya komponen DC adalah nol (jumlah pulsa negatif sama dengan jumlah pulsa positif • Polaritas pulsa "B", yang patuh pada aturan AMI, bisa positif atau negatif dengan tujuan menjamin dua pulsa V berlawanan polaritas

41. CMI (Coded Mark Inverted) • Berbasis AMI • Digunakan pada transmisis kecepatan tinggi • Bit “1” dikirimkan sesuai dengan aturan AMI yaitu bila ada dua “1” berurutan maka pulsa yang menyatakan keduanya harus berbeda polaritas • Bit “0” dinyatakan oleh pulsa dengan setengah perioda pulsa pertama dinyatakan oleh tegangan negatif sedangkan setengah perioda pulsa berikutnya dinyatakan oleh tegangan positif • Kode CMI memiliki karakteristik berikut: • Menghilangkan spektrum sinyal pada frekuensi yang sangat rendah • Clock dapat direcovery dengan mudah • Bandwidth lebih lebar daripada AMI

42. 0 1 0 1 1 1 1 0 0 Manchester • Bit “1” dinyatakan oleh pulsa yang setengah prioda pertamanya memiliki level high dan setengah perioda sisanya memiliki level low • Bit “0” dinyatakan oleh pulsa yang setengah perioda pertamanya memiliki level low dan setengah perioda sisanya memiliki level high • Jadi setiap bit dinyatakan oleh pulsa-pulsa yang berganti level pada pertengahan bit • Karakteristik Manchester coding: • Timing recoverymudah • Bandwidth lebar

43. Differential Manchester • Setiap bit dinyatakan oleh pulsa-pulsa yang berubah level di pertengahan bit • Bit “1” dikodekan dengan tidak adanya transisi level di awal bit • Bit “0” dikodekan dengan adanya transisi level di awal perioda bit

44. B8ZS • Berbasis AMI • Jika ada 8 nol berurutan dan pulsa sebelumnya merupakan pulsa positif maka semua nol itu dikodekan menjadi 000+-0-+ • Jika ada 8 nol berurutan dan pulsa sebelumnya merupakan pulsa negatif maka semua nol itu dikodekan menjadi 000-+0+- • Ada dua pulsa yang melanggar aturan AMI Data

45. mBnB • Memetakan satu blok informasi yang terdiri dari m bits ke dalam n bits • n > m ; biasanya n = m+1 • Manchester code dapat dilihat sebagai kode 1B2B • 4B5B digunakan pada FDDI • 8B10b digunakan pada Gigabit Ethernet • 64B66B digunakan pada 10G Ethernet

46. Untuk mengetahui komponen DC pada sinyal

47. Regeneration

48. Pada transmisi jarak jauh, daya sinyal akan teredam sehingga daya yang sampai di penerima bisa jadi sudah sedemikian lemah sehingga tidak dapat dideteksi lagi • Pada sistem transmisi analog, digunakan amplifier/repeater untuk menguatkan sinyal yang sudah lemah • Amplifier/repeater selain menguatkan input yang berupa sinyal informasi juga akan menguatkan sinyal noise • Pada penggunaan amplifier/repeater yang berulangkali, efek noise akan terakumulasikan sehingga perbandingan Sinyal dengan Noise (S/N) akan semakin mengecil

49. Pada sistem transmisi digital, penguatan sinyal dilakukan menggunakan perangkat yang disebut regenerator (digital amplifier) • Suatu regenerator terdiri dari equalizing amplifier,yang mengkompensasi distorsi dan menapis (mem-filter) out-of-band noise, serta sebuah komparator • Keluaran komparator akan high jika sinyal input lebih besar daripada Vref, dan akan low jika sinyal input lebih rendah daripada Vref • Sebuah regenator juga mengandung rangkaian pewaktu (timing) yang berfungsi untuk membangkitkan sinyal clock berdasarkan sinyal input yang diterima • D-flip flop digunakan untuk menentukan apakah sinyal keluaran regenerator high (1) atau low (0) pada saat sinyal clock berada pada kondisi sisi naik (rising edge) • Nilai output akan tetap sampai rising edge berikutnya • Sinyal hasil regenerasi akan bebas dari noise dan siap ditransmisikan lagi