dig_mod_7

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Modulasi Digital

1

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) adalah sebuah teknik transmisi yang

menggunakan beberapa buah frekuensi yang saling tegak lurus (orthogonal). Pada saat ini, OFDM telah

dijadikan standar dan dioperasikan di Eropa yaitu pada Proyek DAB (Digital Audio Broadcast), selain itu

juga digunakan pada HDSL(High Bit-rate Digital Subscriber Lines; 1.6 Mbps)[9], VHDSL (Very High

Speed Digital Subscriber Lines; 100 Mbps) , HDTV (High Definition Television) dan juga komunikasi

radio. Teknologi ini sebenarnya sudah pernah diusulkan pada sekitar tahun 1950, dan penyusunan teori-

teori dasar dari OFDM sudah selesai sekitar tahun 1960. Pada tahun 1966, OFDM telah dipatenkan di

Amerika. Kemudian pada tahun 1970-an, muncul beberapa buah paper yang mengusulkan untuk

mengaplikasikan DFT (Discrete Fourier Transform) pada OFDM, dan sejak tahun 1985 muncul beberapa

paper yang memikirkan pengaplikasian tekonologi OFDM ini pada komunikasi wireless.

Akhir-akhir ini teknologi OFDM ini kembali menjadi bahan pembicaraan para pakar komunikasi, hal

ini tak dapat dipisahkan dari pesatnya perkembangan teknologi LSI. Karena sebelum teknologi LSI

berkembang, meskipun secara teori sangat menjanjikan, tapi OFDM dianggap kurang aplikatif karena

terlalu rumit.

7.1. Karakteristik Propagasi pada Kanal Komunikasi Bergerak

Dalam suatu kanal radio ideal, sinyal yang diterima hanya terdiri dari sebuah sinyal dengan lintasan

tunggal langsung dari pemancar (line of sight, LOS), yang mana akan memudahkan penerima untuk

merekonstruksi ulang sinyal tersebut. Yang mana dalam kondisi real di lapangan, sinyal yang sampai

pada penerima tersusun dari beragam kejadian pada kanal seperti atenuasi (pelemahan), refleksi

(pantulan), dan difraksi pada sinyal yang ditransmisi. Kondisi in imasih diperburuk dengan adanya noise

dari kanal yang dapat menyebabkan pergeseran fase atau frekuensi dari sinyal yang ditransmisi, atau

mungkin juga terjadi pergeseran Doppler jika penerima dalam kondisi bergerak. Pemahaman kondisi ini

merupakan hal penting untuk memahami system komunikasi radio, sebab pengetahuan tentang kanal

merupakan kunci..

7


2

Attenuasi

Atenuasi adalah penurunan level daya sinyal ketika ditransmisi dari pemancar ke penerima. Ini

dapat disebabkan karena lintasan yang panjang, hambatan pada lintasan yang dilalui, dan munculnya

lintasan jamak (multipath). Gambar (7.1) berikut ini menunjukkan beberapa efek propagasi gelombang

radio yang menyebabkan atenuasi. Suatu obyek yang menghalangi sinyal line of sight dapat menyebabkan

atenuasi.

Shadowing dapat terjadi ketika ada penghalang daiantara pemancar dan penerima. Ini dapat

disebabkan adanya gedung dan bukit, yang mana merupakan factor penting dalam terjadinya atenuasi di

suatu lingkungan.

Rayleigh Fading

Dalam kanal radio, sinyal RF(radio frequency) dari pemancar mungkin mengalami refleksi dari

pbyek seperti bukit, gedung bertingkat, atau kendaraan. In menyebabkan munculnya lintasan jamak pada

sinyal yang sampai ke penerima.

Fase relatif pada sinyal-sinyal dari lintasan jamak dapat menyebabkan interferensi destruktif atau

construktif pada bagian penerima. Ini akan dialami bila penerima berubah posisinya dari satu tempat ke

tempat lain (dalam ukuran panjang gelombang carrier), sedemikian hingga menimbulkan terminology fast

Sinyal dari base station

Mobile phone

Difraksi sinyal Refleksi

sinyal

Hambatan pada LOS

Gambar (7.1) Efek pada propagasi radio


3

fading. Fariasi yang terjadai bias mencapai10-30 dB pada suatu jarak yang sangat pendek. Gambar (7.2)

mengilustrasikan kejadian fading.

Delay Spread

Sinyal yang ditangkap oleh penerima radio tersusun dari s inyal langsung dari pemancar dan

berbagai sinyal hasil pantulan dan difraksi. Sinyal terpantul muncul pada waktu yang berbeda disbanding

sinyal dari lintasan langsung (LOS). Perbedaan waktu ini menyebabkan fase sinyal-sinyal tersebut

berbeda pula. Sedemikian hingga energi sinyal tersebut juga berbeda dibanding dengan sinyal dari LOS.

Masalah ini disebut delay spread, yang mana merupakan spreading time diantara sinyal yang dating

pertama kali dibandin sinyal yang terakhir kali.

Jarak dalam meter

Lev

el s

inya

l da

lam

dB

Gambar (7.2) Rayleigh fading pada system kmunikasi bergerak (frekuensi carrier 900 MHz)


4

Dalam system digital, delay spread dapat menimbulkan intersymbol-interference. Ini

mengakibatkan adanya overlapping antara symbol satu dengan yang lainnya. Representasi sinyal

baseband digital untuk peristiwa delay spread dapat diberikan pada Gambar (7.3) berikut.

Doppler Shiff

Ketika penerima atau pemancar dalam kondisi bergerak, maka frekuensi yang ditangkap oleh

penerima tidak akan sama dengan yang dikirimkan oleh pemancar. Peristiwa ini terjadi akibat pemancar

dan penerima saling mendekat maka frekuensi yang ditangkap penerima akan mennjadi lebih besar

disbanding frekuensi dari pemancar. Kondisi sebaliknya apabila keduanya bergerak menjauh, maka

frekuensi yang ditangkap penerima akan lebih kecil dibanding frekuensi pada pemancar. Peristiwa ini

dikenal sebagai efek Dopller.

a) Sinyal LOS

b) Sinyal delay dan refleksi

c) Sinyal pada lintasan jamak

Gambar (7.3) Perstiwa delay spread


5

Besarnya beda frekuensi sebagai akibat Doppler effect tergantung pada gerak relatif sumber dan

penerima dan kecepatan propagasi sinyal carrier. Bentuk pergeseran frekuensi Doppler adalah sebagai

berikut:

cv

ff o±≈∆

dimana :

- ∆f = perubahan frekuensi yang ditangkap oleh penerima

- fo = frekuensi dari pemancar, yang dalam hal ini adalah frekuensi carrier

- c = cepat rambat gelombang di udara, 3 x 108 m/s

- v = kecepatan gerak pemancar/penerima

Sebagai contoh untuk kasus frekuensi carrier fo= 1 GHz, dan kecepatan gerak pemancar/penerima

sebesar 60 km/jam (16.7 m/s) maka besarnya pergeseran Doppler adalah:

∆f = 109 x 16.7 / (3x108) = 55.5 Hz

Pergeseran sebesar 55 Hz ini tidak terlalu signifikan dalam system transmisi. Tetapi untuk kondisi gerak

lebih cepat efek ini akan terasa.

7.2. Teknik Single User dan Multi User

Trend yang berkembang dalam dunia komuniaksi digital dewasa ini adalah teknik multiuser. Salah

satu contoh teknikmulti user yang dikembangkan dewasa ini adalah system OFDM. Sebelum kita

membicarakan hal ini lebih jauh, sebagiknya kita bicarakan dulu tentang teknik dasar modulasi digital,

yang merupakan system single user, yaitu system BPSK.

BPSK

Setiap symbol data pada system BPSK memodulasi fase pada frekuensi carrie r yang lebih tinggi.

Diagram beriku tini menunjukkan bagaimana bentuk time domaian dari system BPSK yang berupa carrier

termodulasi oleh 8 simbol. Bit-bit data dapat berubah 1 atau 0 sesuai nilai informasi yang diwakilinya.


6

Spektrum BPSK

Di dalam frekuensi domain, effect pergeseran fase dalam carrier berupa bentuk ekspansi

bandwidth yang yang dipakai sinyal BPSK pada suatu fungsi sinc. Nilai nol pada fungsi sinc

terjadi pada frekuensi symbol interval.

Sinyal baseband BPSK

Akan lebih mudah untuk memahami sebuah sinyal tanpa carrier, seperti yang akan

ditunjukkan dalam representasi baseband berikut ini. Pengaruh pada fisik suatu dapat

dimodelkan menggunakan suatu filter FIR 3 tap. Diawali dengan transmisi sebuah seinyal

Gambar (7.4) Sinyal BPSK

Gambar (7.5) Spektrum sinyal BPSK


7

sempurna , bagian penerim akan menangkap sinyal dalam keadaan seperti aslinya (ditunjukkan

sebagai sinyal pertama). Untuk kondisi kanal yang tidak sempurna akan menyebabkan adanya

perubahan level pada sinyal baseband. Gangguan pada kanal bias menyebabkan pergeseran

sinyal, sehingga pada bagian penerima akan muncul efek inter-symbol interference.

Interferensi diantara Dua Sinyal BPSK

Untuk mengatasi permasalahan inter-symbol interference, salah satu metode yang mungkin digunakan adalah dengan mengirimkan data secara parallel menggunakan multiple (>2) carrier. Dengan meningkatnya panjang symbol maka efek ISI pada symbol yang berdekatan dapat direduksi. Tetapi seberapa jauh penggunaan multiple carrier ini akan menentukan kapasitas system, sebab bandwidth yang digunakan secara otomatis akan meningkat.

Gambar (7.6) Sinyal BPSK baseband

Gambar (7.7) Interferensi 2 sinyal BPSK


8

Carrier Spacing pada OFDM

Pada bagian sebelumnya dijelaskan jika ada dua sinyal berinterferensi satu sama lain

terpisah pada beda frekusni yang senilai kelipatan bulat dari bandwidth sinyal, maka hal ini tidak

akan memberi efek..Kondisi ini dapat dikembangkan dengan memperbanyak jumlah sinyal

carrier yang masing-masing terpisah dengan nilai frekusni yang merupakan kelipatan bilangan

bulat bandwidthnya. Sehingga dapat memanfaatkan bandwidth saliuran seca ra keseluruhan tanpa

mengganggu kinerja sistem, yang selanjutnya akna kita kenal sebagai system orthogonal

frequency division (OFDM).

Sinyal OFDM

The time domain construction of an OFDM signal from its constituent carriers is shown below.

The data values can be adjusted. For some data combinations the peak power is much higher

than for others and this can complicate analog amplifier design in OFDM systems. In multipath

channels, the delays can cause symbol overlap, destroying the perfect sum of sinusoids. This is

easily fixed by cyclicly extending the signal by a length longer than the channel delay.

Gambar (7.6) OFDM dalam frekuensi domain.


9

Baseband Representation untuk OFDM

The multi-carrier modulation of an OFDM system can be achieved using a large number of

modulators however a more efficient approach is to use an inverse-FFT to create a baseband

signal which can then be modulated using a single high frequency modulator. The in-phase

(black) and quadrature (blue) components are shown for the transmitted signal and for the

recieved signal (red and green), this however does not show any clear relationship with the

transmitted signals.

7.3. Prinsip Dasar OFDM

OFDM adalah sebuah teknik transmisi dengan banyak frekuensi (multicarrier), menggunakan Discrete

Fourier Transfor (DFT). Bagan dasar dari OFDM ditampilkan pada gambar.1.


10

Cara

kerjanya adalah sebagai berikut. Deretan data informasi yang akan dikirim dikonversikan kedalam bentuk

parallel, sehingga bila bit rate semula adalah R , maka bit rate di tiap-tiap jalur parallel adalah R/M

dimana M adalah jumlah jalur parallel (sama dengan jumlah sub-carrier). Setelah itu, modulasi dilakukan

pada tiap-tiap sub-carrier. Modulasi ini bisa berupa BPSK, QPSK, QAM atau yang lain, tapi ketiga teknik

tersebut sering digunakan pada OFDM. Kemudian sinyal yang telah termodulasi tersebut diaplikasikan ke

dalam Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT), untuk pembuatan simbol OFDM. Penggunaan IDFT

ini memungkinkan pengalokasian frekuensi yang saling tegak lurus (orthogonal), mengenai hal ini akan

dijelaskan lebih lanjut. Setelah itu simbol-simbol OFDM dikonversikan lagi kedalam bentuk serial, dan

kemudian sinyal dikirim.

Sinyal yang terkirim tersebut, dalam persamaan matematik bisa diekspresikan sebagai berikut,

Dimana Re(.) adalah bagian real dari persamaan, f(t) adalah respons implus dari filter transmisi, T adalah

periode simbol, v o adalah frekuensi pembawa (carrier frequency) dalam bentuk radian, j adalah fase

pembawa (carrier phase), dan bn adalah data informasi yang telah termodulasi yang menjadi input dari

IDFT.

Sedangkan pada stasiun penerima, dilakukan operasi yang berkebalikan dengan apa yang dilakukan di stasiun pengirim. Mulai dari konversi dari serial ke parallel, kemudian konversi sinyal parallel dengan


11

Fast Fourier Transform (FFT), setelah itu demodulasi, konversi parallel ke serial, dan akhirnya kembali menjadi bentuk data informasi.

Apa yang dimaksud dengan Orthogonal ?

Istilah orthogonal dalam Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) mengandung makna

hubungan matematis antara frekuensi-frekuensi yang digunakan. Dengan persamaan matematika bisa

diekspresikan sebagai berikut, dua buah kumpulan sinyal dikatakan orthogonal bila,

Pemakaian frekuensi yang saling orthogonal pada OFDM memungkinkan overlap antar frekuensi tanpa

menimbulkan interferensi satu sama lain. Ada beberapa kumpulan sinyal yang orthogonal, salah satunya

yang cukup sering kita gunakan adalah sinyal sinus, sebagaimana diperlihatkan pada gambar.2.

7.4. Keunggulan Sistem OFDM

Efisiensi Pemakaian Frekuensi


12

Untuk memperjelas perbedaan OFDM, baik dalam operasi dasarnya maupun dalam segi efisiensi

spektrumnya, dengan sistem single carrier, dan juga dengan sistem multicarrier konvensional, bisa dilihat pada

Gambar.3. Dari gambar tersebut bisa dilihat, bahwa OFDM adalah salah satu jenis dari multicarrier (FDM), tetapi

memiliki efisensi pemakaian frekuensi yang jauh lebih baik. Pada OFDM overlap antar frekuensi yang bersebelahan

diperbolehkan, karena masing-masing sudah saling orthogonal, sedangkan pada sistem multicarrier konvensional

untuk mencegah interferensi antar frekuensi yang bersebelahan perlu diselipkan frekuensi penghalang (guard band),

dimana hal ini memiliki efek samping berupa menurunnya kecepatan transmisi bila dibandingkan dengan sistem

single carrier dengan lebar spektrum yang sama. Sehingga salah satu karakteristik dari OFDM adalah tingginya

tingkat efisiensi dalam pemakaian frekuensi. Selain itu pada multicarrier konvensional juga diperlukan band pass

filter sebanyak frekuensi yang digunakan, sedangkan pada OFDM cukup menggunakan FFT saja.


13

Kuat Menghadapi Frekuensi Selektive Fading

Karakter utama yang lain dari OFDM adalah kuat menghadapi frequency selective fading. Dengan menggunakan teknologi OFDM, meskipun jalur komunikasi yang digunakan memiliki karakteristik frequencyselective fading (dimana bandwidth dari channel lebih sempit daripada bandwidth dari transmisi sehingga mengakibatkan pelemahan daya terima secara tidak seragam pada beberapa frekuensi tertentu), tetapi tiap sub carrier dari sistem OFDM hanya mengalami flat fading (pelemahan daya terima secara seragam). Pelemahan yang disebabkan oleh flat fading ini lebih mudah dikendalikan, sehingga performansi dari sistem mudah untuk ditingkatkan. Teknologi OFDM bisa mengubah frequency selective fading menjadi flat fading, karena meskipun sistem secara

keseluruhan memiliki kecepatan transmisi yang sangat tinggi sehingga mempunyai bandwidth yang lebar, karena

transmisi menggunakan subcarrier (frekuensi pembawa) dengan jumlah yang sangat banyak, sehingga kecepatan

transmisi di tiap subcarrier sangat rendah dan bandwidth dari tiap subcarrier sangat sempit, lebih sempit daripada

coherence bandwidth (lebar daripada bandwidth yang memiliki karakteristik yang relatif sama). Perubahan dari

frequency selective fading menjadi flat fading bisa diilustrasikan seperti gambar 4.

Tidak Sensitif Terhadap Sinyal Tunda

Keuntungan yang lainnya adalah, dengan rendahnya kecepatan transmisi di tiap subcarrier berarti periode simbolnya

menjadi lebih panjang sehinnga kesensitifan sistem terhadap delay spread (penyebaran sinyal-sinyal yang datang

terlambat) menjadi relatif berkurang.


14

7.5. Kelemahan Sistem OFDM

Sebagai sebuah sistem buatan menusia, tentunya teknologi OFDM pun tak luput dari kekurangan-kekurangan. Diantaranya, yang sangat menonjol dan sudah lama menjadi topik penelitian adalah frequency offset dan nonlinear distortion (distorsi nonlinear). Frequency Offset Sistem ini sangat sensitif terhadap carrier frequency offset yang disebabkan oleh jitter pada gelombang pembawa

(carrier wave) dan juga terhadap Efek Doppler yang disebabkan oleh pergerakan baik oleh stasiun pengirim maupun

stasiun penerima

Distorsi Nonlinear

Teknologi OFDM adalah sebuah sistem modulasi yang menggunakan multi-frekuensi dan multi-amplitudo, sehingga

sistem ini mudah terkontaminasi oleh distorsi nonlinear yang terjadi pada amplifier dari daya transmisi.

Sinkronisasi Sinyal

Pada stasiun penerima, menentukan start point untuk memulai operasi Fast Fourier Transform (FFT) ketika sinyal

OFDM tiba di stasiun penerima adalah hal yang relatif sulit. Atau dengan kata lain, sinkronisasi daripada sinyal

OFDM adalah hal yang sulit.

7.6. Beberapa Studi Tentang OFDM

Guard Interval

Pada OFDM, sinyal didesain sedemikian rupa agar orthogonal, sehingga bila tidak ada distorsi pada jalur komunikasi

yang menyebabkan ISI( intersymbol interference) dan ICI(intercarrier interference), maka setiap subchannel akan

bisa dipisahkan stasiun penerima dengan menggunakan DFT. Tetapi pada kenyataannya tidak semudah itu. Karena

pembatasan spektrum dari sinyal OFDM tidak strict, sehingga terjadi distorsi linear yang mengakibatkan energi pada

tiap-tiap subchannel menyebar ke subchannel di sekitarnya, dan pada akhirnya ini akan menyebabkan interferensi

antar simbol (ISI). Solusi yang termudah adalah dengan menambah jumlah subchannel sehingga periode simbol

menjadi lebih panjang, dan distorsi bisa diabaikan bila dipandingkan dengan periode simbol. Tetapi cara diatas tidak

aplikatif, karena sulit mempertahankan stabilitas carrier dan juga menghadapi Doppler Shift. Selain itu, kemampuan

FFT juga ada batasnya.


15

Gambar 5. Cara Penyisipan Interval Penghalang

Pendekatan yang relatif sering digunakan untuk memecahkan masalah ini adalah dengan menyisipkan guard interval (interval penghalang) secara periodik pada tiap simbol OFDM. Sehingga total dari periode simbol menjadi

T total = T guard + T symbol

Cara penyisipan diilustrasikan pada gambar 5, sedangkan efek dari penyisipan interval penghalang ini bisa diilustrasikan pada gambar.6.


16

Kombinasi Dengan CDMA

Pada sekitar tahun 1994, ada beberapa paper yang mengusulkan kombinasi antara teknologi OFDM

dengan teknologi CDMA (Code Division Multiple Access)[5][12][13][14], yaitu menggunakan OFDM

untuk modulasi tiap stasiun dan menggunakan CDMA untuk multiple access, yaitu penggabungan sinyal-

sinyal dari beberapa stasiun pengirim pada sebuah jalur komunikasi yang harus digunakan secara

bersama. Tema penelitian ini cukup meramaikan jurnal-jurnal komunikasi tingkat internasional seperti

IEEE Transaction on Communiation, IEEE Journal on Selected Areas of Communication, IEEE

Vehicular Technology, dan lain-lain. Alasan utama banyakn ya perhatian terhadap teknologi ini, karena

kemampuannya untuk menggabungkan keistimewaan dari CDMA yang terkenal sangat tahan terhadap

interferensi, dengan keistimewaan-keistimewaan dari OFDM seperti yang sudah disebutkan diatas.

Metode OFDM CDMA ini juga memungkinkan pemakaian CDMA untuk pengiriman data

berkekecapatan tinggi.

dig_mod_7

Documents