BAB II NOISE. Dalam sistem komunikasi, keberhasilan penyampaian informasi dari pengirim.pdf

1. BAB II
NOISE
2.1 Umum
Dalam sistem komunikasi, keberhasilan penyampaian informasi dari pengirim
(transmitter) kepada penerima (receiver) tergantung pada seberapa akurat penerima dapat
menerima sinyal yang ditransmisikan dengan baik dan benar. Pada kenyataannya, acapkali
sinyal informasi yang diterima oleh receiver mengalami kerusakan atau kesalahan. Sebagian
besar kesalahan pengiriman informasi dalam sistem komunikasi disebabkan oleh noise.
Noise (derau) merupakan sinyal lain yang tidak diharapkan dalam sistem
telekomunikasi karena bersifat mengganggu terhadap sinyal asli serta kehadirannya tidak
bisa ditentukan (acak). Banyaknya noise tidak dapat ditentukan secara pasti, hanya dapat
dirumuskan probabilitas ataupun kisaran nilai (range) nya saja.
Gangguan yang diakibatkan oleh noise dapat mengubah sinyal informasi, yang
menyebabkan gelombang sinus mempunyai sinyal derau yang kecil yang bergabung didalam
nya. Sehingga penerima tidak dapat membedakan sinyal informasi yang sebenarnya dari
derau yang ditambahkan seperti terlihat pada Gambar 2.1.
(a) Gelombang Sinus Asli (b) Gelombang Sinus karena Pengaruh Noise
Gambar 2.1 Noise pada Gelombang Sinus
Universitas Sumatera Utara

2. Noise juga dapat merusak bentuk sinyal asli, menambah atau mengurangi amplituda
nya, memperlambat waktu dan bentuk – bentuk perubahan lainnya. Noise tidak hanya
merusak sinyal analog, tetapi juga menyebabkan sistem modulasi digital tidak berfungsi
seperti tampak pada Gambar 2.2[1].
Time
A
A
Amplitude
(Volts)
Period = T =1/f
0
Time
A
A
Amplitude
(Volts) Period = T =1/f
0
(a) Pulsa Digital Asli (b) Pulsa Digital karena Pengaruh Noise
Gambar 2.2 Gangguan Derau pada Pulsa Digital
Alasan perlunya mengurangi derau dalam sistem komunikasi, antara lain :
1. Meningkatkan sensitifitas rangkaian untuk mendeteksi sinyal yang diinginkan dalam
sebuah penerima (receiver),
2. Mengurangi konten harmonis dan fasa derau dalam pemancar (transmitter),
3. Meningkatkan perbandingan sinyal dengan derau (signal to noise ratio)[2].
2.2 Jenis Noise
Secara garis besar ada dua jenis sumber noise. Yang pertama disebut external noise
(derau yang berasal dari luar perangkat) dan internal noise (derau yang timbul dari perangkat
itu sendiri).
Universitas Sumatera Utara

3. 2.2.1 External Noise
Derau yang disebabkan oleh atmosfir termasuk noise eksternal. Derau ini bersumber
dari gangguan atmosfir di udara (seperti: petir/kilat, radiasi, dan badai), yang diteruskan
melalui lapisan ionosfir ke dalam jaringan gelombang radio. Derau ini mempengaruhi
keadaan propagasi gelombang radio, karena memiliki intensitas yang berubah – ubah
terhadap frekuensi, waktu, keadaan bumi, keadaan udara, dan sebagainya.
Noise yang disebabkan oleh gangguan yang berasal dari luar bumi disebut cosmic
noise. Gangguan ini sangat terasa pada saat receiver bekerja pada frekuensi diatas 20 MHz.
Intensitas derau ini berubah – ubah dari waktu ke waktu dan sumber nya tidak merata di
angkasa, tetapi terpusat di beberapa tempat tertentu.
Disamping itu, ada juga noise yang disebabkan oleh perbuatan manusia (man mad
noise). Seperti adanya pembakaran, sistem saklar, dan relay.
Sumber derau lain disebut black body radiation (radiasi dari benda – benda berwarna
hitam) yang banyak terjadi pada transmisi radio. Hampir semua benda berwarna hitam
memancarkan energi melalui suatu spektrum yang luas. Demikian pula benda–benda yang
lebih panas, lebih besar pula energi yang dipancarkannya. Biasanya energi ini lebih banyak
dihamburkan bila panjang gelombang getarannya lebih pendek. Misalnya benda–benda pada
suhu biasa akan memancarkan energi pada frekuensi 10 GHz, namun kebanyakan radiasi
benda–benda demikian terdapat pada sinar inframerah yang panjang gelombangnya sangat
panjang.
Hal yang sama terjadi pada sinar matahari, dimana energi ini dipancarkan sebagai
cahaya yang dapat dilihat. Demikian pula sinar ultraviolet. Energi tersebut dilepaskan selama
kilatan pertama dari bom nuklir yang sebenarnya terdiri dari sinar X dan sinar Gamma.
Universitas Sumatera Utara

4. 2.2.2 Internal Noise
Beberapa jenis internal noise yang terdapat dalam sistem komunikasi digital
diantaranya adalah thermal noise, shot noise, flicker noise, white noise, dan noise kuantisasi.
1. Thermal noise
Thermal noise atau sering juga disebut dengan Johnson Noise merupakan suatu
fenomena noise yang berhubungan dengan suhu material. Semakin tinggi suhu komponen,
daya noise akan semakin besar. Thermal Noise tidak terjadi pada suhu 0o
K (-273o
C). Contoh
nya adalah white noise.
White noise (derau putih) merupakan suatu noise dengan kerapatan spektral daya
yang merata pada seluruh komponen frekuensinya. Dikatakan white noise karena
berpedoman pada kenyataan bahwa sebenarnya cahaya putih merupakan kumpulan dari
berbagai warna yang dapat diuraikan secara merata melalui suatu spektrum. Demikian pula
dengan white noise yang juga terdiri dari berbagai sumber derau, serta lebar daerah energi
elektron dan molekul-molekul yang merupakan pembangkit derau tersebut. Gambar 2.3
memperlihatkan bentuk white noise dalam suatu saluran komunikasi.
Gambar 2.3 White Noise dalam Saluran Komunikasi
Universitas Sumatera Utara

5. 2. Shot noise
Shot noise disebabkan oleh aliran elektron berupa emisi elektron dalam konduktor,
dan terutama terjadi pada komponen aktif. Shot noise akan memperbesar daya noise.
3. Flicker noise
Flicker noise berkaitan dengan ketidakteraturan hubungan dan permukaan pada
katoda semikonduktor. Kehadiran noise ini disebabkan oleh terjadinya fluktuasi
konduktivitas medium. Flicker noise memperbesar daya noise sebanding dengan panjang
gelombang. Noise ini terjadi pada komponen yang memiliki frekuensi dibawah 100 Hz.
5. Noise kuantisasi
Noise kuantisasi timbul pada saat proses pengubahan sinyal analog menjadi sinyal
digital akibat pembulatan level sinyal kontinyu ke harga-harga yang diskrit dan terutama
dirasakan pada sinyal yang memiliki level rendah. Noise kuantisasi menyebabkan timbulnya
kesalahan dalam regenerasi sinyal.
2.3 Kanal AWGN
Pada sistem komunikasi, umumnya digunakan kanal gelombang kontinyu. Kanal ini
merupakan kanal analog yang melewatkan sinyal-sinyal kontinyu s(t) yang dihasilkan oleh
sumber. Pada kanal kontinyu, sinyal yang ditransmisikan mendapatkan beberapa gangguan
yang disebabkan oleh karakteristik kanal yang tidak linear. Kanal juga memberikan redaman
yang melemahkan amplitudo sinyal. Selain itu, adanya noise juga menimbulkan kerusakan
pada sinyal. Semua pengaruh tersebut mengakibatkan munculnya perbedaan antara sinyal
yang dikirim dan yang diterima, sehingga cenderung menimbulkan kesalahan dalam
transmisi data.
Universitas Sumatera Utara

6. 2.3.1 Defenisi Kanal AWGN
Model kanal kontinyu yang paling umum dikenal adalah kanal AWGN (Additive
White Gaussian Noise) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Σ
noise n(t)
sinyal terima
r (t)
sinyal
s(t)
Gambar 2.4 Model Kanal AWGN
Proses transfer informasi pada kanal AWGN adalah berbentuk gelombang
elektromagnetik, dimana sumber mengeluarkan sinyal s(t) yang pada saat ditransmisikan
terkena noise n(t), dan diterima sebagai r(t) pada penerima.
Kapasitas dari suatu kanal AWGN dapat dirumuskan seperti pada persamaan berikut:
C=B log
2
( 1 + S/N) bps .........................................................................................(2.1)
dimana: C adalah kapasitas kanal (bit per detik)
B adalah bandwith kanal (Hz)
S adalah daya sinyal total pada lebar bidang (watt atau volt2
)
N adalah daya derau total pada lebar bidang (watt atau volt2
).
Persamaan (2.1) dikenal sebagai Hukum Shannon-Hartley, yang menegaskan peranan sentral
bandwidth dan parameter rasio sinyal terhadap derau (SNR) dalam sistem komunikasi[3].
Transmisi informasi tanpa error pada kanal komunikasi ber-noise dapat diperoleh selama
kecepatan informasi R≤ C. Hal ini sesuai dengan Hukum Shannon-Hartley diatas, yang
memberikan batas atas untuk transmisi informasi dalam kanal AWGN pita terbatas, yaitu :
R ≤ B log
2
( 1 + S/N) bps .......................................................................................(2.2)
dengan: R = Kecepatan informasi (bps)
Universitas Sumatera Utara

7. Secara umum, kanal AWGN memiliki sifat-sifat sebagai berikut:
1. Kanal menyediakan tansmisi bebas error dalam bandwidth B, dengan memberikan
penguat untuk menangani rugi-rugi transmisi.
2. Kanal membatasi input dari sumber sebagai sinyal pita terbatas s(t) dengan daya rata-
rata S.
3. Sinyal yang diterima pada tujuan terkontaminasi oleh penjumlahan dengan white
gaussian noise n(t) dengan bandwidth B, dan daya noise N = ηB (η adalah kerapatan
spektral daya noise).
4. Sinyal dan noise bersifat independent, sehingga r(t) = s(t) + n(t).
2.3.2 Pembangkitan Noise Kanal AWGN
Salah satu jenis noise yang ada pada setiap sistem komunikasi adalah noise thermal.
Noise thermal disebabkan oleh pergerakan elektron-elektron di dalam konduktor yang ada
pada sistem komunikasi, misalnya pada perangkat pengirim.
Karakteristik noise thermal ini disebut white noise. Pergerakan elektron penyebab
noise thermal bersifat acak, sehingga besarnya noise thermal juga berubah secara acak
terhadap waktu. Perubahan secara acak tersebut dapat diperkirakan secara statistik, yaitu
mengikuti Distribusi Gaussian, dengan rata-rata nol. Noise thermal yang terdapat pada kanal
Additive White Gaussian Noise (AWGN) ini dibangkitkan dengan menggunakan fungsi
Distribusi Gaussian yang mewakili AWGN seperti pada persamaan 2.3.
( )
2
2
2
)
(
2
2
πσ
σ
µ







 −
−
=
x
e
n
f ........................................................................ ...........(2.3)
dimana: rata-rata = 0
Universitas Sumatera Utara

8. Besarnya standar deviasi pada noise kanal AWGN dapat dirumuskan sebagai berikut.
σ2
= kTB.....................................................................................................(2.4)
dengan: k = konstanta Boltzman (1,38 x 10-23
JK-1
);
T = Temperatur (Kelvin);
B = Bandwidth (Hz).
2.4 Modulasi BPSK
Pada umumnya pentransmisian sebuah sinyal pembawa informasi (carrier) yang
melewati sebuah kanal komunikasi bandpass mengharuskan perpindahan frekwensi sinyal
pembawa tersebut ke suatu rentang tertentu yang lebih sesuai untuk proses transmisi.
Perpindahan frekwensi ini dapat diwujudkan melalui proses modulasi.
Modulasi merupakan suatu proses penumpangan sinyal informasi pada sinyal
pembawa ataupun suatu proses perubahan beberapa karakteristik tertentu dari sebuah sinyal
pembawa, sesuai dengan karakteristik sinyal pemodulasi. Yang dimaksud dengan sinyal
pemodulasi adalah sinyal informasi yang akan dibawa, sedangkan hasil dari modulasi (yaitu
sinyal pembawa yang telah berubah karakteristik nya) disebut sebagai sinyal termodulasi.
Pada dasarnya ada dua jenis modulasi, yaitu modulasi analog dan modulasi digital.
Teknik modulasi digital dengan gelombang pembawa analog akan lebih meningkatkan
kualitas Signal to Noise Ratio (SNR) jika dibandingkan dengan modulasi analog. Proses
modulasi digital pada dasarnya hanya mengganti-ganti keadaan amplitudo, frekwensi atau
fasa dari gelombang pembawa diantara dua nilai diskrit yang telah, yang masing-masing
merepresentasikan salah satu dari dua simbol biner 0 dan 1.
Salah satu contoh dari teknik modulasi digital adalah Binary Phase Shift Keying
(BPSK). Nama lain dari BPSK adalah Phase Reversal Keying (PRK) atau biphase
modulation.
Universitas Sumatera Utara

9. 2.4.1 Sinyal Konstelasi
Pada modulasi BPSK, dua fase output membawa informasi binary. Satu fase output
mewakili logic 1 dan yang lainnya logic 0. Sesuai dengan perubahan keadaan sinyal input
digital, fase pada output carrier bergeser diantara dua sudut yang keduanya terpisah 180
o
sesuai dengan sinyal konstelasi atau daerah keputusan logic pada BPSK seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Bit dengan fase
antara
fase = 0o
fase = ±180o
Daerah untuk
nilai logic 0
Daerah untuk
nilai logic 1
Gambar 2.5 Sinyal Konstelasi BPSK
Berdasarkan gambar diatas, maka logic sinyal BPSK direpresentasikan dalam perubahan fase
gelombang pembawa:
• Logic sinyal “1”  Fase gelombang pembawa tidak bergeser (pergeseran fase 00
)
• Logic sinyal “0”  Fase gelombang pembawa bergeser 1800
(berlawanan)
Sinyal BPSK untuk logic 0 dan 1 ditunjukkan pada persamaan 2.5.
SBPSK(t)
Ac Cos (2Πfct + θ)
Ac Cos (2Πfct + θ + Π) − AcCos (2Πfct + θ)
; untuk logic 1
; untuk logic 0
...........(2.5)
2.4.2 Pembangkitan BPSK
Universitas Sumatera Utara

10. Jika sebuah sinyal pembawa sinusoidal dimodulasi oleh bit-stream bipolar,
polaritasnya akan berubah setiap waktu sesuai dengan perubahan polaritas bit-stream
tersebut. Bit 1 direpresentasikan oleh tegangan +V dan bit -V untuk bit 0. Keluaran sinyal
BPSK ditunjukkan pada Gambar 2.6.
+V
-V
0
T
Sinyal Carrier
(ω)
Bit stream bipolar
BPSK
(berpusat pada ω)
• T = Perioda clock bit
• ω = 2Π/Τ
Gambar 2.6 Pembangkitan BPSK
Amplitudo sinyal yang diterima tidak dipermasalahkan pada sistem BPSK karena
informasinya terkandung dalam fase gelombang carrier yang termodulasi. Pada kondisi
ideal, fase gelombang carrier termodulasi dapat bernilai 0o
untuk nilai bit ‘1’ dan bernilai
180o
untuk nilai bit ‘0’. Tetapi dalam kondisi yang sebenarnya, hal ini jarang terjadi. Dengan
adanya gangguan yang menyebabkan pergeseran fase akan muncul suatu kondisi dimana fase
gelombang termodulasi yang pada awalnya bernilai 0o
karena membawa bit informasi ‘1’
akan bergeser sehingga fasenya menjadi 95o
.Tentu saja oleh receiver akan diterjemahkan
sebagai bit ‘0’ dan hal ini akan menimbulkan satu kesalahan atau bit error. Ada juga suatu
kondisi dimana pergeseran fase menyebabkan fase berada pada nilai 90o
sehingga receiver
sulit menerjemahkannya. Kemungkinan atau probabilitas terjadinya kesalahan P(e)
(probability of error) dalam sistem BPSK dapat didekati dengan suatu fungsi matematis:
P(e) = 0,5 erfc
2U.SNR
2
........................................................................(2.6)
atau P(e) = 0,5 erfc ( SNR
U. )...............................................................................(2.7)
Ket: U bernilai 1 untuk kanal tanpa pengkodean dan bernilai k/n untuk kanal dengan kode
Hamming (n,k)
2.4.3 Modulator BPSK
Universitas Sumatera Utara

11. Pada modulator BPSK, sinyal output diperoleh dari perkalian sinyal carrier dengan
data biner kemudian sinyal carrier tersebut dikalikan dengan +1 atau -1, maka sinyal output
adalah +sin ωct atau -sin ωct. Balanced modulator adalah suatu produk modulator; dimana
sinyal output adalah produk dari dua sinyal input. Balanced modulator bekerja seperti suatu
switch pembalik fase. Hal ini tergantung pada kondisi logic pada input digital carrier yang
ditransfer ke output pada kondisi inphase (0°) atau bergeser 180° dengan fase osilator
pembawa referensi seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.7.
Masukan
Data Biner
Keluaran PSK
Analog
Osilator Pembawa
Referensi
Filter Bandpass
BPF
Balanced
Modulator
Gambar 2.7 Modulator BPSK
Sebagai contoh, bila diberi bit masukan 0 1 1 0 0, maka sinyal keluaran pada modulator
BPSK akan berbentuk seperti pada Gambar 2.8.
0 1 1 0
0
Bit
Masukan
Keluaran
pada
Modulator
BPSK
Gambar 2.8 Fase Output sebagai Fungsi dari Bit Masukan pada sistem BPSK
2.4.4 Demodulator BPSK
Universitas Sumatera Utara

12. Demodulasi pada sebuah sinyal BPSK mengalami dua proses, yaitu:
1. Mendapatkan kembali sinyal baseband, dengan mendapatkan bandlimit (pengontrol
bandwidth) dari gelombang pembawa.
2. Mengubah dari bentuk gelombang bandlimit ke bentuk bit stream biner.
Gambar 2.9 menunjukkan demodulasi dari sebuah sinyal BPSK.
Perangkat
Pengganda
Sinyal
Rangkaian
Gabungan
Pembagi
Frekwensi
F/2
Filter
Bandpass
2Fc
Bitsynchronizer
)
2
cos(
)
( θ
π +
t
f
t
m c
)
2
(
cos2
θ
π +
t
fc )
2
4
cos( θ
π +
t
fc
)
2
cos( θ
π +
t
fc
)
2
cos(
)
( θ
π +
t
f
t
m c
)
2
(
cos
)
( 2
θ
π +
t
f
t
m c
)
(t
m
Gambar 2.9 Demodulator BPSK
Universitas Sumatera Utara