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.

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