JENIS PERANGKAT MODULASI

Minggu lalu sudah dibahas mengenai pengertian modulasi. Untuk kali ini, terdapat beberapa contoh perangkat dan spesifikasinya yang berhubungan dengan jenis-jenis modulasi tersebut.

1. Modulasi FM

Untuk perangkat pada modulasi fm yang sering kita dengar tentunya yaitu pemancar radio itu sendiri.

TF(S)- 500 FM Stereo Transmitter 

Fitur:
1. Pemancar selalu stabil.
2. 16*500W wide band amplifier cards, dilengkapi dengan transistor Philips BLF177, assure the highest menjamin redudansi tertinggi. Tidak ada pentesuaian khusus untuk operasi daya tinggi pada frekuensi 87 ~ 108 MHz.
3. Radiasi dengan harmonisasi super (<-70dB, typical –75dB). 3 low pass filters yang dapat mengurangi pada gangguan penerimaan.
4. Amplifier seudah dirancang dalam satu blok. 4*500W dibuat dalam satu blok dan masuk dalam rak standar 19”. Pemelharaan dapat dilakukan oleh sedikit tenaga ahli.
5. Fungsi dengan perlindungan penuh, seperti kelebihan temperatur, kelebihan tegangan, kelebihan arus, VSWR dan lain-lain. Pemancar akan terus bekerja pada setengah daya input .
7. Panel depan akan menampilkan daya output, daya pancar, tegangan dan arus dari power supply.

Spesifikasi utama:
Rentang Frekuensi : 87 ~ 108 MHz
 Daya output : 5KW
Impedansi output : 50 ohm/co-xial
 Jenis konektor output : 1 5/8 Flange
Radiasi bayangan : -70dB
Impedansi audio input : 600 ohm/balance
Level audio input : 0 dBm
Deviasi frekuensi : 75KHz at 100% modulation
Distorsi audio : < 0.2% ( 40Hz ~ 15KHz)
 Respon frekuensi : <±0.3 dB ( 40Hz ~ 15KHz)
Penekanan awal : 0 us/50us/75us
 S/N rasio : > 70 dB
Pemisahan : > 50 dB ( typical)
Frekunsi stabil : < ±500Hz ( -10 °C ~ + 45 °C)
Konsumsi Tegangan : 11KVA
Dimensi : 584 (Lebar)*2000( Tinggi)*800(Panjang)
Berat : 400 KG


2. Modulasi AM

Sama halnya perangkat dengan modulasi FM, pada modulasi AM juga perangkat yang sering dijumpai yaitu pemancar AM. Contoh spesifikasinya yaitu :

TRANSMITTER AM-30P

Spesifikasi pemancar AM

Stabilitas pemancar : +/-0.001%, -4 to +144F (-20C to +50C) w/105-128VAC Line
Daya output RF : 2-30w(Am-30P), 6-60w (AM-60P), 25-100w (AM-100P)
Impedansi output RF : 50 OHM Unbalanced SO-239 Connector
Kontrol daya RF : Internal Adjustment
Indikator daya RF : Internal Meter
Jenis modulasi : 30A3 Amplitude Modulation
Rentang frekuensi : 520-1710 kHz (crystal controlled)
Harmonisasi RF : >50dB Below Carrier
Pergeseran Carrier: <2%, 95% Modulation
Kontrol Modulasi : Internal Adjustment
Indikator Modulasi : Internal Meter
Power Supply 117VAC, 50/60Hz
Rangkaian Tuning : Internal Fine Adjustment for Improved Supression
Konsumsi Daya : 150w (AM-30P), 250w (AM-60P), 450w (AM-100P)
Mechanical (AM-30P) Outer Dimensions: 12"W x 12"H x 6.5"D

3. FSK- modulasi

Telemetri suhu memberikan kemudahan dalam mengukur suhu jarak jauh, dengan pemantauan dari tempat yang aman dan memungkinkan Telemetri suhu biasanya diterapkan, pemantauan suhu gunung berapi, pemantauan suhu pada peleburan baja, pemantauan cuaca yang tidak memungkinkan manusia untuk melakukan pengukuran secara langsung pada jarak yang dekat. Selain itu sistem telemetri sering digunakan pada program luar angkasa untuk mengukur suhu permukaan suatu planet, sehingga keadaan cuaca pada suatu planet dapat diperkirakan. Pengiriman informasi pada telemetri dapat dilakukan secara wireline maupun wireless. Teknik pengiriman informasi merupakan salah satu yang menentukan kehandalan sistem telemetri apalagi jika pengiriman informasi dilakukan secara wireless. Untuk itu pengolahan awal sinyal dan teknik modulasi yang dipilih akan sangat menentukan kehandalan sistem telemetri tersebut. Teknik modulasi awal dilakukan secara FSK kemudian dilanjutkan modulasi secara FM. Pada penerima hasil pengukuran ditampilkan pada layar monitor PC sehingga dibuat juga program antarmuka untuk keperluan tersebut. Hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem ini mampu bekerja pada jarak maksimum 700 meter. Pada pengujian selama 24 jam diperoleh hasil bahwa suhu udara tertinggi adalah 29,27º C dan suhu terendah adalah 24,63º C. Pada pengukuran terdapat kesalahan pada pengkonversian suhu oleh sensor LM35 yang dipakai dibandingkan dengan termometer. Kesalahan terbesar hasil pengujian sebesar1,2º C. Sistem telemetri sering digunakan untuk pengukuran di daerah-daerah yang sukar untuk dijangkau manusia seperti gunung, gua atau lembah. Selain itu dalam pemantauan cuaca juga digunakan sistem telemetri, dimana salah satu parameter cuaca adalah suhu udara. Pemantauan yang terus-menerus tidak memungkinkan petugas untuk melakukan pengukuran secara terus-menerus, sehingga petugas cukup meletakkan alat ukur pada tempat pengukuran dan dapat dipantau dari tempat lain. Perancangan perangkat keras telemetri dengan modulasi digital FSK-FM. Teknik modulasi awal dilakukan secara FSK kemudian dilanjutkan modulasi secara FM. Spesifikasi komponen yang dipakai antara lain:
• Sensor yang digunakan adalah LM35 dengan jangkauan 2 sampai 150° C.
• Peralatan pemancar modulasi frekuensi dengan daya pancar kurang lebih 3 Watt, dengan frekuensi 110 MHz, dan dideteksi dengan radio penerima FM. Untuk memudahkan pada penerima FM digunakan tuner jadi.
• Mikrokontroller AT89C51 digunakan sebagai sarana untuk mengubah data paralel menjadi serial UART dengan baudrate 600 bps . Hal ini dilakukan karena data digital hasil konversi ADC masih berupa data paralel, sedangkan data masukan modulator FSK harus serial. Handshaking komunikasi serial yang digunakan tanpa bit paritas, 8 bit data dan 1 bit stop.
Modem FSK yang dipakai menggunakan IC TCM 3105 dengan baudrate 1200 bps. Untuk menampilkan hasil pengukuran digunakan PC dengan menggunakan bahasa pemrograman Visual Basic 6.

  4. PSK- modulasi

Modem bell 201 ini memungkinkan untuk menaikkan tingkatan kecepatan data sampai 2400 BPS. Tersedia dalam full duplex, tetapi modem ini beroperasi dalam half duplex ketika menggunakan sirkuit yang disaklari oleh 2 kabel. Modem ini menggunakan jenis modulasi yang meng-enkode / merubah data dengan menggunakan carrier pemancar "phase shifts" yang sangat spesifik. Jenis modulasi ini biasa dipanggil seperti DPSK (Differential Phase Shift Keying), tetapi disebut juga QPSK (Quad Phase Shift Keying). Pada modulasi ini, dua bit (dibaca "dibit") dipasangkan dengan phasa single sehingga berubah :
• 00 = 45 derajat
• 10 = 135 derajat
• 11 = 225 derajat
• 01 = 315 derajat
Tingkat modulasi modem tersebut yang aktual adalah 1200 BAUDS, dengan setiap BAUD terisi dua data bit. CCITT (sekarang "ITU-T") mempunyai spesifikasi skema modulasi pada rekomendasi di modem V.26, alternatif "B".
Promax TV Explorer II+, State of the Art Universal Signal Analyzer, adalah sebuah perangkat yang berfungsi secara umum untuk membantu kita dalam pengarahan receiver agar dapat tepat dengan satelit atau transmitter lainnya. Spesifikasi perangkat ini yaitu sebagai berikut :

DATA TECHNIC
• Manufacturer : PROMAX Electronica S. A., C/ Francesc Moragas, 71,
• 08907 L’Hospitalet de Llobregat, SPAIN
• Tel : +34-932-602-000
• Website www.promax.es
• Model : Promax TV Explorer II+
• Function : Universal Satellite Signal Meter and Analyzer
• Type of signals processed : Analog TV terrestrial/cable and satellite, DVB-S,
 DVB-S2, DVB-C, DVB-T, DVB-H, FM Radio
• TV systems : PAL, SECAM, NTSC
• TV standards : M, N, B, G, I, D, K and L
• Tuning range : 5 to 1000 MHz (terrestrial) and 950 to 2150 MHz (satellite)
• Measured parameters : Power, CBER, VBER, MER, C/N and Noise Margin for DVB-S (QPSK)
• Measured parameters : Power, CBER, LBER, MER, C/N and Wrong Packets for DVB-S(QPSK/8PSK)
• Constellation diagram DVB-T/H, DVB-C, DVB-S, DVB-S2 available for: DVB-S signal range 44 dBµV to 114 dB µV, 2 to 45 Ms/sec
• DVB-S2 signal range : 44 dB µV to 114 dB µV, 2 to 33 Ms/sec (QPSK) and 2 to 30 Ms/sec (8PSK)
• Spectrum Analyzer (satellite range) : Input: 30 dBµV to 130 dBµV Span: Full – 500 – 200 – 100 – 50 – 32 – 16 MHz selectable
• Monitor transflective : TFT6.5“
• Aspect ratio : 16:9, 4:3, Auto
• External units powers supply (e.g. LNB) : 5/13/15/18/24 V, 22 kHz: 0.65 ± 0.25 V
• Internal power supply : 7.2V 11 Ah Li-ion Battery 4.5 hours of continuous operation
• Recharging time : 3 hours to 80% External power supply 12 V, 30 W
• Operating temperature : 5 to 40° C
• Humidity 80% (up to 31° C) decreasing linearly to 50% at 40° C
• Dimensions : 230 x 161 x 76 mm
• Weight : 2.2 kg


5. ASK-modulasi

PERANGKAT TELEMETRI SUHU DAN CAHAYA MENGGUNAKAN AMPLITUDE SHIFT KEYING (ASK) BERBASIS PC

Telemetri suhu dan cahaya adalah suatu alat yang dapat memanfaatkan penggunaan ASK sebagai penghubung antara perangkat sensor suhu dan sensor cahaya dengan komputer (PC), sehingga setiap orang dapat dengan mudah mengetahui berapa besarnya nilai suhu dan intensitas cahaya dalam suatu ruangan. Biasanya Untuk pembuatan peralatan telemetri suhu dan cahaya menggunakan ASK berbasis PC, diperlukan beberapa komponen dan peralatan antara lain sensor suhu, sensor cahaya, penguat, mikrikontroler, ASK, antarmuka, komputer, dan sistem catu daya. Beberapa bagian rangkaian atau spesifikasinya yaitu :
• Sensor Suhu LM35, Sensor tersebut dapat beroperasi pada tegangan antara 4–20 VDC dan
keluarannya naik sebesar 10 mV setiap derajat Celcius, sedangkan jangkauan pengukurannya
mulai dari - 55 sampai dengan 150 °C.
• Sensor Cahaya LDR
• Pengkondisi Sinyal (Op-Amp)
• Mikrokontroler AT89S52, Mikrokontroler sering dipakai sebagai komponen pengendali pada suatu peralatan karena memiliki kelengkapan-kelengkapan yang diperlukan untuk bekerja dalam sistem single chip dan juga pertimbangan ekonomis. Misalnya mikrokontroler AT89S52 memiliki fitur 8 Kbyte downloadable flash memori, 3 level program memori lock, 256 byte RAM internal, 32 bit I/O yang dapat digunakan semua, 3 buah timer/counter 16 bit, frekuensi kerja 0 sampai 33 MHz, tegangan operasi 4,0 volt sampai 5,5 volt.
Amplitude Shift Keying (ASK) ,ASK merupakan sebuah sistem komunikasi tanpa kabel (wireless) yang beroperasi dalam pita frekuensi tertentu. ASK merupakan teknik pembangkitan gelombang AM yang dilakukan dengan membangkitkan sinyal AM secara langsung tanpa harus membentuk sinyal base band yang menggambarkan teknik modulasi digital. Jadi teknik tersebut merupakan pembangkitan gelombang AM untuk mentransmisi informasi digital yang selanjutnya dikenal sebagai bentuk pembangkitan ASK atau lebih jauh dikenal sebagai AM digital. ASK terdiri dari ASK pengirim (transmitter) dan ASK penerima (receiver).
• ADC (Analog to Digital Converter)
• Sistem Antar Muka
• Perancang Sistem
• Rangkaian ASK ,ASK terdiri dari pemancar dan penerima, masing-masing digunakan jenis TLP433 untuk pemancar dan jenis RLP433 untuk perimanya . Pemancar dan penerima tersebut bekerja pada frekuensi 433 MHz, Rangkaian ASK ASK terdiri dari pemancar dan penerima, masing-masing digunakan jenis TLP433 untuk pemancar dan jenis RLP433 untuk perimanya . Pemancar dan penerima tersebut bekerja pada frekuensi 433 MHz.

Mengenal VSAT

Mengingat indonesia yang terdiri dari banyak pulau sehingga sulit dijangkau oleh jaringan komunikasi yang menggunakan kabel ataupun yang menggunakan teknologi microwave, menyebabkan teknologi VSAT menjadi pilihan yang banyak diambil baik oleh perusahaan-perusahaan swasta maupun pemerintah. Untuk itu mempelajari VSAT adalah hal yang penting bagi  para pelajar yang berminat pada bidang telekomunikasi ataupun bagi siapa saja yang menggeluti dunia telekomunikasi ataupun IT secara umum,  dimana kemungkinan besar kelak mereka akan berhadapan dengan teknologi ini. Untuk itu di  belajar VSAT ini, kita coba pelajari mengenai apa itu VSAT, apa saja komponen jaringan VSAT, apa itu Hub VSAT,  bagaimana  cara bekerjanya, bagaimana teknik pengaksesannya, bagaimana melakukan instalasi VSAT, seperti apa aplikasi VSAT yang sesungguhnya, dan hal-hal lainnya yang berhubungan dengan teknologi VSAT.
Apa sih sebenarnya VSAT itu?
VSAT atau Very Small Aperture Terminal adalah suatu istilah yang digunakan untuk menggambarkan terminal-terminal stasiun bumi satelit kecil yang menggunakan antena berdiameter antara 0,9 sampai dengan 3,8 meter yang digunakan untuk melakukan pengiriman data, gambar maupun suara via satelit.
Pada awalnya teknologi satelit membutuhkan antena-antena besar dan hanya dapat menghubungkan point-to-point. Komunikasi satelit pada saat itu masih sangat terbatas untuk kapasitas besar saja, sehingga biayanya sangat mahal dan hanya digunakan untuk keperluan tertentu seperti untuk operator telekomunikasi, trunking, microwave back-up, dan pelayanan telekomunikasi pada daerah terpencil.
Dengan munculnya VSAT, sistem komunikasi satelit saat ini selain melayani pengguna bisnis juga dapat melayani pengguna personal (rumah). VSAT masuk pertama kali ke Indonesia tahun 1989 seiring dengan bermunculannya bank-bank swasta yang sangat membutuhkan sistem komunikasi online seperti ATM (Automated Teller Machine). Penggunaan infrastruktur jaringan telekomunikasi VSAT oleh perusahaan ataupun instansi pemerintah yang memiliki kantor cabang yang tersebar di  seluruh wilayah Indonesia dirasakan lebih efektif dibanding teknologi  microwave maupun jaringan kabel. Selain kurang efektif, jaringan microwave maupun kabel juga kurang efisien karena instalasinya memakan waktu lama dan menelan biaya besar. Keduanya sangat rentan terhadap gangguan, sedangkan cakupan areanya pun sangat terbatas karena kendala geografis.
Teknologi VSAT merupakan solusi dengan cost efektif untuk hubungan jaringan komunikasi independen dengan jumlah besar dengan site-site yang tersebar. VSAT menawarkan value added service berbasis satelit seperti: Internet, data, LAN, voice/fax dan dapat menyediakan jaringan komunikasi private/public serta layanan multimedia.
Pada umumnya VSAT diletakan langsung di site pengguna. Seorang end user VSAT memerlukan perangkat untuk menghubungkan komputernya dengan antena luar yang mempunyai transceiver. Transceiver menerima atau mengirim sinyal ke transponder satelit di angkasa. Satelit menerima sinyal dari bumi, menguatkan dan mengirimkan kembali sinyal ke bumi.
JARINGAN VSAT
Arsitektur Jaringan VSAT terdiri dari:
1. Ground Segment (Segmen Bumi)
  • Hub Station / Master Earth Station
  • Network Management System(NMS).
  • Remote Earth Station
2. Space Segment (Segmen Angkasa)
  • Transponder Satelit

Arsitektur Jaringan VSAT
Arsitektur Jaringan VSAT
VSAT memiliki kemampuan untuk menerima maupun mengirimkan sinyal melalui satelit kepada VSAT lain pada jaringan tersebut. Bergantung pada teknologi apa yang digunakan, sinyal akan dikirimkan lewat satelit ke hub station yang juga berfungsi sebagai pusat monitor, atau sinyal langsung dikirimkan ke VSAT lain dan hub digunakan hanya untuk mengawasi dan mengontrol,  atau juga sinyal dikirimkan dari VSAT yang satu ke VSAT lainnya secara langsung tanpa menggunakan Hub. VSAT dapat mendukung kebutuhan komunikasi apapun, baik berupa suara, data, ataupun konferensi video.

Komponen VSAT

Komponen Jaringan VSAT
A. HUB STATION
Hub mengontrol seluruh operasi jaringan komunikasi. Pada hub terdapat sebuah server Network Management System (NMS) yang memberikan akses pada operator jaringan untuk memonitor dan mengontrol jaringan komunikasi melalui integrasi perangkat keras dan komponen-komponen perangkat lunak. Operator dapat memonitor, memodifikasi dan mendownload informasi konfigurasi individual ke masing-masing VSAT. NMS workstation terletak pada user data center.
Stasiun hub terdiri atas Radio Frequency (RF), Intermediate Frequency (IF), dan peralatan baseband. Stasiun ini mengatur multiple channel dari inbound dan outbond data. Pada jaringan private terdedikasi, hub ditempatkan bersama dengan fasilitas data-processing yang dimiliki user. Pada jaringan hub yang dibagi-bagi, hub dihubungkan ke data center atau peralatan user dengan menggunakan sirkuit backhaul terrestrial.
Peralatan RF terdiri atas antenna, low noise amplifier (LNA), down-converter, up-converter, dan high-power amplifier. Kecuali untuk antena, subsistem RF hub pada umumnya dikonfigurasi dengan redundancy 1:1. Peralatan IF dan baseband terdiri dari IF combiner/divider, modulator dan demodulator, juga peralatan pemroses untuk antarmuka channel satelit dan antarmuka peralatan pelanggan. Unit antarmuka satelit menyediakan kontrol komunikasi menggunakan teknik multiple akses yang sesuai.
Sistem Hub VSAT
Sistem Hub VSAT
Unit peralatan pelanggan menyediakan antarmuka ke peralatan host pelanggan dan emulasi protokol. Peralatan baseband pada hub dirancang dalam gaya modular untuk mendapatkan pertumbuhan jaringan yang mudah dan pada umumnya diberikan dengan skala 1:1 atau 1:N redundant configuration.
Berdasarkan keperluannya, HUB terbagi menjadi dua jenis :
1.Dedicated Hub
  • Hub dimiliki dan digunakan sepenuhnya oleh jaringan sebuah perusahaan.
  • Jaringan VSAT merupakan aset perusahaan dan sepenuhnya dikontrol dan diatur oleh perusahaan.
  • Letak Hub biasanya dikantor pusat perusahaan.
  • Biaya yang dikeluarkan oleh perusahaan sangat mahal.
2.. Shared Hub
  • Jaringan VSAT dimiliki dan dioperasional oleh operator VSAT.
  • Sebuah Hub digunakan bersama oleh beberapa perusahaan kecil.
  • Perlu koneksi ke Hub karena lokasi Hub diluar perusahaan.
  • Biaya yang dikeluarkan oleh perusahaan pengguna jaringan VSAT relatif murah karena cukup mengeluarkan biaya sewa saja.
Penjelasan lebih detail mengenai Hub Station akan dilanjutkan pada bagian tersendiri.

B. REMOTE STATION

Komponen Remote VSAT
Komponen Remote VSAT

Sebuah remote VSAT memiliki komponen-komponen sebagai berikut.
Outdoor Unit (ODU)
Terdiri atas antena dan Radio Frequency Transmitter (RFT).
a. Antena
Antena  berfungsi untuk memancarkan dan menerima gelombang radio RF. Antena yang dipakai dalam komunikasi VSAT yaitu sebuah solid dish antenna yang memiliki bentuk parabola.
Fungsi antena pada komunikasi VSAT adalah sebagai berikut :
  • Memancarkan gelombang radio RF dari stasiun bumi ke satelit yang mana besar frekuensinya dari 5,925 GHz sampai dengan 6,425 GHz.
  • Menerima gelombang radio RF dari satelit ke stasiun bumi yang mana besar frekuensinya dari 3,7 GHz sampai dengan 4,2 GHz.
Bagian antena terdiri atas reflektor, feedhorn, dan penyangga. Ukuran piringan antena atau dish VSAT berkisar antara 0,6 – 3,8 meter. Ukuran dish sebanding dengan kemampuan antena untuk menguatkan sinyal.


Antena VSAT
Antena VSAT
Feedhorn dipasang pada frame antena pada titik fokusnya dengan bantuan lengan penyangga. Feedhorn mengarahkan tenaga yang ditransmisikan ke arah piringan antena atau mengumpulkan tenaga dari piringan tersebut. Feedhorn terdiri atas sebuah larik komponen pasif microwave.
b. RFT
RFT dipasang pada frame antena dan dihubungkan secara internal ke feedhorn. RFT terdiri atas:
o Low Noise Amplifiers (LNA)
LNA  berfungsi memberikan penguatan terhadap sinyal yang datang dari satelit melalui antena dengan noise yang cukup rendah dan bandwidth yang lebar (500 MHz).
Lemahnya sinyal dari satelit yang diterima oleh LNA disebabkan oleh faktor berikut:
  • Jauhnya letak satelit, sehingga mengalami redaman yang cukup besar disepanjang lintasannya.
  • Keterbatasan daya yang dipancarkan oleh satelit untuk mencakup wilayah yang luas.
Untuk dapat memberikan sensitivitas penerimaan yang baik, maka LNA harus memiliki noise temperatur yang rendah dan mempunyai penguatan / gain yang cukup tinggi (Gain LNA = 50 dB). LNA harus sanggup bekerja pada band frekuensi antara 3,7 GHZ sampai dengan 4,2 GHz (bandwidthnya 500 MHz).
Salah satu jenis LNA yaitu Parametrik LNA. Parametrik LNA yaitu LNA yang menggunakan penguat parametrik untuk penguat pertamanya dan penguat transistor biasa pada tingkat keduanya. Penguatan pertama (parametric amplifier) memberikan penguatan 15 sampai dengan 20 dB dan penguatan transistor memberikan penguatan 35 sampai dengan 40 dB, sehingga total penguatannya sebesar 55 dB.

o Solid State Power Amplifier (SSPA)
SSPA berfungsi untuk memperkuat daya sehingga sinyal dapat dipancarkan pada jarak yang jauh. SSPA ini merupakan penguat akhir dalam rangkaian sisi pancar (transmit side) yang merupakan penguat daya frekuensi sangat tinggi dalam orde Gega Hertz.
Tujuan penggunaan SSPA adalah untuk memperkuat sinyal RF pancar pada band frekuensi 5,925 GHz sampai dengan 6,425 GHz dari Ground Communication Equipment (GCE) pada suatu level tertentu yang jika digabungkan dengan gain antena akan menghasilkan daya pancar (EIRP) yang dikehendaki ke satelit.
Ada hal yang perlu diperhatikan dalam mengoperasikan penguat daya frekuensi tinggi , diantaranya :
  • Besar daya output yang dihasilkan
  • Lebar band frekuensi yang harus dicakup
  • Pengaruh intermodulasi yang muncul
  • Input dan output Back – off
Up / Down Converter
Perangkat ini dikemas dalam satu kemasan tetapi memiliki dua fungsi yaitu sebagai up converter dan sebagai down converter.
1. Up Converter
Berfungsi untuk mengkonversi sinyal Intermediate frequency (IF) atau sinyal frekuensi menengah dengan frekuensi centernya sebesar 70 MHz menjadi sinyal RF Up link (5,925 – 6,425 GHz).
Up Converter
Up Converter
2. Down Converter
Berfungsi untuk mengkonversi sinyal RF Down link (3,7 MHz – 4,2 MHz) menjadi sinyal Intermediate Frequency dengan frekuensi center sebesar 70 MHz.

Down Converter
Down Converter
Indoor Unit (IDU)
Modem VSAT merupakan perangkat indoor yang berfungsi sebagai modulator dan demodulator. Modulasi adalah proses penumpangan sinyal informasi kedalam sinyal IF pembawa yang dihasilkan oleh synthesiser. Frekuensi IF besarnya mulai dari 52MHz sampai 88MHz dengan frekuensi center 70 MHz. Sedangkan demodulasi adalah proses memisahkan sinyal informasi digital dari sinyal IF dan meneruskannya ke perangkat teresterial yang ada. Teknik Modulasi yang dipakai dalam modem satelit yaitu modulasi dengan sistem PSK ( Phase Shift keying ).
Contoh Modem Satelit
Contoh Modem Satelit
Lebih jauh lagi fungsi dari Modulator dan Demodulator yakni:
 Modulator
Modulator berfungsi untuk mencampurkan sinyal informasi digital dari perangkat teresterial kedalam sinyal IF 70MHz yang dihasilkan dari dalam modem.
Diagram Blok Modulator
Diagram Blok Modulator
Pada proses modulasi sinyal data masuk melalui port Interface kemudian diteruskan ke bagian Digital to Analog Converter dan diubah menjadi sinyal analog I dan sinyal Q. Sinyal I dan sinyal Q mempunyai amplitude yang sama tetapi memiliki fase yang berbeda. Sinyal I & Q diperkuat, difilter kemudian dicampur dengan sinyal IF dari sinthesizer sehingga dihasilkan sinyal IF termodulasi. Sinyal IF kemudian dikuatkan dan diatur powernya oleh bagian TX control dan kemudian diteruskan ke port IF Output di bagian belakang modem.
Demodulator
Demodulator menerima sinyal dari RFT dalam range frekuensi IF dan melakukan demodulasi pada sinyal untuk memisahkan user traffic signal dari carrier.
Digram blok Demodulator
Digram blok Demodulator
Pada proses demodulasi, sinyal IF yang diterima di masukan ke rangkain AGC. Rangkaian AGC ini berfungsi untuk mengatur kekuatan sinyal IF yang akan didemodulasi. Rangkain AGC dikontrol oleh bagian A/D converter.
Sinyal IF yang sudah disesuaikan levelnya kemudian dicampur dengan sinyal dari sintisiser sehingga menghasilkan sinyal I dan sinyal Q. Kemudian sinyal ini dikuatkan dan difilter, setelah itu sinyal I & Q masuk ke bagian A/ D converter sehingga didapatkan sinyal data digital, kemudian sinyal data digital diteruskan ke bagian interface dan diteruskan ke port interface.
Pemilihan modem VSAT menentukan jenis teknologi VSAT yang digunakan. Sebuah modem dispesifikasikan berdasar teknik akses, protokol-protokol yang dapat ditangani, dan banyak interface port yang dapat didukung.
Beberapa istilah yang berkaitan dengan modem sebagai berikut:
- Link Budgets. Meyakinkan bahwa perlengkapan RF akan menyediakan kebutuhan topologi jaringan dan modem satelit yang digunakan link Budget memperkirakan stasiun bumi dan satelit EIRP yang dibutuhkan.
- Equivalent Isotropically Radiated Power (EIRP), yaitu tenaga yang ditransmisikan dari objek yang ditransmisikan. Satelit EIRP dapat didefinisikan sebagai jumlah dari tenaga output amplifier satelit, dan tenaga output dari antena satelit (selisih antara tenaga masuk dan tenaga keluar)
Perhitungan level sinyal melalui sistem ( Stasiun bumi asal – satelit – stasiun bumi penerima ) untuk memastikan kualitas layanan yang harus dilakukan terutama untuk pembentukan link satelit.
Proses Transmisi Sinyal Satelit
1. Data yang akan ditransmisikan dari perangkat remote/user, terlebih dahulu memasuki modem. Dalam modem ini data dimodulasi. Proses modulasi ini menggunakan teknik PSK. Modulasi ini bertujuan untuk mentranslasikan gelombang frekuensi informasi ke dalam gelombang lain pada frekuensi yang lebih tinggi untuk dibawa ke media transmisi.
2. Setelah data tersebut dimodulasi, selanjutnya akan memasuki perangkat yang disebut RFT ( RF Transceiver) atau driver. Dalam RFT ini terdapat Up dan Down Converter. Untuk proses transmit yang digunakan adalah Up Converter. Up Converter ini berfungsi untuk mentranslasikan sinyal dari frekwensi menengah IF (Intermediate Frequency) menjadi suatu sinyal RF (Radio Frequency). Output sinyal yang dihasilkan adalah 5925 – 6425 MHz.
3. Proses selanjutnya adalah memasuki SSPA (Solid State Power Amplifier) yang berfungsi sama dengan HPA yaitu untuk memperkuat sinyal RF agar dapat diterima oleh satelit.
4. Sinyal masuk ke dalam feedhorn, sinyal dari feedhorn dipantulkan ke satelit dengan antena.
Blok Diagram IDU-ODU
Blok Diagram IDU-ODU

Proses Receive Sinyal Satelit
1. Antena menerima sinyal dari satelit, sinyal yang diterima antena kemudian dipantulkan ke feedhorn.
2. Dari Feedhorn, sinyal diteruskan memasuki LNA (Low Noise Amplifier). Dimana LNA ini berfungsi untuk menekan noise dan memperkuat sinyal yang diterima.
3. Dari LNA sinyal diteruskan memasuki Down Converter yang berfungsi untuk mentranslasikan sinyal RF menjadi sinyal IF.
4. Setelah memasuki Down Converter, maka sinyal IF memasuki perangkat modem untuk melakukan proses demodulasi, dimana prose demodulasi itu dimaksudkan untuk memisahkan antara sinyal carrier dengan informasi yang ada di dalamnya.
5.Informasi yang sudah terpisah dari sinyal carrier kemudian diteruskan ke perangkat user seperti Router , Multiplexer, dan sebagainya.
C. SATELIT
Satelit Geostasioner merupakan segmen angkasa pendukung layanan VSAT. Orbit ideal untuk satelit komunikasi adalah geostasioner, atau yang relatif statis terhadap bumi. Satelit yang digunakan untuk komunikasi hampir selalu berada pada orbit geostasioner secara eksklusif, berlokasi sekitar 36.000 km diatas permukaan bumi. Oleh karenanya disebut Satelit geostasioner karena satelit tersebut selalu berada di tempat yang sama sejalan dengan perputaran bumi pada sumbunya.
Gambaran visual Satelit Indonesia
Gambaran Visual Satelit Indonesia
Sesuai dengan kesepakatan International Telecommunication Union (ITU), untuk menghindari terjadinya interferensi, setiap satelit ditempatkan dengan jarak dua derajat terpisah sehingga jumlah satelit maksimum yang dapat dioperasikan sebanyak 180 satelit.
Bagaimana pun, dengan pandangan untuk memaksimalkan penggunaan slot orbital, penempatan satelit secara bersama-sama dilakukan secara menyebar. Penempatan satelit secara bersama-sama dipisahkan 0,1 derajat di angkasa atau hampir sekitar 30 km. Interferensisinyal dari penempatan satelit bersamaan dicegah dengan menggunakan polarisasi ortogonal. Pada saat bersamaan perlengkapan stasiun bumi dapat menerima sinyal dari dua lokasi satelit tanpa orientasi ulang dari antena. Sinyal dapat di-diferensiasikan berdasarkan polarisasinya.
Segmen angkasa tersedia dari organisasi yang telah mendapatkan satelit, mengatur peluncuran, dan memimpin tes awal dalam orbit dan kemudian mengoperasikan satelit-satelit ini secara komersial.
Fungsi utama satelit dikerjakan oleh transponder. Ada beberapa transponder atau repeater dalam badan satelit. Transponder ini memiliki fungsi-fungsi sebagai berikut:
  • Penerima sinyal
Transponder menerima sinyal yang di uplink oleh VSAT atau Hub.
  • Translasi frekuensi
Frekuensi dari sinyal yang diterima ditranslasikan ke frekuensi yang berbeda, dikenal sebagai frekuensi downlink. Translasi frekuensi meyakinkan bahwa tidak ada feedback positif dan juga menghindari interferensiisu yang terkait.
  • Penguatan
Transponder juga menguatkan sinyal downlink.
Sejumlah transponder menentukan kapasitas satelit. Kapasitas transponder satelit untuk satelit generasi Palapa B yaitu terdiri dari 24 transponder yang terbagi atas 12 transponder untuk polarisasi horizontal dan 12 transponder untuk polarisasi vertikal. Tiap transponder memiliki bandwith 40 MHz.
Jenis band frekuensi Satelit sebagai berikut:
Frequency Band Uplink (GHz) Downlink (GHz)
C-Band 5.925 sampai 6.425 3.700 sampai 4.200
Ext- C-Band 6.725 sampai 7.025 4.500 sampai 4.800
Ku-Band 14.000 sampai 14.500 10.950 sampai 11.700
Pada komunikasi VSAT ada yang disebut up link dan down link. Up link adalah sinyal RF yang dipancarkan dari stasiun bumi ke satelit. Down link adalah sinyal RF yang dipancarkan dari satelit ke stasiun bumi .

Up Link dan Down Link
Up Link dan Down Link
Di dunia Internasional, KU-Band adalah band frekuensi yang populer. KU-Band dapat mendukung trafik dengan ukuran antena yang lebih kecil dibandingkan C-Band atau Ext-C-Band. Tapi Ku-Band tidak tahan terhadap curah hujan tinggi sehingga tidak sesuai untuk digunakan di daerah Asia Tenggara. Keunggulan dan kekurangan masing-masing band frekuensi tersebut secara rinci adalah seperti berikut:
Frekuensi
Keunggulan
Kekurangan
C-Band · World wide availability · Teknologi yang termurah
· Tahan dari redaman hujan
· Antena berukuran relatif lebih besar · Rentan terhadap interferensi dari satelit tetangga dan terrestrial microwave
Ku-Band · Kapasitas relatif besar · Antena berukuran relatif lebih kecil (0,6 – 1,8 m) · Rentan dari redaman hujan · Availability terbatas (faktor regional)
Pada intinya satelit menyediakan dua sumber daya, yaitu bandwidth dan tenaga amplifikasi. Pada kebanyakan jaringan VSAT, tenaga memiliki sumber daya yang lebih terbatas dibandingkan dengan bandwidth dalam transponder satelit.

Anatomi Satelit
Anatomi Satelit

Modulasi pada WiMAX

Modulasi adalah proses perubahan suatu gelombang periodik sehingga menjadikan suatu sinyal mampu membawa suatu informasi. Dengan proses modulasi, suatu informasi (biasanya berfrekeunsi rendah) bisa dimasukkan ke dalam suatu gelombang pembawa, biasanya berupa gelombang sinus berfrekuensi tinggi.
Modulasi yang dipakai pada WiMAX adalah BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) dan 64 QAM. Dalam binary phase shift keying (BPSK), hanya ada dua fase keluaran yang mungkin akan keluar dan membawa informasi (binary dimaksudkan adalah 2). Satu fase keluaran (00 misalnya) mewakili suatu logika 1 dan yang lainnya (misalnya 1800) logika 0. Sesuai dengan perubahan keadaan sinyal masukan digital, fase pada keluaran pembawa bergeser diantara dua sudut yang keduanya terpisah 1800 (1800 out of phase). Nama lain untuk BPSK adalah phase reversal keying (PRK) dan biphase modulation. BPSK adalah suatu bentuk suppresed carrier (pembawa yang diturunkan levelnya sampai minimum), dimana square wave (gelombang kotak) dimodulasi oleh suatu sinyal continuous wave (gelombang kontinyu) atau CW.
QPSK atau quadrature phase shift keying adalah bentuk lain dari modulasi digital selubung konstan termodulasi sudut. QPSK adalah teknik pengkodean M-ary dimana M = 4 (karenanya dinamakan quaternary yang berarti 4). M-ary adalah suatu bentuk turunan dari kata binary. M berarti digit yang mewakili banyaknya kondisi yang mungkin. Dalam QPSK ada empat fasa keluaran yang berbeda, maka harus ada empat kondisi masukan yang berbeda. Karena masukan digital ke modulator QPSK adalah sinyal biner, maka untuk menghasilkan empat kondisi masukan yang berbeda harus dipakai bit masukan lebih dari satu bit tunggal. Menggunakan dua bit, ada empat kondisi yang mungkin yaitu: 00, 01, 10 dan 11. Karena itu dalam QPSK data masukan biner dikelompokkan dalam kelompok yang terdiri dari dua bit yang disebut dibit. Setiap kode dibit membangkitkan salah satu dari fase keluaran yang mungkin. Oleh karena itu setiap dibit (dua bit) masuk ke dalam modulator, terjadi satu perubahan keluaran, sehingga kecepatan perubahan keluaran adalah setengah kecepatan bit masukan.
Quadrature amplitude modulation (QAM) adalah sebuah skema modulasi yang membawa data dengan mengubah (memodulasi) amplitudo dari dua gelombang pembawa. Kedua gelombang tersebut biasanya sinusoid, berbeda fase dengan yang lainnya sebesar 900. Variasi QAM antara lain 16 QAM dan 64 QAM.
Modulasi-modulasi tersebut digunakan secara adaptif, artinya disesuaikan dengan kondisi SNR dari radio link. Ketika radio link pada kualitas yang baik, modulasi terbaiklah yang digunakan, sehingga memberikan kapasitas bandwidth yang lebih besar pada sistem. Sedangkan pada kondisi yang lebih jelek, sistem WiMAX mengubah skema modulasi yang lebih rendah untuk mempertahankan kualitas koneksi dan stabilitas link. Modulasi adaptif ini dapat mengatasi masalah time selective fading.
Tabel 1 Modulasi WiMAX beserta SNR dan daya yang diterima.
No
Modulasi
Signal to Noise Ratio
Daya Yang Diterima
1
64 QAM 3/4
22 dB
-82 dBm
2
64 QAM 2/3
20 dB
-83,5 dBm
3
16 QAM 3/4
18 dB
-87,7 dBm
4
16 QAM 1/2
16 dB
-91 dBm
5
QPSK 3/4
12 dB
-94 dBm
6
QPSK 1/2
9 dB
-96,5 dBm
7
BPSK 1/2
5 dB
-99 dBm
Sedangkan standar throughput untuk tiap-tiap modulasi menggunakan lebar pita kanal yang berbeda adalah seperti pada tabel berikut:
Tabel 2 Standar throughput untuk modulasi berbeda menggunakan lebar pita kanal berbeda
Lebar Pita Kanal
QPSK 1/2
QPSK 3/4
16 QAM 1/2
16 QAM 3/4
64 QAM 2/3
64 QAM 3/4
3,5 MHz
2 Mbps
4,3 Mbps
5,8 Mbps
8,7 Mbps
11,8 Mbps
13 Mbps
7 MHz.
4,1 Mbps
8,6 Mbps
11,6 Mbps
17,4 Mbps
23,6 Mbps
26 Mbps
10 MHz.
8,2 Mbps
12,3 Mbps
16,5 Mbps
24,8 Mbps
33 Mbps
37,2 Mbps
20 MHz.
16,4 Mbps
24,6 Mbps
33 Mbps
49,6 Mbps
66 Mbps
74,4 Mbps

Teknik Modulasi Pada ADSL

Pada InterNode http://www.internode.on.net/adsl2/graph/index.htm di perlihatkan gambar kecepatan vs jarak dari teknologi ADSL, ADSL2, dan ADSL2+. Kecepatan maksimum masing-masing teknologi cukup tinggi, dengan 24Mbps untuk ADSL2+, 12Mbps untuk ADSL2, 8Mbps untuk ADSL. Memang kecepatan tinggi ini tidak dapat digunakan untuk jarak jauh, umumnya kurang dari 1.5km saja.
Untuk jarak jauh sampai sekitar 5.5km, ADSL cukup dapat di andalkan untuk mencapai kecepatan 2Mbps tentunya dengan asumsi kabel yang digunakan baik, tidak ada isolator yang rusak, tidak ada interference dll.




Secara umum ada dua standar modulasi yang digunakan ADSL. Pertama adalah CAP (Carrierless Amplitude Phase) dan kedua adalah DMT (Discrete Multi Tone).
  • CAP (carrierless amplitude/phase modulation) adalah teknik modulasi yang digunakan pada ADSL di awal perkembangannya. Teknik ini membagi spektrum frekuensi yang dilalukan pada kabel ADSL menjadi kanal suara (0-4KHz), kanal upstream data (25-138KHz), dan kanal down stream data (240KHz ke atas). Pemisahan ini dimaksudkan untuk meminimalisasi kemungkinan interferensi antar kanal. Pada hari ini, DMT (Discrete Multitone) lebih di sukai daripada CAP.
  • DMT (Discrete Multitone) – adalah metoda yang paling banyak digunakan pada ADSL hari ini terutama pada modulasi G.dmt dan G.lite, jaringan ADSL Telkom tampaknya menggunakan G.dmt. DMT akan membagi frekuensi menjadi 256 kanal yang masing-masing lebarnya 4.3125KHz. Dengan menggunakan algoritma FFT (Fast Fourier Transform) untuk melakukan modulasi QAM (Quadrature Amplitude Modulation) di setiap kanal dapat di atur secara terpisah kecepatan data yang dikirim. Dengan cara ini DMT dapat mengeliminasi salah satu kanal-nya jika ada gangguan / interferensi di kanal tersebut, interferensi yang sering masuk antara lain dari radio pemancar broadcast AM yang memang frekuensi-nya dalam satuan ratusan KHz. Lebih detail tentang DMT, alokasi kanal adalah sebagai berikut
Downstream:
G.dmt membagi 26 s/d 1104 kHz menjadi 249 sub-kanal
G.lite membagi 26 s/d 578 kHz menjadi 127 sub-kanal 
Upstream:
26 s/d 138 kHz, menjadi 25 sub-kanal upstream

Phase Modulation 1

PHASE MODULATION
Frequency modulation requires the oscillator frequency to deviate both above and below the carrier frequency. During the process of frequency modulation, the peaks of each successive cycle in the modulated waveform occur at times other than they would if the carrier were unmodulated. This is actually an incidental phase shift that takes place along with the frequency shift in fm. Just the opposite action takes place in phase modulation. The af signal is applied to a PHASE MODULATOR in pm. The resultant wave from the phase modulator shifts in phase, as illustrated in figure 2-17. Notice that the time period of each successive cycle varies in the modulated wave according to the audio-wave variation. Since frequency is a function of time period per cycle, we can see that such a phase shift in the carrier will cause its frequency to change. The frequency change in fm is vital, but in pm it is merely incidental. The amount of frequency change has nothing to do with the resultant modulated wave shape in pm. At this point the comparison of fm to pm may seem a little hazy, but it will clear up as we progress.
Figure 2-17. - Phase modulation.

Let's review some voltage phase relationships. Look at figure 2-18 and compare the three voltages (A, B, and C). Since voltage A begins its cycle and reaches its peak before voltage B, it is said to lead voltage B. Voltage C, on the other hand, lags voltage B by 30 degrees. In phase modulation the phase of the carrier is caused to shift at the rate of the af modulating signal. In figure 2-19, note that the unmodulated carrier has constant phase, amplitude, and frequency. The dotted wave shape represents the modulated carrier. Notice that the phase on the second peak leads the phase of the unmodulated carrier. On the third peak the shift is even greater; however, on-the fourth peak, the peaks begin to realign phase with each other. These relationships represent the effect of 1/2 cycle of an af modulating signal. On the negative alternation of the af intelligence, the phase of the carrier would lag and the peaks would occur at times later than they would in the unmodulated carrier.

Figure 2-18. - Phase relationships.
Figure 2-19. - Carrier with and without modulation.
The presentation of these two waves together does not mean that we transmit a modulated wave together with an unmodulated carrier. The two waveforms were drawn together only to show how a modulated wave looks when compared to an unmodulated wave.
Now that you have seen the phase and frequency shifts in both fm and pm, let's find out exactly how they differ. First, only the phase shift is important in pm. It is proportional to the af modulating signal. To visualize this relationship, refer to the wave shapes shown in figure 2-20. Study the composition of the fm and pm waves carefully as they are modulated with the modulating wave shape. Notice that in fm, the carrier frequency deviates when the modulating wave changes polarity. With each alternation of the modulating wave, the carrier advances or retards in frequency and remains at the new frequency for the duration of that cycle. In pm you can see that between one alternation and the next, the carrier phase must change, and the frequency shift that occurs does so only during the transition time; the frequency then returns to its normal rate. Note in the pm wave that the frequency shift occurs only when the modulating wave is changing polarity. The frequency during the constant amplitude portion of each alternation is the REST FREQUENCY.
Figure 2-20. - Pm versus fm.
The relationship, in pm, of the modulating af to the change in the phase shift is easy to see once you understand AM and fm principles. Again, we can establish two clear-cut rules of phase modulation:
AMOUNT OF PHASE SHIFT IS PROPORTIONAL TO THE AMPLITUDE OF THE MODULATING SIGNAL.
(If a 10-volt signal causes a phase shift of 20 degrees, then a 20-volt signal causes a phase shift of 40 degrees.)
RATE OF PHASE SHIFT IS PROPORTIONAL TO THE FREQUENCY OF THE MODULATING SIGNAL.
(If the carrier were modulated with a 1-kilohertz tone, the carrier would advance and retard in phase 1,000 times each second.)
Phase modulation is also similar to frequency modulation in the number of sidebands that exist within the modulated wave and the spacing between sidebands. Phase modulation will also produce an infinite number of sideband frequencies. The spacing between these sidebands will be equal to the frequency of the modulating signal. However, one factor is very different in phase modulation; that is, the distribution of power in pm sidebands is not similar to that in fm sidebands, as will be explained in the next section.
Modulation Index
Recall from frequency modulation that modulation index is used to calculate the number of significant sidebands existing in the waveform. The higher the modulation index, the greater the number of sideband pairs. The modulation index is the ratio between the amount of oscillator deviation and the frequency of the modulating signal:
In frequency modulation, we saw that as the frequency of the modulating signal increased (assuming the deviation remained constant) the number of significant sideband pairs decreased. This is shown in views (A) and (B) of figure 2-21. Notice that although the total number of significant sidebands decreases with a higher frequency-modulating signal, the sidebands spread out relative to each other; the total bandwidth increases.
Figure 2-21. - Fm versus pm spectrum distribution.
In phase modulation the oscillator does not deviate, and the power in the sidebands is a function of the amplitude of the modulating signal. Therefore, two signals, one at 5 kilohertz and the other at 10 kilohertz, used to modulate a carrier would have the same sideband power distribution. However, the 10-kilohertz sidebands would be farther apart, as shown in views (C) and (D) of figure 2-21. When compared to fm, the bandwidth of the pm transmitted signal is greatly increased as the frequency of the modulating signal is increased.

Phase Modulation 2

Before looking at phase modulation it is first necessary to look at phase itself. A radio frequency signal consists of an oscillating carrier in the form of a sine wave is the basis of the signal. The instantaneous amplitude follows this curve moving positive and then negative, returning to the start point after one complete cycle - it follows the curve of the sine wave. This can also be represented by the movement of a point around a circle, the phase at any given point being the angle between the start point and the point on the waveform as shown.

Phase modulation works by modulating the phase of the signal, i.e. changing the rate at which the point moves around the circle. This changes the phase of the signal from what it would have been if no modulation was applied. In other words the speed of rotation around the circle is modulated about the mean value. To achieve this it is necessary to change the frequency of the signal for a short time. In other words when phase modulation is applied to a signal there are frequency changes and vice versa. Phase and frequency are inseparably linked as phase is the integral of frequency. Frequency modulation can be changed to phase modulation by simply adding a CR network to the modulating signal that integrates the modulating signal. As such the information regarding sidebands, bandwidth and the like also hold true for phase modulation as they do for frequency modulation, bearing in mind their relationship.

FORMS OF PHASE MODULATION

Although phase modulation is used for some analogue transmissions, it is far more widely used as a digital form of modulation where it switches between different phases. This is known as phase shift keying, PSK, and there are many flavours of this. It is even possible to combine phase shift keying and amplitude keying in a form of modulation known as quadrature amplitude modulation, QAM.
The list below gives some of the forms of phase shift keying that are used:
  • PM - Phase Modulation
  • PSK - Phase Shift Keying
  • BPSK - Binary Phase Shift Keying
  • QPSK - Quadrature Phase Shift Keying
  • 8 PSK - 8 Point Phase Shift Keying
  • 16 PSK - 16 Point Phase Shift Keying
  • QAM - Quadrature Amplitude Modulation
  • 16 QAM - 16 Point Quadrature Amplitude Modulation
  • 64 QAM - 64 Point Quadrature Amplitude Modulation
  • MSK - Minimum Shift Keying
  • GMSK - Gaussian filtered Minimum Shift Keying
These are just some of the major forms of phase modulation that are widely used in radio communications applications today. With today's highly software adaptable radio communications systems, it is possible to change between the different types of modulation to best meet the prevailing conditions.

OVERVIEW

Phase modulation, PM, is widely used in today's radio communications scene, with phase shift keying being widely used for digital modulation and data transmission. It is used in all forms of radio communications from cellular technology to Wi-Fi, WiMAX, radio broadcasting of digital audio and TV, and many more forms of transmission.

communications. PSK, phase shift keying enables data to be carried on a radio communications signal in a more efficient manner than Frequency Shift Keying, FSK, and some other forms of modulation.
With more forms of communications transferring from analogue formats to digital formats, data communications is growing in importance, and along with it the various forms of modulation that can be used to carry data.
There are several flavours of phase shift keying, PSK that are available for use. Each form has its own advantages and disadvantages, and a choice of the optimum format has to be made for each radio communications system that is designed. To make the right choice it is necessary to have a knowledge and understanding of the way in which PSK works.

PHASE SHIFT KEYING, PSK, BASICS

Like any form of shift keying, there are defined states or points that are used for signalling the data bits. The basic form of binary phase shift keying is known as Binary Phase Shift Keying (BPSK) or it is occasionally called Phase Reversal Keying (PRK). A digital signal alternating between +1 and -1 (or 1 and 0) will create phase reversals, i.e. 180 degree phase shifts as the data shifts state.


Binary phase shift keying, BPSK
Binary phase shift keying, BPSK

The problem with phase shift keying is that the receiver cannot know the exact phase of the transmitted signal to determine whether it is in a mark or space condition. This would not be possible even if the transmitter and receiver clocks were accurately linked because the path length would determine the exact phase of the received signal. To overcome this problem PSK systems use a differential method for encoding the data onto the carrier. This is accomplished, for example, by making a change in phase equal to a one, and no phase change equal to a zero. Further improvements can be made upon this basic system and a number of other types of phase shift keying have been developed. One simple improvement can be made by making a change in phase by 90 degrees in one direction for a one, and 90 degrees the other way for a zero. This retains the 180 degree phase reversal between one and zero states, but gives a distinct change for a zero. In a basic system not using this process it may be possible to loose synchronisation if a long series of zeros are sent. This is because the phase will not change state for this occurrence.
There are many variations on the basic idea of phase shift keying. Each one has its own advantages and disadvantages enabling system designers to choose the one most applicable for any given circumstances. Other common forms include QPSK (Quadrature phase shift keying) where four phase states are used, each at 90 degrees to the other, 8-PSK where there are eight states and so forth.

PSK CONSTELLATION DIAGRAMS

It is often convenient to represent a phase shift keyed signal, and sometimes other types of signal using a phasor or constellation diagram. Using this scheme, the phase of the signal is represented by the angle around the circle, and the amplitude by the distance from the origin or centre of the circle. In this way the can be signal resolved into quadrature components representing the sine or I for In-phase component and the cosine for the quadrature component. Most phase shift keyed systems use a constant amplitude and therefore points appear on one circle with a constant amplitude and the changes in state being represented by movement around the circle. For binary shift keying using phase reversals the two points appear at opposite points on the circle. Other forms of phase shift keying may use different points on the circle and there will be more points on the circle.


BPSK constellation diagram
Constellation diagram for BPSK

When plotted using test equipment errors may be seen from the ideal positions on the phase diagram. These errors may appear as the result of inaccuracies in the modulator and transmission and reception equipment, or as noise that enters the system. It can be imagined that if the position of the real measurement when compared to the ideal position becomes too large, then data errors will appear as the receiving demodulator is unable to correctly detect the intended position of the point around the circle.


QPSK constellation diagram
Constellation diagram for QPSK

Using a constellation view of the signal enables quick fault finding in a system. If the problem is related to phase, the constellation will spread around the circle. If the problem is related to magnitude, the constellation will spread off the circle, either towards or away from the origin. These graphical techniques assist in isolating problems much faster than when using other techniques.
QPSK is used for the forward link form the base station to the mobile in the IS-95 cellular system and uses the absolute phase position to represent the symbols. There are four phase decision points, and when transitioning from one state to another, it is possible to pass through the circle's origin, indicating minimum magnitude.
On the reverse link from mobile to base station, O-QPSK is used to prevent transitions through the origin. Consider the components that make up any particular vector on the constellation diagram as X and Y components. Normally, both of these components would transition simultaneously, causing the vector to move through the origin. In O-QPSK, one component is delayed, so the vector will move down first, and then over, thus avoiding moving through the origin, and simplifying the radio's design. A constellation diagram will show the accuracy of the modulation.

FORMS OF PHASE SHIFT KEYING

Although phase modulation is used for some analogue transmissions, it is far more widely used as a digital form of modulation where it switches between different phases. This is known as phase shift keying, PSK, and there are many flavours of this. It is even possible to combine phase shift keying and amplitude keying in a form of modulation known as quadrature amplitude modulation, QAM.
The list below gives some of the more commonly used forms of phase shift keying, PSK, and related forms of modulation that are used:
  • PSK - Phase Shift Keying
  • BPSK - Binary Phase Shift Keying
  • QPSK - Quadrature Phase Shift Keying
  • O-QPSK - Offset Quadrature Phase Shift Keying
  • 8 PSK - 8 Point Phase Shift Keying
  • 16 PSK - 16 Point Phase Shift Keying
  • QAM - Quadrature Amplitude Modulation
  • 16 QAM - 16 Point Quadrature Amplitude Modulation
  • 64 QAM - 64 Point Quadrature Amplitude Modulation
  • MSK - Minimum Shift Keying
  • GMSK - Gaussian filtered Minimum Shift Keying
These are just some of the major forms of phase shift keying, PSK, that are widely used in radio communications applications today. Each form of phase shift keying has its own advantages and disadvantages. In general the higher order forms of modulation allow higher data rates to be carried within a given bandwidth. However the downside is that the higher data rates require a better signal to noise ratio before the error rates start to rise and this counteracts any improvements in data rate performance. In view of this balance many radio communications systems are able to dynamically choose the form of modulation depending upon the prevailing conditions and requirements.

OVERVIEW

Phase shift keying, PSK, is a particularly important form of modulation these days. With most of the traffic on the newer radio communications systems and radio communications links being carried as data and using forms of phase shift keying, PSK, it is of particular importance.

REASON FOR MINIMUM SHIFT KEYING, MSK

It is found that binary data consisting of sharp transitions between "one" and "zero" states and vice versa potentially creates signals that have sidebands extending out a long way from the carrier, and this creates problems for many radio communications systems, as any sidebands outside the allowed bandwidth cause interference to adjacent channels and any radio communications links that may be using them.

MINIMUM SHIFT KEYING, MSK BASICS

The problem can be overcome in part by filtering the signal, but is found that the transitions in the data become progressively less sharp as the level of filtering is increased and the bandwidth reduced. To overcome this problem GMSK is often used and this is based on Minimum Shift Keying, MSK modulation. The advantage of which is what is known as a continuous phase scheme. Here there are no phase discontinuities because the frequency changes occur at the carrier zero crossing points.
When looking at a plot of a signal using MSK modulation, it can be seen that the modulating data signal changes the frequency of the signal and there are no phase discontinuities. This arises as a result of the unique factor of MSK that the frequency difference between the logical one and logical zero states is always equal to half the data rate. This can be expressed in terms of the modulation index, and it is always equal to 0.5.


MSK modulation
Signal using MSK modulation

GMSK BASICS

GMSK modulation is based on MSK, which is itself a form of phase shift keying. One of the problems with standard forms of PSK is that sidebands extend out from the carrier. To overcome this, MSK and its derivative GMSK can be used.
MSK and also GMSK modulation are what is known as a continuous phase scheme. Here there are no phase discontinuities because the frequency changes occur at the carrier zero crossing points. This arises as a result of the unique factor of MSK that the frequency difference between the logical one and logical zero states is always equal to half the data rate. This can be expressed in terms of the modulation index, and it is always equal to 0.5.

MSK modulation
Signal using MSK modulation

A plot of the spectrum of an MSK signal shows sidebands extending well beyond a bandwidth equal to the data rate. This can be reduced by passing the modulating signal through a low pass filter prior to applying it to the carrier. The requirements for the filter are that it should have a sharp cut-off, narrow bandwidth and its impulse response should show no overshoot. The ideal filter is known as a Gaussian filter which has a Gaussian shaped response to an impulse and no ringing. In this way the basic MSK signal is converted to GMSK modulation.

Spectral density of MSK and GMSK signals
Spectral density of MSK and GMSK signals


GENERATING GMSK MODULATION

There are two main ways in which GMSK modulation can be generated. The most obvious way is to filter the modulating signal using a Gaussian filter and then apply this to a frequency modulator where the modulation index is set to 0.5. This method is very simple and straightforward but it has the drawback that the modulation index must exactly equal 0.5. In practice this analogue method is not suitable because component tolerances drift and cannot be set exactly.

Generating GMSK using a Gaussian filter and VCO
Generating GMSK using a Gaussian filter and VCO

A second method is more widely used. Here what is known as a quadrature modulator is used. The term quadrature means that the phase of a signal is in quadrature or 90 degrees to another one. The quadrature modulator uses one signal that is said to be in-phase and another that is in quadrature to this. In view of the in-phase and quadrature elements this type of modulator is often said to be an I-Q modulator. Using this type of modulator the modulation index can be maintained at exactly 0.5 without the need for any settings or adjustments. This makes it much easier to use, and capable of providing the required level of performance without the need for adjustments. For demodulation the technique can be used in reverse.

Block diagram of I-Q modulator used to create GMSK
Block diagram of I-Q modulator used to create GMSK


ADVANTAGES OF GMSK MODULATION

there are several advantages to the use of GMSK modulation for a radio communications system. One is obviously the improved spectral efficiency when compared to other phase shift keyed modes.
A further advantage of GMSK is that it can be amplified by a non-linear amplifier and remain undistorted This is because there are no elements of the signal that are carried as amplitude variations. This advantage is of particular importance when using small portable transmitters, such as those required by cellular technology. Non-linear amplifiers are more efficient in terms of the DC power input from the power rails that they convert into a radio frequency signal. This means that the power consumption for a given output is much less, and this results in lower levels of battery consumption; a very important factor for cell phones.
A further advantage of GMSK modulation again arises from the fact that none of the information is carried as amplitude variations. This means that is immune to amplitude variations and therefore more resilient to noise, than some other forms of modulation, because most noise is mainly amplitude based.


GMSK HIGHLIGHTS

GMSK modulation is a highly successful form of modulation, being used in GSM cellular technology, and as a result, its use is particularly widespread. It is also used in other radio communications applications because of its advantages in terms of spectral efficiency, resilience to noise and its ability to allow the use of efficient transmitter final amplifiers. Even though other radio communications systems utilise other forms of modulation, GMSk is an ideal choice for many applications.


ANALOGUE AND DIGITAL QAM

Quadrature amplitude modulation, QAM may exist in what may be termed either analogue or digital formats. The analogue versions of QAM are typically used to allow multiple analogue signals to be carried on a single carrier. For example it is used in PAL and NTSC television systems, where the different channels provided by QAM enable it to carry the components of chroma or colour information. In radio applications a system known as C-QUAM is used for AM stereo radio. Here the different channels enable the two channels required for stereo to be carried on the single carrier.
Digital formats of QAM are often referred to as "Quantised QAM" and they are being increasingly used for data communications often within radio communications systems. Radio communications systems ranging from cellular technology through wireless systems including WiMAX, and Wi-Fi 802.11 use a variety of forms of QAM, and the use of QAM will only increase within the field of radio communications.

DIGITAL / QUANTISED QAM BASICS

Quadrature amplitude modulation, QAM, when used for digital transmission for radio communications applications is able to carry higher data rates than ordinary amplitude modulated schemes and phase modulated schemes. As with phase shift keying, etc, the number of points at which the signal can rest, i.e. the number of points on the constellation is indicated in the modulation format description, e.g. 16QAM uses a 16 point constellation.
When using QAM, the constellation points are normally arranged in a square grid with equal vertical and horizontal spacing and as a result the most common forms of QAM use a constellation with the number of points equal to a power of 2 i.e. 2, 4, 8, 16 . . . .
By using higher order modulation formats, i.e. more points on the constellation, it is possible to transmit more bits per symbol. However the points are closer together and they are therefore more susceptible to noise and data errors.
To provide an example of how QAM operates, the table below provides the bit sequences, and the associated amplitude and phase states. From this it can be seen that a continuous bit stream may be grouped into threes and represented as a sequence of eight permissible states.

Bit sequenceAmplitudePhase (degrees)
0001/20 (0°)
00010 (0°)
0101/2π/2 (90°)
0111πi/2 (90°)
1001/2π (180°)
1011π (180°)
1101/23πi/2 (270°)
11113π/2 (270°)


Bit sequences, amplitudes and phases for 8-QAM
Phase modulation can be considered as a special form of QAM where the amplitude remains constant and only the phase is changed. By doing this the number of possible combinations is halved.

QAM ADVANTAGES AND DISADVANTAGES

Although QAM appears to increase the efficiency of transmission for radio communications systems by utilising both amplitude and phase variations, it has a number of drawbacks. The first is that it is more susceptible to noise because the states are closer together so that a lower level of noise is needed to move the signal to a different decision point. Receivers for use with phase or frequency modulation are both able to use limiting amplifiers that are able to remove any amplitude noise and thereby improve the noise reliance. This is not the case with QAM.
The second limitation is also associated with the amplitude component of the signal. When a phase or frequency modulated signal is amplified in a radio transmitter, there is no need to use linear amplifiers, whereas when using QAM that contains an amplitude component, linearity must be maintained. Unfortunately linear amplifiers are less efficient and consume more power, and this makes them less attractive for mobile applications.

QAM COMPARISON WITH OTHER MODES

As there are advantages and disadvantages of using QAM it is necessary to compare QAM with other modes before making a decision about the optimum mode. Some radio communications systems dynamically change the modulation scheme dependent upon the link conditions and requirements - signal level, noise, data rate required, etc.
The table below compares various forms of modulation:

ModulationBits per symbolError marginComplexity
OOK11/20.5Low
BPSK111Medium
QPSK11 / √20.71Medium
16 QAM4√2 / 60.23High
64QAM6&radic / 140.1High


Summary of types of modulation with data capacities

QAM SUMMARY

When choosing the form of modulation to use for a radio communications system, it is necessary to take account of all its attributes to assess whether it is suitable. QAM, Quadrature Amplitude Modulation is being used increasingly because of the increased data rate it offers compared to some of the simpler amplitude or phase only formats. Also adaptive systems are being used to use QAM when conditions are suitable, enabling high data rates to be transmitted over the radio communications link.

QAM, Quadrature amplitude modulation is widely used in many digital data radio communications and data communications applications. A variety of forms of QAM are available and some of the more common forms include 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM, 128 QAM, and 256 QAM. Here the figures refer to the number of points on the constellation, i.e. the number of distinct states that can exist.
The various flavours of QAM may be used when data-rates beyond those offered by 8-PSK are required by a radio communications system. This is because QAM achieves a greater distance between adjacent points in the I-Q plane by distributing the points more evenly. And in this way the points on the constellation are more distinct and data errors are reduced. While it is possible to transmit more bits per symbol, if the energy of the constellation is to remain the same, the points on the constellation must be closer together and the transmission becomes more susceptible to noise. This results in a higher bit error rate than for the lower order QAM variants. In this way there is a balance between obtaining the higher data rates and maintaining an acceptable bit error rate for any radio communications system.

QAM APPLICATIONS

QAM is in many radio communications and data delivery applications. However some specific variants of QAM are used in some specific applications and standards.
For domestic broadcast applications for example, 64 QAM and 256 QAM are often used in digital cable television and cable modem applications. In the UK, 16 QAM and 64 QAM are currently used for digital terrestrial television using DVB - Digital Video Broadcasting. In the US, 64 QAM and 256 QAM are the mandated modulation schemes for digital cable as standardised by the SCTE in the standard ANSI/SCTE 07 2000.
In addition to this, variants of QAM are also used for many wireless and cellular technology applications.

CONSTELLATION DIAGRAMS FOR QAM

The constellation diagrams show the different positions for the states within different forms of QAM, quadrature amplitude modulation. As the order of the modulation increases, so does the number of points on the QAM constellation diagram.
The diagrams below show constellation diagrams for a variety of formats of modulation:



QAM BITS PER SYMBOL

The advantage of using QAM is that it is a higher order form of modulation and as a result it is able to carry more bits of information per symbol. By selecting a higher order format of QAM, the data rate of a link can be increased.
The table below gives a summary of the bit rates of different forms of QAM and PSK.

ModulationBits per symbolSymbol Rate
BPSK11 x bit rate
QPSK21/2 bit rate
8PSK31/3 bit rate
16QAM41/4 bit rate
32QAM51/5 bit rate
64QAM61/6 bit rate

QAM NOISE MARGIN

While higher order modulation rates are able to offer much faster data rates and higher levels of spectral efficiency for the radio communications system, this comes at a price. The higher order modulation schemes are considerably less resilient to noise and interference.
As a result of this, many radio communications systems now use dynamic adaptive modulation techniques. They sense the channel conditions and adapt the modulation scheme to obtain the highest data rate for the given conditions. As signal to noise ratios decrease errors will increase along with re-sends of the data, thereby slowing throughput. By reverting to a lower order modulation scheme the link can be made more reliable with fewer data errors and re-sends.