RANCANG BANGUN PULSE CODE MODULATION (PCM)

Print
Category: Listrik & Elektronika
Last Updated on Sunday, 04 May 2014 Published Date Written by Herry Sudjendro

RANCANG BANGUN PULSE CODE MODULATION (PCM)

 

Oleh: Herry Sudjendro

 

Abstrak:


Pulse Code Modulation merupakan salah satu pengembangan sistem komunikasi digital untuk mengantisipasi gangguan oleh noise pada sinyal informasi, yang diakibatkan oleh saluran maupun media pengiriman sinyal melalui gelombang elektromagnetik. Pada rancangan ini dibanhgun sistem Pulse Code Modulator yang mengirimkan dua buah sinyal input yang berbeda secara bersamaan melalui proses multiplexing dan pulse amplitudo modulation. Hasilnya adalah pulsa-pulsa yang dikodekan ke dalam biner serial. Untuk mensinkronkan antara pengirim dan penerima dikirim pulsa sinkronisasi.

 

Pendahuluan:

Sistem telekomunikasi dewasa ini dituntut  terbebas dari gangguan  sistem transmisi , seperti gangguan petir, gangguan saluran terlalu panjang, gangguan loncatan api dari pengapian motor dsb. Di samping itu juga dituntut kualitas reproduksi informasi yang bersih dan noise rendah. Untuk itu  diperlukan sistem komunikasi digital yang prinsipnya merubah besaran analog ke dalam besaran digital, yang kemudian dipancarkan berupa pulsa-pulsa digital. Karena sistem digital hanya mempunyai kondiai logik "1" dan "0", maka level tegangan tidak  ada artinya.

 

A. Konsep dasar Pulse Code Modulation (PCM)

Sistem komunikasi digital ini akan mengolah kembali pulsa digital yang dipancarkan  dan merubah ke dalam sinyal analog.

Gambar 1  Blok diagram pemancar dan penerima PCM

Sistem komunikasi data juga memerlukan sebuah sistem komunikasi yang mampu mentransmisikan data-data yang akurat, level tegangan yang sama antara   tegangan referensi tegangan di Pemancar dan di Penerima. Level tegangan referensi yang akurat  baik di Pemancar dan Penerima ini  diperlukan pada sistem pengendalian jarak jauh tanpa kabel, seperti pengendalian motor jarak jauh, fasilitas power elektronik yang dikendalikan dari jarak jauh, sistem penggerak PLC jarak jauh tanpa kabel, dsb. Tuntutan -tuntutan tersebut di atas bisa dipenuhi oleh sistem Pulse Code Modulation (PCM). PCM mulai dikembangkan pada tahun 1937 di Paris pada perusahaan AT&T. PCM  adalah methode pemancaran secara serial seperti halnya pemancaran sinyal analog, hanya yang dipancarkan dalam sistem PCM adalah pulse-pulse biner "1" dan "0". Secara singkat  akan diuraikaan bagian demi bagian dalam beberapa materi berikut.

 

1. Low pass Filter 3,45 kHz

Untuk membatasi lebar frekuensi informasi agar tidak menggangu proses sampling, maka lebar frekuensi informasi harus sebesar sama atau lebih kecil dari setengah frekuensi sampling.

 

di mana  fs = frekuensi sampling

                            fa = frekuensi audio

 

Gambar 2  Spektrum frekuensi sampling

Apabila frekuensi audio maksimum lebih besar dari frekuensi sampling, maka  akan terjadi efek aliasing

 

 

Gambar 3 Efek Aliasing

Hal tersebut di atas bisa dijelaskan dengan gambar di bawah ini

Gambar 5  Low Pass Filter

Batas frekuensi fg:

Fg=1/(2. 3,14.R.C)

Beda fasa antara tegangan input dengan tegangan output adalah :

 

2.    Clock Generator

Pada prinsipnya fasilitas clock generator dipakai untuk fasilitas:

1)     Clock pada raangkaian counter

2)     Clock pada rangkaian shift register

3)     Clock pada raangkaian ADC dan DAC

4)     Frekuensi sampling

 

Sumber clock adalah berupa  kombinasi IC 5082,  dua buah kapasitor  27pF dan kristal 4,43 MHz. Output pada pin 3 terdapat sinyal osilasi sebesar      4,43 MHz.  Sementara IC 7493 sebagai rangkaian pencacah akan membagi frekuenssi-frekuensi sesuai dengan kebutuhan.

 

3.    Pulse Amplitude Modulation Multiplexing (PAM Mux)

Tahap awal dari proses perubah analog ke digital adalah PAM, yang merupakan saklar elektronik yang dikontrol oleh pulsa train (pulsa sampling) selebar  1/fs. Sinyal yang dihasilkan  adalah sinyal chopp dengan    lebar pulsa =To  . Proses ini dinamakan  time discretization

Gambar. 6 Teknik Sampling

Pulse Amplitude Modulation Multiplexing (PAM-Mux) berfungsi untuk menggabungkan dua buah sinyal input atau lebih, yang kemudian digabung  menjadi  satu sinyal multiplexing dalam satu saluran. Pulsa - pulsa tersebut merupakan deretan pulsa dengan periode waktu yang sama (fungsi waktu). IC multiplexing 4051 bisa dipakai sebagai rangkaian multiplexer yang mempunyai fasilitas  8 kanal input, dan 1 kanal output. Dan sebaliknya bisa difungsikan sebagai rangkaian demultiplexer dengan fasilitas 1 kanal input, 8 kanal output. IC multiplexing 4051 dilengkapi dengan switch controll A,B dan C. Bila switch controll A  saja yang aktif, maka rangkaian multiplexing berfungsi sebagai rangkaian multiplexing 2 kanal (21= 2). Bila yang diaktifkan switch controll A daan B, maka rangkaian multiplexing  bekerja untuk 4 kanal . (22= 4)..Dan bila switch controll diaktifkan semua, maka rangkaian multiplexing bekerja  untuk 8 kanal. Rangkaian pencacah IC 74393 sebagai dual pencacah 16. Sedangkan rangkaian multiplexing dengan  input sinyal analog memerlukaan  frekuensi switch controll tergantung dari besarnya Bit. Bila rangkaian multiplexing berfungsi sebagai rangkaian multiplexxing 2 kanal,dan sistem analog to digital converter menerapkan 8 Bit, maka periode  switch controll adalah 4 x 8 =  32 kali perioda clock. Atau frekuensi switch controll  sebesar

fs         = 1/(32. f clk)

di mana          fs         = frekuensi sampling

f clk     = frekuensi clock

Ada dua jenis PAM, yaitu :

1)     Single polarity PAM

Gambar 7a. Single polarity PAM

2)     Double polarity PAM

Gambar 7b. Double polarity PAM

4. Sample and Hold.

Agar setiap level tegangan bisa diterjemahkan ke dalam besaran biner, maka perlu dilakukan pengambilan level tegangan tertentu  yang sempit dan tidak variatif (sample).

 

Gambar 8 Sample & hold

Level tegangan sesaat perlu dipertahankan sampai pada level tegangan sinyal berikutnya (Hold).

5.    Kuantisasi

Sinyal PCM adalah merupakan sinyal analog yang dicacah dan dikodekan dalam biner. Setiap pulsa  amplitudo di-kuantisasikan ke dalam range kuantisasi, yang besarnya tergantung dari jumlah bit dari A/D Converter.

Contoh :

Sebuah rangkaian Analog to Digital Converter  dipakai untuk merubah sinyal analog ke dalam  besaran digital  4 bit. Tegangan referensi sinyal analog sebesar 5 Volt.

Maka banyaknya interval adalah:

n = 24=16

Dan besarnya tegangan setiap interval adalah :

u=u ref/(2n-1) = 5V/(24-1)

 

 

 


 

 

Gambar 9 kuantisasi

 

6.     Analog to Digital Converter

Gambar 10  Analog to Digital Converter

Setiap pulsa dari Pulse Amplitudo Modulation (discrete) diterjemahkan oleh Analog to Digital Converter menjadi pulsa biner. Data output dari ADC sebanyak 8 bit, yang berarti mempunyai interval :

Gambar11. Ekivalen analog dengan digital

Gambar 12 Ekivalen analog dengan digital masing-masing pulsa

Setiap pulsa diterjemahkan ke dalam bilangan biner. Setiap penterjemahan diperlukan waktu 16 kali periode clock. Delapan kali periode untuk menampilkan pulsa biner dan sisanya 8 kali periode  untuk  spasi. Pada contoh rangkaian  gambar di atas, rangkaian PAM Multiplexing mempunyai dua buah kanal input. Dengan demikian  pulsa-pulsa kanal 1 dan kanal 2 akan ditampilkan secara bergantian . Sehingga dalanm satu putaran (kanal 1 +  kanal 2) dibutuhkan perioda dua kali 16 periode, sebesar 32 kali periode . Satu periode yang diperlukan adalah sebesar 2 kali periode clock. Dengan demikian satu putaran penterjemahan kanal 1 dan kanal 2 diperlukan waktu 64 kali periode clock.

 

7.    Shift Register Paralel input serial output (PISO)

Pulse Code Modulation pada prinsipnya adalah perubahan data biner paralel ke dalam data biner seri, yang selalu bergeser secara sekuensial. Dengan demikian perlu adanya rangkaian shift register paralel input serial output (PISO).

Gambar 13 Rangkaian PCM

 

Gambar 14. Konversi pulsa analog modulasi(PAM)  ke pulsa PCM

Satu interval pulsa PCM selebar 32 kali periode colck. Dalam satu putaran kanal 1 daan kanal 2, diperlukaan periode 64 kali peroide clock. Shift register mengambil data biner sebanyak 8 data, yaitu data LSB D0,D1,D2,D3 dan data MSB D4, D5, D6,D7. Setelah itu diperlukan 8 kali perioda (1 periode = 2 kali perode clock)  untuk menggeser (shift). Total waktu yang diperlukan untuk setiap penterjemahan satu pulsa PAM adalah selama 16 kali periode      ( 32 periode clock ).Sedangkan total waktu yang diperlukan untuk menterjemahkan  input kanal 1 dan kanal 2 selama 32 periode (64 kali periode clock). Dengan demikian maka pengertian PCM adalah merupakan rekonversi dari sinyal  PAM. Masing-masing sinyal PAM dalam range 0 volt  sampai dengan 5 volt di-kuantisasikan  dalam range    0000 0000(2) sampai dengan 1111 1111(2). Sehingga  setiap sinyal PAM  akan di-kode kan dalam pulsa biner  secara serial.

 

Mangapa harus PCM?

PCM adalah satu-satunya sistem yang bisa memancarkan atau mengirimkan data kode biner, sehingga di penerima akan diterima data kode  biner yang sama pula . Dengan demikian  data atau besaran  analog  yang dipancarkan oleh  pemancar akan sama persis dengan data atau besaran analog pada penerima. Sistem ini tidak dimiliki oleh sistem yang lain.

 

8.    Sinkronisasi

Agar proses pengolahan data pada pemancar dan penerima serempak dan tidak salah kanal, maka perlu adanya sinkronisator. Untuk itu perlu adanya pulsa sinkronisasi yang dikirim oleh pemancar. Pulsa sinkronisasi harus dibuat sesempit mungkin agar tidak menggangu  pengolahan data yang lain.

Gambar 15  PCM dengan pulsa sinkronisasi

Pulsa sinkronisasi tersebut pada penerima akan dipergunakan untuk mereset counter, sehingga proses multiplexing pada pemancar dan penerima berjalan serempak. Pulsa sinkronisasi yang sempit tersebut bisa dibuat dengan rangkaian Monostable Multivibrator. 

 

Tabel 2 Konversi tegangan, besaran analog ke  bilangan biner

No

Level tegangan  analog (Volt)

Bilangan Biner

Bilangan Desimal

0

0

0000 0000

0

1

0.019607843

0000 0001

1

2

0.039215686

0000 0010

2

....

..............

..............

............

253

4.960784312

1111 1101

253

254

4.980392155

1111 1110

254

255

5,000000000

1111 1111

255

 

B. Rancangan Pulse Code Modulation (PCM) dengan dua input

Pada gambar 16 di bawah adalah hasil rancangan PCM, yang diberi kode PCM 53-432.10.

 

Gambar16 PCM 2 kanal

Untuk menguji fungsi rancangan PCM tersebut bisa dilakukan dengan menggunakan alat ukur oscilloscope seperti yang digambarkan pada gambar 17.

Gambar17 Generator clock dan sinyal

 

            Blok rancangan PCM ini dilengkapi dengan sumber sinyal input, Karena pada rancangan PCM ini menggunakan dua buah input yang berbeda, maka input yang pertama adalah sinyal segi tiga, dan sinyal yang ke dua adalah sinyal kotak. Bila diukur dengan oscilloscope hasilnya adalah seperti pada gambar 18.

Gambar 18. Sinyal kotak dan sinyal segitiga

Dua buah sinyal yang berbeda tersebut dimasukkan ke dalam rangkaian multiplekser, maka hasil dari pencampuran dua sinyal dengan sistem sampling menghasilkan sinyal berupa Pulse Amplitudo Modulation (PAM) seperti pada gambar 20.

 

 

 

Gambar 19. Pengukuran sinyal PAM

 

 

        

Gambar 20 Hasil pengukuran sinyal PAM

Pada gambar 20, tampak sinyal PAM merupakan hasil pengolahan sinyal multipleksing yang mengandung informasi sinyal segi tiga dan sinyal kotak. Sinyal PAM tersebut memiliki masing-masing pulsa yang tinggi dan rendahnya level tergantung dari sinyal aslinya. Level amplitudo dari sinyal PAM tersebut, masing-masing akan diterjemahkan atau dikodekan menjadi dinyal digital melalui rangkaian analog to digital converter (ADC). Dalam rancangan ini dibuat dengan 8 bit. Pulsa digital ini nantinya akan dikirim melalui sebuah media yang berupa penghantar kabel, ataupun dimodulasikan dengan sinyal pembawa yang biasanya menggunakan sistem Frequency Shift Keying (FSK) atau sistem modulasi yang lain. Untuk keperluan tersebut maka perlu adanya perubah pulsa-pulsa digital dalam kodisi paralel ke dalam pulsa-pulsa serial, karena ADC hanya menghasilkan pulsa-pulsa digital dalam bentuk paralel. Untuk itu dibutuhkan rangkaian penggeser data paralel ke data serial yang berupa shift register. Sebuah rangkaian Paaralel Input Serial Output sebuah shift register akan menggeser data-data paralel 8 bit menjadi data serial. Pulsa-pulsa data serial tersebut pada akhirnya dinamakan sinyal Pulse Code Modulation (PCM). Setiap sederetan pulsa dalam 8 bit merupakan informasi magnitut dari level sinyal input.

            Kunggulan dari sistem PCM ini, pada perjalanan sinyal yang berupa sederetan pulsa digital akan terbebas dari gangguan pengiriman sinyal informasi karena hanya mengandung informasi high dan low atau “1” dan “0” seperti yang ditunjukkan pada gambar 21.

 

Gambar 21. Pengukuran sinyal PCM

 

T/DIV=1mS,   V/DIV=2V

 

Gambar 22. Sinyal PCM

Kesimpulan:

1.    Pulse Code Modulation (PCM) adalah sistem modulasi pulsa yang kondisi pulsa-pulsa digital merupakan pengkodean dari level sinyal analog input.

2.    Pulse Code Modulation adalah solusi untuk mengatasi permasalahan gangguan transmisi pada sistem telepon, dan merupakan  dasar pengembangan telepon digital yang terbebas dari gangguan transmisi.

3.    Pulse Code Modulation sesuai dengan kebutuhan dan jumlah pelanggan telepon, maka bisa dikembangkan dengan menggunakan multipleksing yang menggabungkan beberapa sinyal input menjadi sebuah sinyal PAM.

4.    Dari hasil rancangan terlihat pada hasil pengukuran, bahwa pulsa-pulsa PCM merupakan representasi dari amlpitudo pulsa (PAM).

 

Referensi:

1.    Warren Hioki,Telecommunications Third Edition, Community College of Southern Nevada, Prentice-Hall International, Inc,1990

2.    Frank F.E Own, PCM and digital transmission systems, Universitas Michigan, McGraw-Hill, 1982