## Pemancar Modulasi Frekuensi dengan Modul GRF-3300
Budihardja Murtianta 1 , Deddy Susilo 2 , Rizky Salenda 3
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga
1 budihardja.murtianta@staff.uksw.edu, 2 deddy.susilo@staff.uksw.edu,
3 612011053@students.uksw.edu

## Ringkasan
Dalam  era  teknologi  telekomunikasi,  sistem  pemancar  ( transmitter )  dan  sistem  penerima ( receiver )  merupakan hal  yang  sangat  mendasar.  Pada  tulisan  ini  dibahas  sistem  pemancar yang  berperan  untuk  mengirim  suatu  sinyal  informasi.  Pengiriman  informasi  bisa  lewat beberapa media transmisi, seperti serat optik, microwave , udara dan sebagainya. Pemancar ini mengirimkan sinyal informasi lewat udara dan terdiri dari : Modulator , mixer , PLL , preamplifier , attenuator , penguat daya dan antena. Pada tulisan ini dijelaskan cara kerja prinsip dasar sistem pemancar  dengan  dengan  modul  GRF-3300.  Penguat  daya  mempunyai  faktor  penguatan daya  yang  jauh  lebih  besar  dari  pada preamplifier .  Sinyal  informasi  yang  dikirim  lewat pemancar akan diterima kembali seperti bentuk semula.
Kata kunci: transmitter , mixer , modulator

## 1. Pendahuluan
Teknik  telekomunikasi  merupakan  salah  satu  cabang  ilmu  pengetahuan  yang mempelajari  cara  pembangkitan,  pengolahan,  penyaluran,  dan  penyebaran  data  atau informasi menggunakan media kabel ( wire ) atau tanpa kabel ( wireless ) untuk jarak jauh.  Di era  sekarang  ini,  telekomunikasi  merupakan  hal  yang  sangat  dekat  dengan  manusia, dikarenakan mobilitas masyarakat yang berpindah-pindah ke tempat yang jauh. Dengan alasan  itu,  perkembangan  teknik  telekomunikasi  saat  ini  terbilang  laku  dipasaran,  oleh karenanya  banyak  orang  yang  tertarik  untuk  mempelajari  lebih  lagi  mengenai  teknik telekomunikasi.  Pada  tulisan  ini  akan  dibahas  tentang  pemancar  modulasi  frekuensi dengan  modul  GRF-3300  yang  merupakan  salah  satu  alat  untuk  menganalisa  bagian transmitter dan receiver frekuensi  tinggi  pada  aplikasi  nirkabel.  Meski  begitu,  aplikasi transmitter tidaklah  mudah untuk dimengerti begitu saja, perlu adanya penjelasan yang lebih mendalam akan bagian-bagian dari sebuah struktur sistem pemancar. Pada tulisan ini akan dijelaskan prinsip kerja dan komponen yang digunakan pada bagian-bagian dari sebuah sistem pemancar sehingga bisa membantu menjelaskan hal-hal terkait pada sebuah transmitter .

## 2. Dasar Teori
Pemancar  ( Transmitter )  adalah  sebuah  alat  untuk  memancarkan  suatu  sinyal.  Cara kerja pemancar secara sederhana yaitu menguatkan dan memodulasikan sinyal masukan
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 2 Oktober 2018 Hal 81 - 92
lalu  dialirkan  ke  antena  untuk  di  ubah  menjadi  gelombang  elektromaknetik.  Parameter dari  sebuah  pemancar  berupa  :  Rentang  frekuensi,  daya,  efesiensi,  dan  derau.  Struktur dasar  transmisi  ini  berupa  :  Masukan, Modulator,  PLL , preamplifier ,  penguat  daya  dan antena  pemancar.  Pada  Gambar  1  adalah  bagan  kotak  pemancar  modul  GRF-3300. Modulator berfungsi untuk memodulasikan frekuensi sinyal masukan menjadi frekuensi sinyal  yang  tepat. Mixer bertugas  untuk  mentransformasikan  beberapa  frekuensi. PLL ( Phase Lock Loop ) dipakai untuk menghasilkan frekuensi sinyal keluaran yang diinginkan dari  frekuensi  sinyal  masukan. Preamplifier berfungsi  sebagai  penguat  sinyal  sebelum masuk attenuator . Attenuator merupakan  komponen RF yang  melemahkan  aras  sinyal. Penguat daya adalah penguat akhir sebelum dipancarkan lewat antena.
Gambar 1. Bagan kotak pemancar [1]

## 3. Bagian-Bagian Pemancar
Pada bagian ini akan dijelaskan bagian-bagian pembentuk pemancar dan fungsi dari tiap-tiap bagian. Selain itu juga diberikan rangkaian dari tiap bagian tersebut. Pemancar yang  dibahas  ini  berupa  modulasi  frekuensi  dan  terdiri  dari: modulator , mixer , PLL , pre- amplifier , attenuator ,  penguat  daya  dan  antena.  Gambar  bagan  kotak  pemancar  dapat dilihat pada Gambar 1.

## 3.1. Modulator
Fungsi modulator adalah  untuk  memodulasikan  isyarat  pembawa  dengan  frekuensi tinggi  oleh  isyarat  informasi  dengan  frekuensi  rendah.  Tujuan  utama  modulasi  adalah untuk membawa isyarat informasi yang mempunyai frekuensi rendah ke frekuensi tinggi tertentu sehingga tidak terjadi interferensi antara isyarat-isyarat dengan frekuensi rendah. Proses Modulasi Frekuensi ( Frequency Modulation , FM ) ditunjukkan pada Gambar 2 dan spektrum frekuensi ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 2. Proses Modulasi Frekuensi[2]
Gambar 3. Spektrum sinyal Modulasi Frekuensi[2]
Persamaan sinyal FM dapat dituliskan sebagai berikut:
E fm = E c sin(ω c t + m f sinω m t) (1)
dimana,
E fm = nilai sesaat sinyal FM
E c = amplituda maksimum sinyal pembawa
ω c = 2π f c dengan f c adalah frekuensi sinyal pembawa ω m = 2π f m dengan f m adalah frekuensi sinyal pemodulasi
Pada modulasi frekuensi kita mengenal istilah indeks modulasi (m f ). Indeks modulasi ini didefinisikan  sebagai  perbandingan  antara  simpangan  frekuensi  maksimum  dengan frekuensi sinyal pemodulasi, dengan persamaan seperti berikut ini:
m f = ∆f/f m (2)
dimana,
m f = indeks modulasi frekuensi
∆f   = deviasi frekuensi f m = frekuensi sinyal pemodulasi
Gambar 4 menunjukan spektrum sinyal Modulasi Frekuensi dengan indeks modulasi (m f ) yang  divariasikan  dari  0,5  sampai  4.  Gambar  5  adalah  rangkaian modulator yang dipergunakan.
Gambar 4. Spektrum sinyal Modulasi Frekuensi dengan m f berbeda[2]
Gambar 5. Rangkaian modulator [1]

## 3.2. Mixer
Tujuan dari sebuah mixer adalah untuk mentransformasikan frekuensi. Sebagai contoh dalam  sebuah  sistem  penerima,  sebuah  sinyal RF akan  dialihkan  ke  dalam  sinyal intermediate untuk  ditangani  dalam  rangkaian  pita  dasar.  Dalam  sistem  pengirim  sinyal pita dasar dialihkan ke sinyal RF dan dikirim lewat antena, didorong oleh penguat daya. Sebuah mixer menggunakan komponen non-linier untuk mendapatkan efek transformasi frekuensi  yang  persis  untuk  rangkaian  diode,  dimana  tegangan-arus DC mempunyai karakteristik non-linier yang ditunjukkan  pada Gambar 6.
Gambar 6. Tegangan DC – arus diode
Hubungan ini bisa dinyatakan dengan penjelasan Taylor :[2]
I = a 0 + a 1 V + a 2 V 2 + a 3 V 3 + a 4 V 4 + ….. (3)
Jika frekuensi masukan adalah ω 1 dan ω 2 , maka frekuensi keluaran akan  menjadi ± nω 1 atau ± nω 2 . Persamaan dibawah ini mengilustrasikan hubungan antara ω 1 dan ω 2 .
V = A 1 cos(ω 1 t) + A 2 cos(ω 2 t) (4)
Maka
I = a0 + a1{A1 cos(ω1t) + A2 cos(ω2t)}
+ a2{[ 𝐴 1 2 cos2(ω1t) + 𝐴 2 2 cos2(ω2t)
+ A1A2[cos((ω1 + ω2)t)+cos((ω1 - ω2)t)]} + ….. (5)

## Pemancar Modulasi Frekuensi dengan Modul GRF-3300 Budihardja Murtianta, Deddy Susilo, Rizky Salenda
Persamaan  di  atas  termasuk  semua  elemen  frekuensi  dari  sinyal  keluaran  dalam komponen non-linier orde  kedua.  Gambar  7  menunjukan  diagram  rangkaian  nyata  dari mixer dual gate FET . Model dual gate FET adalah 3SK241. R 1 dan R 2 dalah resistor bias , C 3 , C 4 , C 7 , dan C 8 adalah kapasitor bypass , L 3 adalah induktor choke RF, C 5 , L 4 , dan C 6 adalah low pass filter IF .
Gambar 7. Diagram rangkaian dari 900 MHz mixer dual gate FET [1]

## 3.3. Preamplifier
Preamplifier adalah rangkaian driver stage dari penguat daya. Tujuan dari preamplifier adalah  untuk  meningkatkan  amplitudo  tegangan  sinyal RF .  Penguatan  tegangan  pada preamplifier lebih  diutamakan  dari  pada  penguatan  daya.  Setelah  sinyal  frekuensi menengah  di  transformasikan  ke  sinyal RF ,  penguat  daya  mengirim  sinyal RF untuk ditransmisikan melalui antena. Gambar 8 berikut adalah rangkaian preamplifier.
Gambar 8. Diagram rangkaian dari preamplifier active-bias [1]
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 ,R 6 , dan BJT Q 1 meliputi rangkaian aktif-bias untuk BJT Q 2 ; kapasitor C 1 dan induktor L 1 adalah input matching network ; kapasitor C 4 dan induktor L 2 adalah output matching network . RFC (Radio Frequency Choke) biasa terdapat pada penguat frekuensi tinggi yang  berfungsi  sebagai  peredam  frekuensi  tinggi  yang  dihasilkan  oleh  osilator  dan penguat  frekuensi  tinggi  sehingga  dapat  mencegah  timbulnya RFI  (Radio  Frequency Interference) yang dapat menginterferensi perangkat lain.[3]

## 3.4. Attenuator
Sebuah attenuator daya  adalah  sebuah  komponen RF yang  melemahkan  energi. Resistor  adalah  contoh  dari attenuator sederhana,  dan  jaringan  atenuasi  dibentuk  dari beberapa resistor disebut sum parameter attenuator . Kegunaan attenuator di sini yaitu :
a.  Pengatur tingkat daya – memperoleh noise figure optimal dan rugi-rugi konversi frekuensi dari pengaturan daya keluaran akan osilasi lokal dalam penerima.
b.  Perangkat pemisah – memisahkan osilator dan beban.
Sebuah attenuator bisa digambarkan seperti jaringan dua port tanpa  memperdulikan mekanisme dan struktur, seperti pada Gambar 9. P 1 , P 2 , A(dB) berdiri sebagai daya sinyal masukan, daya sinyal keluaran, attenuasi daya, secara berurutan. Jika P 1 dan P 2 dinyatakan dalam satuan dBm, maka relasi secara keseluruhan dapat digambarkan sebagai berikut :
P 2 (dBm) = P 1 (dBm) – A(dB) (6) A (dB) = 10 log 𝑃2(𝑚𝑊) 𝑃1(𝑚𝑊) (7)
Gambar 9. Attenuator daya

## 3.5. Penguat Daya
Dalam  aplikasi  komunikasi  tanpa  kabel  ( wireless ),  linearitas  dan  efisiensi  adalah  hal utama  dari  penguat  daya.  Linearitas  menentukan  kualitas  keluaran  sinyal.  Efisiensi menentukan  daya  baterai  dan  waktu  siaga  komunikasi.  Linearitas  dan  efisiensi  adalah trade-off , jadi kita perlu menjaga keseimbangan untuk memenuhi keluaran yang optimum. Linearitas yang baik dihasilkan oleh penguat kelas A sedang efisiensi yang baik dihasilkan oleh penguat kelas C. Titik kompresi 1dB menunjukan penguatan daya batas atas untuk komponen  aktif.  Dalam  titik-titik  tertentu,  sebagai  hasil  komponen  aktif  yang  terkena dampak dari linearitas, power gain menjadi lebih rendah dari linearitas sinyal kecil power gain  (Go)  dari  1  dB.  Kita  gunakan  G1dB  untuk  mengindikasikan  1  dB  poin  kompresi. Hubungan antara linearitas power gain adalah :
G 1dB = G o (dB) -1 (8)
G pw = P out / P in (9)
Ekspresi dalam dB adalah Pout (dBm) = Gpw (dB) + Pin (dBm). Gambar 10 menunjukan diagram karakteristik Pout dan Pin.
Tujuan  utama  penguat  daya  adalah  memperoleh  daya  keluaran  maksimal  sehingga bati daya lebih utama dari pada bati tegangan dan penguat daya menggunakan kelas C agar  efisien.  Gambar  11  menunjukan  100  mW  penguat  daya  di  900  MHz  pita  frekuensi dengan menggunakan BFG540  BJT. R1, R2, adalah resistor bias untuk BJT Q1; kapasitor C1, C2 dan induktor L1 adalah input matching network; kapasitor C5, C6 dan induktor L2, adalah  output  matching  network;  C3,  C4  adalah  kapasitor  bypass.  Beberapa  sistem meminta daya 2nd order harmonics harus lebih rendah 30 dB dari daya fundamental. Jadi, kita mungkin  membutuhkan untuk  merancang sebuah filter 2ndorder harmonics untuk meningkatkan perbandingan antara fundamental dan harmonisa.
Gambar 10. Definisi dan jarak dinamik dari 1 dB titik kompresi[2]
Gambar 11. Diagram rangkaian penguat daya 100 mW[1]

## 4. Hasil Pengukuran

## 4.1.   Modulator
Dari  hasil  pengukuran  (Gambar  12,  13,  14  &  15)  tampak  bahwa  dengan  perubahan amplitudo pada masukan akan mempengaruhi lebar pita pada keluaran, dimana lebar pita pada  amplitudo  1000mV p lebih  besar  dibanding  amplitudo  500mV p .  Semakin  besar amplitudo masukan akan menyebabkan semakin lebar lebar pita frekuensinya.
Gambar 12. Masukan 500mV p
Gambar 13. Keluaran 500mV
Gambar 14. Masukan 1000mV p
Gambar 15. Keluaran 1000mV p

## 4.2. Mixer
Dari Tabel 1 bisa kita lihat bahwa mixer ini merupakan jenis down mixer yakni frekuensi pada port IF (Intermediate Frequency ) dihasilkan dari frekuensi selisih antara frekuensi LO dan RF . Pada pengukuran conversion loss puncaknya berada pada frekuensi ± 70.75 MHz. Artinya  frekuensi  tersebut  yang  dilewatkan  oleh  bagian IF, sedang  selain  frekuensi tersebut akan diredam. Jadi dalam hal ini frekuensi pembawa f1= 809.3 MHz yang diterima.
Tabel 1. Hasil mixer f1 (RF) (MHz) f2 (LO) (MHz) Keluaran IF (MHz) Daya IF (dBm) Daya RF (dBm) Conversion loss (dB) 794.3 880 85.76 -45.2 -7 -38.2 799.3 880 80.72 -42.2 -7 -35.2 804.3 880 75.72 -36.2 -7 -29.2 809.3 880 70.75 -26.3 -7 -19.3 814.3 880 65.75 -28.3 -7 -21.3 819.3 880 60.75 -34.3 -7 -27.3 824.3 880 55.75 -37.5 -7 -30.5 829.3 880 50.75 -40 -7 -33 834.3 880 45.75 -40.7 -7 -33.7 839.3 880 40.75 -41.8 -7 -34.8 844.3 880 36.2 -41.8
-7 -34.8 Gambar 16. Grafik conversion loss -50 -40 -30 -20 -10 0 85.76 80.72 75.72 70.75 65.75 60.75 55.75 50.75 45.75 40.75 36.2 Con ve rsi o n Lo ss (d B ) Frekuensi IF (MHz) Conversion Loss
4.3. Preamplifier
Untuk  masukan  yang  terlalu  kecil  tampak  penguatan preamplifier belum  stabil  dan untuk masukan minimal -25 dB penguatan daya preamplifier adalah 15 dB atau 31,6 kali
Tabel 2. Hasil preamplifier Masukan atur (dBm) <-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Masukan Terbaca (dBm) -45 -45 -40 -40 -30 -30 -20 -20 Keluaran Terbaca (dBm) -45 -35 -25 -25 -15 -15 -5 -5 Gain (dB) 0 10 15 15 15 15 15 15
Gambar 17. Grafik hasil preamplifer

## 4.4. Attenuator
Dengan memberikan masukan dan mengukur hasil keluaran pada attenuator 10dB, 5dB dan 3 dB memberikan hasil pelemahan masing-masing sebesar  11,2 dB, 6dB dan 4,1dB. Jadi  hasil  pada  percobaan  ini  ada  perbedaan  pelemahan  sekitar  1  dB.  Hal  ini  dapat disebabkan penggunaan konektor, jumper atau kabel yang mempunyai pelemahan 1 dB.
Masukan : -18.8 dBm
Gambar 18. Masukan attenuator = -18,8 dBm
Gambar 19. Keluaran attenuator 10dBm = - 30dB Hasil A =  -30dB - (-18,8dB) = - 11,2 dB -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 D ay a K el u ar an (d B m ) Daya Masukan (dBm) Daya keluaran
Gambar 20. Keluaran attenuator 5dBm = -24,8dB
Gambar 21. Keluaran attenuator 3dBm = -22,9dB
Hasil A = -24,8dB - (-18,8dB) =  - 6 dB Hasil A = -22,9dB - (-18,8dB) = - 4,1 dB

## 4.1.5.  Penguat Daya
Untuk  masukan  yang  relatip  kecil  maupun  besar  penguatan  dari  penguat  daya  ini cukup satabil. Dari Tabel 3 dapat dilihat penguatan dari penguat daya ini sekitar 31 dB atau sebesar 1259 kali.
Tabel 3. Hasil penguat daya Masukan atur (dBm) -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Masukan terbaca (dBm) -50 -50 -40 -40 -30 -30 -20 -20 Keluaran terbaca (dBm) -18 -18 -8 -8 1 1 10 10 Gain (dB) 32 32 32 32
31
31 30 30
Gambar 22. Grafik hasil penguat daya

## 4.6.   Transmitter
Pada  modul transmitter ini,  kita  memberikan  masukan  berupa  sinyal  sinus  dengan frekuensi 1 KHz dan amplitudo yang diubah. Dari Gambar 23 dan Gambar 24 terlihat hasil keluaran mirip dengan hasil modulasi, tapi pada modul transmitter ini lebih besar karena sudah  melewati  proses  penguatan  pada preamplifier dan  penguat  daya . Pada  modul  ini juga, kita akan melihat sinyal keluaran pada receiver setelah sinyal dikirim lewat transmitter . Dari  Gambar  25  bisa  kita  lihat,  sinyal  keluaran receiver yang  diamati  lewat osiloscope memberikan hasil berupa gelombang sinus.
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 -30 -25 -20 -15
-10 -5 0 D ay a K e lu ar an ( d B m ) Daya Masukan (dBm) Hasil Penguat Daya
Gambar 23. Keluaran 500mV p Gambar 24. Keluaran 1000mV p
Gambar 25. Keluaran dari reciever

## 5. Kesimpulan
1.  Modulasi  frekuensi  mengubah  frekuensi  sinyal  pembawa  ( carrier )  mengikuti amplitudo pada sinyal masukan dimana kenaikan amplitudo sinyal masukan akan menyebabkan pelebaran  spektrum frekuensi sinyal keluaran.
2.  Pada  percobaan preamplifier mendapatkan  hasil  penguatan  sebesar  ±15  dB,  atau 31,6  kali.  Masukan  pada preamplifier tidak  boleh  terlalu  kecil  karena  akan memperoleh  penguatan  yang  belum  stabil.  Pada  percobaan  penguat  daya mendapatkan  hasil  penguatan  sebesar  ±31  dB  atau  1259  kali.  Penguatan  pada penguat  daya  untuk  masukan  relatip  kecil  maupun  besar  adalah  cukup  stabil. Rangkaian preamplifier dan  penguat  daya  berfungsi  dengan  baik  dan  penguatan daya untuk penguat daya adalah jauh lebih besar dari pada preamplifier.
3.  Rangkaian attenuator 10 dB mengalami atenuasi sebesar  11,2 dB, attenuator 5 dB mengalami atenuasi sebesar  6 dB, attenuator 3 dB mengalami atenuasi sebesar  4,1 dB.  Berdasarkan  hasil-hasil  percobaan,  sinyal  keluaran  mengalami  tambahan atenuasi sekitar 1 dB yang bisa disebabkan pelemahan konektor, jumper atau kabel yang dipergunakan.
4.  Sinyal  keluaran mixer dihasilkan  dari  penjumlahan  dan  pengurangan  antara frekuensi LO dan frekuensi RF , tapi karena dalam rangkaian menggunakan filter lewat bawah, maka frekuensi rendah yang dilewatkan. Pada percobaan mixer ini frekuensi  pada  keluaran  sudah  tepat,  maka mixer sebagai  selisih  dua  frekuensi masukan sudah berfungsi dengan baik.
5.  Bentuk sinyal yang diterima receiver sesuai dengan sinyal informasi yang dikirim tranceiver. Jadi sistem komunikasi ini sudah bekerja dengan baik.

## Daftar Pustaka
[1]  GWINSTEK, “RF Circuit Training System GRF-3300”, Good Will Instrument Co., Ltd.

## Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 2 Oktober 2018 Hal 81 - 92
[2]  Krauss, L.H, Bostian,C.W, Raab,F.H, “Teknik Radio Benda Padat”, UI-Press, Jakarta, 1990.
[3]  Shrader, Robert L,  “Electronic Communication”, McGraw-Hill Kogakusha, LTD, edisi ke – 4.