## SINKRONISASI FRAME PADA MODEM OFDM DALAM RENTANG FREKUENSI AUDIO

## Yulia Fitri
Program Studi Fisika, FMIPA, Universitas Muhammadiyah Riau Jl. KH Ahmad Dahlan No. 88 Sukajadi Pekanbaru e-mail: yulia_fitri18@yahoo.com

## ABSTRAK
Orthogonal  Frequency  Division  Multiplexing  (OFDM)  adalah  sebuah  teknik  transmisi  paralel menggunakan  banyak  frekuensi  yang  saling  tegak  lurus  (orthogonal)  sebagai  carrier-nya.  OFDM  telah dikembangkan  untuk  berbagai  aplikasi  sistem  telekomunikasi  karena transmisi data  berkecepatan  tinggi dan efisiensi dalam pemakaian bandwidth. Namun, OFDM juga memiliki kelemahan terutama kesalahan dalam  menentukan  awal  data  sinyal.  Pada  penelitian  ini,  sinkronisasi  frame  modem  OFDM  didesain untuk  menentukan  awal  data  sinyal  yang  ditransmisikan  dalam  rentang  frekuensi  audio.  Sinkronisasi frame  ini  menggunakan  teknik  cross  correlation  preamble.  Sistem  dimodelkan  dan  disimulasikan menggunakan  software  Matlab  dan  diimplemantasikan  pada  OMAP  L137  TMS320C6747.  Dari  hasil simulasi,  variasi  frekuensi  preamble  tidak  mempengaruhi  performa  sinkronisasi  frame.  Pada implementasi secara real time, sinkronisasi frame modem OFDM menghasilkan suara dan spektrum yang jelas pada frekuensi preamble lebih besar dari 250 Hz.
Kata kunci : OFDM, preamble, sinkronisasi frame

## 1. PENDAHULUAN
OFDM  merupakan  sebuah  teknik  transmisi yang  menggunakan  banyak  frekuensi subcarrier ( multicarrier ) yang saling tegak lurus ( orthogonal ).  OFDM  telah  dikembangkan  untuk berbagai aplikasi karena transmisi data berkecepatan tinggi dan efisiensi dalam pemakaian bandwidth [1].  Pada  teknologi telekomunikasi, OFDM dijadikan sebagai standar Digital  Audio  Broadcast (DAB)  [2]  dan Digital Video Broadcast (DVB) [3,4]. Selain itu, OFDM diaplikasikan  juga  pada Terrestrial  Integrated Services  Digital  Broadcasting (ISDB-T), Digital Subscriber  Line (xDSL),  sistem  WLAN  [5], Flash OFDM, Power Line Communication (PLC) dan  pada  komunikasi  radio  [6,7].  Salah  satu tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  mendesain modem  (modulasi  demodulasi)  OFDM  pada rentang  frekuensi  audio  dengan bandwidth <  3 KHz  [8].  Karena  data  ditransmisikan  pada rentang  frekuensi  audio,  maka  modem  yang didesain bersifat universal yang dapat diaplikasikan pada berbagai perangkat komunikasi.  Selain  itu,  modem  OFDM  ini  dapat mengirimkan  data  file,  teks,  gambar  dan  suara.
Dalam penelitian ini, modem OFDM diaplikasikan  untuk  pengiriman  dan  penerimaan suara.
Di  sisi  lain,  teknik  OFDM  juga  memiliki kelemahan  terutama  sensitivitas  yang  tinggi terhadap kesalahan sinkronisasi antara transmitter dan receiver .  Kesalahan  sinkronisasi diantaranya disebabkan oleh kesalahan menentukan starting  point (awal  data)  sinyal OFDM  untuk  memulai  operasi  FFT,  sehingga simbol  akan overlap dan  menimbulkan Inter Symbol  Interference (ISI).  Untuk  mengatasi kesalahan  sinkronisasi  antara transmitter dan receiver pada  modem  OFDM,  maka  pada receiver harus  ditambahkan  sinkronisasi frame untuk  menentukan start  point sinyal  OFDM. Pada  penelitian  ini  akan  fokus  pada  sinkronisasi frame untuk  menentukan  awal  data  dari  sinyal OFDM,  karena  kesalahan  sinkronisasi frame akan  mempengaruhi  semua  simbol  pada frame yang  akan  masuk  ke  FFT  di receiver. Dalam beberapa  dekade  terakhir,  banyak  metode  yang telah  dikembangkan  untuk  sinkronisasi frame pada  modem  OFDM  [9-14].  Pada  penelitian  ini, sinkronisasi frame didesain dengan
menambahkan preamble sebagai  awal  data  dari sinyal  OFDM. Preamble yang  digunakan  berupa gelombang sinusoidal.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN Sistem Modem OFDM
OFDM  adalah  salah  satu  jenis  dari multicarrier (FDM), memiliki efisiensi spektrum yang  jauh  lebih  baik  karena  antara  satu subcarrier dengan subcarrier lainnya  saling orthogonal .  OFDM  pertama  kali  dikembangkan pada tahun 1960-an. Chang [1] memperkenalkan teknik modulasi multicarrier , kemudian Saltzberg [16] menganalisis performa Chang dan memperoleh kesimpulan bahwa untuk merancang transmisi multicarrier lebih  difokuskan  pada solusi  untuk  mengurangi overlap antara carrier yang  bersebelahan.  Pada  tahun  1971,  Weinstein dan Ebert [17] memberikan kontribusi yang besar pada  OFDM.  Mereka  mengusulkan  metode Dicrete Fourier Transform (DFT) untuk modulasi  dan  demodulasi  sinyal.  Pada  OFDM overlap antara subcarrier-subcarrier diperbolehkan  tanpa  interferensi  satu  sama  lain, karena  masing-masing  sudah  saling orthogonal [18,19]. Persamaan sinyal OFDM secara matematika dapat dituliskan:
Modem OFDM terdiri dari dua blok diagram transmitter dan receiver ,  blok  diagram  secara umum dapat dilihat pada Gambar 1. Deretan data
yang  akan  ditransmisikan  ( data  in )  merupakan deretan  bit-bit  serial  dari Analog  to  Digital Converter (ADC)  yang  dipetakan  ( mapper ) menggunakan  PSK  atau  QAM.  Kemudian  data dikonversikan  ke  dalam  bentuk  data paralel  oleh serial to parallel convertion , sehingga bila bitrate semula adalah R maka bitrate setiap jalur paralel adalah R/N dimana N adalah jumlah subcarrier . N -bit  data  paralel  ini  diaplikasikan  ke  dalam IFFT  untuk  membuat  simbol  OFDM.  IFFT  akan mengubah  sinyal  dari  domain  frekuensi  kedalam sinyal  domain  waktu.  Selanjutnya,  sinyal dikonversi  kembali  ke  dalam  bentuk  serial.  WI ditambahkan  untuk  mengurangi  ukuran sidelobe , karena sidelobe yang  besar  akan  menimbulkan ISI  [20].  Sedangkan  CP  ditambahkan  untuk mempertahankan keortogonalitasan antar- subcarrier [21].  Sebelum  sinyal  ditransmisikan, sinyal  dikonversi  kembali  menjadi  sinyal  analog oleh DAC ( Digital to Analog Converter ).
Pada  bagian receiver dilakukan  proses  yang berkebalikan  dengan  proses  dilakukan  pada transmitter .  Sinyal  analog  dikonversi  kebentuk digital  oleh  ADC  dan  sinyal  data  serial  yang diterima oleh receiver dikonversi terlebih dahulu ke dalam bentuk data paralel. Selanjutnya dengan FFT sinyal dalam domain waktu diubah kembali menjadi  domain  frekuensi.  Sebelum  sinyal  di- demapper ,  sinyal  dikonversi  kembali  ke  bentuk serial. Setelah demapper , sinyal digital dikonversi  kembali  menjadi  sinyal  analog  dan akhirnya kembali menjadi deretan data awal.
Gambar 1. Blok diagram modem OFDM.
Sinkronisasi Frame
Ketika  teknologi  OFDM  diaplikasikan  pada sistem  telekomunikasi,  sinkronisasi  adalah  hal
yang  sangat  penting  dalam  membangun  dan menjaga  komunikasi  antara transmitter dan receiver.  Salah  satunya,  sinkronisasi  frame
dibutuhkan untuk menentukan awal data (starting point)  dari  sinyal  yang  ditransmisikan  oleh transmitter  modem  OFDM.  Blok  receiver  tidak dapat menentukan posisi awal data yang diterima dari  transmitter.  Jika  awal  data  sinyal  OFDM tidak diketahui, maka FFT akan menerima simbol overlap yang akan menimbulkan ISI.
Sinyal  OFDM  dapat  didemodulasi,  bila  FFT di  receiver  hanya  diisi  data  dari  satu  simbol OFDM  saja.  Jika  data  yang  masuk  ke  FFT  dari simbol  overlap  yang  ditunjukkan  Gambar  2, maka  data  OFDM  akan  rusak.  Simbol  OFDM
tidak  akan overlap bila  awal  data  dari  sinyal OFDM  yang  diterima  oleh receiver dapat diketahui. Untuk mengatasi kesalahan sinkronisasi frame ,  maka  ditambahkan N sampel data yang diketahui sebagai awal data dari sinyal yang  ditransmisikan  oleh transmitter OFDM. N sampel  data  yang  diketahui  tersebut  dikenal dengan preamble . Preamble tidak  membawa informasi,  hanya  untuk  sinkronisasi frame di receiver .  Sebelum  sinyal  OFDM  ditransmisikan, preamble ditambahkan  setelah  blok  IFFT  di transmitter sebagai awal data.
Gambar 2. Kenapa Sinkronisasi Frame Dibutuhkan.
Preamble yang  ditambahkan  sebagai  awal data  dari  sinyal  OFDM  dilambangkan  dengan p ( k )  dan  sinyal  OFDM  yang  diterima  oleh receiver dilambangkan  dengan r ( k+n ).  Maka proses cross correlation antara preamble dengan sinyal OFDM yang diterima oleh receiver secara matematika dapat dituliskan sebagai berikut:
Dimana C(n) merupakan hasil cross correlation . Posisi maksimum dari cross correlation terjadi  pada  saat  posisi preamble yang  ditambahkan  di transmitter sejajar  dengan preamble yang  diterima  oleh receiver ,  yaitu  saat p ( k ) = r(k ).
Cross correlation akan menghasilkan puncak,  dimana  dengan  menentukan  posisi puncak maksimum sinyal maka pergeseran sinyal dapat  dihitung.  Setelah  pergeseran  sinyal diketahui,  maka  awal  data  dari  sinyal  dapat ditentukan.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Simulasi
Pengujian  performa  dari  sinkronisasi frame modem OFDM yang telah didesain menggunakan simulasi simulink Matlab.  Pengujian  performa
modem OFDM dengan simulasi dipengaruhi oleh kanal Additive  White  Gaussian  Noise (AWGN), frekuensi offset dan delay . Kesalahan menentukan  awal  data  dari  sinyal  OFDM digunakan untuk menganalisa performa sinkronisasi frame modem OFDM.
Tabel 1 menunjukkan hasil simulasi sinkronisasi frame modem  OFDM  berdasarkan kesalahan  menentukan  awal  data  pada  algoritma sinkronisasi frame terhadap  frekuensi preamble . Frekuensi preamble divariasikan  dari  125  Hz sampai  1000  Hz  dan  jumlah delay yang ditambahkan  pada  simulasi  adalah  17  sampel. Setiap frame sinyal  OFDM  berisi  72  sampel, karena  ditambahkan delay maka  awal  data  dari sinyal berada pada sampel ke 89 dan sampel ke17 bila awal data dideteksi pada frame berikutnya.
Pada  tabel  1  juga  terlihat  bahwa  algoritma sinkronisasi frame yang didesain dapat menentukan awal data dengan benar pada Signal to  Noise  Ratio (SNR)  lebih  besar  dari  15  dB. Variasi  frekuensi preamble tidak  mempengaruhi performa  dari  sinkronisasi frame ,  dimana  semua frekuensi preamble yang  divariasikan  dapat bekerja dengan baik pada SNR yang sama.
Tabel 1. Kesalahan menentukan awal data terhadap variasi frekuensi preamble Frekuensi Preamble (Hz) SNR 0 5 10 15 125 84 92 95 89 250 98 100 73 89 500 93 83 75 89 750 96 129 80 89 1000 94 99 85 89
Untuk menentukan besarnya pergeseran sinyal yang  diakibatkan  oleh delay selama  transmisi antara transmitter dan receiver ,  maka  dihitung puncak  maksimum  dari  hasil cross  correlation preamble .  Hasil cross  correlation pada  berbagai frekuensi preamble menghasilkan puncak maksimum yang  sama,  karena  amplitudo preamble yang dikirimkan sama. Hal inilah yang menyebabkan  variasi  frekuensi preamble tidak mempengaruhi  performa  sinkronisasi frame modem OFDM.
Hasil implementasi Pada implementasi modem OFDM secara real time ,  frekuensi preamble yang  digunakan  untuk sinkronisasi frame divariasikan yaitu 125 Hz, 250 Hz,  500  Hz,  750  Hz  dan  1  KHz.  Frekuensi preamble divariasikan  untuk  melihat  performa algoritma  sinkronisasi frame yang  telah  didesain secara real time . Dengan menvariasikan frekuensi preamble dapat  diketahui  frekuensi minimum yang bisa digunakan untuk menentukan  awal  data  sinyal  OFDM  pada sinkronisasi frame .  Hasil  implementasi  modem OFDM  untuk  frekuensi preamble 125  Hz,  suara dan  spektrum  hasil  implementasi  kurang  jelas. Sedangkan  pada  frekuensi preamble besar  dari 250  Hz,  menghasilkan  suara  dan  spektrum  yang jelas.
Hasil  implementasi  secara real  time ini berbeda  dengan  hasil  simulasi,  dimana  pada simulasi frekuensi preamble tidak mempengaruhi performa  dari sinkronisasi frame modem  OFDM yang  didesain.  Kurang  jelasnya  suara  yang dihasilkan  pada  frekuensi preamble 125  Hz, diperkirakan  karena  pengaruh  frekuensi offset yang lebih besar terhadap frekuensi yang rendah. Pada frekuensi preamble lebih besar dari 250 Hz, frekuensi offset hanya  memberikan  pengaruh
yang  kecil  sehingga  tidak  merusak  performa sinkronisasi frame modem OFDM.

## 4. KESIMPULAN
Sinkronisasi frame pada modem OFDM telah didesain  dan  diimplementasikan  pada  OMAP L137  TMS320C6747.  Di  dalam  penelitian  ini, sistem modem OFDM didesain dan ditransmisikan  pada  rentang  frekuensi  audio dengan bandwidth <  3  KHz.  Sinkronisasi frame didesain  untuk  menentukan  awal  data  sinyal OFDM menggunakan preamble berupa gelombang sinusoidal yang ditambahkan  sebagai awal  data  sinyal  OFDM.  Untuk  menganalisa performa  sinkronisasi frame ,  maka  divariasikan frekuensi preamble dan frekuensi offset .
Dari  hasil  analisa  simulasi  menunjukkan bahwa variasi frekuensi preamble tidak mempengaruhi  performa  sinkronisasi frame .  Hal ini  terlihat  dari  awal  data  sinyal  OFDM  dapat ditentukan
dengan  benar  pada  SNR  yang  sama.  Selain itu,  sinkronisasi frame masih  dapat  bekerja dengan baik pada pengaruh frekuensi offset yang rendah.
Pada implementasi secara real time , sinkronisasi frame modem  OFDM  menghasilkan suara  dan  spektrum  yang  jelas  pada  frekuensi preamble lebih besar dari 250 Hz.
5. DAFTAR PUSTAKA
[1]  Chang,  R.W.,  “Synthesis  of  band-limited orthogonal  signals  formultichannel  data transmission,’’  Bell  Syst.  Tech.  J,  vol.  45, pp. 1775–1796, December 1966.
[2] Plenge G., “DAB - a new radio broadcasting system  -  state of  development  and  ways  for its  introduction,”  Rundfunktech.  Mitt., vol. 35, no. 2, 1991.
[3]  Sari  H.,  Karam G. ,  and  Jeanclaude  I., “Transmission techniques for digital terrestrial
TV broadcasting,”
IEEE
Communications  Magazine , pp.  100-109, February 1995.
[4]  ETSI,  “Digital  video  Broadcasting  (DVB),” 1.1.2 ed., EN 300 744, August 1997.
[5]  IEEE Std. 802.11a., “Part 11: Wireless LAN Media  Access  Control  and  Physical  Layer Specifications.”  IEEE  SA-Standards  Board. June 12, 2003.
[6]  C. Sonntag, “Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Implementation  as  Part  of  a  Software Defined  Radio  (SDR)  Environtment,” University  of  Stellenbosch,  South  Africa,
2005.
[7]  L.  Vercimak  dan  K.  Weyeneth,”  Software Defined Radio,” Bradley University, 2006.
[8]  Mcloughlin  I.,  ”Applied  speech  and  audio processing,”  Cambridge  University  Press, 2009.
[9]   Van de Beek J.-J., Sandell M., Isaksson M., and  Börjesson  P.  O.,  “Low-complex  frame synchronization  in  OFDM  systems,”  in Proceedings of IEEE International Conference on Universal Personal Communication  (ICUPC,  1995),  pp.  982– 986, Tokyo, Japan, November 1995.
[10]Schmidl  T.  M.  and  Cox  D.  C.,  “Robust frequency  and  timing  synchronization  for OFDM,” IEEE Trans. on Commun ., vol. 45, no. 12, pp. 1613-1621, December 1997.
[11]Minn  H.,  Bhargava  V.,  and  Letaief  K.,  “A robust timing and frequency synchronization for  OFDM  systems,” IEEE  Trans.  on Commun ., vol. 2, pp. 822-839, 2003.
[12]Williams  C.,  Beach  M.  A.,  and  McLaughlin S., “Robust OFDM timing synchronisation,” Electron.  Lett.,  vol.  41,  pp.  751-752,  June 2005.
[13] Feng J., Mei S., Da Guo, Jun-de S., ”OFDM frame  synchronization  based  on  energy difference  of  the  received  preamble,”  The
Jounal  of  China  Universities  of  Post  and Telecommunication, Vo. 14, March 2007.
[14] Eyadeh A., “Frame synchronization symbols for an OFDM system,” International Journal of Communication, Vol. 2, 2008.
[15] Texas Instruments/Spectrum Digital,
“TMS320C6747 technical reference,”
511345-0001 Rev. A, November 2008.
[16] Saltzberg,  B.  R.,  ‘‘Performance  of  an efficient parallel data transmission system,’’ IEEE  Trans.  Comm.  Technol.,  vol.  15, December 1967.
[17] Weinstein,  B.,  and  Ebert  P.,  ‘‘Data transmission by frequency division multiplexing  using  the  discrete  Fourier transform,’’  IEEE  Trans.  Comm.  Technol., vol. 19, no. 5, October 1971.
[18] Edfors,  O.,  et  al.,  “An  Introduction  to Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,”  Research  Report  TULEA, Division  of  Signal  Processing,  Luleå University of Technology, 1996.
[19] Van  de  Beek  J.  J.,  et  al.,  ”  Orthogonal frequency  division  multiplexing  (OFDM),” The  Internation  Union  of  Radio  Science (URSI),  Lulea  University  of  technology, 2002
[20] Prasad,  Ramjee.,  OFDM  for  Wireless Communication  Systems,  Artech  House, 2004.
[21] Heiskala  J.,  Terry  J.,  OFDM  Wireless LANS:  A  Theoretical  and  Practical  Guide, SAMS Publication, 2002.