Abstrak — Saat ini banyak penelitian untuk membangun sebuah jaringan sensor nirkabel bawah air yang menggunakan sinyal akustik yang bersifat realtime serta kapabilitas untuk self-configuration dan membawa keuntungan  yang  signifikan  untuk  aplikasi  seperti eksplorasi  komersial,  perlindungan  wilayah  dan  deteksi ancaman militer.  Perbedaan  karakteristik  dari komunikasi  bawah  air  menuai  banyak  paradigma  yang sebaiknya  ditinjau  kembali.  Diantaranya  adalah bandwidth yang tersedia terbatas, delay propagasi pada bawah  air  amplitudonya  lima  kali  lebih  besar dibandingkan  kanal  HF.  Serta  Bit  Error  Rate  (BER) yang tinggi dan kehilangan koneksi yang sementara bisa dialami  karena  karakteristik  dari  kanal  bawah  air tersebut.  Analisis  kinerja  modem  OFDM  dilakukan pada  penelitian  ini.  Dengan  berhasilnya  sistem  pada kanal  ideal,  selanjutnya  disimulasikan  pada  kanal AWGN  serta  kanal  Rayleigh  dimana  kanal  ini  dapat merepresentasikan kanal bawah air. Kinerja sistem yang dibuat  belum  memiliki  kinerja  yang  baik  dimana  BER mencapai  0,5115  pada  kanal  bawah  air  yang direpresentasikan melalui speaker dan microphone. Hal ini  disebabkan  belum  adanya  sinkronisasi  phasa  dan carrier serta estimasi kanal .
Kata kunci — OFDM, Sistem Komunikasi Bawah Air

## I. PENDAHULUAN
nalisa  sistem  OFDM  pada  kanal  bawah  air  akan dibahas  pada  tugas  akhir  ini.  Sebelumnya  terdapat beberapa  penelitian  tentang  sistem  komunikasi  bawah  air menggunakan  teknik  modulasi  yang  lain,  namun  penelitian tersebut  belum  cukup  memenuhi  kriteria  yang  baik  untuk mengatasi kanal bawah air yang kompleks. Selain itu sudah banyak  penelitian  modem  OFDM  bawah  air  menggunakan TMS320C6416  [1].  Oleh  karena  itu,  pada  tugas  akhir  ini dibuat  implementasi modem  OFDM  pada  DSK TMS320C6416.  Pada  jurnal  ini  akan  dijelaskan  teori penunjang  yang  akan  mendukung  konsep  dari  pembuatan sistem,  lalu  perancangan  sistem  menggunakan  Simulink MATLAB serta hasil pengujian dan analisa sistem tersebut, dan yang terakhir membahas kesimpulan dari penelitian ini. Diharapkan  penelitian  ini  bisa  membantu  penelitian komunikasi bawah air selanjutnya.

## II. TEORI PENUNJANG

## A. Sistem Komunikasi Bawah Air
Ada  beberapa  hal  yang  mempengaruhi  sistem komunikasi  bawah  air  ini,  diantaranya  adalah  air  laut  itu
sendiri.  Air laut merupakan cairan biner yang mengandung kandungan  garam  yang  bervariasi.  Keberadaan  garam tersebut  mempengaruhi  jumlah  dari  parameter  yang  ingin diukur, yaitu tekanan, kecepatan suara, index refraktif, titik beku, dan density maksimum dari temperatur.
Adapun beberapa karakteristik dari kanal bawah air yang  selama  10  tahun  ini  telah  diteliti  untuk  mendukung modulasi  tertentu.  Karakteristik  kanal  bawah  air  yang menantang  membat  pembangunan  modem  bawah  air berdasarkan  non  koheren frequency  shift  keying (FSK). Selama  ini  dibutuhkan  modulasi  yang  bisa  menekan  efek multipath  dengan  menyisipkan  waktu  guard  diantara  pulse untuk  memastikan  gema  yang  disebabkan  oleh  kerasnya permukaan  dan  dasar  laut,  hilang  sebelum  pulsa  diterima. Guard frekuensi dinamik bisa digunakan diantara  frekuensi untuk adaptasi komunikasi untuk Doppler spread kanal. Sebagai contoh non koheren FSK bergantung pada deteksi energy dan tidak membutuhkan phase tracking , yang sangat  sulit  karena  Doppler  spread  pada  kanal  bawah  air. Walaupun  modulasi  non  koheren  karakteristiknya  adalah efisiensi daya  yang tinggi, efisiensi bandwidth yang rendah membuat  hal  tersebut  tidak  cocok  untuk  jaringan  banyak user  dengan  kecepatan  data  yang  tinggi.  Maka  dari  itu, teknik  modulasi  koheren  dibuat  untuk  jarak  yang  jauh, sistem high-throughput.
Adapun solusi yang selama ini sedang diteliti untuk komunikasi  bawah  air  yaitu  teknik spread-spectrum Orthogonal  Frequency  Division  Multiplexing  (OFDM), yang  mana  setidaknya  efisien  ketika  noise  tersebar  luas  ke banyak bandwidth yang tersedia. Sistem OFDM ini dengan kuat  menunjukkan  pencapaian  efisiensi  spectra  yang  tinggi serta lingkungan yang terkena multipath.
B. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)
Modulasi  QPSK  merupakan  salah  satu  jenis modulasi  M  -  quadrature  Amplitude  Modulation  (QAM) dengan  M=4.  Pada  gambar  1  bisa  dilihat  konstelasi  dari QPSK.

## ANALISIS MODEM AKUSTIK OFDM MENGGUNAKAN TMS320C6416 PADA LINGKUNGAN KANAL BAWAH AIR
Johanna Aprilia, Wirawan, dan Titiek Suryani Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail : wirawan@ee.its.ac.id, johanna11@mhs.ee.its.ac.id, titiks@ee.its.ac.id
A
Modulasi Quadrature  Phase  Shift  Keying (QPSK) memiliki  empat  simbol  yang  mempunyai  amplitude  sama dengan  fase  yang  berlainan.  Keempat  simbol  tersebut dibentuk dari grup dua  bit input,  sehingga  diperoleh empat kondisi  yang  mungkin,  yaitu  00,  01,  10  dan  11.  Setiap  bit menghasilkan satu dari empat fase yang mungkin, sehingga rate keluarannya adalah setengah dari rate input.

## C. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
OFDM  merupakan  teknik  transmisi  data  kecepatan tinggi  menggunakan  beberapa  sub  carrier,  sehingga kecepatan  data  yang  ditransmisikan  menjadi  lebih  rendah. Pada  teknik  tramsmisi  OFDM  setiap  sub  carrier  tidak dialokasikan  berdasarkan  bandwidth  yang  ada,  melainkan sub  carrier  tersebut  disusun  saling  overlapping  dan orthogonal. Sifat orthogonal diantara sub carrier inilah yang menyebabkan  munculnya  istilah  Orthogonal  Frequency Division  Multiplexing.  Dengan  menggunakan  teknik overlapping  ini  dapat  menghemat  bandwidth  kanal  sampai dengan  50%.  Spektrum  sinyal  OFDM  bisa  dilihat  pada gambar 2

## Gambar 2. Spektrum Frekuensi OFDM
Prinsip utama dari OFDM adalah pembagian kecepatan tinggi  aliran  data  ke  dalam  sejumlah  aliran  data  kecepatan rendah  kemudian  dikirimkan  secara  simultan  melalui  suatu subcarrier.  Deretan  data  informasi  yang  akan  dikirim dikonversikan  kedalam  bentuk  parallel,  sehingga  jika  bit rate  semula  adalah  R,  maka  bit  rate  pada  tiap-tiap  jalur parallel  adalah  R/N  dimana  N  adalah  jumlah  jalur  parallel (sama  dengan  jumlah sub  carrier ).  Setelah  itu  modulasi dilakukan pada tiap-tiap sub carrier .
D. Fast Fourier Transform (FFT) dan Inverse Fast Fourier Transform (IFFT)
Fast Fourier Transform (FFT) adalah algoritma efisien yang biasa digunakan untuk mengubah sinyal domain waktu menjadi  sinyal  domain  frekuensi,  berdasarkan Discrete Fourier  Transform (DFT).  DFT  mengkonversi sequence dalam  domain  waktu  menjadi sequence domain  frekuensi. FFT  meruapakan  algortima  yang  sangat  efisien  berdasar pada DFT, tapi dengan komputasi yang lebih sedikit.
FFT  merupakan  satu  dari  banyak  yang  biasa dipakai  untuk  proses  sinyal  digital  untuk  analisis  spektrum frekuensi.  Dua  prosedur  yang  berbeda  untuk  menghitung FFT : decimation-in-frequency dan decimation-in-time . FFT mengurangi  perkiraan  perhitungan  yang  dibutuhkan  untuk DFT. DFT sinyal discrete-time adalah :
(2)
mengubah sequence domain frekuensi ke
sequence pada domain waktu. Hal tersebut
didefinisikan sebagai :
(3)
Dengan  membandingkan  persamaan  (2)  dan  (3),  bisa dilihat  bahwa  algoritma  FFT  bisa  digunakan  untuk menemukan  Inverse  FFT  dengan  mengubah  dua  cara  : menambahkan  faktor  skala  untuk  1/N  dan  mengganti dengan konjugasi kompleks .

## E. Cyclic Prefix
Cyclic prefix merupakan salinan bagian akhir dari suatu symbol  OFDM  dan  menempatkannya  pada  bagian  depan blok symbol tersebut. Tujuan dari adanya cyclic prefix yaitu untuk mengurangi kemungkinan terjadinya ISI bukan berarti menghilangkan.  Panjang  dari cyclic  prefix harus  lebih panjang  daripada  kanal  respons  impuls  kanal.  Untuk  lebih jelasnya fungsi dari cyclic prefix diperlihatkan pada Gambar 3

## Gambar 3 Fungsi dari Cyclic Prefix
Dari gambar diatas dibuat suatu persamaan tentang panjang keseluruhan dari symbol OFDM yaitu:
Dimana:
Tsub   = Panjang symbol OFDM tanpa cyclic prefix T G = Panjang cyclic prefix Tsym  = Total panjang symbol OFDM

## Gambar 4 Cyclic Prefix pada OFDM

## F. Spektrum Square Root Raised Cosine
Bentuk  sinyal  pulsa  pada  komunikasi  digital  memiliki spektrum  yang  lebar  pada  domain  frekuensi.  Untuk mengatasi  hal  tersebut  pada  kanal  yang  Band-Limited, diperlukan  desain  dari  sinyal  Band-Limited  tanpa Intersymbol  Interference,  dengan  berdasarkan  teorema
(4)
Nyquist.  Bentuk  spektrum  pulsa  khusus,  yang  memiliki properti  spektral  yang  sesuai,  dan  telah  umum  digunakan pada  prakteknya,  adalah  spektrum  raised  cosine  dan  dalam hal  ini  dibutuhkan  root  raised  cosine.  Persamaan raised cosine dalam domain waktu adalah:
(5)
dimana  β  disebut  dengan roll-off  factor ,  dimana pengertiannya  adalah  besarnya  bandwidth  yang  ditempati oleh  sinyal  melebihi  frekuensi  Nyquist  1/2T.  Nilai  β  yang semakin besar akan menghasilkan sidelobe yang makin kecil pada domain waktu seperti yang ditunjukkan pada gambar 5
Gambar  5  (atas)  Bentuk  Pulsa  Square  Root  Raised  Cosine  pada  Domain Waktu, (bawah) Bentuk Pulsa Square Root Raised Cosine pada Frekuensi
Sedangkan  spektrum square  root  raised  cosine memiliki  hubungan  dengan  spektrum  raised  cosine  pada domain frekuensi sebagai berikut:
(6)
Sehingga menghasilkan bentuk pulsa yang dalam fungsi waktu dapat didefinisikan melalui persamaan berikut :
(7)
Sama  seperti  bentuk  pulsa  raised  cosine,  SQRRC  ini juga  dipengaruhi  oleh roll-off  factor untuk  menentukan bentuk sidelobe .

## G. Digital Signal Processor Starter Kit (DSK) TMS320C6416DSK
Digital  Signal  Processor TMS320C6416  merupakan mikroprosesor  berkecepatan  tinggi  dengan  tipe  arsitektur yang  cocok  digunakan  untuk  mengolah  sinyal.Notasi  C6x merupakan  kode  dari  produk  DSP  keluaran  Texas
Instruments TMS320C6000. Dengan menggunakan arsitektur very  long  instruction  word (VLIW),  DSP  C6x menjadi  prosesor  tercepat  keluaran  Texas  Instruments. Arsitektur VLIW pada DSP C6x sangat cocok untuk proses perhitungan yang intensif.

## H. Code Composer Studio
Code  Composer  Studio  (CCS)  merupakan  sebuah Integrated  Development  Environment  (IDE)  untuk  Texas Instruments  (TI)  embedded  processor  yang  merupakan gabungan dari C compiler, assembler, linker, dan debugger. CCS merupakan software easy to-use untuk build dan debug program  pada  DSP  processor,  dan  mampu  melakukan analisis secara real time.

## I. Simulink
Simulink terintegerasi dengan MATLAB dan data dapat ditransfer  dengan  mudah  antar  kedua  program  tersebut. Dengan adanya templates/building blocks menjadi salah satu keuntungan  utama  dari  simulink  sehingga  tidak  perlu menulis kode program untuk proses matematisnya. Blok ini termasuk  blokset  pengolahan  sinyal  digital,  blokset komunikasi dan blokset fixed-point.

## III. PERANCANGAN, SIMULASI DAN IMPLEMENTASI SISTEM
Pada  bab  ini  akan  dijelaskan  sistem  komunikasi OFDM  pada  kanal  bawah  air  yang  masih  duji  di  udara dengan menggunakan MATLAB Simulink yang diimplementasikan  pada  TMS320C6416.  Pembahasan  bab ini  termasuk  desain  sistem  OFDM  pada  Simulink  dengan Subcarrier  bervariasi  :  16,  32,  64,  128,  256  sesuai  dengan referensi  yang  telah  dipelajari  sebelumnya,  serta pembahasan  tentang  metode  pengukuran  yang  juga bervariasi.
Perancangan  sistem  ini  sebelumnya  didasari  pada  [2] yang  telah  dimodifikasi  untuk  mendapatkan  hasil  sistem yang  lebih  baik.  Sistem  yang  dimodifikasi  ini  akan dijelaskan pada subbab ini. Pada gambar 6 merupakan bagan konsep  dari  sistem  OFDM  yang  akan  didesain  [2],  konsep tersebut akan diaplikasikan pada semua subcarrier.
Secara  garis  besar,  sistem  ini  terdiri  dari  pemancar  dan penerima yang saling berhubungan dengan adanya beberapa kesamaan  dalam  komponen  dan  fungsinya.  Pertama  data acak  dibangkitkan  sesuai  dengan  subcarriernya.  Pada subcarrier 16 dan 32 digunakan data acak bernouli sebanyak 20, subcarrier 64, 128, 256 sebanyak 96. Subcarrier 16 dan 32  berbeda  dari  yang  lain  karena  penyusunan  frame  yang lebih kecil daripada yang lain. Untuk desain sistem dengan subcarrier 16, 32, 128, 25 tidak mengikuti standar manapun, sedangkan untuk subcarrier 64 mengikuti standar [3].
Gambar 6 Diagram Blok Sistem OFDM pada Simulink
Gambar 7. Blok Simulasi Sistem OFDM pada Simulink

## Gambar 8. Blok Implementasi Sistem OFDM pada TMS320C6416
Dalam  hal  ini  setelah  modulator  yang  terdapat  pada gambar  7,  data  akan  diubah  menjadi  suara  yang  nantinya dipancarkan  oleh  speaker,  serta  data  ini  akan  disimpan dalam  suatu  audio file .  Lalu  akan  direkam  menggunakan microphone yang  hasilnya  akan  direkam  dalam  suatu file audio  juga.  Implementasi  pada  TMS320C6416  bisa  dilihat pada gambar 8. Perbedaan antara simulasi dan implementasi adalah  pada  saat  implementasi  program  yang  digunakan untuk merekam data merupakan program yang terpisah.

## IV. PENGUJIAN DAN ANALISA SISTEM
Pada bab ini akan dijelaskan tentang analisa sistem pada berbagai kondisi : Simulasi dan Implementasi. Namun, data yang  bisa  dianalisa  hanya  di  pengirim.  Hal  ini  disebabkan karena BER yang terlalu tinggi serta normalisasi yang tidak berjalan  lancar  sehingga  sistem  penerima  tidak  bisa dianalisa.
A. Analisa Sistem OFDM pada Simulasi Kanal
Data Acak Modulasi QPSK Serial to Paralel (Rangkaian OFDM frame) Upsampling Pilot dan Preamble IFFT Penambahan Cyclic Prefix Pararel ke Serial Modulator Demodultaor QPSK Paralel ke Serial Deteksi Data Downsampling FFT Pengambilan Cyclic Prefix Serial ke Paralel Demodulator
Analisa terlebih dahulu menggunakan Simulasi dengan kanal  AWGN  dan  Rayleigh  untuk  melihat  performansi sistem yang dibuat. Parameter yang dilihat pada simulasi ini adalah  nilai  BER  terhadap  Eb/No  dengan  subcarrier  yang berbeda.

## Gambar 9. Kinerja BER terhadap Eb/No pada kanal AWGN di subcarrier yang berbeda
Bisa  dilihat  pada  gambar  4.1  bahwa  hasil  sistem  yang dibuat  mempunyai  nilai  BER  lebih  besar  daripada  teori dimana  teori digambarkan pada  kurva  berwarna  hitam. Hal ini  disebabkan  karena  belum  adanya  teknik  deteksi  data yang lebih baik seperti estimasi kanal dan sinkronisasi phasa dan  carrier  agar  data  yang  diterima  menyerupai  data  yang dikirim.
Kanal  bawah  air  bisa  dimodelkan  dengan  kanal Rayleigh  karena  karakteristik  multipath  yang  hampir sama. Pada  gambar  10  bisa  dilihat  nilai  BER  pada  subcarrier tertentu di kanal Rayleigh.
Gambar 10. Kinerja BER terhadap Eb/No pada kanal Rayleigh di subcarrier yang berbeda
Bisa  dilihat  pada  gambar  4.2  bahwa  BER  pada  kanal Rayleigh lebih besar dibandingkan pada kanal AWGN. Hal ini membuat kinerja sistem yang dibuat belum baik sehingga belum bisa mengatasi fading . Kinerja pada masing – masing subcarrier juga belum baik, hal ini dibuktikan dengan makin banyaknya  subcarrier  maka  tidak  makin  banyak  BER  yang tercatat.
B. Analisa Sistem OFDM pada MATLAB Simulink
Analisa sistem dilakukan dengan melihat spektrum dari sinyal Baseband dan Bandpass ,  serta  melihat  konstelasinya dan BER nya meskipun BER sangat tinggi.
Tabel 1. Nilai BER pada saat Simulasi di jarak tertentu Subcarrier 0,5 cm 4 cm 16 0,511 0,511 32 0,5057 0,5057 64 0,5004 0,5004 128 0,5007 0,5005 256 0,5028 0,5115 C. Analisa Sistem OFDM pada TMS320C6416 Analisa  sistem  dilakukan  dengan  melihat  spektrum dari  sinyal Baseband dan Bandpass pengirim.  Nilai  BER juga dilihat walaupun nilainya sangat tinggi.
Tabel 2. Nilai BER pada saat implementasi di jarak tertentu Subcarrier 0,5 cm 4 cm 16 0,5078 0,5148 32 0,5065 0,5065 64 0,4988 0,5005 128 0,5105 0,5008 256 0,5028 0,5048

## V. KESIMPULAN
Pada bab ini berisi kesimpulan dan saran atas penelitian yang  telah  dilakukan.  Kesimpulan  tentang  proses,  hasil pengujian dan cara pengukuran telah dibuat. Saran pada bab ini  juga  diperlukan  demi  kelancaran  penelitian  sistem komunikasi bawah air selanjutnya.
Dari  hasil  penelitian  ini  dapat  ditarik  beberapa kesimpulan, diantaranya : Pertama, proses penghitungan dan penentuan  frekuensi  pada  Modulator  dan  Demodulator sangat  penting  dalam  perancangan  sistem  hal  ini berpengaruh pada nilai data yang masuk dengan yang keluar tidak  sama  karena  tidak  satu  gelombang.  Kedua,  sistem yang dibuat belum memiliki kinerja yang baik karena belum adanya sinkronisasi antar frame serta estimasi kanal.
Saran  untuk  penelitian  berikutnya  agar  mendapatkan hasil  yang  lebih  baik  adalah  :  Pertama,  Proses  normalisasi harus  dilakukan  lebih  dalam  lagi  untuk  mendapatkan  BER yang  rendah  sehingga  sistem  yang  dibuat  memiliki  kinerja yang  baik.  Kedua,  Menggunakan  perangkat  lunak  terbaru untuk mengidentifikasi karakter dari TMS320C6416 supaya library yang  baru  bisa  teridentifikasi  dan  mempermudah penelitian.
Adanya  standar  yang  lebih  tepat  untuk  komunikasi bawah air agar hasilnya pun lebih tepat.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Yuandhika,  Adhi,  “Implementasi  Modem  Akustik  OFDM pada  TMS320C6416”,  Institut  Teknologi  Sepuluh Nopember, 2011, pp  57-75
[2] Hai ,Yan,  “ DSP based receiver implementation for OFDM acoustic  modems”, Elseveir  Journal  of  Physical Communication, 2011
[3] Cook, Jarrod, “ Ultra-Wideband Research and
Implementation” , Senior Capstone Project, 2007