GELOMBANG FM DAN AM

1. Multichannel Frequency Modulation ( FM ) 

Penggunaan signal AM-VSB untuk mengirim beberapa channel analog adalah prinsip lurus kedepan dan sederhana. Bagaimana pun juga hal itu memiliki syarat C/N paling tidak 40 dB untuk setiap channel AM dimana antara laser dan penerimanya harus garis lurus. Cara lain adalah denga menggunakan modulaasi frekuensi ( FM ) dimana setiap subcarrier dimodulasi oleh frekuensi dengan signal informasi, namun hal ini membutuhkan bandwide lebih besar sekitar 7 – 8 kali dari AM. Rasio S/N dari output detector FM jauh lebih besar dari rasio C/N pada input dari detector.

      Rasio dari s/n tergantung pada desain sistem tetapi umumnya berada pada 36-44 db

Di antara keuntungan FM adalah bebas dari pengaruh gangguan udara, bandwidth (lebar pita) yang lebih besar, dan fidelitas yang tinggi. Jika dibandingkan dengan sistem AM, maka FM memiliki beberapa keunggulan, diantaranya :

Lebih tahan noise

Frekuensi yang dialokasikan untuk siaran FM berada diantara 88 – 108 MHz, dimana pada wilayah frekuensi ini secara relatif bebas dari gangguan baik atmosfir maupun interferensi yang tidak diharapkan. Jangkauan dari sistem modulasi ini tidak sejauh, jika dibandingkan pada sistem modulasi AM dimana panjang gelombangnya lebih panjang. Sehingga noise yang diakibatkan oleh penurunan daya hampir tidak berpengaruh karena dipancarkan secara LOS (Line Of Sight).

Bandwith yang Lebih Lebar

Saluran siar FM standar menduduki lebih dari sepuluh kali lebar bandwidth (lebar pita) saluran siar AM. Hal ini disebabkan oleh struktur sideband nonlinear yang lebih kompleks dengan adanya efek-efek (deviasi) sehingga memerlukan bandwidth yang lebih lebar dibanding distribusi linear yang sederhana dari sideband-sideband dalam sistem AM. Band siar FM terletak pada bagian VHF (Very High Frequency) dari spektrum frekuensi di mana tersedia bandwidth yang lebih lebar daripada gelombang dengan panjang medium (MW) pada band siar AM.

Fidelitas Tinggi

Respon yang seragam terhadap frekuensi audio (paling tidak pada interval 50 Hz sampai 15 KHz), distorsi (harmonik dan intermodulasi) dengan amplitudo sangat rendah, tingkat noise yang sangat rendah, dan respon transien yang bagus sangat diperlukan untuk kinerja Hi-Fi yang baik. Pemakaian saluran FM memberikan respon yang cukup untuk frekuensi audio dan menyediakan hubungan radio dengan noise rendah. Karakteristik yang lain hanyalah ditentukan oleh masalah rancangan perangkatnya saja.

Transmisi Stereo

Alokasi saluran yang lebar dan kemampuan FM untuk menyatukan dengan harmonis beberapa saluran audio pada satu gelombang pembawa, memungkinkan pengembangan sistem penyiaran stereo yang praktis. Ini merupakan sebuah cara bagi industri penyiaran untuk memberikan kualitas reproduksi sebaik atau bahkan lebih baik daripada yang tersedia pada rekaman atau pita stereo. Munculnya compact disc dan perangkat audio digital lainnya akan terus mendorong kalangan industri peralatan dan teknisi siaran lebih jauh untuk memperbaiki kinerja rantai siaran FM secara keseluruhan.

Hak komunikasi Tambahan

Bandwidth yang lebar pada saluran siar FM juga memungkinkan untuk memuat dua saluran data atau audio tambahan, sering disebut Subsidiary Communication Authorization (SCA), bersama dengan transmisi stereo. Saluran SCA menyediakan sumber penerimaan yang penting bagi kebanyakan stasiun radio dan sekaligus sebagai media penyediaan jasa digital dan audio yang berguna untuk khalayak.

Teori Modulasi Frekuensi (FM)

 Baik FM (Frekuensi Modulation) maupun PM (Phase Modulation) merupakan kasus khusus dari modulasi sudut (angular modulation). Dalam sistem modulasi sudut frekuensi dan fasa dari gelombang pembawa berubah terhadap waktu menurut fungsi dari sinyal yang dimodulasikan (ditumpangkan). Misal persamaan gelombang pembawa dirumuskan sebagai berikut :

U_c = A_c sin (w_c q+ _c)

Dalam modulasi amplitudo (AM) maka nilai ‘A_c‘ akan berubah-ubah menurut fungsi dari sinyal yang ditumpangkan. Sedangkan dalam modulasi sudut yang diubah-ubah adalah salah satu dari komponen ‘w_c q+ _c‘. Jika yang diubah-ubah adalah komponen ‘w_cq‘ maka disebut Frekuensi Modulation (FM), dan jika komponen ‘_c‘ yang diubah-ubah maka disebut Phase Modulation (PM).

Jadi dalam sistem FM, sinyal modulasi (yang ditumpangkan) akan menyebabkan frekuensi dari gelombang pembawa berubah-ubah sesuai perubahan frekuensi dari sinyal modulasi. Sedangkan pada PM perubahan dari sinyal modulasi akan merubah fasa dari gelombang pembawa. Hubungan antara perubahan frekuensi dari gelombang pembawa, perubahan fasa dari gelombang pembawa, dan frekuensi sinyal modulasi dinyatakan sebagai indeks modulasi (m) dimana :

m = Perubahan frekuensi (peak to peak Hz) / frekuensi modulasi (Hz)

Dalam siaran FM, gelombang pembawa harus memiliki perubahan frekuensi yang sesuai dengan amplituda dari sinyal modulasi, tetapi bebas frekuensi sinyal modulasi yang diatur oleh frekuensi modulator.

Pemancar FM

Tujuan dari pemancar FM adalah untuk merubah satu atau lebih sinyal input yang berupa frekuensi audio (AF) menjadi gelombang termodulasi dalam sinyal RF (Radio Frekuensi) yang dimaksudkan sebagai output daya yang kemudian diumpankan ke sistem antena untuk dipancarkan. Dalam bentuk sederhana dapat dipisahkan atas modulator FM dan sebuah power amplifier RF dalam satu unit. Sebenarnya pemancar FM terdiri atas rangkaian blok subsistem yang memiliki fungsi tersendiri, yaitu:

1.     FM exciter merubah sinyal audio menjadi frekuensi RF yang sudah termodulasi

2.     Intermediate Power Amplifier (IPA) dibutuhkan pada beberapa pemancar untuk meningkatkan tingkat daya RF agar mampu menghandle final stage

3.     Power Amplifier di tingkat akhir menaikkan power dari sinyal sesuai yang dibutuhkan oleh sistem antena

4.     Catu daya (power supply) merubah input power dari sumber AC menjadi tegangan dan arus DC atau AC yang dibutuhkan oleh tiap subsistem

5.     Transmitter Control System memonitor, melindungi dan memberikan perintah bagi tiap subsistem sehingga mereka dapat bekerja sama dan memberikan hasil yang diinginkan

6.     RF lowpass filter membatasi frekuensi yang tidak diingikan dari output pemancar

7.     Directional coupler yang mengindikasikan bahwa daya sedang dikirimkan atau diterima dari sistem antenna

FM Exciter

Jantung dari pemancar siaran FM terletak pada exciter-nya. Fungsi dari exciter adalah untuk membangkitkan dan memodulasikan gelombang pembawa dengan satu atau lebih input (mono, stereo, SCA) sesuai dengan standar FCC. Gelombang pembawa yang telah dimodulasi kemudian diperkuat oleh wideband amplifier ke level yang dibutuhkan oleh tingkat berikutnya.

Direct FM merupakan teknik modulasi dimana frekuensi dari oscilator dapat diubah sesuai dengan tegangan yang digunakan. Seperti halnya oscilator, disebut voltage tuned oscilator (VTO) dimungkinkan oleh perkembangan dioda tuning varaktor yang dapat merubah kapasitansi menurut perubahan tegangan bias reverse (disebut juga voltage controlled oscillator atau VCO).

 Kestabilan frekuensi dari oscillitor direct FM tidak cukup bagus, untuk itu dibutuhkan automotic frekuensi control system (AFC) yang menggunakan sebuah kristal oscillator stabil sebagai frekuensi referensi. Komponen AFC berperan sebagai pengatur frekuensi yang dibangkitkan oscillator lokal untuk dicatukan ke mixer, sehingga frekuensi oscillator menjadi stabil.

 2. Multychannel Amplitude Modulation ( AM )

Yang pertama kali menyebar luaskan Aplikasi untuk hubungan antara fiber optik secara analog yang mana di mulai pada akhir tahun 1980 adalah CATV Network. Network jenis ini beroprasi pada frekuensi antara 50 sampai 88 Mhz dan dari 120 samapi 550 Mhz. Frekuensi anatara 88 samapi 120 Mhz tidak digunaka karena digunaaka untuk penyiaran radio FM. Network ini dapat membawa lebih dari 80 AM vestigal-side band (AM-VSB) video chanel, masing-masing mempunyai noise selebar 4 Mhz dari lebar chanel yang 6 Mhz, dengan S/N ratio sebesar 40db. Untuk mempertahankan kesamaan dengan coax base network yang sebelumnya, format dari multichanel AM-VSB juga dipilih untuk sistem fiber optik. Gambar 9.7 memperlihatkan teknik untuk menggabungkan N pesan yang berdiri sendiri. Sinyal informasi pada chanel I gelombang pembawa AM mempunyai frekuensi Fi , dimana I= 1,2,…,N. Power RF menggabungkan kemudian menjumlah AM sejumlah N, yang menghasilkan sinyal FDN, yang mana intensitas modulasinya seperti Laser Dioda. Seperti halnya penerima optik, susunan paralel dari filter bandpass memisahkan sinyal dari gelombang cariernya, sehingga didapat sinyal aslinya, dengan teknik standar RF.

Untuk sejumlah besar carier FDM dengan fasa acak, sinyal carier menumpangi power basis. Kemudian untuk N channel, modulasi optikal dengan index m berhubungan dengan modulasi index m_i per channel dengan:

Jika setiap modulasi channel index m_i nilainya sama dengan nilai m_c, maka dirumuskan :

Hasilnya jika N sinyal adalah frekuensi yang telah di multiplex dan digunakan untuk memodulasi sumber optik tunggal maka rasio ke noise dari sinyal tunggal berkurang dengan 10 log N. Andaikata beberapa channel digabungkan maka sinyal akan memperkuat tegangan, maka karakteristik penurunan menjadi 10 log N.

Jika beberapa frekuensi carrier melewati peralatan non linier seperti laser dioda dapat membangkitkan sinyal yang berbeda dari frekuensi asalnya yang disebut juga sebagai frekuensi intermodulation, dan dapat menyebabkan interferensi pada kedua band dari channel. Hasilnya adalah penurunan jumlah sinyal yang dapat ditransmisikan.

Jika frekuensi kerja dari channel kurang dari 1 oktaf seluruh distorsi harmonis bahkan distorsi intermodulasi (IM) akan keluar dari passband. Jika signal passband mengandung banyak signal carrier. Beberapa IM akan muncul pada frekuensi pada sama. Hal ini disebut juga staking yang merupakan tambahan dari basis power. Dimana ada dua nada orde ketiga tersebar pada daerah operasi passband. Tripel beat product dibuat untuk dikonsentrasikan pada tengah – tengah channel, jadi pembawa pusat menerima inteferensi yang paling besar. Tabel 9.1 dan 9.2 menunjukkan distribusi dari third order tripel beat and two tone IM product untuk nomer channel N dari 1 – 8.

Hasil dari beat stcaking adalah secara umum pada CSO ( Composite Second Order ) dan CTB ( Composite Tripel Beat ) dan digunakan untuk menggunakan kemampuan dari multichannel hubungan AM

 Kenapa Gelombang FM Lebih Jernih Dibanding AM?

Gelombang AM sudah lama ditinggal. Nyaris semua radio bermain di jalur FM. Kenapa sih FM lebih jernih?

Hingga tahun delapan puluhan, stasiun radio broadcast (siaran) banyak menggunakan modulasi AM (Amplitude Modulation). Pada saat itu, umumnya enggak ada siaran radio yang mampu menampilkan suara bening, apalagi stereo. Belum lagi kalau cuaca sedang enggak mendukung. Wah, pokoknya kita enggak bisa menikmati indahnya suara musik senyaman saat ini.

Setelah periode itu, mulai bermunculan stasiun radio siaran pengusung modulasi FM (Frequency Modulation). Jenis modulasi ini mampu memanjakan pendengar siaran karena menghasilkan suara yang lebih bening. Selain itu, ia dapat diterima dengan pola mono atau stereo. Maksudnya, jika radio penerima kita hanya bisa menerima siaran mode mono, maka ia menampilkan suara mono. Sedang radio penerima tipe stereo punya pilihan untuk menampilkan suara mono atau stereo beneran (real stereo) sesuai dengan yang dipancarkan oleh stasiun radio siaran.

Analogi modulasi

Dalam istilah teknik, kata modulasi mempunyai definisi yang cukup panjang. Tapi, hal itu dapat dijelaskan dengan analogi sederhana berikut: kalau kita ingin pergi ke tempat lain yang jauh (yang tidak bisa di lakukan dengan jalan kaki atau berenang), kita harus menumpang sesuatu.

Sinyal informasi (suara, gambar, data) juga begitu. Agar dapat dikirim ke tempat lain, sinyal informasi harus ditumpangkan pada sinyal lain. Dalam konteks radio siaran, sinyal yang menumpang adalah sinyal suara, sedangkan yang ditumpangi adalah sinyal radio yang disebut sinyal pembawa (carrier).

Jenis dan cara penumpangan sangat beragam. Dari tinjauan “penumpang”, cara menumpangkan manusia pasti berbeda dengan paket barang atau surat. Hal serupa berlaku untuk penumpangan sinyal analog yang berbeda dengan sinyal digital. Penumpangan sinyal suara juga akan berbeda dengan penumpangan sinyal gambar, sinyal film, atau sinyal lain.

Dari sisi pembawa, cara menumpang di pesawat terbang akan berbeda dengan menumpang di mobil, bus, truk, kapal laut, perahu, atau kuda. Hal yang sama juga terjadi pada modulasi. Di mana cara menumpang ke amplitudo gelombang carrier akan berbeda dengan cara menumpang di frekuensi gelombang carrier.

Gelombang/sinyal “carrier”

Gelombang/sinyal carrier adalah gelombang radio yang mempunyai frekuensi jauh lebih tinggi dari frekuensi sinyal informasi. Berbeda dengan sinyal suara yang mempunyai frekuensi beragam/variabel dengan range 20 Hz hingga 20 kHz, sinyal carrier ditentukan pada satu frekuensi saja. Frekuensi sinyal carrier ditetapkan dalam suatu alokasi frekuensi yang ditentukan oleh badan yang berwewenang.

Di Indonesia, alokasi frekuensi sinyal carrier untuk siaran FM ditetapkan pada frekuensi 87,5 MHz hingga 108 MHz. Alokasi itu terbagi untuk 204 kanal dengan penganalan kelipatan 100 kHz. Kanal pertama berada pada frekuensi 87,6 MHz, sedangkan kanal ke 204 berada pada frekuensi 107,9 MHz. Penetapan tersebut dan aturan lainnya tertuang dalam Keputusan Menteri Perhubungan Nomor KM 15 Tahun 2003.

Frekuensi carrier inilah yang disebutkan oleh stasiun radio untuk menunjukkan keberadaannya. Misalnya, Radio XYZ 100,2 FM atau Radio ABC 98,2 FM. 100,2 Mhz dan 98,2 MHz adalah frekuensi carrier yang dialokasikan untuk stasiun bersangkutan.

Karena berupa gelombang sinusoida, sinyal carrier mempunyai beberapa parameter yang dapat berubah. Perubahan itu dapat terjadi pada amplitudo, frekuensi, atau parameter lain. Contoh perubahan amplitudo dan perubahan frekuensi dari suatu sinyal asal ditunjukkan dalam gambar. Kemampuan untuk diubah inilah yang menjadi ide dari teknik-teknik modulasi.

Modulasi AM

Dari banyak teknik modulasi, AM dan FM adalah modulasi yang banyak diterapkan pada radio siaran. Keduanya dipakai karena tekniknya relatif lebih mudah dibandingkan dengan teknik-teknik lain. Dengan begitu, rangkaian pemancar dan penerima radionya lebih sederhana dan mudah dibuat.

Di pemancar radio dengan teknik AM, amplitudo gelombang carrier akan diubah seiring dengan perubahan sinyal informasi (suara) yang dimasukkan. Frekuensi gelombang carrier-nya relatif tetap. Kemudian, sinyal dilewatkan ke RF (Radio Frequency) Amplifier untuk dikuatkan agar bisa dikirim ke jarak yang jauh. Setelah itu, dipancarkan melalui antena.

Tentu saja dalam perjalanannya mencapai penerima, gelombang akan mengalami redaman (fading) oleh udara, mendapat interferensi dari frekuensi-frekuensi lain, noise, atau bentuk-bentuk gangguan lainnya. Gangguan-gangguan itu umumnya berupa variasi amplitudo sehingga mau tidak mau akan memengaruhi amplitudo gelombang yang terkirim.

Akibatnya, informasi yang terkirim pun akan berubah dan ujung-ujungnya mutu informasi yang diterima jelas berkurang. Efek yang kita rasakan sangat nyata. Suara merdu Andien yang mendayu akan terdengar serak, aransemen Dewa yang bagus itu jadi terdengar enggak karuan, dan suara Iwan Fals benar-benar jadi fals.

Cara mengurangi kerugian yang diakibatkan oleh redaman, noise, dan interferensi cukup sulit. Pengurangan amplitudo gangguan (yang mempunyai amplitudo lebih kecil), akan berdampak pada pengurangan sinyal asli. Sementara, peningkatan amplitudo sinyal asli juga menyebabkan peningkatan amplitudo gangguan. Dilema itu bisa saja diatasi dengan menggunakan teknik lain yang lebih rumit. Tapi, rangkaian penerima akan menjadi mahal, sementara hasil yang diperoleh belum kualitas Hi Fi dan belum tentu setara dengan harga yang harus dibayar.

Itulah barangkali yang menyebabkan banyak stasiun radio siaran bermodulasi AM pindah ke modulasi FM. Konsekuensinya, mereka juga harus pindah frekuensi carrier karena aturan alokasi frekuensi carrier untuk siaran AM berbeda dengan siaran FM. Frekuensi carrier untuk siaran AM terletak di Medium Frequency (300 kHz – 3 MHz/MF), sedangkan frekuensi carrier siaran FM terletak di Very High Frequency (30 MHz – 300 MHz/VHF).

Modulasi FM

Di pemancar radio dengan teknik modulasi FM, frekuensi gelombang carrier akan berubah seiring perubahan sinyal suara atau informasi lainnya. Amplitudo gelombang carrier relatif tetap. Setelah dilakukan penguatan daya sinyal (agar bisa dikirim jauh), gelombang yang telah tercampur tadi dipancarkan melalui antena.

Seperti halnya gelombang termodulasi AM, gelombang ini pun akan mengalami redaman oleh udara dan mendapat interferensi dari frekuensi-frekuensi lain, noise, atau bentuk-bentuk gangguan lainnya. Tetapi, karena gangguan itu umumnya berbentuk variasi amplitudo, kecil kemungkinan dapat memengaruhi informasi yang menumpang dalam frekuensi gelombang carrier.

Akibatnya, mutu informasi yang diterima tetap baik. Dan, kualitas audio yang diterima juga lebih tinggi daripada kualitas audio yang dimodulasi dengan AM. Jadi, musik yang kita dengar akan serupa dengan kualitas musik yang dikirim oleh stasiun radio sehingga enggak salah kalau stasiun-stasiun radio siaran lama (yang dulunya AM) pindah ke teknik modulasi ini. Sementara stasiun-stasiun radio baru juga langsung memilih FM.

Selain itu, teknik pengiriman suara stereonya juga tidak terlalu rumit. Jadinya, rangkaian penerima FM stereo mudah dibuat, sampai-sampai dapat dibuat seukuran kotak korek api. Produk FM autotuner seukuran kotak korek api ini sudah gampang diperoleh di kaki lima dengan harga yang murah. Kualitasnya cukup memadai untuk peralatan semurah dan sekecil itu. 

Rangkaian “squelch” 

Pada penerima FM (yang juga ada di pesawat televisi), sinyal radio yang hilang akan menyebabkan terdengar suara desis noise yang cukup keras. Karena mengganggu, sebagian besar penerima FM dilengkapi dengan rangkaian squelch yang berfungsi untuk mematikan audio jika tidak terdeteksi adanya sinyal siaran. Pada radio komunikasi VHF dan UHF (yang juga menggunakan FM), rangkaian squelch dapat diatur sedemikian rupa sehingga masih dapat mendengarkan sinyal suara yang volumenya sedikit di atas desis noise.

Pembagian kanal FM di Indonesia

Jumlah kanal yang disiapkan dalam alokasi frekuensi 87,5 MHz hingga 108 MHz memang sebanyak 204 kanal. Tapi, tentu saja hal itu tidak menyebabkan 204 stasiun radio bisa didirikan di kota kita. Sebab jarak antarkanal yang terlalu rapat akan menyebabkan interferensi antarstasiun radio.

Karena itu, aturan dalam Keputusan Menteri Perhubungan No KM 15 Tahun 2003 mensyaratkan jarak minimal antarkanal dalam satu area pelayanan (yang umumnya se-Kota atau se-Kabupaten) adalah 800 kHz. Kecuali pada kota besar semacam Jakarta, Bandung, Surabaya, Semarang, Medan yang sudah telanjur mempunyai stasiun cukup banyak. Jarak minimal untuk kota-kota itu adalah 400 kHz.

Pembagian kanal untuk tiap area layanan tentunya juga disesuaikan dengan faktor-faktor seperti : kepadatan penduduk, perkembangan kawasan, dan lainnya. Sebab, apalah gunanya menyediakan banyak kanal jika pendirian stasiun-stasiun baru di suatu area layanan tidak menjanjikan.