Amplitude Modulation

Dalam ranah komunikasi elektronik, kemampuan untuk mengirimkan informasi (seperti suara, musik, atau data) melalui jarak jauh adalah kunci. Namun, sinyal informasi itu sendiri, yang sering disebut sinyal baseband atau sinyal pesan, umumnya berada pada frekuensi rendah dan memiliki energi yang tidak cukup untuk melakukan perjalanan jauh melalui media transmisi. Di sinilah peran modulasi menjadi sangat krusial. Modulasi adalah proses memvariasikan satu atau lebih parameter dari gelombang pembawa (carrier wave) frekuensi tinggi sesuai dengan sinyal pesan. Salah satu teknik modulasi paling awal dan paling fundamental adalah Amplitudo Modulasi (AM).

Apa Itu Amplitudo Modulasi (AM)?

Amplitudo Modulasi (AM) adalah teknik modulasi sinyal di mana amplitudo seketika dari gelombang pembawa frekuensi tinggi bervariasi sesuai dengan amplitudo dari sinyal pesan (modulasi). Sementara amplitudo gelombang pembawa berubah, frekuensi dan fase gelombang pembawa tetap konstan. Sinyal pesan, yang mengandung informasi yang ingin ditransmisikan, disebut sinyal pemodulasi. Gelombang pembawa adalah gelombang frekuensi tinggi yang berfungsi sebagai “kendaraan” untuk membawa sinyal pesan.

Bayangkan Anda memiliki gelombang sinus murni dengan amplitudo dan frekuensi konstan. Ini adalah gelombang pembawa. Sekarang, bayangkan Anda ingin mengirimkan suara Anda (sinyal pesan). Dalam AM, kenyaringan (amplitudo) suara Anda akan memengaruhi seberapa “tinggi” atau “rendah” amplitudo gelombang pembawa tersebut. Ketika suara Anda keras (amplitudo sinyal pesan tinggi), amplitudo gelombang pembawa akan meningkat. Ketika suara Anda pelan (amplitudo sinyal pesan rendah), amplitudo gelombang pembawa akan menurun. Frekuensi gelombang pembawa itu sendiri tidak berubah.

AM adalah salah satu metode modulasi tertua dan paling sederhana. Ini adalah teknik yang digunakan dalam siaran radio AM tradisional yang kita dengar setiap hari, di mana sinyal audio memodulasi amplitudo gelombang radio.

Prinsip Kerja Amplitudo Modulasi

Untuk memahami bagaimana AM bekerja, kita perlu melihat representasi matematis dari sinyal pesan dan gelombang pembawa, serta bagaimana keduanya digabungkan.

Misalkan:

• Sinyal Pesan (Modulating Signal): m(t)=Am​cos(2πfm​t)
  • Am​ adalah amplitudo maksimum sinyal pesan.
  • fm​ adalah frekuensi sinyal pesan.
• Gelombang Pembawa (Carrier Wave): c(t)=Ac​cos(2πfc​t)
  • Ac​ adalah amplitudo maksimum gelombang pembawa.
  • fc​ adalah frekuensi gelombang pembawa. (Biasanya, fc​≫fm​)

Tujuan AM adalah membuat amplitudo gelombang pembawa bervariasi sesuai dengan sinyal pesan. Sinyal AM yang dihasilkan, s(t), dapat direpresentasikan sebagai:

s(t)=[Ac​+m(t)]cos(2πfc​t)

Substitusikan m(t): s(t)=[Ac​+Am​cos(2πfm​t)]cos(2πfc​t) s(t)=Ac​[1+Ac​Am​​cos(2πfm​t)]cos(2πfc​t)

Di sini, rasio Ac​Am​​ sangat penting dan dikenal sebagai indeks modulasi (modulation index), dilambangkan dengan μ atau ma​: μ=Ac​Am​​

Maka, persamaan sinyal AM menjadi: s(t)=Ac​[1+μcos(2πfm​t)]cos(2πfc​t)

Dengan memperluas persamaan ini menggunakan identitas trigonometri cosAcosB=21​[cos(A−B)+cos(A+B)], kita dapat melihat komponen frekuensi dalam sinyal AM:

s(t)=Ac​cos(2πfc​t)+Ac​μcos(2πfm​t)cos(2πfc​t) s(t)=Ac​cos(2πfc​t)+2Ac​μ​cos(2π(fc​−fm​)t)+2Ac​μ​cos(2π(fc​+fm​)t)

Dari persamaan ini, terlihat jelas bahwa sinyal AM terdiri dari tiga komponen frekuensi:

1. Komponen Pembawa (Carrier Component): Ac​cos(2πfc​t) pada frekuensi fc​. Ini adalah gelombang pembawa asli.
2. Upper Sideband (USB): 2Ac​μ​cos(2π(fc​+fm​)t) pada frekuensi fc​+fm​.
3. Lower Sideband (LSB): 2Ac​μ​cos(2π(fc​−fm​)t) pada frekuensi fc​−fm​.

Kedua sideband (USB dan LSB) ini mengandung informasi sinyal pesan. Bandwidth (lebar pita) yang dibutuhkan oleh sinyal AM adalah dua kali frekuensi maksimum sinyal pesan (2fm​).

Indeks Modulasi (μ)

Indeks modulasi (μ) sangat penting karena menentukan seberapa besar amplitudo gelombang pembawa bervariasi.

• μ<1 (Undermodulation): Amplitudo gelombang pembawa tidak bervariasi sepenuhnya, dan bentuk sinyal pesan masih terlihat jelas pada envelope gelombang termodulasi. Ini adalah kondisi ideal untuk transmisi AM.
• μ=1 (Critical Modulation / 100% Modulation): Amplitudo gelombang pembawa bervariasi dari nol hingga dua kali amplitudo pembawa aslinya. Ini adalah modulasi maksimum tanpa distorsi.
• μ>1 (Overmodulation): Amplitudo gelombang pembawa mencoba menjadi negatif, yang menyebabkan distorsi serius pada sinyal yang diterima. Ini harus dihindari.

Pemancar AM (AM Transmitter)

Proses pemancaran AM melibatkan beberapa tahap:

1. Sinyal Pesan (Audio/Data): Sinyal informasi asli, misalnya suara dari mikrofon.
2. Penguat Pesan (Message Amplifier): Menguatkan sinyal pesan ke level yang sesuai.
3. Osilator Gelombang Pembawa (Carrier Oscillator): Menghasilkan gelombang sinus frekuensi tinggi yang stabil (gelombang pembawa).
4. Modulator (Multiplier): Ini adalah jantung dari pemancar AM. Sinyal pesan dan gelombang pembawa dimasukkan ke sini. Modulator secara efektif mengalikan sinyal pesan (yang ditambahkan bias DC) dengan gelombang pembawa, sehingga menghasilkan sinyal AM.
5. Penguat RF (Radio Frequency Amplifier): Menguatkan sinyal AM yang dihasilkan ke level daya yang dibutuhkan untuk transmisi.
6. Antena: Mengkonversi sinyal listrik termodulasi menjadi gelombang elektromagnetik untuk dipancarkan ke udara.

Penerima AM (AM Receiver) dan Demodulasi

Setelah sinyal AM dipancarkan dan diterima oleh antena, ia harus diproses untuk mendapatkan kembali sinyal pesan asli (demodulasi). Proses demodulasi adalah kebalikan dari modulasi. Penerima AM yang paling umum adalah penerima superheterodyne.

Tahap-tahap utama penerima AM:

1. Antena: Menerima gelombang radio AM.
2. Penyetel RF (RF Tuner): Memilih frekuensi gelombang pembawa yang diinginkan dan menguatkan sinyal yang sangat lemah.
3. Pencampur (Mixer) dan Osilator Lokal (Local Oscillator): Sinyal RF yang dipilih dicampur dengan sinyal frekuensi dari osilator lokal. Hasilnya adalah frekuensi menengah (Intermediate Frequency – IF) yang konstan (misalnya, 455 kHz untuk siaran AM). Ini memungkinkan bagian selanjutnya dari penerima untuk beroperasi pada frekuensi tetap, menyederhanakan desain.
4. Penguat IF (IF Amplifier): Menguatkan sinyal IF.
5. Detektor AM (AM Detector / Demodulator): Ini adalah bagian yang mengembalikan sinyal pesan asli. Detektor yang paling sederhana adalah detektor envelope (misalnya, dioda dan kapasitor). Dioda merektifikasi sinyal AM (menghilangkan setengah gelombang negatif), dan kapasitor memfilter komponen frekuensi tinggi pembawa, meninggalkan envelope yang merupakan sinyal pesan.
6. Penguat Audio (Audio Amplifier): Menguatkan sinyal audio yang dipulihkan.
7. Speaker: Mengkonversi sinyal audio menjadi suara.

Jenis-jenis Amplitudo Modulasi

Selain AM Double Sideband Full Carrier (DSB-FC) yang dijelaskan di atas, ada varian AM lainnya yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi daya atau bandwidth:

1. Double Sideband Suppressed Carrier (DSB-SC):
   • Sinyal pembawa asli dihilangkan, hanya sideband (USB dan LSB) yang dipancarkan.
   • Persamaan: s(t)=Ac​μcos(2πfm​t)cos(2πfc​t).
   • Keuntungan: Lebih efisien daya karena daya pembawa yang besar (yang tidak mengandung informasi) tidak dipancarkan.
   • Kekurangan: Lebih kompleks dalam demodulasi karena penerima harus menghasilkan kembali gelombang pembawa yang aksternal (carrier recovery) untuk demodulasi koheren.
   • Aplikasi: Digunakan dalam komunikasi militer dan beberapa sistem transmisi data.
2. Single Sideband (SSB):
   • Hanya satu sideband (USB atau LSB) yang dipancarkan. Sinyal pembawa dan sideband lainnya dihilangkan.
   • Keuntungan: Efisiensi daya tertinggi dan bandwidth yang paling sempit (fm​), dua kali lebih efisien daripada DSB-SC dan empat kali lebih efisien daripada DSB-FC dalam hal bandwidth.
   • Kekurangan: Demodulasi paling kompleks, memerlukan pemulihan pembawa yang sangat akurat.
   • Aplikasi: Radio komunikasi jarak jauh (radio amatir, penerbangan), komunikasi telepon frekuensi tinggi, dan beberapa modem data.
3. Vestigial Sideband (VSB):
   • Memancarkan satu sideband penuh dan sebagian kecil dari sideband lainnya (vestige), bersama dengan gelombang pembawa yang teredam sebagian.
   • Keuntungan: Kompromi antara efisiensi bandwidth SSB dan kesederhanaan demodulasi AM konvensional. Mengurangi bandwidth dibandingkan DSB-FC tetapi lebih mudah didemodulasi daripada SSB.
   • Aplikasi: Utama adalah dalam transmisi siaran televisi analog, di mana sinyal video memerlukan bandwidth yang luas dan low-frequency components.

Kelebihan dan Kekurangan Amplitudo Modulasi

Kelebihan AM:

1. Kesederhanaan: Pemancar dan penerima AM relatif sederhana dalam desain dan konstruksi. Ini menjadikannya solusi yang hemat biaya.
2. Biaya Rendah: Komponen yang digunakan dalam sistem AM murah dan mudah didapat.
3. Jangkauan Luas: Sinyal AM (terutama pada frekuensi rendah dan menengah) dapat menempuh jarak yang sangat jauh karena dapat memantul dari ionosfer bumi (propagasi gelombang tanah dan gelombang langit). Ini cocok untuk siaran radio ke wilayah geografis yang luas.
4. Deteksi Sederhana: Demodulasi AM dapat dilakukan dengan detektor envelope yang sangat sederhana.

Kekurangan AM:

1. Kerentanan Terhadap Noise: Sinyal AM sangat rentan terhadap noise (gangguan) listrik, baik yang alami (misalnya, badai petir) maupun buatan manusia (misalnya, percikan api listrik, peralatan elektronik). Karena noise memengaruhi amplitudo sinyal, noise akan langsung memengaruhi sinyal pesan yang diterima, menghasilkan suara statis atau distorsi.
2. Kualitas Audio Rendah: Karena kerentanan terhadap noise dan bandwidth yang terbatas, kualitas suara yang dihasilkan oleh radio AM umumnya lebih rendah dibandingkan dengan FM.
3. Efisiensi Daya Rendah (AM DSB-FC): Sebagian besar daya yang dipancarkan (hingga 2/3) berada pada komponen gelombang pembawa, yang tidak mengandung informasi sinyal pesan. Ini adalah pemborosan daya yang signifikan. Meskipun varian seperti SSB mengatasi ini, mereka lebih kompleks.
4. Bandwidth yang Boros (AM DSB-FC): Membutuhkan bandwidth dua kali frekuensi sinyal pesan. Meskipun lebih sempit dibandingkan FM, ini bisa menjadi masalah dalam spektrum frekuensi yang padat.

Aplikasi Amplitudo Modulasi

Meskipun FM dan modulasi digital telah menggantikan AM di banyak aplikasi, AM masih memiliki tempatnya:

• Siaran Radio AM: Aplikasi paling terkenal. Digunakan di pita gelombang panjang, menengah, dan pendek untuk siaran suara.
• Komunikasi Udara (Airband Radio): Digunakan untuk komunikasi suara antara pesawat dan menara kontrol lalu lintas udara. Stasiun darat dan pesawat biasanya menggunakan AM pada frekuensi VHF.
• Radio Dua Arah (Two-Way Radios): Beberapa sistem radio dua arah, terutama di masa lalu, menggunakan AM.
• Sistem Kontrol Jarak Jauh Sederhana: Seperti pembuka pintu garasi atau mainan kontrol jarak jauh, karena kesederhanaan dan biaya rendah.
• Modem Lama: Beberapa modem menggunakan Quadrature Amplitude Modulation (QAM), yang merupakan bentuk kompleks dari AM yang memodulasi amplitudo dan fase untuk mengirimkan data digital.
• Sistem Paging (Paging Systems): Beberapa sistem pager sederhana masih menggunakan AM.
• RFID (Radio Frequency Identification): Beberapa sistem RFID dasar menggunakan prinsip AM.

— IP Adress dan Subnetting —

Kesimpulan

Amplitudo Modulasi adalah tonggak sejarah dalam pengembangan komunikasi nirkabel. Meskipun sederhana dalam konsep dan implementasinya, kesederhanaannya inilah yang memungkinkannya menjadi teknologi yang dominan di awal abad ke-20 dan masih digunakan hingga saat ini untuk aplikasi tertentu. Namun, kerentanannya terhadap noise dan efisiensi daya yang rendah di varian dasarnya telah mendorong pengembangan teknik modulasi yang lebih canggih seperti FM dan modulasi digital.

Memahami AM adalah fondasi yang penting untuk mempelajari bidang komunikasi yang lebih luas. Ini menunjukkan prinsip dasar bagaimana informasi dapat “ditumpangtindih” pada gelombang pembawa dan kemudian diekstraksi kembali di ujung penerima, membuka jalan bagi era komunikasi modern yang kita nikmati saat ini. Meskipun telah berevolusi, prinsip dasar variasi amplitudo untuk mentransmisikan informasi tetap relevan dalam berbagai aplikasi di dunia teknik elektro dan telekomunikasi.

Referensi : https://warstek.com/amplitude-modulation/