Amplitude Shift Keying (ASK) : Fondasi Modulasi Digital Amplitudo

Dalam dunia komunikasi digital, informasi ditransmisikan sebagai serangkaian bit (0s dan 1s). Untuk mengirimkan bit-bit ini melalui media transmisi analog (seperti gelombang radio atau serat optik), kita memerlukan proses yang disebut modulasi digital. Modulasi digital mengubah data digital (bit) menjadi sinyal analog yang sesuai untuk transmisi. Salah satu teknik modulasi digital paling dasar dan paling sederhana adalah Amplitude Shift Keying (ASK).

ASK adalah metode di mana informasi digital dikodekan dengan memvariasikan amplitudo dari gelombang pembawa (carrier wave) frekuensi tinggi. Frekuensi dan fase gelombang pembawa tetap konstan, sementara amplitudo diubah untuk merepresentasikan bit 0 atau bit 1. Kesederhanaan ASK menjadikannya titik awal yang bagus untuk memahami modulasi digital secara lebih luas, meskipun dalam aplikasi modern seringkali digantikan oleh teknik yang lebih canggih karena keterbatasannya.

Konsep Dasar Amplitude Shift Keying (ASK)

Mirip dengan Amplitudo Modulasi (AM) analog, ASK memanipulasi amplitudo sinyal pembawa. Namun, alih-alih amplitudo sinyal pembawa bervariasi secara kontinu sesuai dengan sinyal pesan analog, dalam ASK, amplitudo pembawa bervariasi secara diskrit untuk merepresentasikan nilai-nilai digital.

Dalam bentuknya yang paling sederhana, yang dikenal sebagai On-Off Keying (OOK), ASK merepresentasikan:

• Bit ‘1’: Gelombang pembawa hadir dengan amplitudo tertentu.
• Bit ‘0’: Gelombang pembawa tidak ada (amplitudo nol).

Ini adalah bentuk ASK yang paling dasar, mudah diimplementasikan, tetapi juga paling rentan terhadap noise dan interferensi.

Prinsip Kerja ASK

Mari kita tinjau secara matematis. Misalkan kita memiliki gelombang pembawa sinus murni:

c(t)=Ac​cos(2πfc​t)

Di mana Ac​ adalah amplitudo gelombang pembawa dan fc​ adalah frekuensinya.

Sinyal digital yang ingin kita kirimkan, d(t), adalah urutan bit yang dapat direpresentasikan sebagai level tegangan (misalnya, +V untuk ‘1’ dan 0V untuk ‘0’).

Dalam ASK, sinyal output yang termodulasi, s(t), dihasilkan dengan mengalikan sinyal digital d(t) dengan gelombang pembawa c(t):

s(t)=d(t)⋅c(t)

Jika d(t) adalah 0V untuk bit ‘0’ dan Adata​ untuk bit ‘1’, maka:

• Ketika d(t) adalah ‘1’ (yaitu, Adata​), s(t)=Adata​⋅Ac​cos(2πfc​t). Jadi, gelombang pembawa hadir dengan amplitudo Adata​⋅Ac​.
• Ketika d(t) adalah ‘0’ (yaitu, 0V), s(t)=0⋅Ac​cos(2πfc​t)=0. Jadi, gelombang pembawa tidak ada.

Ini adalah skema OOK.

Variasi lain dari ASK dapat menggunakan amplitudo yang berbeda (bukan nol) untuk mewakili bit ‘0’ atau untuk mewakili lebih dari dua nilai bit (misalnya, 4-ASK untuk mengirimkan 2 bit per simbol). Misalnya, untuk 4-ASK, Anda bisa menggunakan empat level amplitudo berbeda untuk mewakili 00, 01, 10, dan 11.

Spektrum Sinyal ASK dan Bandwidth

Spektrum sinyal ASK (khususnya OOK) menyerupai spektrum AM Double Sideband Full Carrier (DSB-FC) jika sinyal data dianggap sebagai sinyal modulasi, meskipun ada perbedaan signifikan karena sifat digital dari sinyal data.

Ketika sebuah pulsa persegi (yang merepresentasikan bit digital) memodulasi gelombang pembawa, ia menghasilkan pita samping (sidebands) di sekitar frekuensi pembawa. Lebar pita dasar yang dibutuhkan oleh ASK adalah dua kali laju bit tertinggi atau dua kali frekuensi tertinggi dari sinyal data yang memodulasi (jika menggunakan sinyal data non-return-to-zero – NRZ).

BWASK​≈2⋅Rb​

Di mana Rb​ adalah laju bit (bit per detik).

Semakin cepat data yang dikirim (semakin tinggi laju bit), semakin lebar bandwidth yang dibutuhkan.

Pemancar ASK (ASK Transmitter)

Arsitektur dasar pemancar ASK cukup sederhana:

1. Sumber Data Digital: Menghasilkan urutan bit (0s dan 1s) yang akan ditransmisikan.
2. Osilator Gelombang Pembawa (Carrier Oscillator): Menghasilkan gelombang pembawa sinus murni dengan frekuensi fc​.
3. Modulator Amplitudo (Amplitude Modulator / Multiplier): Ini adalah jantung pemancar ASK. Sinyal data digital dan gelombang pembawa dimasukkan ke modulator ini. Modulator secara efektif berfungsi sebagai switch yang mengaktifkan atau menonaktifkan gelombang pembawa, atau mengubah level amplitudonya, sesuai dengan nilai bit data.
4. Penguat Daya (Power Amplifier): Menguatkan sinyal ASK yang termodulasi ke level daya yang dibutuhkan untuk transmisi.
5. Antena: Memancarkan sinyal ASK ke media transmisi.

Penerima ASK (ASK Receiver) dan Demodulasi

Di sisi penerima, sinyal ASK harus didemodulasi untuk mendapatkan kembali data digital asli. Ada dua pendekatan utama untuk demodulasi ASK:

1. Deteksi Koheren (Coherent Detection / Synchronous Detection):
   • Membutuhkan gelombang pembawa lokal di penerima yang disinkronkan secara fase dan frekuensi dengan gelombang pembawa yang digunakan di pemancar.
   • Proses: Sinyal ASK yang diterima dikalikan dengan gelombang pembawa lokal yang disinkronkan. Hasilnya kemudian dilewatkan melalui filter low-pass untuk menghilangkan komponen frekuensi tinggi dan mendapatkan kembali sinyal data digital.
   • Keuntungan: Lebih sensitif dan lebih tahan terhadap noise karena pemrosesan sinyal yang lebih presisi.
   • Kekurangan: Lebih kompleks karena memerlukan sirkuit pemulihan pembawa yang akurat untuk sinkronisasi.
2. Deteksi Non-Koheren (Non-Coherent Detection / Asynchronous Detection):
   • Tidak memerlukan gelombang pembawa lokal yang disinkronkan.
   • Proses: Sinyal ASK yang diterima dilewatkan melalui detektor envelope (mirip dengan yang digunakan dalam AM analog). Detektor envelope mengeluarkan sinyal yang merepresentasikan envelope amplitudo sinyal ASK, yang pada dasarnya adalah sinyal data asli yang diperbaiki. Sinyal ini kemudian dilewatkan melalui komparator dengan threshold untuk merekonstruksi bit 0 dan 1.
   • Keuntungan: Lebih sederhana dan lebih murah untuk diimplementasikan.
   • Kekurangan: Kurang sensitif dan lebih rentan terhadap noise dibandingkan deteksi koheren. Kinerja SNR-nya lebih buruk.

Setelah demodulasi, sinyal data digital yang dipulihkan kemudian melewati decision device (misalnya, komparator) yang membandingkan level tegangan sinyal dengan threshold untuk menentukan apakah itu bit ‘0’ atau ‘1’.

Kelebihan dan Kekurangan ASK

Kelebihan ASK:

1. Kesederhanaan: ASK adalah teknik modulasi digital yang paling sederhana untuk diimplementasikan, baik di sisi pemancar maupun penerima (terutama OOK dan deteksi non-koheren). Ini berarti biaya implementasi yang rendah.
2. Efisiensi Bandwidth (Relatif): Dibandingkan dengan beberapa teknik modulasi digital yang lebih kompleks, ASK dapat beroperasi dengan bandwidth yang relatif sempit untuk laju bit tertentu (terutama jika dibandingkan dengan FM).
3. Daya Lebih Rendah untuk Bit ‘0’ (OOK): Dalam skema OOK, tidak ada daya yang dipancarkan saat mengirim bit ‘0’, yang dapat menghemat daya pemancar, terutama untuk data dengan banyak ‘0’.
4. Aplikasi Sederhana: Cocok untuk aplikasi di mana biaya rendah, kesederhanaan, dan transmisi jarak pendek adalah prioritas.

Kekurangan ASK:

1. Sangat Rentan Terhadap Noise: Ini adalah kelemahan terbesar ASK. Karena informasi dikodekan dalam variasi amplitudo, noise apa pun yang memengaruhi amplitudo sinyal akan langsung merusak informasi tersebut. Noise dapat mengubah ‘0’ menjadi ‘1’ atau sebaliknya, menyebabkan tingkat kesalahan bit (BER) yang tinggi.
2. Kerentanan Terhadap Interferensi: ASK juga sangat rentan terhadap gangguan eksternal seperti interferensi elektromagnetik atau sinyal lain yang memiliki amplitudo bervariasi.
3. Membutuhkan AGC (Automatic Gain Control): Di sisi penerima, perubahan pada daya sinyal yang diterima karena fading (pelemahan sinyal karena jarak atau hambatan) dapat menyebabkan kesalahan dalam penentuan threshold. Oleh karena itu, penerima ASK sering memerlukan sirkuit AGC yang kompleks untuk menjaga amplitudo sinyal yang diterima pada level yang konstan sebelum demodulasi.
4. Efisiensi Daya Rendah (Keseluruhan): Meskipun OOK menghemat daya untuk ‘0’, secara keseluruhan, untuk mencapai SNR yang memadai di lingkungan berisik, ASK seringkali memerlukan daya transmisi puncak yang tinggi.
5. Batasan Data Rate: Kualitas sinyal yang menurun dengan noise membatasi laju data maksimum yang dapat dicapai secara andal.

Aplikasi Amplitude Shift Keying

Meskipun keterbatasannya, ASK masih digunakan dalam beberapa aplikasi khusus, terutama di mana kesederhanaan dan biaya rendah lebih diutamakan daripada kinerja noise yang superior:

• Sistem Komunikasi Serat Optik: ASK (khususnya OOK) banyak digunakan dalam sistem serat optik. Cahaya dinyalakan untuk ‘1’ dan dimatikan untuk ‘0’. Lingkungan serat optik umumnya memiliki tingkat noise yang lebih rendah dibandingkan media nirkabel, sehingga kerentanan ASK terhadap noise menjadi kurang masalah.
• Komunikasi Inframerah (IR): Remote control televisi dan beberapa sistem komunikasi jarak pendek lainnya sering menggunakan OOK pada cahaya inframerah.
• Radio Frequency Identification (RFID): Beberapa sistem RFID passive (yang tidak memiliki sumber daya sendiri) menggunakan ASK untuk komunikasi antara reader dan tag. Tag memodulasi amplitudo sinyal carrier yang dipancarkan oleh reader.
• Jaringan Area Lokal Nirkabel (Wireless LANs) Awal: Beberapa standar Wi-Fi yang sangat tua (misalnya, IEEE 802.11 yang pertama) menggunakan bentuk ASK yang disebut Differential Binary Phase Shift Keying (DBPSK) dan Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK) sebagai modulasi dasar, meskipun kemudian beralih ke QAM.
• Power Line Communication (PLC): ASK dapat digunakan untuk mengirimkan data melalui jalur listrik rumah tangga, meskipun PLC modern sering menggunakan skema modulasi yang lebih kompleks.
• Sensor Jarak Pendek dan Sistem Alarm: Untuk transmisi data yang sangat sederhana dan berdaya rendah.
• Modem Dial-up Awal: Beberapa modem telepon menggunakan bentuk modulasi yang melibatkan variasi amplitudo.

ASK vs. Teknik Modulasi Digital Lainnya

Untuk mengatasi kelemahan ASK, terutama dalam hal ketahanan noise, teknik modulasi digital lainnya telah dikembangkan dan banyak digunakan saat ini:

• Frequency Shift Keying (FSK): Mengkodekan bit dengan mengubah frekuensi gelombang pembawa. Lebih tahan noise daripada ASK karena frekuensi tidak terpengaruh oleh variasi amplitudo noise.
• Phase Shift Keying (PSK): Mengkodekan bit dengan mengubah fase gelombang pembawa. Sangat tahan noise karena fase tidak terpengaruh oleh amplitudo atau frekuensi noise.
• Quadrature Amplitude Modulation (QAM): Menggabungkan ASK dan PSK. Ini memvariasikan amplitudo dan fase gelombang pembawa secara bersamaan untuk mengirimkan lebih banyak bit per simbol, sehingga meningkatkan efisiensi spektrum (bit per Hertz). QAM adalah teknik modulasi yang sangat umum di Wi-Fi modern, 4G, 5G, dan transmisi TV digital.

— Noise —

Kesimpulan

Amplitude Shift Keying (ASK) adalah teknik modulasi digital paling dasar yang mentransmisikan informasi biner dengan mengubah amplitudo gelombang pembawa. Bentuk paling umum, On-Off Keying (OOK), merepresentasikan ‘1’ dengan hadirnya gelombang pembawa dan ‘0’ dengan tidak adanya gelombang pembawa. Kesederhanaan ASK menjadikannya pilihan yang menarik untuk aplikasi biaya rendah dan low-end di mana kinerja noise bukan merupakan batasan utama.

Namun, kerentanan ekstremnya terhadap noise dan interferensi membatasi penggunaannya di lingkungan yang menantang. Meskipun demikian, ASK tetap menjadi fondasi yang penting dalam studi komunikasi digital dan terus menemukan relevansinya di niche aplikasi seperti komunikasi serat optik dan RFID pasif, di mana kondisi lingkungan relatif terkontrol atau persyaratan kinerja tidak terlalu ketat. Memahami ASK adalah langkah pertama yang krusial untuk mengapresiasi kompleksitas dan kecanggihan teknik modulasi digital yang lebih maju yang mendorong sebagian besar komunikasi modern kita.

Referensi : https://www.geeksforgeeks.org/amplitude-shift-keying/&hl=id&sl=en&tl=id&client=srp