Apa itu Noise

Dalam konteks komunikasi, noise adalah salah satu musuh terbesar yang harus dihadapi. Secara sederhana, noise adalah sinyal yang tidak diinginkan atau gangguan acak yang secara tidak sengaja ditambahkan ke sinyal informasi asli selama transmisi, penerimaan, atau pemrosesan. Noise dapat menurunkan kualitas sinyal, menyebabkan distorsi, kesalahan data, dan bahkan hilangnya informasi sama sekali. Memahami jenis-jenis noise, dampaknya, dan strategi untuk menguranginya adalah fundamental dalam merancang dan memelihara sistem komunikasi yang andal.

Definisi dan Konsep Dasar Noise

Pada dasarnya, setiap sistem komunikasi memiliki sumber noise. Baik itu komunikasi radio, serat optik, jaringan komputer, atau sistem audio, noise selalu hadir dalam bentuk yang berbeda-beda. Noise bisa berasal dari dalam sistem itu sendiri (internal) atau dari lingkungan luar (eksternal).

Dampak utama noise adalah mengurangi rasio sinyal terhadap noise (Signal-to-Noise Ratio – SNR). SNR adalah ukuran perbandingan daya sinyal yang diinginkan terhadap daya noise. SNR yang tinggi berarti sinyal lebih kuat daripada noise, menghasilkan komunikasi yang jernih dan akurat. Sebaliknya, SNR yang rendah berarti noise dominan, yang dapat menyebabkan kesalahan dan kesulitan dalam memahami atau merekonstruksi sinyal asli.

Jenis-Jenis Noise dalam Sistem Komunikasi

Noise dapat diklasifikasikan berdasarkan sumber dan karakteristiknya:

A. Noise Internal (Internal Noise)

Noise internal dihasilkan oleh komponen elektronik di dalam sistem komunikasi itu sendiri. Ini adalah jenis noise yang tidak dapat dihindari sepenuhnya dan seringkali menjadi faktor pembatas kinerja sistem.

1. Thermal Noise (Johnson-Nyquist Noise):
   • Penyebab: Gerakan acak elektron dalam konduktor listrik karena agitasi termal pada suhu di atas nol absolut.
   • Karakteristik: Hadir di semua komponen elektronik (resistor, kapasitor, induktor) dan media transmisi. Bersifat white noise (memiliki spektrum frekuensi yang datar di seluruh rentang frekuensi yang diminati) dan terdistribusi secara seragam di seluruh bandwidth.
   • Ketergantungan: Kekuatan noise termal berbanding lurus dengan suhu absolut (Kelvin), bandwidth (lebar pita), dan resistansi konduktor.
   • Dampak: Tidak terlalu berpengaruh pada transmisi suara (karena otak manusia bisa mengisi bagian yang hilang), tetapi sangat signifikan pada komunikasi data, di mana satu bit yang cacat bisa mengubah seluruh informasi.
   • Rumus Daya Noise: Pn​=kTB
     • k: Konstanta Boltzmann (1.38×10−23 J/K)
     • T: Suhu absolut dalam Kelvin
     • B: Bandwidth dalam Hertz
2. Shot Noise:
   • Penyebab: Fluktuasi acak dalam aliran partikel bermuatan (elektron dan lubang) dalam perangkat semikonduktor, seperti dioda, transistor, dan tabung vakum. Fluktuasi ini terjadi karena diskontinuitas aliran muatan, bukan aliran kontinu yang mulus.
   • Karakteristik: Bersifat acak dan memiliki spektrum frekuensi yang datar (seperti white noise).
   • Ketergantungan: Bergantung pada arus rata-rata dan bandwidth.
   • Dampak: Dapat mengganggu sinyal terutama pada perangkat yang beroperasi dengan arus rendah.
3. Flicker Noise (1/f Noise atau Pink Noise):
   • Penyebab: Terkait dengan ketidaksempurnaan atau cacat pada bahan semikonduktor dan konduktor. Sering disebabkan oleh jebakan dan pelepasan pembawa muatan secara acak di antara antarmuka dua material.
   • Karakteristik: Kekuatan noise berbanding terbalik dengan frekuensi (semakin rendah frekuensi, semakin tinggi kekuatan noise). Oleh karena itu disebut 1/f noise.
   • Ketergantungan: Sangat dominan pada frekuensi rendah (di bawah beberapa kHz).
   • Dampak: Penting dalam osilator, amplifier presisi, dan sensor yang beroperasi pada frekuensi rendah.
4. Burst Noise (Popcorn Noise):
   • Penyebab: Fluktuasi tegangan atau arus yang tiba-tiba dan acak dengan durasi singkat (mili detik). Sering dikaitkan dengan cacat kristal atau kontaminasi dalam semikonduktor.
   • Karakteristik: Muncul sebagai pulsa diskrit atau “lonjakan” yang tidak terduga.
   • Dampak: Dapat menyebabkan gangguan yang signifikan pada sinyal, terutama pada perangkat audio.
5. Partition Noise:
   • Penyebab: Terjadi pada perangkat di mana arus dapat terpecah menjadi dua atau lebih jalur. Fluktuasi acak dalam pembagian arus ini menghasilkan noise. Contohnya, pada transistor bipolar junction transistor (BJT) di mana arus emitor terbagi antara basis dan kolektor.
   • Dampak: Meningkatkan total noise dalam sistem.
6. Transit-Time Noise:
   • Penyebab: Terjadi ketika waktu transit elektron atau lubang melalui suatu perangkat sebanding dengan periode sinyal yang sedang diproses. Jika waktu transit pembawa muatan terlalu lama dibandingkan dengan periode sinyal, noise ini dapat terjadi.
   • Dampak: Lebih signifikan pada frekuensi tinggi.

B. Noise Eksternal (External Noise)

Noise eksternal berasal dari lingkungan di luar sistem komunikasi.

1. Atmospheric Noise (Static):
   • Penyebab: Fenomena alam di atmosfer, terutama pelepasan petir dari badai guntur.
   • Karakteristik: Terjadi secara acak dan bervariasi dengan waktu, musim, dan lokasi geografis. Kekuatan noise meningkat dengan menurunnya frekuensi (lebih dominan di frekuensi rendah seperti VLF/LF/MF).
   • Dampak: Gangguan signifikan pada komunikasi radio, terutama di pita AM.
2. Cosmic Noise (Galactic Noise):
   • Penyebab: Radiasi elektromagnetik yang berasal dari luar atmosfer bumi, seperti matahari (solar noise), galaksi Bima Sakti (galactic noise), atau objek langit lainnya seperti quasar.
   • Karakteristik: Umumnya konstan (kecuali solar flare), memiliki spektrum frekuensi yang luas, dan lebih dominan di atas 15 MHz ketika antena diarahkan ke sumbernya.
   • Dampak: Dapat mengganggu komunikasi satelit dan radio astronomi.
3. Man-Made Noise (Industrial Noise):
   • Penyebab: Dihasilkan oleh aktivitas manusia, seperti motor listrik, sistem pengapian kendaraan, peralatan elektronik (komputer, microwave), jalur transmisi listrik, lampu neon, dan proses industri.
   • Karakteristik: Bervariasi tergantung pada lokasi (lebih tinggi di daerah perkotaan/industri). Seringkali memiliki spektrum frekuensi yang lebar, tetapi bisa sangat dominan pada pita frekuensi tertentu (misalnya, 1 MHz hingga 600 MHz).
   • Dampak: Sumber utama gangguan di lingkungan perkotaan.
4. Intermodulation Noise:
   • Penyebab: Terjadi ketika dua atau lebih sinyal dengan frekuensi berbeda melewati perangkat non-linier (misalnya, amplifier yang tidak linier, konektor longgar, atau sirkuit yang jenuh). Ini menghasilkan frekuensi baru (produk intermodulasi) yang dapat jatuh dalam pita frekuensi sinyal yang diinginkan.
   • Dampak: Menurunkan SNR dan menyebabkan distorsi.
5. Crosstalk:
   • Penyebab: Perambatan sinyal dari satu saluran ke saluran lain yang berdekatan. Ini bisa terjadi melalui kopling kapasitif atau induktif antara kabel, atau dalam sirkuit terintegrasi.
   • Dampak: Sinyal yang tidak diinginkan “bocor” ke saluran lain, menyebabkan interferensi dan penurunan kualitas sinyal.
6. Impulse Noise:
   • Penyebab: Terjadi sebagai ledakan energi berdurasi pendek dan beramplitudo tinggi. Sumbernya bisa dari sakelar listrik, sistem pengapian, atau gangguan elektromagnetik singkat lainnya.
   • Karakteristik: Tidak terus-menerus, tetapi muncul sebagai pulsa tajam.
   • Dampak: Sangat merusak komunikasi data karena dapat merusak beberapa bit secara bersamaan. Untuk komunikasi suara, seringkali tidak terlalu signifikan karena durasinya yang pendek.

Dampak Noise pada Sistem Komunikasi

Dampak noise pada sistem komunikasi sangat merugikan:

• Penurunan Kualitas Sinyal: Sinyal yang diterima menjadi terdistorsi atau “berisik”, mengurangi kejelasan suara atau gambar.
• Kesalahan Data: Dalam komunikasi digital, noise dapat menyebabkan bit diinterpretasikan secara salah (misalnya, 0 menjadi 1 atau sebaliknya), mengakibatkan kesalahan data yang serius.
• Pembatasan Jangkauan Sistem: Dengan tingkat noise yang sama, sinyal yang lebih lemah akan memiliki SNR yang lebih rendah, membatasi seberapa jauh sinyal dapat ditransmisikan dan masih dapat dideteksi dengan andal.
• Penurunan Sensitivitas Penerima: Noise membatasi kemampuan penerima untuk mendeteksi sinyal yang sangat lemah.
• Penurunan Kapasitas Saluran: Menurut Teorema Shannon-Hartley, kapasitas maksimum suatu saluran komunikasi (dalam bit per detik) berbanding lurus dengan bandwidth dan fungsi logaritma dari SNR. Semakin rendah SNR, semakin rendah kapasitas data yang dapat ditransmisikan secara andal. C=Blog2​(1+S/N).
• Peningkatan Bit Error Rate (BER): Dalam sistem digital, noise secara langsung menyebabkan tingkat kesalahan bit yang lebih tinggi.

Parameter Penting Terkait Noise

• Signal-to-Noise Ratio (SNR): Perbandingan daya sinyal terhadap daya noise, sering dinyatakan dalam desibel (dB). SNRdB​=10log10​(PS​/PN​).
• Noise Figure (NF) / Noise Factor (F): Ukuran seberapa banyak noise yang ditambahkan oleh komponen atau sistem ke sinyal. NF didefinisikan sebagai rasio SNR input terhadap SNR output (dalam dB). Semakin rendah NF, semakin baik kinerja perangkat dalam hal noise.
• Noise Temperature (Te​): Cara lain untuk mengukur noise yang ditambahkan oleh perangkat. Ini adalah suhu hipotetis dari resistor yang akan menghasilkan jumlah noise termal yang sama dengan noise yang dihasilkan oleh perangkat tersebut. Berguna dalam sistem frekuensi tinggi dan komunikasi satelit.

Teknik Pengurangan dan Pengelolaan Noise

Meskipun noise tidak dapat dihilangkan sepenuhnya, ada banyak teknik yang digunakan untuk mengurangi atau mengelola dampaknya:

1. Filtering:
   • Menggunakan filter elektronik (low-pass, high-pass, band-pass) untuk menghilangkan komponen frekuensi noise yang berada di luar rentang frekuensi sinyal yang diinginkan.
   • Contoh: filter anti-aliasing di sistem digital.
2. Shielding:
   • Melindungi sirkuit atau kabel dari gangguan elektromagnetik eksternal (EMI) menggunakan perisai konduktif (misalnya, braided shield pada kabel koaksial) yang mengalihkan noise ke tanah.
   • Penting untuk mengurangi man-made noise dan crosstalk.
3. Grounding (Pembumian):
   • Memastikan sistem memiliki jalur pembumian yang tepat untuk mengalirkan noise dan arus bocor yang tidak diinginkan ke bumi.
   • Menghindari ground loops (jalur ganda ke tanah yang dapat menyebabkan arus mengalir dan menimbulkan noise) adalah kunci.
4. Amplifikasi (Low-Noise Amplifiers – LNA):
   • Menggunakan amplifier dengan noise figure yang sangat rendah di tahap awal penerima (dekat antena) untuk menguatkan sinyal yang lemah sebelum noise dari tahap berikutnya menjadi dominan. Ini penting karena noise yang ditambahkan di tahap awal akan dikuatkan bersama sinyal.
5. Modulasi yang Tahan Noise:
   • Teknik modulasi seperti Frequency Modulation (FM) lebih tahan terhadap noise yang memengaruhi amplitudo sinyal dibandingkan Amplitudo Modulasi (AM). Dalam FM, limiter di penerima dapat menghilangkan variasi amplitudo yang disebabkan noise.
   • Modulasi Digital: Umumnya lebih tahan noise dibandingkan modulasi analog karena informasi direpresentasikan sebagai bit diskrit (0 dan 1). Bahkan jika ada noise, selama penerima dapat membedakan antara level sinyal untuk 0 dan 1, data dapat dipulihkan.
6. Error Control Coding (ECC) / Channel Coding:
   • Menambahkan redundansi secara sistematis ke data yang ditransmisikan. Penerima menggunakan redundansi ini untuk mendeteksi dan mengoreksi kesalahan yang disebabkan oleh noise.
   • Contoh: Hamming codes, Convolutional codes, Turbo codes, LDPC codes.
   • Meskipun ECC mengurangi tingkat kesalahan, ia juga meningkatkan overhead data dan membutuhkan bandwidth lebih besar atau mengurangi throughput efektif.
7. Spread Spectrum Techniques:
   • Menyebarkan sinyal di atas pita frekuensi yang jauh lebih lebar daripada yang dibutuhkan oleh informasi asli. Ini membuat sinyal lebih tahan terhadap noise pita sempit dan interferensi.
   • Contoh: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) dan Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) yang digunakan dalam Wi-Fi dan Bluetooth.
8. Power Control:
   • Mengatur daya pemancar secara dinamis. Mengirimkan sinyal dengan daya yang cukup kuat untuk mengatasi noise di saluran, tetapi tidak terlalu kuat sehingga menyebabkan interferensi pada saluran lain atau memboroskan daya.
9. Penggunaan Material Berkualitas:
   • Menggunakan komponen elektronik dan kabel dengan kualitas tinggi yang dirancang untuk menghasilkan noise minimal.

— Frequency Modulation —

Kesimpulan

Noise adalah kenyataan tak terhindarkan dalam setiap sistem komunikasi, bertindak sebagai penghalang terhadap transmisi informasi yang sempurna. Dari gerakan acak elektron di dalam konduktor hingga kilatan petir di atmosfer dan interferensi dari peralatan elektronik buatan manusia, noise hadir dalam berbagai bentuk dengan karakteristik dan dampak yang berbeda. Dampak utamanya adalah penurunan kualitas sinyal dan peningkatan tingkat kesalahan, yang pada akhirnya membatasi kapasitas dan keandalan sistem komunikasi.

Namun, rekayasa komunikasi telah mengembangkan berbagai teknik canggih untuk memerangi noise. Dengan perencanaan yang cermat, penggunaan filter yang efektif, shielding dan grounding yang tepat, serta penerapan modulasi yang tahan noise dan error control coding, kita dapat meminimalkan dampak noise dan membangun sistem komunikasi yang tangguh dan efisien. Pemahaman mendalam tentang noise bukan hanya penting bagi para insinyur, tetapi juga esensial untuk mengapresiasi kompleksitas dan keindahan di balik setiap panggilan telepon, siaran radio, atau transfer data yang kita lakukan setiap hari.

Referensi : https://id.wikipedia.org/wiki/Derau