BINARY PHASE SHIFT KEYING

Dalam spektrum luas teknik modulasi digital, di mana data biner (0s dan 1s) harus diubah menjadi sinyal analog yang sesuai untuk transmisi, Binary Phase Shift Keying (BPSK) menonjol sebagai bentuk modulasi fase paling sederhana dan mendasar. Berbeda dengan Amplitude Shift Keying (ASK) yang memanipulasi amplitudo, atau Frequency Shift Keying (FSK) yang mengubah frekuensi, BPSK mengodekan informasi dengan memvariasikan fase dari gelombang pembawa. Simplicity-nya yang elegan, dikombinasikan dengan ketahanannya yang baik terhadap noise, menjadikannya titik awal krusial dalam memahami konsep modulasi fase dan merupakan fondasi bagi skema modulasi digital yang lebih kompleks.

Memahami Konsep Dasar BPSK

Seperti namanya, “Binary” dalam BPSK menunjukkan bahwa ia hanya menggunakan dua kemungkinan pergeseran fase untuk mewakili dua status biner: ‘0’ dan ‘1’. Umumnya, pergeseran fase ini adalah 180 derajat (atau π radian) dari satu sama lain.

Secara spesifik:

• Bit ‘0’: Sinyal pembawa dipancarkan dengan fase 0∘ (atau 0 radian).
• Bit ‘1’: Sinyal pembawa dipancarkan dengan fase 180∘ (atau π radian).

Amplitudo dan frekuensi gelombang pembawa tetap konstan selama seluruh proses modulasi. Ini adalah salah satu kunci ketahanan BPSK terhadap noise, karena noise cenderung memengaruhi amplitudo, bukan fase, sebuah sinyal.

Bayangkan sebuah gelombang sinus murni yang berayun naik turun. Untuk BPSK, gelombang tersebut akan terus berayun dengan kekuatan dan kecepatan yang sama. Namun, ketika kita ingin mengirimkan ‘1’, gelombang tersebut mungkin “terbalik” (fase bergeser 180 derajat) dibandingkan ketika kita mengirimkan ‘0’. Penerima kemudian akan “melihat” perubahan arah ini untuk mengidentifikasi bit yang dikirim.

Prinsip Kerja BPSK secara Matematis

Untuk memahami BPSK lebih dalam, mari kita lihat representasi matematisnya. Misalkan kita memiliki gelombang pembawa sinus dasar:

c(t)=Ac​cos(2πfc​t)

Di mana:

• Ac​ adalah amplitudo gelombang pembawa (konstan).
• fc​ adalah frekuensi gelombang pembawa (konstan).

Sinyal data biner, d(t), dapat direpresentasikan sebagai deretan pulsa, di mana:

• Untuk bit ‘1’, d(t)=+1
• Untuk bit ‘0’, d(t)=−1

Catatan Penting: Representasi data ini (polar NRZ, yaitu Non-Return-to-Zero) yang menggunakan +1 dan −1 sangat penting untuk BPSK karena memungkinkan perubahan fase 180∘ melalui perkalian sederhana.

Sinyal BPSK yang termodulasi, s(t), dihasilkan dengan mengalikan sinyal data d(t) dengan gelombang pembawa c(t):

s(t)=d(t)⋅Ac​cos(2πfc​t)

Sekarang mari kita lihat apa yang terjadi untuk setiap bit:

• Ketika d(t) adalah ‘1’ (yaitu, +1): s(t)=(+1)⋅Ac​cos(2πfc​t)=Ac​cos(2πfc​t) Ini adalah gelombang pembawa asli dengan fase 0∘.
• Ketika d(t) adalah ‘0’ (yaitu, −1): s(t)=(−1)⋅Ac​cos(2πfc​t)=−Ac​cos(2πfc​t) Menggunakan identitas trigonometri −cos(x)=cos(x+π), ini setara dengan: s(t)=Ac​cos(2πfc​t+π) Ini adalah gelombang pembawa yang sama tetapi dengan fase 180∘ (atau π radian) dari fase aslinya.

Jadi, kita telah berhasil memetakan bit ‘1’ ke fase 0∘ dan bit ‘0’ ke fase 180∘ (atau sebaliknya, konvensi bisa bervariasi).

Spektrum Sinyal BPSK dan Bandwidth

Spektrum sinyal BPSK secara ideal memiliki pita sisi (sidebands) di sekitar frekuensi pembawa fc​. Lebar pita minimum yang dibutuhkan oleh BPSK adalah dua kali laju bit (Rb​) jika sinyal data NRZ digunakan.

BWBPSK​≈2⋅Rb​

Ini menunjukkan bahwa BPSK relatif efisien dalam penggunaan bandwidth dibandingkan FSK, meskipun tidak seefisien modulasi multi-level seperti QAM. Bentuk spektrum BPSK menunjukkan bahwa sebagian besar energi terkonsentrasi di sekitar frekuensi pembawa, dengan sideband yang menurun seiring menjauh dari frekuensi pembawa.

Pemancar BPSK (BPSK Transmitter)

Proses modulasi BPSK di sisi pemancar melibatkan beberapa komponen kunci:

1. Sumber Data Biner: Menghasilkan urutan bit ‘0’ dan ‘1’ yang akan ditransmisikan.
2. Blok Konverter Unipolar ke Bipolar: Data digital biner (misalnya, 0V untuk ‘0’ dan +V untuk ‘1’) biasanya dikonversi menjadi format polar NRZ (yaitu, -1V atau -V untuk ‘0’ dan +1V atau +V untuk ‘1’). Konversi ini krusial karena perkalian dengan -1 akan menghasilkan pergeseran fase 180 derajat.
3. Osilator Gelombang Pembawa (Carrier Oscillator): Menghasilkan gelombang sinus murni dengan frekuensi konstan fc​. Frekuensi ini harus sangat stabil dan tepat.
4. Pengganda (Multiplier / Mixer): Ini adalah jantung modulator BPSK. Sinyal data bipolar (d(t)) dan gelombang pembawa (c(t)) dimasukkan ke pengganda. Output dari pengganda adalah sinyal BPSK termodulasi.
5. Penguat Daya (Power Amplifier): Menguatkan sinyal BPSK yang termodulasi ke level daya yang dibutuhkan untuk transmisi melalui media. Karena amplitudo sinyal BPSK konstan, penguat daya tidak harus linier, yang dapat menghasilkan efisiensi daya yang lebih baik dibandingkan dengan penguat linier.
6. Antena: Mengkonversi sinyal listrik termodulasi menjadi gelombang elektromagnetik untuk dipancarkan.

Penerima BPSK (BPSK Receiver) dan Demodulasi

Demodulasi BPSK adalah proses yang mengembalikan data biner asli dari sinyal BPSK yang diterima. Hampir semua sistem BPSK menggunakan deteksi koheren (coherent detection) karena menawarkan kinerja noise yang superior.

1. Antena dan Penguat RF (RF Amplifier): Menerima sinyal BPSK dari udara dan menguatkannya ke level yang dapat diproses.
2. Pencampur (Mixer) dan Osilator Lokal (Local Oscillator): Jika penerima adalah superheterodyne, sinyal RF diubah menjadi frekuensi menengah (IF).
3. Penguat IF (IF Amplifier): Menguatkan sinyal IF yang sudah diubah frekuensinya.
4. Pemulihan Pembawa (Carrier Recovery Unit): Ini adalah bagian paling kompleks dan krusial dari penerima BPSK. Deteksi koheren membutuhkan gelombang pembawa lokal yang persis sama dalam frekuensi dan fase dengan gelombang pembawa yang digunakan di pemancar. Unit ini mengekstrak frekuensi dan informasi fase dari sinyal BPSK yang diterima (yang tidak memiliki komponen pembawa yang terpisah seperti pada AM DSB-FC) untuk meregenerasi gelombang pembawa lokal. Teknik umum meliputi Costas loop atau squaring loop.
5. Pengganda (Multiplier / Demodulator): Sinyal BPSK yang diterima dikalikan dengan gelombang pembawa lokal yang telah diregenerasi.
   • Jika sinyal yang diterima adalah Ac​cos(2πfc​t) (untuk bit ‘1’) dan gelombang pembawa lokal adalah Ac​cos(2πfc​t), hasilnya akan positif.
   • Jika sinyal yang diterima adalah Ac​cos(2πfc​t+π) (untuk bit ‘0’) dan gelombang pembawa lokal adalah Ac​cos(2πfc​t), hasilnya akan negatif.
6. Filter Low-Pass: Output dari pengganda dilewatkan melalui filter low-pass untuk menghilangkan komponen frekuensi tinggi dan hanya menyisakan sinyal data DC (positif atau negatif).
7. Sirkuit Pemulihan Clock (Clock Recovery Unit): Mengekstrak informasi timing (clock) dari sinyal yang diterima untuk menyinkronkan pengambilan sampel data.
8. Decision Device (Komparator): Membandingkan sinyal data yang telah difilter dengan threshold (biasanya 0V). Jika positif, diputuskan sebagai ‘1’; jika negatif, diputuskan sebagai ‘0’. Hasilnya adalah data biner asli.

Kelebihan BPSK

1. Ketahanan Terhadap Noise yang Sangat Baik: Ini adalah keunggulan terbesar BPSK. Karena informasi dikodekan dalam fase (arah) sinyal, dan bukan amplitudo, BPSK jauh lebih tahan terhadap noise yang cenderung memengaruhi kekuatan sinyal. Noise amplitudo akan sangat kecil memengaruhi keputusan fase.
2. Efisiensi Daya Tinggi: Amplitudo gelombang pembawa tetap konstan selama transmisi. Ini berarti daya pemancar digunakan secara efisien, dan penguat daya non-linier (yang lebih efisien) dapat digunakan.
3. Efisiensi Spektrum yang Cukup Baik: Dengan bandwidth 2Rb​, BPSK cukup efisien secara spektral dibandingkan FSK.
4. Sederhana di Antara Modulasi Fase: Dibandingkan dengan PSK multi-level (QPSK, 8PSK, dst.), BPSK memiliki implementasi yang paling sederhana.

Kekurangan BPSK

1. Membutuhkan Deteksi Koheren yang Kompleks: Ketergantungan pada pemulihan pembawa yang akurat (sinkronisasi fase) di penerima adalah kelemahan utama. Sirkuit pemulihan pembawa bisa sangat kompleks dan mahal, terutama di lingkungan transmisi yang menantang (misalnya, fading yang cepat).
2. Sensitivitas Terhadap Pergeseran Fase: Meskipun tahan noise amplitudo, BPSK sangat sensitif terhadap pergeseran fase yang tidak diinginkan yang mungkin terjadi selama transmisi (misalnya, karena multipath atau doppler shift). Pergeseran fase ini dapat menyebabkan kesalahan deteksi.
3. Tidak Efisien untuk Data Rate Tinggi: Meskipun lebih efisien daripada FSK, BPSK hanya mengirimkan 1 bit per simbol. Untuk laju data yang sangat tinggi, diperlukan modulasi yang lebih efisien secara spektral yang dapat mengirimkan lebih dari satu bit per simbol (misalnya, QPSK, 8PSK, QAM).
4. Ambiguity Fase: Penerima BPSK bisa mengalami masalah “ambiguity fase” di mana ia tidak dapat membedakan antara 0∘ dan 180∘ secara absolut. Artinya, ia mungkin mendemodulasi semua ‘1’ sebagai ‘0’ dan semua ‘0’ sebagai ‘1’. Ini biasanya diatasi dengan menggunakan Differential BPSK (DBPSK).

Differential BPSK (DBPSK)

Untuk mengatasi masalah ambiguity fase dan menyederhanakan pemulihan pembawa, seringkali digunakan Differential BPSK (DBPSK). Dalam DBPSK, informasi dikodekan dalam perubahan fase relatif antara simbol-simbol yang berurutan, bukan fase absolut.

• Bit ‘1’: Tidak ada perubahan fase (fase saat ini sama dengan fase simbol sebelumnya).
• Bit ‘0’: Perubahan fase 180∘ relatif terhadap fase simbol sebelumnya.

Di sisi penerima, demodulasi DBPSK dapat dilakukan secara non-koheren (menggunakan detektor korelasi yang membandingkan fase simbol saat ini dengan fase simbol sebelumnya), yang menghilangkan kebutuhan akan sirkuit pemulihan pembawa yang kompleks. Namun, ini datang dengan sedikit penurunan kinerja noise (sekitar 3 dB lebih buruk dari BPSK koheren).

Aplikasi Binary Phase Shift Keying

Meskipun modulasi yang lebih canggih telah muncul, BPSK tetap relevan dan digunakan dalam berbagai aplikasi, terutama di mana ketahanan terhadap noise sangat penting dan laju data tidak terlalu tinggi:

• Komunikasi Satelit: BPSK banyak digunakan dalam komunikasi satelit, terutama untuk saluran kontrol, telemetri, dan uplink berdaya rendah, di mana SNR seringkali rendah.
• WLAN Awal (IEEE 802.11b): Standar Wi-Fi awal menggunakan DBPSK untuk laju data terendah (1 Mbps).
• RFID: Beberapa sistem RFID, terutama untuk komunikasi jarak jauh atau di lingkungan yang bising.
• Sistem Telekomunikasi Nirkabel Berdaya Rendah: Sensor nirkabel, IoT (Internet of Things) berdaya rendah, dan aplikasi mesh network di mana konsumsi daya adalah prioritas.
• Komunikasi Militer dan Penegakan Hukum: Digunakan karena ketahanan terhadap noise dan kemampuannya beroperasi di bawah kondisi sinyal yang buruk.
• Sistem Telemetri: Mengirimkan data dari sensor atau sistem jarak jauh.
• Digital Audio Broadcasting (DAB) / Digital Radio: Beberapa komponen dari standar DAB menggunakan BPSK untuk transmisi data.
• Deep Space Communication: Karena sinyal sangat lemah dan noise termal adalah faktor pembatas utama, BPSK adalah pilihan yang kuat.

BPSK sebagai Fondasi PSK Multi-level

BPSK adalah titik awal untuk memahami modulasi fase yang lebih kompleks yang dikenal sebagai M-ary Phase Shift Keying (M-PSK), di mana M adalah jumlah fase yang digunakan (dan M=2k bit per simbol).

• Quadrature Phase Shift Keying (QPSK): Menggunakan 4 fase (0, 90, 180, 270 derajat) untuk mengkodekan 2 bit per simbol. Ini menggandakan efisiensi spektrum BPSK.
• 8-PSK: Menggunakan 8 fase untuk mengkodekan 3 bit per simbol.
• 16-PSK: Menggunakan 16 fase untuk mengkodekan 4 bit per simbol.

Semakin banyak fase yang digunakan, semakin banyak bit per simbol yang dapat dikirimkan, sehingga meningkatkan efisiensi spektrum. Namun, ini juga berarti perbedaan fase antar simbol menjadi lebih kecil, membuat sistem lebih rentan terhadap noise dan memerlukan SNR yang lebih tinggi untuk kinerja yang sama. Oleh karena itu, ada trade-off antara efisiensi spektrum dan ketahanan noise. BPSK, dengan hanya dua fase yang terpisah 180 derajat, adalah yang paling kuat dan tahan noise di antara semua bentuk PSK.

— Frequency Shift Keying —

Kesimpulan

Binary Phase Shift Keying (BPSK) adalah teknik modulasi digital fundamental yang mengkodekan data biner dengan menggeser fase gelombang pembawa sebesar 0∘ atau 180∘. Kesederhanaan dalam konsepnya disandingkan dengan ketahanan yang luar biasa terhadap noise karena informasi hanya terkandung dalam perubahan fase, bukan amplitudo. Meskipun memerlukan deteksi koheren yang kompleks atau varian diferensial untuk mengatasi masalah sinkronisasi, BPSK tetap menjadi pilihan utama untuk aplikasi di mana keandalan transmisi di lingkungan noise rendah sangat penting dan laju data tidak terlalu tinggi.

Sebagai bentuk modulasi fase yang paling robust, BPSK berfungsi sebagai batu loncatan yang krusial untuk memahami teknik modulasi digital yang lebih canggih seperti QPSK dan M-PSK lainnya. Perannya yang berkelanjutan dalam komunikasi satelit, sistem nirkabel berdaya rendah, dan aplikasi yang membutuhkan ketahanan noise ekstrem menegaskan posisinya sebagai fondasi yang tak tergantikan dalam dunia komunikasi digital modern.

Referensi : https://www.elprocus.com/binary-phase-shift-keying/&hl=id&sl=en&tl=id&client=srp