Frequency Shift Keying (FSK)

Dalam ranah komunikasi digital, di mana informasi diwakili oleh deretan bit biner (0s dan 1s), modulasi digital adalah jembatan vital yang mengubah data ini menjadi sinyal analog yang dapat menempuh perjalanan melalui berbagai media transmisi, seperti kabel, serat optik, atau gelombang udara. Setelah kita membahas Amplitude Shift Keying (ASK) yang memvariasikan amplitudo, kini kita akan menyelami Frequency Shift Keying (FSK), sebuah teknik modulasi digital yang mengkodekan informasi dengan memvariasikan frekuensi gelombang pembawa. FSK dikenal luas karena ketahanannya yang lebih baik terhadap noise dibandingkan ASK, menjadikannya pilihan yang andal untuk berbagai aplikasi.

Pengertian Frequency Shift Keying (FSK)

Frequency Shift Keying (FSK) adalah teknik modulasi digital di mana informasi digital (data biner 0s dan 1s) dikodekan dengan memvariasikan frekuensi seketika dari gelombang pembawa di antara sekumpulan frekuensi diskrit yang telah ditentukan. Amplitudo dan fase gelombang pembawa tetap konstan selama proses ini.

Pada bentuknya yang paling sederhana, yang disebut Binary FSK (BFSK), dua frekuensi berbeda digunakan:

• Frekuensi f1​ (Mark Frequency): Digunakan untuk merepresentasikan bit ‘1’.
• Frekuensi f0​ (Space Frequency): Digunakan untuk merepresentasikan bit ‘0’.

Jadi, ketika sinyal data adalah ‘1’, pemancar akan memancarkan gelombang pembawa dengan frekuensi f1​. Ketika sinyal data adalah ‘0’, pemancar akan beralih memancarkan gelombang pembawa dengan frekuensi f0​. Pergeseran antara dua frekuensi ini adalah kunci dari modulasi FSK.

Prinsip Kerja FSK

Mari kita representasikan prinsip kerja FSK secara matematis. Asumsikan kita memiliki gelombang pembawa dasar dengan amplitudo konstan Ac​.

Sinyal digital yang akan dimodulasi, d(t), adalah urutan bit biner. Dalam BFSK, sinyal termodulasi s(t) dapat dinyatakan sebagai:

s(t)=Ac​cos(2πf1​t) ketika bit data adalah ‘1’ s(t)=Ac​cos(2πf0​t) ketika bit data adalah ‘0’

Di mana:

• Ac​ adalah amplitudo gelombang pembawa (konstan).
• f1​ adalah frekuensi yang terkait dengan bit ‘1’.
• f0​ adalah frekuensi yang terkait dengan bit ‘0’.

Penting untuk dicatat bahwa frekuensi f1​ dan f0​ dipilih sedemikian rupa sehingga mereka cukup terpisah untuk dapat dibedakan dengan jelas di sisi penerima, namun tidak terlalu jauh sehingga memboroskan bandwidth.

Spektrum Sinyal FSK dan Bandwidth

Spektrum sinyal FSK terdiri dari dua kelompok sideband yang berpusat di sekitar masing-masing frekuensi f1​ dan f0​. Bandwidth yang dibutuhkan oleh sinyal FSK ditentukan oleh selisih frekuensi (∣f1​−f0​∣) dan laju bit (Rb​).

Untuk BFSK, bandwidth minimum yang dibutuhkan dapat diestimasi dengan Aturan Carson yang dimodifikasi atau dengan mempertimbangkan dua spektrum ASK terpisah:

BWFSK​≈∣f1​−f0​∣+2Rb​

Atau lebih umum menggunakan Aturan Carson yang asli untuk deviasi frekuensi maksimum $ \Delta f = \frac{|f_1 – f_0|}{2} $:

BWFSK​≈2(Δf+Rb​)=2(2∣f1​−f0​∣​+Rb​)=∣f1​−f0​∣+2Rb​

Penting untuk diingat bahwa bandwidth FSK secara umum lebih lebar daripada ASK atau PSK untuk laju bit yang sama, terutama untuk deviasi frekuensi yang besar. Namun, bandwidth yang lebih lebar ini memberikan keuntungan dalam hal ketahanan noise.

Bentuk-bentuk FSK

Selain Binary FSK (BFSK) yang hanya menggunakan dua frekuensi, ada varian FSK yang lebih kompleks untuk meningkatkan efisiensi spektrum:

1. M-ary FSK (MFSK):
   • Menggunakan lebih dari dua frekuensi untuk mengkodekan lebih dari satu bit per simbol. Misalnya, 4-FSK menggunakan empat frekuensi berbeda untuk mewakili kombinasi dua bit (00, 01, 10, 11).
   • Setiap simbol M-ary mengirimkan log2​M bit.
   • Meskipun ini meningkatkan efisiensi spektrum per simbol, bandwidth total mungkin tetap lebar jika frekuensi-frekuensi tersebut terlalu terpisah.
2. Continuous Phase FSK (CPFSK):
   • Dalam FSK konvensional, saat terjadi perpindahan dari satu frekuensi ke frekuensi lain, fase gelombang pembawa bisa terputus. Ini menyebabkan sideband yang tidak diinginkan dan boros bandwidth.
   • CPFSK dirancang agar fase gelombang pembawa tetap kontinu (tidak terputus) saat frekuensi bergeser. Ini dicapai dengan memilih frekuensi f1​ dan f0​ sedemikian rupa sehingga periode gelombang pembawa selama durasi bit ‘1’ atau ‘0’ adalah bilangan bulat kelipatan dari periode gelombang pembawa yang baru.
   • Keuntungan: Mengurangi out-of-band radiation dan membuat spektrum sinyal lebih kompak, sehingga lebih efisien secara spektral.
   • Contoh: Minimum Shift Keying (MSK) adalah bentuk khusus dari CPFSK di mana perbedaan antara frekuensi ‘1’ dan ‘0’ tepat setengah dari laju bit. Ini adalah salah satu bentuk FSK yang paling efisien secara spektral.
3. Audio Frequency Shift Keying (AFSK):
   • Bukan modulasi RF langsung, melainkan modulasi digital yang dilakukan pada audio tone. Digital data diwakili oleh perubahan frekuensi nada audio, yang kemudian dapat ditransmisikan melalui peralatan radio atau telepon yang dirancang untuk suara.
   • Aplikasi: Digunakan dalam modem telepon awal (Bell 103), Caller ID, dan dalam radio amatir (misalnya, paket radio) karena memungkinkan transmisi data melalui peralatan suara yang tidak dimodifikasi.

Pemancar FSK (FSK Transmitter)

Modulator FSK dapat diimplementasikan dengan beberapa cara:

1. Menggunakan Multiple Oscillators:
   • Ini adalah metode paling sederhana secara konseptual. Pemancar memiliki dua (atau lebih, untuk MFSK) osilator terpisah, masing-masing menghasilkan frekuensi yang berbeda (f1​, f0​).
   • Sebuah switch elektronik (yang dikontrol oleh sinyal data digital) memilih osilator mana yang akan dihubungkan ke penguat daya dan antena pada waktu tertentu.
   • Kekurangan: Metode ini dapat menyebabkan diskontinuitas fase saat beralih antar frekuensi, yang menghasilkan sideband yang tidak diinginkan.
2. Menggunakan Voltage-Controlled Oscillator (VCO):
   • Ini adalah metode yang lebih umum. Sebuah VCO menghasilkan frekuensi output yang bervariasi secara langsung dengan tegangan input.
   • Sinyal data digital (setelah diubah menjadi level tegangan yang sesuai, misalnya, satu level tegangan untuk ‘1’ dan level lain untuk ‘0’) dimasukkan ke input kontrol VCO.
   • Ketika level tegangan berubah, frekuensi output VCO juga berubah, menghasilkan sinyal FSK.
   • Keuntungan: Lebih mudah untuk mencapai CPFSK (fase kontinu) dengan desain VCO yang tepat.

Setelah modulasi, sinyal FSK biasanya melewati penguat daya dan kemudian antena untuk dipancarkan.

Penerima FSK (FSK Receiver) dan Demodulasi

Di sisi penerima, sinyal FSK harus didemodulasi untuk mengembalikan data digital asli. Sama seperti ASK, ada deteksi koheren dan non-koheren.

1. Deteksi Koheren (Coherent Detection):
   • Membutuhkan dua (atau lebih) gelombang pembawa lokal yang disinkronkan secara fase dan frekuensi dengan frekuensi FSK yang mungkin.
   • Proses: Sinyal FSK yang diterima dikalikan dengan masing-masing gelombang pembawa lokal (misalnya, satu untuk f1​ dan satu untuk f0​). Hasil perkalian ini kemudian dilewatkan melalui filter low-pass. Output dari setiap filter kemudian dibandingkan. Output yang lebih besar menunjukkan frekuensi mana yang diterima, dan dengan demikian bit mana yang dikirim.
   • Keuntungan: Kinerja noise terbaik.
   • Kekurangan: Lebih kompleks karena memerlukan sirkuit pemulihan pembawa yang akurat untuk sinkronisasi fase.
2. Deteksi Non-Koheren (Non-Coherent Detection):
   • Lebih umum dan lebih sederhana untuk diimplementasikan. Tidak memerlukan sinkronisasi fase.
   • Pendekatan Filter Bank (Discriminator): Sinyal FSK yang diterima dilewatkan melalui dua (atau lebih) filter band-pass yang disetel secara terpisah ke frekuensi f1​ dan f0​. Setelah melewati filter, sinyal-sinyal tersebut dideteksi amplitudonya (menggunakan detektor envelope) dan kemudian dibandingkan. Filter yang menghasilkan output amplitudo yang lebih tinggi menunjukkan frekuensi mana yang aktif.
   • Pendekatan Phase-Locked Loop (PLL): PLL dapat digunakan untuk melacak frekuensi sinyal FSK yang masuk. Tegangan kontrol PLL, yang bervariasi sesuai dengan perubahan frekuensi input, kemudian digunakan untuk merekonstruksi data digital.
   • Keuntungan: Sederhana, robust, tidak memerlukan sinkronisasi fase yang kompleks.
   • Kekurangan: Kinerja noise sedikit lebih buruk dibandingkan deteksi koheren.

Setelah demodulasi, sinyal data digital yang dipulihkan akan melewati decision device (komparator) untuk mengembalikan bit 0 dan 1 yang asli.

Kelebihan dan Kekurangan FSK

Kelebihan FSK:

1. Ketahanan Terhadap Noise (Noise Immunity): Ini adalah keunggulan utama FSK dibandingkan ASK. Karena informasi dikodekan dalam variasi frekuensi (bukan amplitudo), noise yang cenderung memengaruhi amplitudo sinyal memiliki dampak yang lebih kecil pada deteksi frekuensi. Penerima FSK dapat menggunakan limiter (seperti pada penerima FM) untuk menghilangkan fluktuasi amplitudo yang disebabkan noise.
2. Amplitudo Konstan: Amplitudo gelombang pembawa FSK tetap konstan. Ini memungkinkan penggunaan penguat daya non-linier di pemancar, yang lebih efisien dan lebih murah daripada penguat linier yang dibutuhkan ASK atau modulasi berbasis amplitudo lainnya.
3. Tidak Membutuhkan AGC: Karena amplitudo konstan, penerima FSK tidak memerlukan sirkuit Automatic Gain Control (AGC) yang kompleks untuk mengatasi fading sinyal, tidak seperti ASK.
4. Implementasi Relatif Sederhana: Meskipun lebih kompleks dari ASK, FSK masih relatif sederhana untuk diimplementasikan, terutama deteksi non-koheren.

Kekurangan FSK:

1. Bandwidth yang Lebih Lebar: FSK umumnya membutuhkan bandwidth yang lebih lebar dibandingkan ASK dan PSK (terutama PSK). Ini karena perlu adanya perbedaan yang cukup antara frekuensi ‘mark’ dan ‘space’ untuk deteksi yang andal, dan juga karena sideband yang terkait dengan setiap frekuensi.
2. Efisiensi Spektrum Lebih Rendah: Kebutuhan bandwidth yang lebih lebar ini berarti efisiensi spektrum (bit per Hertz) FSK lebih rendah dibandingkan PSK atau QAM. Ini membatasi jumlah data yang dapat dikirimkan melalui spektrum frekuensi terbatas.
3. Kompleksitas Lebih Tinggi dari ASK: Meskipun sederhana, FSK lebih kompleks dibandingkan ASK, terutama jika menerapkan CPFSK atau deteksi koheren.

Aplikasi Frequency Shift Keying

Karena ketahanan noise dan kesederhanaannya, FSK telah digunakan dalam berbagai aplikasi, terutama untuk komunikasi data dengan laju rendah hingga menengah:

• Modem Dial-up Awal: Modem telepon pertama (misalnya, modem Bell 103 dan Bell 202) menggunakan AFSK untuk mengirimkan data melalui jalur telepon.
• Caller ID: Sistem Caller ID di telepon rumah di Amerika Utara masih menggunakan standar Bell 202 (sebuah bentuk AFSK).
• Radio Amatir (Amateur Radio): AFSK digunakan dalam berbagai mode komunikasi data di radio amatir, seperti packet radio dan RTTY (Radio Teletype), karena kemampuannya bekerja dengan peralatan suara standar.
• Sistem Telemetri: Mengirimkan data dari sensor atau perangkat ke lokasi terpencil, misalnya, dari stasiun cuaca atau balon cuaca (radiosondes).
• Pager: Beberapa sistem paging (meskipun sekarang sudah jarang) menggunakan FSK.
• Sistem Alarm dan Kontrol Industri: Untuk transmisi data yang andal di lingkungan yang bising.
• Pembuka Pintu Garasi dan Sistem Masuk Tanpa Kunci (Keyless Entry): Beberapa sistem ini menggunakan FSK.
• RFID (Radio Frequency Identification): Beberapa sistem RFID menggunakan FSK, terutama untuk komunikasi yang lebih robust daripada OOK.
• Komunikasi Bawah Air (Underwater Communication): FSK dapat digunakan dalam sonar untuk mengirimkan data karena frekuensi audio lebih efektif di air daripada gelombang radio.
• Transmisi Data Berkecepatan Rendah: Meskipun teknologi telah berkembang pesat, FSK masih menjadi pilihan yang layak untuk aplikasi di mana kecepatan data bukan prioritas utama tetapi keandalan tinggi dan biaya rendah sangat penting.

— Amplitude Shift Keying —

Kesimpulan

Frequency Shift Keying (FSK) adalah teknik modulasi digital yang fundamental dan andal yang mengkodekan informasi biner dengan mengubah frekuensi gelombang pembawa. Kemampuannya untuk mempertahankan amplitudo konstan menjadikan FSK jauh lebih tahan terhadap noise yang memengaruhi amplitudo dibandingkan dengan Amplitude Shift Keying (ASK). Meskipun FSK umumnya membutuhkan bandwidth yang lebih lebar daripada ASK atau Phase Shift Keying (PSK) untuk laju bit yang sama, ketahanannya terhadap noise dan kesederhanaan implementasinya menjadikannya pilihan yang sangat baik untuk berbagai aplikasi, terutama di mana biaya rendah, keandalan, dan komunikasi data berkecepatan rendah hingga menengah adalah prioritas.

Dari sistem Caller ID yang bekerja di balik layar, hingga komunikasi telemetri yang vital di lingkungan yang menantang, FSK telah membuktikan dirinya sebagai pilar dalam dunia komunikasi digital. Pemahaman tentang FSK tidak hanya membuka wawasan mengenai bagaimana informasi digital diangkut, tetapi juga memberikan apresiasi terhadap trade-off yang ada dalam desain sistem komunikasi antara efisiensi spektrum, ketahanan noise, dan kompleksitas implementasi.

Referensi : https://www.techtarget.com/searchnetworking/definition/frequency-shift-keying&hl=id&sl=en&tl=id&client=srp