Data Digital dan Sinyal-sinyal Digital

Data Digital dan Sinyal-sinyal Digital

     Suatu sinyal digital merupakan deretan pulsa voltase terputus-putus yang berlainan dan masing-masing memiliki ciri-ciri tersendiri. Setiap pulsa merupakan sebuah elemen sinyal. Data biner ditransmisikan melalui pengkodean setiap bit data kedalam elemen-elemen sinyal.  Rate pensinyalan data suatu sinyal, (atau disebut rate data), adalah rate data dimana data ditransmisikan, ditujukkan dalam bit per detik. Durasi atau panjang bit adalah jumlah waktu yang diambil transmitter untuk memancarkan bit; untuk rate data R, durasi bit adalah 1/R. Sebalikya, rate modulasi adalah rate dimana level sinyal berubah. Hal ini tergantung pada sifat pengkodean digital, seperti yang akan dijelaskan nanti. Rate modulasi dinyatakan dalam baud, yang berarti elemenelemen siyal per detik. Terakhir, istilah mark and space, karena alasan historis, menunjuk pada digit biner 1 dan 0.

Tabel Istilah-istilah Kunci Komunikasi Data

Istilah	Unit-unit	Definisi
Elemen	Bit-bit	Biner Tunggal Satu atau Nol
Rate Data	Bit per detik	Rate Dimana Elemen-elemen data di Transmisikan
Elemen Sinyal	Digital : Sebuah Pulsa voltase Amplitudonya Konstan Analog: Sebuah Pulsa Frekuensi, Fase dan Amplitudo Konstan	Bagian dari Sinyal yang Menempati Interval Kode
Rate Pensinyalan atau Rate Modulasi	Elemen Sinyal Per detik (baud)	Rate  dimana Elemen-elemen Sinyal Ditransmisikan

  Terdapat faktor lain yang dapat dipergunakan untuk meningkatkan kinerja, yakni skema pengkodean. Skema pengkodean adalah pemetaan sedehana mulai dari bit-bit data sampai meniadi elemen-elemen sinyal. Berbagai pendekatan sudah diupayakan.  Sebelum menggambarkan teknik-teknik ini, mari kita beranjak pada cara-cara mengevaluasi atau membandingkan berbagai teknik tersebut:

• Spektrum sinyal: Beberapa aspek spektrum sinyal sangatlah penting. Berkurangnya komponen komponen berfrekuensi tinggi berarti kurangnya bandwidth yang diperlukan untuk transmisi. Selain itu, berkurangnya komponen arus searah (dc) juga diharapkan. Dengan komponen dc terhadap sinyal, harus ada perangkat fisik langsung untuk komponen-komponen transmisi. Tanpa dc componen, dimungkinkan pengkopelan ac melalui transformer; yang menyediakan isolasi elektrik yang sangat baik serta mampu mergurangi interferensi. Terakhir, magnitudo dampak dari distorsi sinyal dan interferensi tergantung dari sifat-sifat spektrum sinyal-sinyal yang ditransmisikan. Pada prakteknya, yang biasanya terjadi adalah fungsi transfer suatu kanal terganggu di pinggir band. Karenanya, desain sinyal yang baik harus mengkonsentrasikan daya yang ditransmisi di tengahtengah bandwidth transmisi. Pada kasus semacam itu, bisa terjadi distorsi kecil pada sinyal yang diterima. Agar memenuhi tujuan ini, kode-kode dirancang dengan tujuan pembentukan spektrum sinyal yang ditransmisikan.
• Clocking: Kita menyebutkan perlunya menentukan permulaan dan akhir posisi setiap bit. Ini bukan tugas yang mudah. Pendekatan yang agak mahal adalah dengan menyediakan clock (detak) terpisah yang membawa pada sinkronisasi antara transmitter dan receiver. Alternatif lain adalah dengan menyediakan beberapa mekanisme sinkronisasi yang didasarkan atas sinyal yang ditransmisikan. Hal ini dapat dicapai dengan pengkodean yang sesuai.
• Kekebalan terhadap derau dan interferensi sinyal: Beberapa kode tertentu menuniukkan kinerja yang sangat baik dalam mengatasi derau. Biasanya dinyatakan dalam istilah-istilah BER. 
• Biaya dan kelengkapan: Meskipun logika digital terus menurun harganya, faktor ini sering diabaikan. Biasanya, semakin tinggi rate pensinyalan dalam mendapatkan rate data tertentu biayanya semakin mahal. Kita akan melihat bahwa beberapa kode yang memerlukan rate pensinyalan, ternyata lebih besar dibanding rate data aktual. 

     Nonreturn to Zero (NRZ) Yang paling umum dan paling mudah dalam mentransmisikan sinyal-sinyal digital adalah dengan menggunakan dua tingkat voltase yang berlainan untuk dua digit biner. Kode-kode yang mengikuti cara ini membagi sifat-sifat Tingkat Voltase tetap konstan sepanjang interval bit ; dalam hal ini tidak terdapat transisi (tidak kembali ke level voltase nol). Sebagai contoh, ketiadaan voltase dapat digunakan untuk menampilkan biner 0, dan voltase positif konstan untuk menampilkan biner 1. Yang lebih umum lagi, voltase negatif digunakan untuk menampilkan nilai biner 1 dan voltase positif untuk menampilkan yang lain. Kode ini disebut sebagai Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L). NRZI adalah contoh dari pengkodean diferensial. Pada pengkodean diferensial, informasi yang ditransmisikan lebih ditujukan pada pengertian susunan simbol-simbol data yang berurutan dibandingkan dengan elemen-elemen sinyal itu sendiri. Umumnya, Pengkodean bit yang datang ditetapkan sebagai berikut : Bila bit yang datang berupa biner 0, berarti penandaan bit sama dengan sinyal pada bit sebelumnya, tetapi bila bit yang datang berupa biner 1, maka bit tersebut ditandai dengan sinyal yang berbeda dari bit sebelumnya.

   Satu keuntungan dengan pemberian kode yang berbeda adalah kemudahan atau keandalan mendeteksi transisi derau yang ada daripada dengan membandingkan nilai tersebut dengan threshold. Keuntungan lainnya adalah dalam rancangan transmisi yang rumit, semakin mudah kita untuk melepaskan sifat polaritas sinyal. Sebagai contoh, pada jalur twisted pair multi drop, bila leads pada perangkat yang dipasang di twisted pair kebetulan terbalik, maka keseluruhan 1s dan 0s untuk NRZ-L akan terbalik pula. Hal ini tidak akan terjadi dengan pemberian kode yang berbeda.

    Kelemahan utama untuk sinyal-sinyal NRZ adalah keberadaan dc componen dan kurangnya kemampuan sinkronisasi. Untuk menggambarkan problem itu, perhatikan bahwa dengan sebuah string panjang sebesar 1s atau 0s untuk NRZ-L atau sebuah string panjang sebesar 0s untuk NRZI, menghasilkan output voltase tetap selama beberapa perioda waktu. Dalam keadaan seperti ini, apapun penyimpangan pada pewaktuan antara transmitter dan receiver akan menyebabkan hilangnya sinkronisasi di antara kedua perangkat tersebut.

 

   Multilevel Biner Golongan teknik-teknik pengkodean yang disebut sebagai multilevel biner diarahkan untuk mengatasi ketidakefisienan kode-kode NRZ. Kode-kode ini menggunakan lebih dari dua level sinyal. Dalam kasus skema bipolar ITU-T, biner 0 ditampilkan melalui Nonsinyal Pada Jalur (no line signal)sedangkan biner 1 ditampilkan melalui pulsa positif atau negatif. Pulsa biner 1 harus berganti-ganti polaritasnya. Terdapat beberapa keuntungan untuk pendekatan ini. Pertama, kehilangan sinkronisasi tidak akan terjadi bila muncul string panjang 1s. Masing-masing biner 1 menghasilkan sebuah transisi, dan receiver dapat melakukan sinkronisasikembali pada transmisi tersebut. String panjang sebesar biner 0 masih akan menjadi suatu masalah. Kedua, karena sinyal-sinyal biner 1 berganti voltase dari positif ke negatif maka, tidak ada dc componen murni. Selain itu, bandwidth dari sinyal-sinyal yang dihasilkan sangat tipis dibandingkan bandwidth untuk NRZ.

  Terakhir, sifat pulsa yang berganti-ganti memungkinkan hanya diperlukan suatu alat sederhana untuk mendeteksi kesalahan. Apapun error yang terisolasi, apakah error yang menghapus pulsa ataukah yang menarnbah pulsa, menyebabkan penyimpangan dari sifat-sifat ini.

    Ulasan dari paragraf sebelumnya juga dapat diterapkan untuk pseudoternari. Dalam hal ini, biner 1 lah yang sesuai untuk melalui ketiadaan sinyal pada jalur, dan biner 0 melalui pulsa yang berganti-ganti negatif dan positif. Tidak ada kelebihan khusus teknik yang satu terhadap teknik yang lain, dan masing-masing menjadi dasar untuk diterapkan pada aplikasi yang sesuai. Meskipun derajat sinkronisasi dilengkapi dengan kode-kode ini, string panjang biner 0 dalam kasus AMI atau biner 1 dalam kasus pseudoternari masih menampilkan masalah. Beberapa teknik yang dipergunakan untuk mengatasi ketidakefisienan ini. Satu pemecahannya adalah dengan menyelipkan bit-bit tambahan yang menciptakan transisi. Teknik ini digunakan pada ISDN untuk transmisi rate data rendah secara relatif. Tentu saja, pada rate data yang tinggi,skema ini dianggap mahal, karena harus terjadi pada rate transmisi sinyal yang tinggi. Untuk mengatasi masalah ini pada rate data yang tinggi, teknik yang melibatkan pemilihan data dipergunakan. Kita menguji dua contoh dari teknik ini nanti di bagian ini. Jadi, dengan modifikasi yang sesuai, skema biner multilevel mampu mengatasi problern-problem kode NRZ. Tentu saja, saat keputusan rancangan disusun, saat itu juga terjadi pemilihan kemungkinan-kemungkinan. Dengan pengkodean biner multilevel, sinyal jalur menerima satu dari tiga level, namun masing-masing elemen sinyal, yang dapat menampilkan log2 3 = 1,58 bit informasi, hanya memuat satu bit informasi. Jadi, biner multilevel tidak seefisien pengkodean NRZ. Cara lain untuk menyatakan ini adalah bahwa receiver sinyalsinyal biner multilevel harus membedakan diantara ketiga level (+A, -A, 0) daripada hanya dua level dalam format pensinyalan yang sebelumnya sudah dibahas. Karena hal ini, sinyalbiner multilevel memerlukan daya sinyal kira-kira 3 dB lebih dibanding sebuah sinyal bernilai dua untuk probabilitas yang sama dalam kesalahan bit.

Grafik Rate error Bit Secara Teoritis Untuk Berbagai Skema Pengkodean

Bifase Terdapat serangkaian teknik pengkodean yang lain, dikelompokkan ke dalam istilah bifase, yang mengatasi keterbatasan kode-kode NRZ. Dua dari teknik-teknik ini Manchester dan Differential Manchester, sudah dipergunakan secara luas. Pada kode Manchester, terdapat transisi ditengah-tengah setiap perioda bit. Transisi pertengahan bit bermanfaat sebagai mekanisme detak dan sekaligus sebagai data transisi rendah-ke-tinggi menggambarkan 1, sedangkan transisi tinggi-ke-rendah menggambarkan 0. Pada Diferensial Manchester, transisi pertengahan bit hanya digunakan untuk menyediakan detak. Pengkodean 0 digambarkan melalui keberadaan transisi pada permulaan perioda bit. Diferensial Manchester memiliki keuntungan tambahan dengan menggunakan pengkodean diferensial. Semua teknik Bifase memerlukan paling sedikitsatu transisi per bir waktu dan mungkin mempunyai dua transisi. Jadi, dua kalinya yang diperlukan NRZ; ini berarti bahwa bandwidth yang dıperlukan tentunya lebih besar. Dengan kata lain, skema biphase memiliki beberapa keuntungan antara lain:

• Sinkronisasi: Karena terdapat trarsisi yang dapat diprediksikan sebelumnya sepanjang setiap satuan waktu bit waktu, receiver menjadi sinkron pada transisi tersebut.Untuk alasan ini, kode-kode bifase dikenal sebagai kode-kode swadetak.
• Tanpa komponen dc:Kode-kode bifase tidak memiliki komponen dc, yang manfaamya sudah dijelaskan pada bagian awal buku ini. 
• Pendeteksian kesalahan: Tidak adanya transisi yang diharapkan dapat digunakan untuk mendeteksi error. Derau pada jalur tidak akan membalıkkan sınyal baik sebelum maupun sesudah transisi yang diharapkan menimbulkan error yang tak terdeteksi.

    Kode-kode bifase merupakan teknik yang populer untuk transmisi data. Kode Manchester yang lebih umum sudah ditetapkan untuk standar IEEE 802,3 untuk baseband kabel koaksial dan twisted pair CSMA/CD bus LAN. Differential Manchester sudah ditetapkan untuk token ring IEEE 802.5 LAN, menggunakan shielded twisted pair.

Rate Modulasi Saat teknik-teknik pengkodean sinyal digunakan,perlu dibuat suatu perbedaan jelas antara rate data (dinyatakan dalam bit per detik )dan ıate modulası (dinyatakan dalam baud). Rate data, atau rate bit ,adalah 1/tg dimana tB durasi bit. Rate modulasi adalah rate tempat elemen-elemen sinyal dimunculkan. Untuk contoh, diambil pengkodean Manchester. Elemen sinyal berukuran mınimum adalah sebuah pulsa satu setengah durasi dari sebuah interval bit. Untuk sebuah string semua binary nol atau semua binari satu, aliran kontinu dari pulsa semacam itu dibangkıtkan. Karenanya, rate modulası maksimum untuk Manchester adalah 2/tB.

Teknik-Teknik Scrambling Meskipun teknik bifase sudah digunakan secara luas untuk aplikasi-aplikasi Lokal Area Network pada rate data yang relatıf tinggi (mencapai  10 Mbps), namun tidak terlalu dimanfaatkan untuk aplikasi-aplikasi jarak jauh. Alasan utamanya karena teknik bifase memerlukan rate data dengan pensinyalan lebih tinggi. Sehingga lebih memakan biaya untuk aplikasi jarak jauh. Pendekatan lain adalah dengan menggunakan beberapa skema scrambling. Gagasan dibalik skema ini sederhana sekali yaitu  menghasilkan level voltase konstan dijalurnya dan digantikan oleh Runtunan Pengisi (yang akan menyediakan transisi yang cukup untuk detak-receiver dalam memelihara sinkronisasi). Runtunan Pengisi harus dikenal receiver dan akan digantikan dengan runtunan yang asli. Runtunan pengisi ini sama panjangnya dengan Runtunan yang asli, sehingga tidak ada peningkatan rate data.

Published By : Wahyu Hamid Fadli

Sumber : Stitrusta Sukaridhoto, ST. Ph.D. 2016. Komunikasi Data & Komputer. Politeknik Elektronika Surabaya.