Perbedaan Gelombang FM dan AM

1. Multichannel Frequency Modulation ( FM )

Orang yang berjasa menemukan gelombang FM adalah Edwin Howard Armstrong yang dikenal sebagai “Bapak penemu radio FM”.

Di antara keuntungan FM adalah bebas dari pengaruh gangguan udara, bandwidth (lebar pita) yang lebih besar, dan fidelitas yang tinggi. Jika dibandingkan dengan sistem AM, maka FM memiliki beberapa keunggulan, diantaranya :

a. Lebih tahan noise
Frekuensi yang dialokasikan untuk siaran FM berada diantara 88 – 108 MHz, dimana pada wilayah frekuensi ini secara relatif bebas dari gangguan baik atmosfir maupun interferensi yang tidak diharapkan. Jangkauan dari sistem modulasi ini tidak sejauh, jika dibandingkan pada sistem modulasi AM dimana panjang gelombangnya lebih panjang. Sehingga noise yang diakibatkan oleh penurunan daya hampir tidak berpengaruh karena dipancarkan secara LOS (Line Of Sight).

b. Bandwith yang Lebih Lebar
Saluran siar FM standar menduduki lebih dari sepuluh kali lebar bandwidth (lebar pita) saluran siar AM. Hal ini disebabkan oleh struktur sideband nonlinear yang lebih kompleks dengan adanya efek-efek (deviasi) sehingga memerlukan bandwidth yang lebih lebar dibanding distribusi linear yang sederhana dari sideband-sideband dalam sistem AM. Band siar FM terletak pada bagian VHF (Very High Frequency) dari spektrum frekuensi di mana tersedia bandwidth yang lebih lebar daripada gelombang dengan panjang medium (MW) pada band siar AM.

c. Fidelitas Tinggi
Respon yang seragam terhadap frekuensi audio (paling tidak pada interval 50 Hz sampai 15 KHz), distorsi (harmonik dan intermodulasi) dengan amplitudo sangat rendah, tingkat noise yang sangat rendah, dan respon transien yang bagus sangat diperlukan untuk kinerja Hi-Fi yang baik. Pemakaian saluran FM memberikan respon yang cukup untuk frekuensi audio dan menyediakan hubungan radio dengan noise rendah. Karakteristik yang lain hanyalah ditentukan oleh masalah rancangan perangkatnya saja.

d. Transmisi Stereo
Alokasi saluran yang lebar dan kemampuan FM untuk menyatukan dengan harmonis beberapa saluran audio pada satu gelombang pembawa, memungkinkan pengembangan sistem penyiaran stereo yang praktis. Ini merupakan sebuah cara bagi industri penyiaran untuk memberikan kualitas reproduksi sebaik atau bahkan lebih baik daripada yang tersedia pada rekaman atau pita stereo. Munculnya compact disc dan perangkat audio digital lainnya akan terus mendorong kalangan industri peralatan dan teknisi siaran lebih jauh untuk memperbaiki kinerja rantai siaran FM secara keseluruhan.

e. Hak komunikasi Tambahan
Bandwidth yang lebar pada saluran siar FM juga memungkinkan untuk memuat dua saluran data atau audio tambahan, sering disebut Subsidiary Communication Authorization (SCA), bersama dengan transmisi stereo. Saluran SCA menyediakan sumber penerimaan yang penting bagi kebanyakan stasiun radio dan sekaligus sebagai media penyediaan jasa digital dan audio yang berguna untuk khalayak.

Teori Modulasi Frekuensi (FM)

Baik FM (Frekuensi Modulation) maupun PM (Phase Modulation) merupakan kasus khusus dari modulasi sudut (angular modulation). Dalam sistem modulasi sudut frekuensi dan fasa dari gelombang pembawa berubah terhadap waktu menurut fungsi dari sinyal yang dimodulasikan (ditumpangkan). Misal persamaan gelombang pembawa dirumuskan sebagai berikut :

U_c = A_c sin (w_c θ+ _c)

Dalam modulasi amplitudo (AM) maka nilai ‘A_c‘ akan berubah-ubah menurut fungsi dari sinyal yang ditumpangkan. Sedangkan dalam modulasi sudut yang diubah-ubah adalah salah satu dari komponen ‘w_c θ+ _c‘. Jika yang diubah-ubah adalah komponen ‘w_c θ‘ maka disebut Frekuensi Modulation (FM), dan jika komponen ‘c‘ yang diubah-ubah maka disebut Phase Modulation (PM).

Jadi dalam sistem FM, sinyal modulasi (yang ditumpangkan) akan menyebabkan frekuensi dari gelombang pembawa berubah-ubah sesuai perubahan frekuensi dari sinyal modulasi. Sedangkan pada PM perubahan dari sinyal modulasi akan merubah fasa dari gelombang pembawa. Hubungan antara perubahan frekuensi dari gelombang pembawa, perubahan fasa dari gelombang pembawa, dan frekuensi sinyal modulasi dinyatakan sebagai indeks modulasi (m) dimana :

m = Perubahan frekuensi (peak to peak Hz) / frekuensi modulasi (Hz)

Dalam siaran FM, gelombang pembawa harus memiliki perubahan frekuensi yang sesuai dengan amplituda dari sinyal modulasi, tetapi bebas frekuensi sinyal modulasi yang diatur oleh frekuensi modulator.

Pre-Emphasis 
Pre-emphasis dipakai dalam pesawat pemancar untuk mencegah pengaruh kecacatan pada sinyal terima. Karena iru komponen pre-emphasis ditempatkan pada awal sebelum sinyal itu sempat masuk pada modulator. Pengaruh kecacatan itu berasal dari differential gain (DG-penguatan yang berbeda) dan differential phase (DP-fasa yang berbeda). Pre-emphasis akan menekan amplitudo dari frekuensi sinyal FM yang lebih rendah pada input.

Dengan penggunaan alat ini ketidaklinearan (cacat) akibat sifat DG dan DP dalam transmisi dapat dikurangi. Nantinya di ujung terima pada demodulator dipasang komponen de-emphasis yang mempunyai fungsi kebalikan dari pre-emphasis.

Modulasi FM

Di pemancar radio dengan teknik modulasi FM, frekuensi gelombang carrier akan berubah seiring perubahan sinyal suara atau informasi lainnya. Amplitudo gelombang carrier relatif tetap. Setelah dilakukan penguatan daya sinyal (agar bisa dikirim jauh), gelombang yang telah tercampur tadi dipancarkan melalui antena.

Seperti halnya gelombang termodulasi AM, gelombang ini pun akan mengalami redaman oleh udara dan mendapat interferensi dari frekuensi-frekuensi lain, noise, atau bentuk-bentuk gangguan lainnya. Tetapi, karena gangguan itu umumnya berbentuk variasi amplitudo, kecil kemungkinan dapat memengaruhi informasi yang menumpang dalam frekuensi gelombang carrier.

Akibatnya, mutu informasi yang diterima tetap baik. Dan, kualitas audio yang diterima juga lebih tinggi daripada kualitas audio yang dimodulasi dengan AM. Jadi, musik yang kita dengar akan serupa dengan kualitas musik yang dikirim oleh stasiun radio sehingga enggak salah kalau stasiun-stasiun radio siaran lama (yang dulunya AM) pindah ke teknik modulasi ini. Sementara stasiun-stasiun radio baru juga langsung memilih FM.

Selain itu, teknik pengiriman suara stereonya juga tidak terlalu rumit. Jadinya, rangkaian penerima FM stereo mudah dibuat, sampai-sampai dapat dibuat seukuran kotak korek api. Produk FM autotuner seukuran kotak korek api ini sudah gampang diperoleh di kaki lima dengan harga yang murah. Kualitasnya cukup memadai untuk peralatan semurah dan sekecil itu.

Pemancar FM

Tujuan dari pemancar FM adalah untuk merubah satu atau lebih sinyal input yang berupa frekuensi audio (AF) menjadi gelombang termodulasi dalam sinyal RF (Radio Frekuensi) yang dimaksudkan sebagai output daya yang kemudian diumpankan ke sistem antena untuk dipancarkan. Dalam bentuk sederhana dapat dipisahkan atas modulator FM dan sebuah power amplifier RF dalam satu unit. Sebenarnya pemancar FM terdiri atas rangkaian blok subsistem yang memiliki fungsi tersendiri, yaitu:

1. FM exciter merubah sinyal audio menjadi frekuensi RF yang sudah termodulasi
2. Intermediate Power Amplifier (IPA) dibutuhkan pada beberapa pemancar untuk meningkatkan tingkat daya RF agar mampu menghandle final stage
3. Power Amplifier di tingkat akhir menaikkan power dari sinyal sesuai yang dibutuhkan oleh sistem antena
4. Catu daya (power supply) merubah input power dari sumber AC menjadi tegangan dan arus DC atau AC yang dibutuhkan oleh tiap subsistem
5. Transmitter Control System memonitor, melindungi dan memberikan perintah bagi tiap subsistem sehingga mereka dapat bekerja sama dan memberikan hasil yang diinginkan
6. RF lowpass filter membatasi frekuensi yang tidak diingikan dari output pemancar
7. Directional coupler yang mengindikasikan bahwa daya sedang dikirimkan atau diterima dari sistem antenna

FM Exciter

Jantung dari pemancar siaran FM terletak pada exciter-nya. Fungsi dari exciter adalah untuk membangkitkan dan memodulasikan gelombang pembawa dengan satu atau lebih input (mono, stereo, SCA) sesuai dengan standar FCC. Gelombang pembawa yang telah dimodulasi kemudian diperkuat oleh wideband amplifier ke level yang dibutuhkan oleh tingkat berikutnya.

Direct FM merupakan teknik modulasi dimana frekuensi dari oscilator dapat diubah sesuai dengan tegangan yang digunakan. Seperti halnya oscilator, disebut voltage tuned oscilator (VTO) dimungkinkan oleh perkembangan dioda tuning varaktor yang dapat merubah kapasitansi menurut perubahan tegangan bias reverse (disebut juga voltage controlled oscillator atau VCO).

Kestabilan frekuensi dari oscillitor direct FM tidak cukup bagus, untuk itu dibutuhkan automotic frekuensi control system (AFC) yang menggunakan sebuah kristal oscillator stabil sebagai frekuensi referensi. Komponen AFC berperan sebagai pengatur frekuensi yang dibangkitkan oscillator lokal untuk dicatukan ke mixer, sehingga frekuensi oscillator menjadi stabil.

2. Multychannel Amplitude Modulation ( AM )

Yang pertama kali menyebar luaskan Aplikasi untuk hubungan antara fiber optik secara analog yang mana di mulai pada akhir tahun 1980 adalah CATV Network. Network jenis ini beroprasi pada frekuensi antara 50 sampai 88 Mhz dan dari 120 samapi 550 Mhz. Frekuensi anatara 88 samapi 120 Mhz tidak digunaka karena digunaaka untuk penyiaran radio FM. Network ini dapat membawa lebih dari 80 AM vestigal-side band (AM-VSB) video chanel, masing-masing mempunyai noise selebar 4 Mhz dari lebar chanel yang 6 Mhz, dengan S/N ratio sebesar 40db. Untuk mempertahankan kesamaan dengan coax base network yang sebelumnya, format dari multichanel AM-VSB juga dipilih untuk sistem fiber optik. Gambar 9.7 memperlihatkan teknik untuk menggabungkan N pesan yang berdiri sendiri. Sinyal informasi pada chanel I gelombang pembawa AM mempunyai frekuensi Fi , dimana I= 1,2,…,N. Power RF menggabungkan kemudian menjumlah AM sejumlah N, yang menghasilkan sinyal FDN, yang mana intensitas modulasinya seperti Laser Dioda. Seperti halnya penerima optik, susunan paralel dari filter bandpass memisahkan sinyal dari gelombang cariernya, sehingga didapat sinyal aslinya, dengan teknik standar RF.

Untuk sejumlah besar carier FDM dengan fasa acak, sinyal carier menumpangi power basis. Kemudian untuk N channel, modulasi optikal dengan index m berhubungan dengan modulasi index m_i per channel dengan:

Jika setiap modulasi channel index m_i nilainya sama dengan nilai mc, maka dirumuskan :
Hasilnya jika N sinyal adalah frekuensi yang telah di multiplex dan digunakan untuk memodulasi sumber optik tunggal maka rasio ke noise dari sinyal tunggal berkurang dengan 10 log N. Andaikata beberapa channel digabungkan maka sinyal akan memperkuat tegangan, maka karakteristik penurunan menjadi 10 log N.

Jika beberapa frekuensi carrier melewati peralatan non linier seperti laser dioda dapat membangkitkan sinyal yang berbeda dari frekuensi asalnya yang disebut juga sebagai frekuensi intermodulation, dan dapat menyebabkan interferensi pada kedua band dari channel. Hasilnya adalah penurunan jumlah sinyal yang dapat ditransmisikan.

Jika frekuensi kerja dari channel kurang dari 1 oktaf seluruh distorsi harmonis bahkan distorsi intermodulasi (IM) akan keluar dari passband. Jika signal passband mengandung banyak signal carrier. Beberapa IM akan muncul pada frekuensi pada sama. Hal ini disebut juga staking yang merupakan tambahan dari basis power. Dimana ada dua nada orde ketiga tersebar pada daerah operasi passband. Tripel beat product dibuat untuk dikonsentrasikan pada tengah – tengah channel, jadi pembawa pusat menerima inteferensi yang paling besar. Tabel 9.1 dan 9.2 menunjukkan distribusi dari third order tripel beat and two tone IM product untuk nomer channel N dari 1 – 8.

Hasil dari beat stcaking adalah secara umum pada CSO ( Composite Second Order ) dan CTB ( Composite Tripel Beat ) dan digunakan untuk menggunakan kemampuan dari multichannel hubungan AM.

Modulasi AM

Dari banyak teknik modulasi, AM dan FM adalah modulasi yang banyak diterapkan pada radio siaran. Keduanya dipakai karena tekniknya relatif lebih mudah dibandingkan dengan teknik-teknik lain. Dengan begitu, rangkaian pemancar dan penerima radionya lebih sederhana dan mudah dibuat.

Di pemancar radio dengan teknik AM, amplitudo gelombang carrier akan diubah seiring dengan perubahan sinyal informasi (suara) yang dimasukkan. Frekuensi gelombang carrier-nya relatif tetap. Kemudian, sinyal dilewatkan ke RF (Radio Frequency) Amplifier untuk dikuatkan agar bisa dikirim ke jarak yang jauh. Setelah itu, dipancarkan melalui antena.

Tentu saja dalam perjalanannya mencapai penerima, gelombang akan mengalami redaman (fading) oleh udara, mendapat interferensi dari frekuensi-frekuensi lain, noise, atau bentuk-bentuk gangguan lainnya. Gangguan-gangguan itu umumnya berupa variasi amplitudo sehingga mau tidak mau akan memengaruhi amplitudo gelombang yang terkirim.

Akibatnya, informasi yang terkirim pun akan berubah dan ujung-ujungnya mutu informasi yang diterima jelas berkurang. Efek yang kita rasakan sangat nyata. Suara merdu Andien yang mendayu akan terdengar serak, aransemen Dewa yang bagus itu jadi terdengar enggak karuan, dan suara Iwan Fals benar-benar jadi fals.

Cara mengurangi kerugian yang diakibatkan oleh redaman, noise, dan interferensi cukup sulit. Pengurangan amplitudo gangguan (yang mempunyai amplitudo lebih kecil), akan berdampak pada pengurangan sinyal asli. Sementara, peningkatan amplitudo sinyal asli juga menyebabkan peningkatan amplitudo gangguan. Dilema itu bisa saja diatasi dengan menggunakan teknik lain yang lebih rumit. Tapi, rangkaian penerima akan menjadi mahal, sementara hasil yang diperoleh belum kualitas Hi Fi dan belum tentu setara dengan harga yang harus dibayar.

Itulah barangkali yang menyebabkan banyak stasiun radio siaran bermodulasi AM pindah ke modulasi FM. Konsekuensinya, mereka juga harus pindah frekuensi carrier karena aturan alokasi frekuensi carrier untuk siaran AM berbeda dengan siaran FM. Frekuensi carrier untuk siaran AM terletak di Medium Frequency (300 kHz - 3 MHz/MF), sedangkan frekuensi carrier siaran FM terletak di Very High Frequency (30 MHz - 300 Mhz/VHF).

Perbedaan Antara Gelombang AM dan FM

Mengenai perbedaan antara gelombang AM dan FM, bisa dijelaskan sebagai berikut. Sinyal suara tidak dapat langsung dipancarkan karena sinyal suara bukan gelombang elektromagnetik. Jika sinyal suara tersebut diubah menjadi gelombang elektromagnetik sekalipun, berapa panjang antena yang dibutuhkan. Untuk dapat mengirimkan sinyal suara dengan lebih mudah, sinyal suara tersebut terlebih dahulu ditumpangkan pada sinyal radio dengan frekuensi yang lebih tinggi dari sinyal suara tersebut. Metode untuk menumpangkan sinyal suara pada sinyal radio disebut modulasi. Modulasi yang sering dipakai radio adalah modulasi amplitudo (AM – amplitude modulation) dan modulasi frekuensi (FM – frequency modulation)

Beda utama antara gelombang AM dengan FM adalah cara memodulasi suaranya. Gelombang FM mempunyai range tambahan sebesar plus 455 KHz. Jadi, jika ada frekeensi radio 88.00 FM, sebenarnya dia menggunakan frekuensi 88.00 MHz + 455 KHz. Mengapa ada tambahan 455 KHz? Gelombang FM itu memodulasi suara secara digital. Jadi, gelombang suara audio itu dicacah secara digital sesuai frekuensi audio (batas ambang telinga antara 6 Hz - 20 KHz). Setelah dicacah secara digital (tambahan 455 KHz tadi, sebagai digital audio buffer sinyal digital tsb), di-mix dengan gelombang radio (carrier) yang berfrekuensi 88.0 MHz tadi, kemudian dilempar ke udara terbuka. Bagaian yang penting dari sistem pemancar FM adalah antena, saluran transmisi, dan pemancar itu sendiri.