Radio, Bagaimana Cara Kerjanya?

• Radio mengirim sinyal dengan memanfaatkan medan listrik bolak-balik yang dihasilkan oleh muatan yang bergerak bolak-balik dengan cepat, dan antena penerima menerimanya melalui arus pada frekuensi yang sama yang terinduksi di antena
• Antena yang baik bukan sekadar batang logam sederhana, melainkan struktur resonansi yang memanfaatkan panjang gelombang dan pantulan; dipol setengah gelombang dapat mengalirkan arus AC besar berkat impedansi masukan yang rendah
• AM, FM, PM, dan QAM membawa informasi dengan mengubah karakteristik gelombang pembawa, tetapi jika modulasi terlalu cepat, sinyal akan runtuh, dan AM pun memakai bandwidth
• Penerima mengalikan sinyal antena dengan gelombang sinus yang dipilih untuk membuat komponen selisih frekuensi, lalu memilih hanya sinyal yang diinginkan dengan filter
• Penerima superheterodyne memindahkan sinyal yang diinginkan ke frekuensi menengah (IF) yang konstan untuk difilter, sehingga masalah citra simetris atas-bawah yang muncul pada pencampuran langsung menjadi lebih mudah ditangani

---

Antena menciptakan gelombang elektromagnetik dari gerak bolak-balik muatan

• Komunikasi radio banyak digunakan dalam perangkat elektronik modern, tetapi pada tingkat hobi, bisa sulit menjelaskan apa syarat antena yang baik atau bagaimana penerima hanya memilih frekuensi tertentu
• Antena dapat dipahami secara intuitif dengan membayangkan kapasitor yang dibentangkan
  • Medan listrik di antara dua pelat kapasitor menyebar ke ruang di sekitarnya
  • Medan listrik statis tidak menyampaikan informasi, dan energi yang tersimpan pun sebagian besar dapat dipulihkan jika pelat dihubungkan sehingga muatan mencapai kesetimbangan
• Jika muatan digerakkan bolak-balik dengan cepat di antara dua pelat, pola medan listrik yang berganti-ganti menyebar ke luar dengan kecepatan cahaya
  • Semakin banyak muatan yang bergerak, semakin besar intensitas tiap gelombang
  • Semakin tinggi jumlah pergantian per detik, yaitu frekuensi sinyal, semakin besar pula energi yang dipancarkan
• Gelombang yang sepenuhnya seragam saja tidak cukup untuk komunikasi; informasi dapat dibawa dengan sedikit mengubah karakteristik seperti amplitudo seiring waktu
• Transmisi simultan pada frekuensi berbeda dapat dibedakan di sisi penerima, dan ini mengarah pada prinsip pencampuran dan pemfilteran yang dibahas nanti

Mengapa dipol setengah gelombang benar-benar bekerja

• Menghubungkan kapasitor yang dibentangkan ke sumber sinyal tegangan sulit menghasilkan efek besar dalam praktik
  • Jika pelat dijauhkan, kapasitansinya turun tajam sehingga praktis mendekati rangkaian terbuka
  • Diperlukan tegangan tinggi untuk menghasilkan gerak bolak-balik elektron yang cukup
  • Tanpa arus yang sehat, energi gelombang yang dipancarkan juga kecil
• Antena dipol setengah gelombang adalah struktur dua batang pada sumbu yang sama yang digerakkan dari tengah dengan gelombang sinus
  • Panjang tiap batang tepat 1/4 panjang gelombang
  • Rumus konversi panjang gelombangnya adalah λ = c / f
  • Misalnya jika f = 200 MHz, maka λ sekitar 1,5 m, atau sekitar 5 kaki
• Pada dipol setengah gelombang, keterlambatan propagasi sinyal dan pantulan di ujung konduktor berpadu menghasilkan resonansi
  • Ketika puncak sinyal penggerak mencapai ujung tiap batang λ/4, ia berinterferensi konstruktif dengan pantulan puncak sebelumnya
  • Pola interferensi tegangan menguat di ujung batang, dan saling meniadakan di dekat titik catu
  • Berkat struktur ini, arus AC besar mudah disuplai, dan antena menunjukkan impedansi listrik yang sangat rendah
• Dipol dengan panjang kelipatan ganjil dari setengah gelombang, seperti 3/2 λ dan 5/2 λ, juga menunjukkan perilaku resonansi
  • Pada kelipatan genap seperti 1 λ dan 2 λ, resonansi serupa juga ada, tetapi posisi gelombang berdiri cenderung menghambat penggerakannya alih-alih membantu
  • Panjang lain mungkin tidak beresonansi sempurna, tetapi bisa cukup mendekati
• Antena yang terlalu pendek dapat diperbaiki dengan induktor seri
  • Induktor menambahkan keterlambatan arus
  • Bagian seperti pegas di pangkal antena setara dengan perpanjangan panjang listrik
  • Ini tidak membuat antena pendek sebaik antena berukuran penuh, tetapi membantu menangani impedansi masukan

Antena penerima dan arah

• Medan listrik nyata di sekitar antena pemancar memiliki zona mati di sepanjang arah sumbu antena
  • Ini karena medan listrik mengalami interferensi saling meniadakan pada sumbu tersebut
• Jika antena penerima yang sama ditempatkan jauh dari pemancar, dipol penerima akan mendapatkan arus terinduksi di dalam pola medan listrik yang bolak-balik
  • Satu area menarik elektron ke pelat atas, sementara area lain mendorongnya ke bawah
  • Antena mengalami arus bolak-balik antara kedua kutub pada frekuensi operasi pemancar
• Jika panjang antena penerima sesuai, arus terinduksi juga dapat berinterferensi konstruktif sehingga menghasilkan amplitudo sinyal yang lebih besar
• Dipol yang lebih panjang dari 1/2 panjang gelombang menjadi lebih terarah
  • Pada dipol panjang, kemiringan kecil saja dapat membuat kedua ujungnya terpapar medan listrik yang berlawanan
  • Dalam kondisi ini, aliran arus bersih bisa kecil atau tidak ada
• Tidak semua antena adalah dipol, tetapi banyak antena bekerja dengan prinsip serupa
  • Monopol adalah variasi yang mengganti satu setengah bagian antena dengan koneksi ground
  • Bentuk kompleks digunakan untuk mempertahankan resonansi pada beberapa frekuensi atau menyesuaikan arah secara halus
  • Array antena memanfaatkan pola interferensi konstruktif dan destruktif dari sinyal yang dikendalikan secara digital untuk memfokuskan energi secara fleksibel ke titik tertentu

Modulasi memindahkan informasi ke pita di sekitar frekuensi

• Metode modulasi sinyal yang umum adalah AM dan FM
  • AM mengubah amplitudo gelombang pembawa untuk membawa informasi
  • FM menggeser frekuensi gelombang pembawa naik-turun
• Metode yang lebih maju mencakup PM dan QAM
  • PM adalah modulasi fase
  • QAM menyampaikan informasi secara tangguh melalui amplitudo relatif dua sinyal yang berbeda fase 90°
• Setelah gelombang pembawa dipisahkan, demodulasi itu sendiri relatif mudah dipahami
  • AM juga dapat dilakukan dengan menyearahkan gelombang sinus yang diperkuat menggunakan dioda, lalu melewatkannya melalui filter low-pass untuk mendapatkan selubung frekuensi audio
  • FM dan PM dibantu oleh phase-locked loops untuk mendeteksi pergeseran
• Batasan penting dalam modulasi adalah laju perubahan sinyal pembawa harus jauh lebih rendah daripada frekuensi pembawa
  • Jika modulasi terlalu cepat, gelombang pembawa akan rusak dan terlihat seperti derau pita lebar
  • Antena resonan dan rangkaian tuning radio tradisional bekerja karena asumsi bahwa hampir tidak ada yang berubah pada tiap siklus
• Berbeda dari intuisi, semua modulasi memakai bandwidth frekuensi
  • AM pun bukan trik tanpa bandwidth yang hanya mengubah amplitudo gelombang sinus berfrekuensi tetap
  • Setiap perubahan yang menyimpang dari gelombang sinus stasioner menciptakan komponen sementara di domain frekuensi
  • Semakin tinggi laju perubahan, semakin besar pula komponen tersebut
  • Pada tangkapan siaran AM lokal, komponen modulasi audio yang membentang beberapa kHz di kedua sisi gelombang pembawa terlihat
• Secara luas, modulasi adalah memindahkan pita sinyal frekuensi rendah seperti audio menjadi potongan spektrum berukuran serupa di sekitar frekuensi pusat yang dipilih
  • Cara penyusunannya berbeda untuk tiap metode, tetapi pada akhirnya semuanya menggunakan pita frekuensi

Penerima mengalikan sinyal untuk membuat selisih frekuensi

• Operasi dasar hampir semua penerima radio adalah mencampur, yaitu mengalikan, sinyal antena yang diperkuat dengan gelombang sinus pada frekuensi yang dipilih
• Jika ada komponen dengan frekuensi yang sama di dalam sinyal masukan, hasil perkalian menghasilkan bias DC yang sebanding dengan besar komponen tersebut
  • Frekuensi masukan lain akan memiliki rata-rata mendekati 0 pada skala waktu yang cukup panjang
  • Proses ini bekerja sangat mirip dengan transformasi deret Fourier yang memecah sinyal kompleks menjadi komponen frekuensi individual
• Mengalikan dua gelombang sinus menghasilkan komponen frekuensi rendah |f1 - f2| dan komponen frekuensi tinggi f1 + f2 sekaligus
  • Ini diturunkan dari rumus jumlah sudut kosinus
  • Fenomena serupa juga dikenal dalam musik sebagai frekuensi beat lambat yang muncul ketika dua nada berdekatan dimainkan bersamaan
  • Sebagai contoh, menggabungkan 400 Hz dan 405 Hz menghasilkan beat 5 Hz
• AM juga dapat dijelaskan dari sudut pandang perkalian ini
  • AM mengubah amplitudo sinyal pada frekuensi pembawa a dengan mengalikannya menggunakan gelombang sinus berfrekuensi lebih lambat b
  • Hasilnya tidak dapat dibedakan dari superposisi dua transmisi gelombang sinus simetris yang berjarak ±b dari a
  • Karena itu, AM juga menggunakan bandwidth seperti metode modulasi lainnya

Superheterodyne menjauhkan masalah citra

• Untuk menerima transmisi di sekitar 10 MHz, kita dapat membayangkan metode sederhana yang mencampur sinyal RF masukan dengan gelombang sinus 10 MHz
  • Sinyal 10,00 MHz turun menjadi DC
  • 10,01 MHz menghasilkan beat 10 kHz dan komponen 20,01 MHz
  • 10,02 MHz menghasilkan komponen 20 kHz dan 20,02 MHz
  • Setelah itu, filter low-pass dapat menyisakan hanya frekuensi rendah yang termasuk dalam metode modulasi, dan menghilangkan komponen f1 + f2 yang tidak diinginkan di sekitar 20 MHz
• Masalah metode sederhana ini muncul dari nilai mutlak pada rumus |f1 - f2|
  • Karena cos(x) dan cos(-x) sama, transmisi di bawah frekuensi acuan menciptakan citra yang tidak dapat dibedakan dari transmisi di atasnya
  • Misalnya, komponen 9,99 MHz dan sinyal 10,01 MHz sama-sama berada pada 10 kHz
• Penerima superheterodyne mencampur masukan RF dengan frekuensi f yang lebih rendah daripada sinyal yang diminati untuk memindahkan sinyal ke frekuensi menengah (IF) yang konstan dan relatif rendah
  • Setelah itu, komponen terkait dipilih dengan filter band-pass yang relatif sederhana
  • Desain ini digagas oleh Edwin Armstrong sekitar tahun 1919 dan disebut superheterodyne
• Perilaku pencerminan mendasar tetap ada, tetapi titik simetrinya f dapat dikendalikan dan dijauhkan
  • Citra cermin tak disengaja dari transmisi yang tidak relevan menjadi lebih mudah dikelola
  • Respons frekuensi antena dapat dirancang sempit agar frekuensi yang jauh sejak awal lebih sedikit diterima
  • Filter kasar juga dapat ditempatkan sebelum mixer
• Perilaku penerima superheterodyne seperti ini juga dapat diperhitungkan dalam alokasi spektrum radio

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Tulisan pengantar mereka [1] juga benar-benar bagus
  Saya suka pendekatannya yang mencoba menjembatani celah dengan definisi yang jernih, tanpa bergantung pada “analogi hidraulik yang cacat” tetapi juga tanpa terjerumus ke persamaan diferensial atau aljabar bilangan kompleks
  Dulu sekali, pada masa belum ada Facebook dan Google masih dianggap perusahaan “baik”, ketika di ranah elektronika hobi nyaris tidak ada pilihan selain PIC, saya pernah melihat kursus elektronika daring yang sangat panjang dan matang, dimulai dari nol lalu berlanjut ke konsep dasar R/C, transistor, magnet/transformator, dan kalau tidak salah sampai topik yang cukup lanjut seperti radio
  Bentuknya halaman HTML dan gambar yang kasar, dan yang khas adalah banyak konsep dijelaskan sampai tingkat yang bisa diterapkan pada desain rangkaian analog nyata tanpa kalkulus
  Ingatan saya mungkin keliru, tetapi gaya HTML-nya berlatar kekuningan, tampaknya diambil dari kurikulum pelatihan elektronika terapan lama untuk insinyur kelistrikan Angkatan Laut AS, dan sepertinya lebih berfokus pada rangkaian analog
  Dulu saya mengunduh semuanya, tetapi sekarang tidak tahu ada di mana; mungkin tersimpan di suatu tempat pada disk 1GB PC Pentium pertama saya, jadi praktis sudah hilang. Saya penasaran apakah ada yang tahu itu apa
  [1] https://lcamtuf.substack.com/p/primer-core-concepts-in-elect...
  • Materi asli NEETS mungkin yang ini: http://compatt.com/Tutorials/NEETS/NEETS.html
    Isinya diperbarui pada 2011
  • Menghindari “analogi hidraulik yang cacat” memang bagus, tetapi semua analogi pada akhirnya punya batas. Kalau sempurna, itu bukan analogi lagi, melainkan hal yang sama
    Kalau analogi hidraulik sempurna, berarti elektronika bekerja persis seperti fluida, dan seharusnya bisa diajarkan sebagai bagian dari mekanika fluida. Namun kenyataannya elektronika bukan bagian dari mekanika fluida; hanya ada beberapa kemiripan yang berguna untuk pendidikan
    Lazim saja mengajarkan model yang tidak sempurna dan sederhana di awal, lalu kemudian melengkapi detail yang mematahkan analogi itu
• Artikel ini bagus sekali, terutama cara menjelaskan secara intuitif mengapa setengah panjang gelombang sinyal yang ingin diterima menjadi panjang antena ideal
  Bagian yang menyatakan bahwa semua cara memodulasi gelombang dapat ditafsirkan ulang sebagai modulasi frekuensi juga mengesankan
  • Itu cara berpikir klasik. Dari sudut pandang lain, input bisa dipandang sekadar sebagai rangkaian pengukuran tegangan, lalu masalahnya adalah mengekstrak sinyal yang berguna dari data yang berisik dengan memanfaatkan redundansi. Begitulah cara kerja penerima radio berbasis perangkat lunak
    Radio analog (AM, FM, dll.) bekerja dengan memodulasi secara lemah pembawa yang sangat besar dengan sinyal. TV analog yang memakai gambar AM dan audio FM memasukkan 80% dayanya ke pembawa, dan stasiun TV UHF analog dulu kerap memakai pemancar beberapa megawatt untuk menekan derau dengan keluaran radio murni
    Pemancar TV siaran digital mengeluarkan sekitar 150KW berkat efisiensi modulasi yang lebih baik. Teknik modulasi modern luar biasa efisien, sampai-sampai fakta bahwa ponsel bisa bekerja terasa menakjubkan
    [1] https://ocw.mit.edu/courses/6-450-principles-of-digital-comm...
• Lama dulu, ketika saya menghadiri wisuda EECS seorang teman di UCLA, pendiri Qualcomm berpidato dan mengatakan bahwa motivasinya mengambil PhD adalah rasa ingin tahu dan kegigihan untuk benar-benar memahami bagaimana radio sebenarnya bekerja
  Alasan ia mendapatkan PhD pada akhirnya adalah karena butuh waktu selama itu sampai ia merasa benar-benar memahami radionya sendiri, dan bahkan setelah itu pun sesekali ia masih tidak sepenuhnya yakin. Artikel ini mengingatkan saya pada pidato itu
• Salah satu karya klasik lama yang bagus agar pembaca umum memahami teori di balik “ilmu radio” adalah How Radio Signals Work All the Basics plus where to find out more karya Jim Sinclair
• Tim Hunkin mengunggah versi remaster dari program TV tahun 1987 The Secret Life of the Radio, dan merekonstruksi eksperimen spark gap serta coherer Hertz dan Marconi
  https://www.youtube.com/watch?v=LMxate9gegg
  • Saya sangat merekomendasikan seluruh seri ini. Karya Hunkin adalah mahakarya
• Peran ionosfer juga layak disebut. Ionosfer adalah bagian atmosfer yang bermuatan listrik, yang memantulkan gelombang radio/elektromagnetik sehingga memungkinkan komunikasi dengan sisi lain Bumi
  Ionosfer memiliki beberapa lapisan dan berubah cukup dinamis mengikuti Matahari dan aktivitasnya. Bayangkan sebagai selubung bermuatan yang mengelilingi Bumi dan memantulkan kembali gelombang elektromagnetik, sementara sifat selubung itu terus berayun
  Badai Matahari dan aurora yang menyertainya adalah kabar buruk untuk komunikasi radio. Ini penjelasan yang sangat disederhanakan
  • Gelombang pendek memiliki latensi transmisi yang jauh lebih rendah daripada serat optik, sehingga komunikasi antarbenua lewat radio bisa dibuat lebih cepat daripada kabel serat optik lintas samudra
  • Badai Matahari memang buruk untuk komunikasi radio, tetapi pada VHF ia memungkinkan propagasi hamburan balik aurora, yang menarik: https://www.electronics-notes.com/articles/ham_radio/amateur...
    Untuk HF jelas tidak bagus. Berkat Matahari yang berulah beberapa hari terakhir, saya jadi punya kesempatan mengerjakan hal lain pada malam hari alih-alih bermain-main dengan FT8
• Saya benar-benar menikmati membaca artikel ini
  Saat memutar video Vimeo tentang perambatan medan listrik antena dipol ½ λ, saya sempat mencari headphone karena mengira mungkin akan terdengar Dark Side of the Moon, tetapi tentu saja tidak terjadi
  Saya memahami antena dan karakteristik fisiknya, tetapi matematika di balik pemrosesan sinyal digital selalu terasa mengintimidasi
• Tujuan untuk “menyediakan pengantar radio tanpa istilah radio amatir dan matematika tingkat lanjut” tampak bagus

Namun, ketika muncul kalimat seperti “operasi mirroring dasar masih ada, tetapi biasanya dikelola dengan cukup baik. Citra cermin tak disengaja dari transmisi yang tidak terkait dapat dikurangi dengan memilih IF secara bijak, merancang antena agar memiliki respons frekuensi yang sempit, atau, bila perlu, menempatkan filter low-pass RF sebelum mixer”, rasanya tujuannya gagal tercapai

• Tidak juga. Kalau ada masalah, paling hanya penggunaan singkatan IF dan RF
  Akan lebih baik jika ditulis lengkap seperti “IF (intermediate frequency/frekuensi antara)” dan “RF (radio frequency/frekuensi radio)”, serta diberi tautan penjelasan tentang konteks penggunaan IF, tetapi kalimat lainnya tampak baik-baik saja
• Jika Anda menyukai tulisan ini, [1] juga direkomendasikan. Ini tulisan menarik yang berfokus pada hubungan antara radio dan inferensi probabilistik pada awal 1900-an
  https://www.argmin.net/p/the-spirit-of-radio
• Saya penasaran apakah mungkin membuat penerima radio FM sederhana ala Masters of the Air, hanya dengan komponen paling dasar
  • AM cukup mudah, sehingga dioda dan kapasitor saja bisa cukup, tetapi penerima FM membutuhkan osilator lokal, jadi perlu komponen aktif seperti transistor dan rangkaian yang lebih kompleks
  • Secara teori memungkinkan. Penerimaan FM mirip dengan AM, tetapi sebelum mengubah sinyal menjadi audio, diperlukan detektor FM
    Dibanding dioda atau silet berkarat dan kawat yang dipakai pada AM, memang perlu rangkaian yang sedikit lebih kompleks, tetapi tidak luar biasa rumit. Ada banyak cara mendeteksi FM, dan sebagian besar memanfaatkan fase, yaitu perubahan relatif seketika dari frekuensi, bukan frekuensi aktualnya
    Teknik modernnya adalah phase-locked loop, tetapi bisa juga dibuat jauh lebih sederhana. Filter RC, LC, dan RL pasif klasik menghasilkan pergeseran fase, dan jika mengambil selisih antara dua fase, pada dasarnya itu mendekode FM. Komponen aktif tidak selalu diperlukan
    Namun, jika hanya memakai filter RL, efisiensinya sangat rendah, jadi tanpa satu pun transistor atau tabung vakum, Anda mungkin harus berdiri tepat di samping pemancar. Meski begitu, untuk siaran lokal yang kuat, satu tabung vakum atau satu transistor sudah cukup
    Dengan kapasitor, ini menjadi lebih mudah. Bisa juga dengan menggulung rapat kertas dan aluminium foil, atau memasukkan potongan kaca atau mika di antara bilah kayu tipis. Lihat rangkaian slope detector di sini (fig 3, 4); artikelnya sendiri juga cukup baik sebagai pengantar deteksi FM
    [1] https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/elect...
  • Bisa. Saya pernah mencobanya saat SMP, dan itu benar-benar menyenangkan