BAB II TEORI DASAR. menimbulkan arus di batang kawat lain, meski keduanya tidak berhubungan.

Transkripsi

1 BAB II TEORI DASAR 2.1 Umum Penemuan teknologi radio adalah kemajuan besar dunia telekomunikasi. Awal 1800-an secara terpisah Joseph Henry, profesor dari Pinceton University, dan fisikawan Inggris Michael Faraday mengembangkan teori induksi. Percobaan mereka terhadap elektromagnet membuktikan arus listrik di sebatang kawat dapat menimbulkan arus di batang kawat lain, meski keduanya tidak berhubungan. Tahun 1864 fisikawan Inggris lain James Clerik Maxwell, berteori bahwa arus listrik dapat menciptakan medan magnet dan bahwa gelombang elektromagnet bergerak dengan kecepatan cahaya. Teori Maxwell itu belakangan dibuktikan kebenarannya oleh percobaan yang dilakukan fisikawan Jerman Heinrich Hertz, tahun Pada tahun 1886, Hertz memasang peralatan yang sekarang diketahui sebagai sistem radio dengan antena dipole sebagai pengirim dan antena loop segi empat sebagai penerima. Penemuan Hertz ini dilanjutkan oleh Guglielmo Marconi dengan menambah rangkaian tuning dan antena besar yang mampu melakukan yang sangat jauh. Kemudian Guglielmo Marconi pada 1895, berhasil mengirim sinyal komunikasi radio dengan gelombang elektromagnet sejauh ± 1,5 km. Tahun 1901, sinyal dari perangkat adio Marconi mampu melintasi Samudera Atlantik dari Inggris ke Newfoundland, Kanada [1]. 2.2 Gelombang Elektromagnetik Gelombang elektromagnet adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari xviii 6

2 gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang elektromagnetik diruang adalah sebagai gelombang transversal. Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada Persamaan 2.1 [9]: (2.1) Kecepatan (ν) bergantung pada medium. Ketika medium rambat adalah hampa udara (free space), maka : v = c = 3 x 10 8 m/s (2.2) 2.3 Pengertian Antena Dalam sejarah komunikasi, perkembangan teknik informasi tanpa menggunakan kabel ditetapkan dengan nama antena. Antena berasal dari bahasa latin antena yang berarti tiang kapal layar. Dalam pengertian sederhana kata latin ini berarti juga penyentuh atau peraba sehingga kalau dihubungkan dengan teknik komunikasi berarti bahwa antena mempunyai tugas menyelusuri jejak gelombang elektromagnetik, hal ini jika antena berfungsi sebagai penerima. Sedangkan jika sebagai pemancar maka tugas antena tersebut adalah menghasilkan sinyal gelombang elektromagnetik. Antena dapat juga didefinisikan sebagai sebuah atau sekelompok konduktor yang digunakan untuk memancarkan atau meneruskan gelombang elektromagnetik menuju ruang bebas atau menangkap gelombang elektromegnetik dari ruang bebas. Energi listrik dari pemancar dikonversi menjadi gelombang elektromagnetik dan oleh sebuah antena yang kemudian gelombang tersebut xix 7

3 dipancarkan menuju udara bebas. Pada penerima akhir gelombang elektromagnetik dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan antena. Gambar 2.1 menunjukkan antena sebagai pengirim dan penerima. Gambar 2.1 Antena Sebagai Pengirim dan Penerima 2.4 Parameter Parameter Antena Parameter-parameter antena digunakan untuk menguji atau mengukur performa antena yang akan digunakan. Berikut penjelasan beberapa parameter antena yang sering digunakan yaitu direktivitas antena, gain antena, pola radiasi antena, polarisasi antena, beamwidth antena dan bandwidth antena Direktivitas Antena Directivity dari sebuah antena atau deretan antena diukur pada kemampuan yang dimiliki antena untuk memusatkan energi dalam satu atau lebih ke arah khusus. Antena dapat juga ditentukan pengarahanya tergantung dari pola radiasinya. Dalam sebuah array propagasi akan diberikan jumlah energi, gelombang radiasi akan dibawa ketempat dalam suatu arah. Elemen dalam array dapat diatur sehingga akan mengakibatkan perubahan pola atau distribusi energi lebih yang memungkinkan ke semua arah (omnidirectional). Suatu hal yang tidak xx 8

4 sesuai juga memungkinkan. Elemen dapat diatur sehingga radiasi energi dapat dipusatkan dalam satu arah (unidirectional) [2]. Direktivitas antena merupakan perbandingan kerapatan daya maksimum dengan kerapatan daya rata-rata. Maka dapat dituliskan pada Persamaan 2.3 [2]. (2.3) Gain Antena Gain (directive gain) adalah karakter antena yang terkait dengan kemampuan antena mengarahkan radiasi sinyalnya, atau penerimaan sinyal dari arah tertentu. Gain bukanlah kuantitas yang dapat diukur dalam satuan fisis pada umumnya seperti watt, ohm, atau lainnya, melainkan suatu bentuk perbandingan. Oleh karena itu, satuan yang digunakan untuk gain adalah desibel [3]. Gain dari sebuah antena adalah kualitas nyala yang besarnya lebih kecil dari pada penguatan antena tersebut yang dapat dinyatakan pada Persamaan 2.4 [1]. Gain = G = k. D (2.4) Dimana : k D = efisiensi antena, 0 k 1 = direktivitas antena Gain antena dapat diperoleh dengan mengukur power pada main lobe dan membandingkan powernya dengan power pada antena referensi. Gain antena diukur dalam desibel, bisa dalam dbi ataupun dbd. Jika antena referensi adalah xxi 9

5 sebuah dipole, antena diukur dalam dbd. d di sini mewakili dipole, jadi gain antena diukur relative terhadap sebuah antena dipole. Jika antena referensi adalah sebuah isotropic, jadi gain antena diukur relatif terhadap sebuah antena isotropic [4]. Gain dapat dihitung dengan membandingkan kerapatan daya maksimum antena yang diukur dengan antena referensi yang diketahui gainnya. Maka dapat dituliskan pada Persamaan 2.5 [4]. (2.5) Atau jika dihitung dalam nilai logaritmik dirumuskan oleh Persamaan 2.6 [4]. Dimana : Gt (db) = (Pt(dBm) Ps(dBm)) + Gs(dB) (2.6) Gt Pt Ps Gs = Gain total antena. = Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena terukur (dbm). = Nilai level sinyal maksimum yang diterima antena referensi (dbm). = Gain antena referensi. Decibel (db) merupakan satuan gain antena. Decibel adalah perbandingan dua hal. Decibel ditetapkan dengan dua cara [4], yaitu : a. Ketika mengacu pada pengukuran daya. (2.7) b. Ketika mengacu pada pengukuran tegangan.x (2.8) xxii 10

6 2.4.3 Pola Radiasi Antena Pola radiasi antena atau pola antena didefinisikan sebagai fungsi matematik atau representasi grafik dari sifat radiasi antena sebagai fungsi dari koordinat. Di sebagian besar kasus, pola radiasi ditentukan di luasan wilayah dan direpresentasikan sebagai fungsi dari koordinat directional [5]. Pola radiasi antena adalah plot 3-dimensi distribusi sinyal yang dipancarkan oleh sebuah antena, atau plot 3-dimensi tingkat penerimaan sinyal yang diterima oleh sebuah antena [3]. Pola radiasi antena menjelaskan bagaimana antena meradiasikan energi ke ruang bebas atau bagaimana antena menerima energi. a. Pola Radiasi Antena Unidirectional Antena unidirectional mempunyai pola radiasi yang terarah dan dapat menjangkau jarak yang relative jauh. Gambar 2.2 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena unidirectional. Gambar 2.2 Bentuk Pola Radiasi Antena Unidirectional Dari gambar diatas dapat kita lihat bahwa pada antena Uniirectional memiliki pancaran pada satu arah, yaitu pada arah yang dituju saja. Antena Unidirectional ini memiliki jarak tempuh yang cukup jauh dari antena lain. Ini dikarenakan pola radiasinya hanya memiliki satu arah saja. xxiii 11

7 b. Pola Radiasi Antena Omnidirectional Antena omnidirectional mempunyai pola radiasi yang digambarkan seperti bentuk kue donat (doughnut) dengan pusat berimpit. Antena Omnidirectional pada umumnya mempunyai pola radiasi jika dilihat pada bidang medan magnetnya. Gambar 2.3 merupakan gambaran secara umum bentuk pancaran yang dihasilkan oleh antena omnidirectional. Gambar 2.3 Bentuk Pola Radiasi Antena Omnidirectional Dari Gambar 2.3 dapat kita lihat bahwa pada antena Omnidirectional memiliki pancaran kesegala arah. Antena Omnidirectional ini memiliki jarak tempuh yang cukup sempit. Ini dikarenakan pola radiasinya menyebar dan tidak terfokus pada satu arah Beamwidth Antena Beamwidth Adalah besarnya sudut berkas pancaran gelombang frekuensi radio utama (main lobe) yang dihitung pada titik 3 db menurun dari puncak lobe utama [6]. Besarnya beamwidth adalah sebagai berikut : (2.9) 12 xxiv

8 Dimana : B = 3 db beamwidth (derajat) = frekuensi (GHz) d = diameter antena (m) Apabila beamwidth mengacu kepada perolehan pola radiasi, maka beamwidth dapat dirumuskan sebagai berikut [6]: β = θ 2 θ 1 (2.10) Gambar 2.4 menunjukkan tiga daerah pancaran yaitu lobe utama (main lobe,nomor 1), lobe sisi samping (side lobe, nomor dua), dan lobe sisi belakang (back lobe, nomor 3). Half Power Beamwidth ( HPBW) adalah daerah sudut yang dibatasi oleh titiktitik ½ daya atau -3 db atau dari medan maksimum pada lobe utama. First Null Beamwidth (FNBW) adalah besar sudut bidang diantara dua arah pada main lobe yang intensitas radiasinya nol. Gambar 2.4 Beamwidth Antena Bandwidth Antena Pemakaian sebuah antena dalam sistem pemancar atau penerima selalu dibatasi oleh daerah frekuensi kerjanya. Pada range frekuensi kerja tersebut antena dituntut harus dapat bekerja dengan efektif agar dapat menerima atau xxv 13

9 memancarkan gelombang pada band frekuensi tertentu seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5. Gambar 2.5 Bandwidth Antena Daerah frekuensi kerja dimana antena masih dapat bekerja dengan baik dinamakan bandwidth antena. Misalnya sebuah antena bekerja pada frekuensi tengah sebesar f C, namun ia juga masih dapat bekerja dengan baik pada frekuensi f 1 (di bawah f C ) sampai dengan f 2 (di atas f C ), maka bandwidth antena tersebut adalah : (2.11) f 2 f 1 f c = frekuensi tertinggi = frekuensi terendah = frekuensi tengah Bandwidth yang dinyatakan dalam persen seperti ini biasanya digunakan untuk menyatakan bandwidth antena yang memiliki band sempit (narrow band). Sedangkan untuk band yang lebar (broad band) biasanya digunakan definisi rasio antara batas frekuensi atas dengan frekuensi bawah [7]. xxvi 14

10 2.5 Antena TV Kabel Antena TV kabel adalah salah satu modifikasi dari antena parabola. Dalam matematika, parabola adalah irisan kerucut yang berbentuk kurva yang dihasilkan oleh perpotongan menyilang yang sejajar terhadap permukaan kerucut. Direktris adalah garis sumbu simetri pada parabola terhadap titik fokus. Sedangkan fokus dari parabola adalah letak suatu titik dimana jarak antara titik sembarang pada garis parabola M(x,y) ke fokus adalah sama dengan jarak antara M(x,y) ke direktris D(x,0). Gambar 2.6 Fokus dan direktris Dari pengertian diatas diketahui bahwa nilai dari jarak titik F (fokus) ke titik M dan jarak dari titik M ke titik D (direktris) adalah sama, sehingga dapat dihasilkan persamaan 2.12 [8]: = (2.12) Karena pada persamaan diatas kedua sisi sama-sama mempunyai akar, maka bisa dieliminasi sehingga menghasilkan persamaan 2.13[8]: (2.13) xxvii 15

11 Gambar 2.7 Penghitungan Nilai Fokus Dari Gambar 2.7 diatas, diketahui titik (D/2,d) dan titik (-D/2,d) terletak pada parabola, sehingga : Dari persamaan diatas bisa kita ubah menjadi sebuah persamaan untuk menghitung nilai focus [8]. xxviii 16 (2.14)

12 Dari persamaan diatas bisa kita perhatikan bahwa semakin besar nilai diameter dari suatu parabola (D) dan semakin kecil nilai kedalaman (d) suatu parabola, maka nilai fokusnya akan menjadi semakin besar. Pada dasarnya antena TV kabel hampir sama dengan antena parabola. Letak perbedaannya hanya pada waveguide. Antena parabola adalah high-gain reflektor antena yang digunakan untuk radio, televisi dan komunikasi data, dan juga untuk radiolocation (RADAR), pada bagian UHF dan SHF dari spektrum gelombang elektromagnetik. Secara relatif, gelombang pendek dari energi elektromagnetik (radio) pada frekuensi ini mengijinkan pemasangan reflektor dengan berbagai macam ukuran untuk menghasilkan kuat sinyal yang baik pada saat transmitting dan receiving seperti yang diinginkan. Antena parabola secara umum terdiri atas reflektor, dan waveguide. Reflektor adalah sebuah permukaan yang terbuat dari bahan logam yang dibentuk lingkaran paraboloid yang biasannya merupakan diameter dari antena tersebut. Paraboloid ini memiliki t itik fokus yang berbeda-beda berdasarkan atas diameter reflektor dan kedalaman reflektor. Waveguide sebagai salah satu komponen dari antena parabola (dan juga antena TV kabel) terletak pada fokus reflektor. Pada antena TV kabel feed atau waveguide sebenarnya juga merupakan sebuah antena tipe lowgain seperti half-wave dipole atau small waveguide horn. Pada waveguide ini terdapat sebuah alat yang berfungsi untuk memancarkan dan menerima sinyal radio-frequency (RF) terlihat pada Gambar 2.8. xxix 17

13 (a) (b) (c) Gambar 2.8 Tipe antena parabola (a) Parabolic (b) Off-Center (c) Cassegrain Dari gambar 2.8 dapat dilihat bahwa Gambar a menjelaskan antena parabolik hanya mempunyai 3 komponen yaitu reflector yang utuh, pencatu dan pembantu. Sedangkan pada Gambar b hanya memiliki reflector hanya setengah saja. Dan pada Gambar c ditambahkan reflector yang kedua yang di tambahkan pada pecatu.dianggap bahwa antena parabola sebagai circular aperture, maka persamaan untuk mengetahui nilai pendekatan gain maksimum adalah [8]: (2.15) Dimana : G = penguatan (gain) isotropic D = diameter reflektor dengan satuan yang sama dengan anjang gelombang λ = panjang gelombang Reflektor Antena dish ini menggunakan reflektor dari kawat yang berbahan alumunium. Alasan pemilihan bahan alumunium dikarenakan bahan alumunium secara umum merupakan bahan yang ringan bila dibandingan dengan bahan logam lainnya. Hal ini tentu merupakan sebuah keuntungan bila kita akan xxx 18

14 memodifikasi antena TV kabel karena walaupun mempunyai dimensi besar, bobot dari antena tersebut akan tetap lebih ringan jika dibandingan bila kita menggunakan dari bahan logam lain. Penggunaan reflektor ini dimaksudkan untuk mendapatkan penguatan (gain) yang lebih besar bila dibandingkan hanya menggunakan antena kaleng (waveguide). Karena setiap gelombang yang datang dari fokus akan dipantulkan oleh permukaan reflektor dengan arah yang sejajar dengan sumbu atau sebaliknya. Sifat reflektor yang baik adalah : 1. Setiap gelombang yang datang dari fokus dipantulkan oleh permukaan sejajar dengan sumbu dan sebaliknya. 2. Gelombang dari fokus yang dipantulkan oleh permukaan reflektor akan memotong suatu bidang yang tegak lurus terhadap sumbu dengan fase yang sama. Selain reflektor yang baik, kita juga harus memperhatikan pencatuan pada waveguide. Pemasangan N-connector pada pencatuan waveguide terletak di depan pemantul, agar energi (gelombang) dapat dipancarkan langsung ke pemantul tanpa ada rintangan. Sistem pencatuan harus memenuhi dua kepentingan : 1. Pencatu harus dapat meradiasikan gelombang ke pemantul dengan baik, artinya tidak banyak gelombang yang keluar dari permukaan pemantul 2. Pencatu harus membatasi supaya VSWR saluran koaksial mendekati satu Waveguide Waveguide adalah saluran tunggal yang berfungsi untuk menghantarkan gelombang elektromagnetik (microwave) dengan frekuensi 300 MHz 300 GHz. Dalam kenyataannya, waveguide merupakan media transmisi yang berfungsi memandu gelombang pada arah tertentu. Secara umum waveguide dibagi menjadi xxxi 19

15 tiga yaitu, yang pertama adalah Rectanguler Waveguide (waveguide dengan penampang persegi) dan yang kedua adalah Circular Waveguide (waveguide dengan penampang lingkaran), dan Ellips Waveguide (waveguide dengan penampang ellips) seperti di tunjukkan pada Gambar 2.9. Gambar 2.9 Jenis Waveguide Dalam waveguide diatas mempunyai dua karakteristikpenting, yaitu : 1. Frekuensi cut off, yang ditentukan oleh dimensi waveguide. 2. Mode gelombang yang ditransmisikan, yang memperlihatkan ada tidaknya medan listrik atau medan magnet pada arah rambat. Faktor-faktor dalam pemilihan waveguide sebagai saluran transmisi antara lain : 1. Band frekuensi kerja, tergantung pada dimensi. 2. Transmisi daya, tergantung pada bahan. 3. Rugi-rugi transmisi, tergantung mode yang digunakan. Pemilihan waveguide sebagai pencatu karena pada frekuensi diatas 1 GHz, baik kabel pair, kawat sejajar, maupun kabel koaksial sudah tidak efektif lagi sebagai media transmisi gelombang elektromagnetik. Selain efek radiasinya yang besar, redamannya juga semakin besar. Pada frekuensi tersebut, saluran transmisi yang layak sebagai media transmisi gelombang elektromagnetik (microwave) adalah waveguide. Waveguide merupakan konduktor logam (biasanya terbuat dari xxxii 20

16 brass atau aluminium) yang berongga didalamnya, yang pada umumnya mempunyai penampang berbentuk persegi (rectanguler waveguide) atau lingkaran (circular waveguide). Saluran ini digunakan sebagai pemandu gelombang dari suatu sub sistem ke sub sistem yang lain. Pada umumnya didalam waveguide berisi udara, yang mempunyai karakteristik mendekati ruang bebas. Sehingga pada waveguide persegi medan listrik E harus ada dalam waveguide pada saat yang bersamaan harus nol di permukaan dinding waveguide dan tegak lurus. Sedangkan medan H juga harus sejajar di setiap permukaan dinding waveguide Karakteristik Waveguide Karakterik dari waveguide dapat dilihat pada Gambar 2.10 dibawah ini : Gambar 2.10 Karakteristik Umum Waveguide Dari Gambar 2.13 dapat dilihat bahwa frekuensi kerja berada di antara fmin dan fmax, band frekuensi kerja : ω > ωc atau λ < λc. Selain itu waveguide juga memiliki karakteristik yang penting yaitu frekuensi cut off dan mode gelombang yang ditransmisikan. 2.6 Global System For Mobile Communication (GSM) Global System for Mobile atau GSM adalah generasi kedua dari standar sistem selular yang tengah dikembangkan untuk mengatasi problem fragmentasi xxxiii 21

17 yang terjadi pada standar pertama di negara Eropa. GSM adalah sistem standar selular pertama di dunia yang menspesifikasikan digital modulation dan network level architectures and service. Sebelum muncul standar GSM ini negara-negara di Eropa menggunakan standar yang berbeda-beda, sehingga pada saat itu tidak memungkinkan seorang pelanggan menggunakan single subscriber unit untuk menjangkau seluruh benua Eropa. Pada awalnya sistem GSM ini dikembangkan untuk melayani sistem selular Eropa dan menjanjikan jangkauan network yang lebih luas seperti halnya penggunaan ISDN. Pada perkembangaannya sistem GSM ini mengalami kemajuan pesat dan menjadi standar yang paling populer di seluruh dunia untuk sistem selular. Bahkan pertumbuhannya diprediksikan akan mencapai 20 samapai 50 juta pelanggan pada tahun Penggunaan alokasi frekuensi 2100 MHz oleh GSM ini diambil berdasarkan rekomendasi GSM (Gruop Mobile station special Mobile) cimitte yang merupakan salah satu group kerja pada confe rence Europe ene Postes des Telecommunication (CEPT). Namun pada akhirnya untuk alasan marketing GSM berubah namanya menjadi the Global Sistem for Mobile Communication, sedangkan standar teknisnya diambil dari European Technical Standards Institute (ETSI). Alokasi spektrum frekuensi untuk GSM awalnya dilakukan pada tahun Spektrum ini terdiri atas dua buah sub-band masing-masing sebesar 25MHz, antara 890MHz - 915MHz dan 935MHz - 960MHz. Sebuah sub-band dialokasikan untuk frekuensi uplink dan sub-band yang lain sebagai frekuensi downlink. xxxiv 22

18 GSM pertama kali diperkenalkan di Eropa pada tahun 1991 kemudian pada akhir 1993, beberapa negara non-amerika seperti Amerika Selatan, Asia dan Australia mulai mengadopsi GSM yang akhirnya menghasilkan standar baru yang mirip yaitu DCS 1800, yang mendukung Personal Communication Service (PCS) pada frekuensi 1,8 GHz sampai 2 GHz Arsitektur GSM GSM memberikan suatu rekomendasi bukan suatu persyaratan. GSM menspesifikasikan fungsi-fungsi dan antarmuka yang diperlukan secara detail bukan mengarah ke perangkat keras yang digunakan. Alasan tersebut didasari untuk membatasi para desainer sekecil mungkin namun tetap saja memungkinkan para operator untuk membeli perangkat dari penyedia yang berbeda. Jaringan GSM dibagi menjadi empat sistem utama : a. Mobile Station (MS) merupakan perangkat yang digunakan oleh pelanggan untuk melakukan pembicaraan. b. Base Station Sub-System (BSS) berfungsi menyediakan antarmuka atau air interface untuk Mobile Station (MS). c. Network Switching Sub-System (NSS) bertugas mengkoneksikan antar user. d. Operation and Maintenance Sub-System (OMS) bertugas melakukan remote monitoring dan manajemen jaringan. xxxv 23

19 Arsitektur pada jaringan GSM dapat dilihat pada Gambar OMS OMC OMC-R & OMC-S NSS SIM MS ME BTS BSC BSS TRAU MSC HLR VLR AUC EIR PSTN Gambar 2.11 Arsitektur GSM Keterangan: SIM Subscriber Identity Module ME Mobile Equipment BTS Base Transceiver Station BSC Base Station Controller TRAU - Trancoder and Rate Adaptor Unit MSC Mobile Switching Centre PSTN Public Switched Telephone Network HLR Home Location Register VLR Visitor Location Register AUC Authentication Centre EIR Equipment Identity Register OMC Operations & Maintenance Centre OMC - R Disediakan untuk BSS OMC - S Disediakan untuk NSS Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa jaringan GSM secara rinci dan jelas. Pada GSM secara umum hanya mempunyai 3 sistem yaitu MS,BSS,NSS. xxxvi 24