Perancangan dan Pembuatan Receiver Untuk ITS-SAT pada Frekuensi MHZ

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No.1, (2013) Perancangan dan Pembuatan Receiver Untuk ITS-SAT pada Frekuensi MHZ Elvira Maharani, Eko Setijadi, dan Suwadi Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya ekoset@ee.its.ac.id ; suwadi@ee.its.ac.id; Abstrak ITS-SAT merupakan suatu komunikasi payload yang dibuat oleh kumpulan mahasiswa dan mahasiswi ITS. Komunikasi payload membutuhkan dua perangkat utama yaitu transmitter dan receiver. Transmitter digunakan untuk komunikasi downlink pada frekuensi MHz dan receiver digunakan pada komunikasi uplink pada frekuensi MHz. Receiver ini terdiri dari demodulator FSK, down converter, dan Low Noise Amplifier. Makalah ini akan membahas tentang perancangan dan pembuatan perangkat receiver untuk ITS-SAT. Perangkat receiver untuk ITS-SAT ini menggunakan IC Si4464 yang merupakan IC (Integrated Circuit) transceiver (transmitter receiver) sehingga fungsi IC sebagai transmitter tidak difungsikan. Penentuan IC juga tergantung dengan perhitungan Link Budget dimana RSL (Received Signal Strength) yang didapatkan adalah dbm. IC yang digunakan mempunyai sensitivitas minimum 126 dbm, sehingga IC ini dapat digunakan dalam sistem komunikasi satelit ITS-SAT. IC ini sudah terdiri dari Low Noise Amplifier, Down Converter, dan demodulator FSK (Frequency Shift Keying). Makalah ini hanya akan membahas tentang Low Noise Amplifier dan Down Converter. Kata Kunci Receiver, ITS-SAT, demodulator FSK, Low Noise Amplifier, Down Converter I. PENDAHULUAN Saat ini teknologi komunikasi satelit sedang berkembang sangat pesat. Negara-negara maju memiliki pengembangan teknologi komunikasi satelit yang merata di berbagai tingkat pendidikan. Sedangkan pada negara-negara berkembang seperti Indonesia, teknologi komunikasi satelit hanya dikembangkan oleh orang-orang yang memiliki tingkat pendidikan yang tinggi. Hal itu ditandai dengan pembuatan satelit nano berbentuk prisma segi enam beraturan yang kemudian disebut IINUSAT (Indonesian Inter University Satellite). ITS memiliki tanggung jawab dalam perancangan dan pembuatan ground station. Setelah ground station yang dibuat ITS selesai, ITS memiliki tujuan lain yaitu untuk mengembangkan satelit dengan bentuk yang berbeda dan menggunakan komponen yang berbeda. Satelit yang akan dikembangkan oleh ITS ini akan berbentuk lebih kecil daripada satelit IINUSAT dan akan dinamakan ITS-SAT (ITS Satellite). Satelit adalah salah satu media transmisi unguided. Satelit ini memiliki keunggulan jika dibandingkan dengan sistem komunikasi lainnnya, yaitu cakupan area yang luas dengan jangkauan jarak yang sangat jauh dan bandwith yang tersedia cukup lebar, sedangkan kekurangannya adalah delay time yang di hasilkan sangat besar dan rentan terhadap pengaruh atmosfir. Satelit memiliki 2 segment penting yaitu stasiun bumi dan space segment. Stasiun bumi meiliki fungsi sebagai kontrol satelit sehingga pergerakan dan kegiatan lain dari satelit dapat diatur dengan mudah. Space segment biasanya disebut payload. Pada payload umumnya ada 3 bagian penting,yaitu RF Front End,modulator demodulator, dan mikrokontroler yang mengatur proses coding. RF Front terdiri dari Low Noise Amplifier dan down converter. RF End terdiri dari up converter dan power amplifier. Pada tugas akhir ini akan dibahas tentang low noise amplifier dan down converter. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Sistem Komunikasi Satelit Satelit memiliki peran sebagai repeater dan penguat sinyal dalam jaringan komunikasi. Sistem komunikasi jenis ini sangat banyak digunakan karena memiliki keunggulan lebih banyak daripada kekurangannya. Keunggulannya cakupan area yang luas dengan jangkauan jarak yang sangat jauh dan bandwidth yang tersedia cukup lebar, sedangkan kekurangannya adalah delay time yang di hasilkan sangat besar dan rentan terhadap pengaruh atmosfir. Kekurangan yang dimiliki satelit dapat diperhitungkan, sehingga pebuat satelit dapat memperkirakan rugi-rugi. Gambar 1. Elemen Dasar Sistem Komunikasi Satelit[1] Satelit memiliki sistem komunikasi dengan dua lintasan utama, yaitu uplink dan downlink. Uplink merupakan lintasan komunikasi dimana stasiun bumi memancarkan sinyal ke satelit biasanya menggunakan konfigurasi multipoint-to-

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No.1, (2013) point,sedangkan downlink merupakan lintasan komunikasi dimana satelit memancarkan sinyal ke stasiun bumi biasanya menggunakan konfigurasi point-to-multipoint. B. Subsistem Payload Satelit Payload adalah bagian yang penting pada subsistem satelit. Payload dalam sistem komunikasi satelit dapat disebut transponder, yang berperan sebagai receiver atau amplifier atau transmitter. Sebuah transponder dapat mengubah frekuensi dari frekuensi uplink ke frekuensi downlink. Di dalam transponder terdapat receiver dan transmitter. Umumnya pada transmitter terdiri dari modulator, up converter, dan PA (Power Amplifier). Sedangkan pada receiver terdiri dari LNA (Low Noise Amplifier), down converter, dan demodulator. Komunikasi dapat terjadi jika masing-masing perangkat dapat terintegrasi dengan baik.[2] sinyal dari transmitter ke receiver,begitu pula sebaliknya. Hasil akhir dari perhitungan link budget ini menunjukkan kekuatan sinyal yang akan sampai pada receiver dan juga dapat mengetahui level minimum daya yang dapat diterima oleh receiver. [1] Beberapa parameter perhitungan Link Budget adalah EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power), losses pada saat pengiriman, dan FSL (Free Space Loss). EIRP adalah total daya yang dipancarkan oleh transmitter dan gain antena untuk antena isotropic. FSL adalah loss daya gelombang elektromagnetik yang disebabkan oleh lintasan LOS (line-ofsight) yang melewati free space tanpa halangan yang menyebabkan refleksi atau difraksi. Berikut rumus EIRP dan FSL.. EIRP = P S + G (dbw) FSL = log D (km ) + 20 logff (MHz ) (db) Sehingga daya yang diterima oleh receiver sebagai berikut, P R(dBW ) = EIRP (dbw ) + G R(dB ) FSL (db ) Gambar 2. Blok Penyusun Receiver [1] Receiver atau penerima dalam sistem komunikasi satelit memiliki peran untuk menerima sinyal dari transmitter stasiun bumi. Sinyal dikirimkan oleh transmitter stasiun bumi melalui media gelombang mikro dan akan diterima oleh antenna receiver yang kemudian akan diteruskan ke mikrokontroler. Mikrokontroler akan mengolah sinyal yang diterima agar sesuai dengan tujuannya. Sesuai dengan blok diagram diatas,biasanya receiver terdiri dari : Low Noise Amplifier (LNA) LNA (Low Noise Amplifier) merupakan salah satu dasar dari diagram sistem komunikasi. LNA merupakan tahapan pertama dalam rantai receiver. Tujuan dari Low Noise Amplifier adalah menguatkan sinyal yang diterima sampai pada level daya yang dapat diterima dengan noise yang minimum. Gain, Noise Figure, non-linearity dan impedance matching merupakan empat parameter penting dalam perancangan Low Noise Amplifier.[3] Down Converter Down Converter memiliki fungsi untuk frekuensi. Down converter mengkonversi sinyal dengan frekuensi RF (Radio Frequency) ke frekuensi IF (Intermediate Frequency). Demodulator Demodulator bertugas mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital atau dari sinyal digital menjadi sinyal analog sehingga dapat diterjemahkan oleh decoder. Decoder Decoder bertugas menterjemahkan sinyal hasil keluaran demodulator yang kemudian menjadi perintah dan akan meneruskan ke mikrokontroler. C. Link Budget Link Budget adalah salah satu cara untuk menganalisa dan memprediksi performansi suatu jaringan komunikasi gelombang mikro. Perhitungan ini merupakan penjumlahan dan pengurangan langsung dari gain dan rugi yang dilewati D. Karakteristik Komponen pada Frekuensi Tinggi Ketergantungan komponen pasif pada frekuensi merupakan kunci utama dari RF (Radio Frequency), gelombang mikro, dan semua tipe yang menggunakan frekuensi tinggi. Karena ketergantungan pada frekuensi, maka perhitungan rangkaian listrik secara konvensional (lumped) tidak dapat lagi digunakan pada frekuensi tinggi. Contohnya induktor biasanya digunakan untuk menghilangkan kapasitansi dari transistor dengan cara membentuk resonance,terjadi pada frekuensi tertentu dimana reaksi induktansi dan reaksi kapasitansi memiliki magnitude yang sama menyebabkan energi listrik berpindah-pindah dari medan magnet inductor dan medan listrik dari kapasitor. Induktor dan kapasitor digunakan untuk membuat filter dan impedance matching. Pada sistem komunikasi, filtering dan matching sangat penting untuk mengurangi sinyal yang tidak diinginkan dan memaksimalkan gain dari frekuensi yang diinginkan. Sayangnya di dunia ini tidak ada ideal induktor, kapasitor, atau resistor dan karakteristik yang tidak diinginkan dari komponen-komponen tersebut disebut parasitics. [4] III. PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI Sistem komunikasi payload satelit ITS-SAT terdiri dari transmitter dan receiver masing-masing untuk komunikasi data teks dan citra, mikrokontroler atau OBDH (On Board Data Handling), PAD (Packet Assembler Dissambler), dan kamera. Gambar 3. Blok Diagram Sistem Komunikasi ITS-SAT

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No.1, (2013) Gambar 4. Diagram Receiver FSK MHz A. Perhitungan Link Budget Link budget dihitung drngan mempertimbangkan parameter yang didapat dari transmitter ground station. dapat digunakan adalah (G)FSK (Gaussian-Frequency Shift Keying), 4(G)FSK, (G)MSK (Gaussian-Minimum Shift Keying), dan OOK (On-Off Keying). Si4464 dapat bekerja dengan masukan tegangan V. [5] Gambar 5. Blok Diagram Link Budget Parameter untuk menghitung link budget ini didapatkan dari hasil RF uplink transmitter pada ground station. = 10 Watt = 40 dbm = 27 db G R = >-2 dbi [7] D = 20 km f = MHz P T G T 1. Hitung Equivalent Isotropically Radiated Power EIRP = P T + G T EIRP = 10 log = 37 dbw 2. Tentukan nilai free space loss FSL = log D (km ) + 20 logff (MHz ) FSL = db Gambar 6. Blok Diagram Fungsi IC Si4464 Selain menggunakan IC Si4464, penulis juga menggunakan komponen pasif seperti kapasitor, induktor, dan resistor dalam bentuk SMDs (Surface Mounted Devices) agar mendapatkan rangkaian dengan dimensi yang kecil. C. Penentuan Komponen Pasif untuk LC Filter Perhitungan komponen pasif untuk high pass filter yang akan menjadi input dari IC Si4464 pada pin RXP dan RXN. Sesuai dengan dokumen Si446x/Si4362 RX LNA Matching penentuan komponen pasif ini akan menggunakan pendekatan dengan frekuensi 140 MHz.[6] 3. Tentukan P R P R = EIRP + G r FSL P R = 66.7 dbw B. Pemilihan Komponen Pemilihan komponen mempertimbangkan banyak hal seperti massa, sensitivitas, daya, rentang frekuensi, dan jenis modulasinya. Sensitivitas dipertimbangkan karena jarak antara payload dan stasiun yang sangat jauh. Jika batas minimum sensitivitas komponen tersebut tidak mampu dicapai, maka sinyal yang sudah dikirimkan akan dianggap hilang. Batas sensitivitas yang diinginkan didapatkan dari hasil perhitungan link budget. Modulasi yang digunakan pada sistem komunikasi satelit ITS-SAT adalah modulasi FSK. Sehingga komponen yang dipilih harus dapat menggunakan modulasi FSK. Oleh karena pembatasan massa dan daya,penulis akan menggunakan sebuah IC (Integrated Circuit) yang sudah terintegrasi dengan demodulator. IC yang digunakan adalah IC Si4464. IC Si4464 merupakan produksi dari Silicon Labs. IC (Integrated Circuit) Si4464 adalah IC transceiver (transmitter receiver) arus rendah dengan 20 pin yang menggunakan frekuensi kerja MHz. IC ini memiliki dimensi yang sangat kecil yaitu 0.4 mm X 0.4 mm. Dengan arus yang sangat rendah IC ini sudah mampu memberikan sensitivitas -126 dbm. Modulasi yang Gambar 7. Match Network untuk 4 Elemen Berikut perhitungan dengan pendekatan 140 MHz dengan R LNA dan C LNA merupakan rangkaian ekuivalen impedansi untuk masukan LNA. Z ANT =50 Ω R LNA =545 Ω C LNA = F f =140 MHz ω RF = 2 π f ω RF = LR2 = Re(Z ANT ) R LNA ω RF LR2 = H 1 CR2 = ω 2 RF LR2 CR2 = F

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No.1, (2013) CR1 = 2 CR2 CR1 = F 1 L LNA = ω 2 RF C LNA = L LNA L M = 2 LR2 L M = LR2 = L LNA L M L LNA + L M LR2 = H Komponen yang digunakan akan memiliki nilai yang mendekati hasil dari perhitungan karena tidak ada komponen pasif yang nilainya sama persis seperti pada perhitungan di atas. D. Pembuatan Skematik Rangkaian Pembuatan skematik rangkaian diperlukan agar dapat diketahui apa saja komponen yang kita butuhkan dan apa saja yang perlu kita lakukan untuk membangun perangkat yang diinginkan. Dari skematik tersebut,kita dapat membuat layout PCB (Printed Circuit Board) yang nantinya akan dicetak dan digunakan. Gambar 9. Realisasi Perangkat Receiver IV. PENGUJIAN DAN ANALISA Seharusnya perangkat receiver ini diuji dengan menggunakan transmitter dari stasiun bumi. Tetapi karena adanya short pada bagian perangkat up converter, maka perangkat receiver ini tidak dapat diuji menggunakan transmitter dari stasiun bumi. Pengujian dilakukan dengan menggunakan function generator sebagai masukan sinyal informasi yang berupa sinyal digital dengan frekuensi 600 Hz dengan 1Vpp, dan signal generator yang nantinya akan menjadi carrier dari sinyal informasi dengan menggunakan modulasi FM (Frequency Modulation) frekuensi Mhz. Hasil dari sinyal informasi yang berupa sinyal digital dan sudah ditumpangkan dengan frekuensi carrier Mhz diharapkan dapat menghasilkan sinyal RF dengan modulasi FSK (Frequency Shift Keying). Sinyal yang sudah menjadi sinyal RF dengan modulasi FSK dapat menjadi masukan dari perangkat receiver yang sudah dibuat. Gambar 10. Diagram Pengujian Perangkat Receiver Gambar 8. Skematik Rangkaian Receiver E. Realisasi Perangkat Proses pencetakan PCB dilakukan oleh jasa pencetakan PCB di Bandung, karena kaki-kaki komponen sangat kecil. Setelah pencetakan PCB selesai, selanjutnya akan dipasang komponen sesuai dengan skematik. Alat pendukung yang digunakan pada proses pemasangan komponen adalah solder, timah, pinset, penyangga PCB, multimeter, dan lain-lain. Solder dan timah dibutuhkan untuk pemasangan komponen pada PCB. Solder yang digunakan adalah solder ESD (Electric Static Discharge). A. Function Generator sebagai Sumber Data Function generator diatur untuk mengeluarkan sinyal digital dengan frekuensi 600 Hz. Setelah itu diuji dengan oscilloscope dan spectrum analyzer. Hasil pengujian dapat dilihat pada gambar 12(a) dimana pada oscilloscope, sinyal berupa sinyal digital dan memiliki frekuensi 600 Hz. Pada gambar 11(b) merupakan hasil dari spectrum analyzer dimana spektrum menunjukkan spektrum sinyal digital dengan frekuensi 600 Hz dengan power spectral = dbm 39 dbm = dbm. (a)

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No.1, (2013) Tabel 1 Rata-rata Daya Function Generator+Signal Generator Frekuensi Daya Marker MHz dbm Marker MHz dbm Rata-rata dbm Sesuai dengan tabel 1,daya rata-rata sinyal tersebut adalah dbm dengan reference level 22 dbm, sehingga nilai power spectral adalah dbm. (b) Gambar 11. Keluaran dari Function Generator dilihat dengan (a) Oscilloscope (b) spectrum analyzer B. Pengujian Spektrum FSK Masukan dari Signal Generator berupa sinyal digital dari function generator. Sinyal digital ini memiliki frekuensi 600 Hz dengan Vpp 1 V. Signal Generator dapat diatur untuk mengeluarkan sinyal frekuensi RF yaitu MHz dengan daya 10 dbm atau setara dengan 10mW dan dapat mengatur jenis modulasi yang digunakan yaitu FM (Frequency Modulation). Hasil dari signal generator tidak dapat dilihat pada oscilloscope karena oscilloscope hanya memiliki spesifikasi frekuensi yang dapat ditampilkan 0.1 Hz hingga 60 MHz. Gambar 14. Diagram Total Line Loss dari Function Generator sampai pada Signal Generator Line Loss FG SG = ( dbm) ( dbm + 10 dbm) Line Loss FG SG = dbm C. Perangkat Receiver FSK MHz Sesuai dengan diagram pengujian perangkat receiver yang terdapat pada gambar 4.2. Power supply memberikan masukan daya 3Volt untuk perangkat receiver MHz. Gambar 12. Keluaran dari Function Generator+Signal Generator pada Spectrum Analyzer Marker 1 Gambar 15. Keluaran dari Perangkat Receiver FSK MHz dilihat dengan Oscilloscope Gambar 13. Keluaran dari Function Generator+Signal Generator pada Spectrum Analyzer Marker 3 Gambar 16. Keluaran dari Perangkat Receiver FSK MHz dilihat dengan Spectrum Analyzer

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No.1, (2013) Pada gambar 15,sinyal keluaran dari perangkat receiver pada oscilloscope tidak sesuai dengan hasil yang diinginkan yaitu sinyal digital seperti sinyal informasi awal pada gambar 11 (a), tetapi pada gambar 16, spektrum yang didapatkan adalah sinyal dengan frekuensi 600 Hz dan memiliki daya dbm atau setara dengan 0,038 W. Spektrum yang didapatkan memiliki kemiripan bentuk dengan spektrum sinyal informasi yang dapat dilihat pada gambar 11 (b). Gambar 17. Diagram Losses Total Sesuai dengan diagram pada gambar 17, perhitungan total loss adalah sebagai berikut : Total Loss FG Receiver= ( dbm) (10 dbm + ( dbm)) Total Loss FG Receiver = 9.89 db V. KESIMPULAN Perhitungan Link Budget menunjukkan 66.7 dbw setara dengan 36.7 dbm, dan sensitivitas IC Si4464 adalah 126 dbm masih berada di atas batas minimum sensitivitas IC Si4464,sehingga IC tersebut dapat digunakan sebagai perangkat receiver. Perangkat receiver ini belum dapat diintegrasikan dengan transmitter ITS-SAT, karena pengujian sistem komunikasi ITS-SAT secara keseluruhan belum dapat dilakukan. Integrasi dengan ground station tidak dapat dilakukan karena ada beberapa komponen ground station yang tidak dapat berfungsi. DAFTAR PUSTAKA [1] Maini A.K, Agrawal V. Satellite Technology Principles and Application. Wiley, USA [2] Roddy, Dennis, Satellite Communication 3 rd Edition, McGraw-Hill, USA, [3] Razavi, Behzad, RF Microelectronic, Prentice Hall, USA, [4] David, Pozar, Microwave Engineering USA John Wiley & Sons Inc.,USA, [5] Silicon Laboratories, Datasheet IC Si4464/63/61/60 HIGH - PERFORMANCE, LOW - CURRENT TRANSCEIVER, [6] Silicon Laboratories, Si446x/Si4362 RX LNA Matching, [7] RADIALL, TECHNICAL DATASHEET : VHF ANTENNA, FLEXIBLE WHIP 136 MHz 174 MHz MD10-003