Modul #07. Pendahuluan: Elektromagnetik. Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung 2007

Transkripsi

1 Modul #07 TE 343 ANTENA DAN PROPAGASI Pendahuluan: Propagasi Gelombang Elektromagnetik Program Studi S1 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung 007

2 Organisasi Modul 7 Pendahuluan : Propagasi Gelombang EM A. Pendahuluan page 3 B. Model Sistem Komunikasi page 8 C. Pemodelan Kanal Propagasi page 11 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM page 14 E. Dasar Pemahaman Link Budget page 8 F. Analisis i Lintasan GEM page 30 G. Berbagai Jenis Komunikasi Radio page 36

3 A. Pendahuluan Sekapur Sirih... Dasar dari propagasi gelombang elektromagnetika sudah pernah kita pelajari pada matakuliah Medan Elektromagnetika II dalam bab Gelombang Datar. Sebagaimana kita ketahui bahwa mode gelombang ketika merambat di udara adalah mode TEM (Transverse Electromagnetic) yang berarti arah vektor medan listrik tegaklurus dengan arah vektor medan magnet, dan keduanya tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang. Dalam matakuliah kita kali ini, kita akan mempelajari lebih jauh fenomena perambatan perambatan gelombang elektromagnetik di udara beserta berbagai tipe komunikasi terestrial. Karakteristik dari medium udara sedikit banyak akan dibahas dalam pengaruhnya terhadap perambatan gelombang 3 H E P

4 A. Pendahuluan Spektrum Frekuensi... Sinyal gelombang radio, cahaya, gelombang radio, sinar X maupun sinar gamma adalah contoh-contoh dari gelombang elektromagnetik. Pada tiap kasus di atas, energi merambat dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Panjang gelombang dari gelombang-gelombang l b di atas adalah berbeda serta akan memiliki sifat-sifat fisis yang berbeda dalam perilakunya terhadap frekuensi. Penggunaan dari gelombang akhirnya juga akan berbeda (untuk sistem komunikasi yang berbeda) 4

5 A. Pendahuluan Pembagian Spektrum Frekuensi... Pembagian spektrum frekuensi didasarkan pada panjang gelombang-nya, dan digunakan untuk berbagai jenis komunikasi yang berbeda λ = 300 f (MHz) Frekuensi λ Band Hz 10 1 Mm ELF (extremely low frequency) Hz 1 Mm km SLF (Super Low Frequency) 3-30 khz km VLF (very low frequency) khz 10-1 km LF (low frequency) khz 1 km m MF (medium frequency) 3-30 MHz m HF (high frequency) MHz 10-1 m VHF (very high frequency) MHz 1 m - 10 cm UHF (ultra high frequency) 3-30 GHz 10-1 cm SHF (super high frequency) GHz 1 cm - 1 mm EHF (extremely high frequency) ) GHz 1mm μm 5

6 A. Pendahuluan Band dname... Nama umum yang juga sering digunakan... Band Name Frequency L band Sb band C band X band Ku band K band Ka band 1 - GHz - 4GH GHz 4 8 GHz 8 1 GHz 1 18 GHz 18 7 GHz 7 40 GHz Heinrich Hertz 6

7 A. Pendahuluan Spektrum Frekuensi idan Media Transmisi... i 7

8 B. Model Sistem Komunikasi Message Input TI Transducer Input Sinyal input Tx Pemancar Sinyal yang ditransmisikan Kanal komunikasi TO Transducer Output Rx Redaman, distorsi, Penerima derau, interferensi Message ( tergantung karakteristik output kanal ybs ) UNCONTROLLED! 8

9 B. Model Sistem Komunikasi Kanal propagasi adalah huncontrolled, tt tetapi iharus diantisipasi i i dan dimodelkan... Tujuan memodelkan kanal propagasi... Untuk keperluan pemilihan sistem komunikasi yang tepat ( RF device, Algoritma DSP, dsb ) Untuk penelitian kinerja siskom pada tahapan simulasi Contoh : Modulasi QPSK FEC (Forward Error Correction) Interleaver Kontrol daya dsb PEMODELAN KANAL RADIO BER Probabilitas blocking QoS system ( Ditentukan, tergantung dari ilayanan yang diberikan ) 9

10 B. Model Sistem Komunikasi Contoh : Model Sistem Komunikasi Digital... Problem klasik dalam komunikasi digital : (1) Source Coding, () Channel Coding Source Coding : bertujuan untuk membuat representasi sinyal source (speech, image, dll) yang efisien i dalam bentuk deretan bit yang akan dilewatkan pada jaringan digital, di penerima akan dibuat replika sinyal source Channel Coding : bertujuan membuat transmisi yang efisien dari deretan bit informasi i melewati lapis komunikasi i yang lebih rendah (lapis fisik) ik) sinyal suara, teks, gambar, dimodelkan sebagai proses random QoS input output Source encoder teks : kode ASCII, SPACE symbol, Suara : A/D converter, dan meliputi juga kompressi data serta error koreksi (ARQ, FEC, dll) Source decoder Channel encoder modulation : FSK, ASK, PSK, dll Channel decoder Channel medium transmisi yg tidak bisa dikontrol designer 10

11 C. Pemodelan Kanal Propagasi Pemodelan kanal propagasi itergantung t kepada... Benda-benda diantara pengirim dan penerima Obstacle / penghalang, bentuk obstacle (runcing/landai), ion-ion, partikel-partikel, dll Frekuensi gelombang EM dan bandwidth informasi yang dikirimkan Frekuensi dan bandwidth informasi mempengaruhi perlakuan kanal propagasi terhadap sinyal yang dikirimkan Gerakan a pengirim dan/atau aupenerimae Pengaruh Efek Doppler terhadap penerimaan Pembicaraan tentang karakteristik kanal propagasi akan meliputi hl hal, yaitu : Redaman propagasi Fading Selisih antara daya pancar dan daya terima Fluktuasi daya di penerima 11

12 C. Pemodelan Kanal Propagasi Contoh Model... Lokasi i1 : Sinyal langsung mendominasi i penerimaan, sinyal langsung (free space) cukup besar dibandingkan sinyal pantulan tanah. Contoh : pada mikrosellular Lokasi : Sinyal terima dimodelkan d sebagai ijumlah sinyal llangsung dan sinyal terima, karena sinyal pantulan cukup signifikan besarnya. Contoh : Pada sistem selular (Plane Earth Propagation Model) Lokasi i3 : Plane Earth Propagation Model dikoreksi k i karena adanya difraksi i pepohonan Lokasi 4 Lokasi 5 : Path loss diestimasi dengan model difraksi sederhana : Path loss cukup sulit diprediksi karena adanya multiple diffraction 1

13 C. Pemodelan Kanal Propagasi Dalam kuliah hantena & Propagasi, yang dipelajari. i Dasar komunikasi terestrial ( jenis-jenis komunikasi, karakteristiknya, a dan dasar perhitungan daya / link budgetting ) Tipe-tipe komunikasi terestrial, dibedakan atas dasar Jarak pengirim dan penerima Untuk jarak cukup dekat, biasa digunakan hubungan LOS (Line Of Sight), semakin jauh jaraknya maka pengaruh kelengkungan bumi harus diperhatikan Frekuensi radio yang digunakan Frekuensi yang digunakan, mempengaruhi jenis komunikasi yang dipilih Kanal lintasan radio yang digunakan Contoh : hubungan troposfer, komunikasi ionosfer, hubungan difraksi 13

14 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM Parameter yang mempengaruhi perambatan gelombang radio Indeks bias atmosfir (a) Sifat-sifat indeks bias, (b) Indeks bias dimodifikasi, (c) Karakteristik atmosfer standar, (d) Pembiasan oleh atmosfir bumi Refleksi oleh permukaan bumi (a) Sifat dan karakteristik pemantulan, (b) Polarisasi horisontal dan vertikal Fading dan Diversitas Difaksi Gelombang Teori difraksi Fresnell-Kirchoff 14

15 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM D1 D.1 Indeks Bias Atmosfer (L Lambang : n ) Fenomena alamiah : Lintasan GEM di udara seringkali tidak lurus, tetapi MELENGKUNG Penyebab lengkungan : INDEKS BIAS atmosfer berubah dengan berubahnya ketinggian ( h ) terhadap permukaan bumi Indeks Bias = n, dipengaruhi komposisi utama terutama uap air n = ε r Jika n menurun dengan bertambahnya tinggi, lintasan GEM melengkung mendekati bumi Jika n bertambah, lintasan GEM melengkung menjauhi bumi Jika n tetap, lintasan GEM tetap lurus (terhadap ketinggian) Kadang-kadang GEM terperangkap di antara lapisan ( duct ) Bagian atmosfer yang mepengaruhi hilintasan GEM terutama adalah dlh TROPOSFER, yang ketinggiannya : 9 km ( Kutub Selatan ), 11 km ( Kutub Utara ), 18 km di katulistiwa 15

16 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM Analisis lintasan dilakukan dengan Hukum Snellius, sbb : n 3 1 sin θ1 = n sin θ = n3 sin θ =... = n(h) sin θ(h) = KONSTAN Jika, Δh 0, maka lengkungan lintasan pada gambar di bawah akan KONTINYU n > 1 > n > n3 n 4 θ 3 n 4 n 3 θ 3 θ 1 θ θ n n 1 Δh Δh Δh 16

17 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM Indeks Bias Dimodifikasi i : ( lambang M ) Tujuan : Analisis perubahan indeks bias terhadap ketinggian Dimana, h M = indeks bias dimodifikasi 6 M = n n 0 = indeks bias pada ketinggian h = 0 R h = ketinggian dari permukaan bumi R = jari-jari bumi = 6, m dm > dh 0,048 dm = 0,048 dh dm = 0,036 dh dm dh = 0 dm < 0 dh 17

18 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM h h h h dm = 0,048 u dh ft dm = 0,048 u dh ft dm = 0,048 u dh ft dm dh positif dm 0,036 u dm = = 0 dh ft dh (a) ATM standar h d dm < dh dm negatif dh dm positif dh M M M M (b) ρ = R ; k = (c) Duct (d) Elevated Duct 0 t d Atmosfer Standar Tujuan : Standarisasi sifat atmosfer dan memudahkan perhitungan Atmosfer standar memenuhi persamaan berikut : Dimana, ( ) 6 ( 0,136h) N = n 1 10 = 89e N = indeks bias h = ketinggian dalam km n = indeks bias sebagai fungsi h 18

19 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM D D. RflkiOlhP Refleksi Oleh Permukaan Bumi Karakteriktik propagasi gelombang tergantung kepada impedansi intrinsik medium Refleksi tergantung gkepada sifat bahan yang dirambati gelombang gdan polarisasi gelombang Koefisien refleksi dinyatakan sbb : R EH = i ϕ ϕ sin sin ϕ + n n cos cos ϕ R EV = n n sin ϕ sin ϕ + n n cos cos ( Polarisasi horisontal ) ( Polarisasi vertikal ) Dimana, ϕ = 90 o - θ = sudut vertikal θ = sudut datang = sudut pantul σ θ θ εr j ωε ϕ ϕ 0 n = = indeks bias relatif ε r1 19 ϕ ϕ

20 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM Untuk kkeadaan permukaan bumi idan keadaan udara tertentu, maka grafik fikkoefisien i pantul dan sudut datang sebagai fungsi ϕ diberikan sebagai berikut : π 1.0 ϕeh R EV R EH 0.9π π 0 o 10 o 50 ϕ EV Asumsi : Karena jarak Tx-Rx >> tinggi menara, maka biasa dianggap R EV = R EH = 1, dan φ R = π atau 180 o ) Untuk suatu kondisi, sudut ϕ untuk koefisien pantul minimum disebut sebagai SUDUT BREWSTER o 90 0 ϕ

21 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM D.3 Fading Fading adalah fluktuasi daya di penerima. Fading disebabkan karena perubahan kondisi kanal propagasi selama terjadinya komunikasi Penyebab fading umumnya adalah penjumlahan gelombang medan yang melewati lintasan yang berbeda-beda sehingga mengalami perlakuan kanal propagasi yang berbeda dalam hal amplituda dan fasanya Fading terdiri dari : a. Fading cepat ( Athmosferic Multipath Fading ) Fading berfluktuasi dengan cepat, dianalisis secara stokastik dan memberikan suatu model kanal yang berubah terhadap waktu. Fading cepat terdistribusi secara Rayleigh ( Rayleigh Fading) atau Rice (Rician Fading) b. Fading Lambat ( Shadowing ) Fading berfluktuasi dengan lambat, dianalisis secara stokastik dikaitkan dengan pathloss dan memberikan suatu model kanal yang berubah terhadap waktu. yang terdistribusi secara Lognormal (Lognormal Fading) 1

22 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM Teknik mengatasi fading a. Memberikan fading margin, sedemikian level sinyal penerimaan selalu lebih besar dari ambang (threshold) b. Menambahkan AGC (Automatic Gain Control) ) untuk stabilisasi penerimaan c. Memakai teknik diversitas Diversitas Fading... Teknik diversitas adalah teknik yang memungkinkan penerimaan ganda Diversitas dimungkinkan karena sifat penerimaan GEM yang memiliki peluang kecil dari masing-masing lintasan untuk mengalami fading secara bersamaan (simultan) Macam diversitas : a. Diversitas Ruang, antena dipisahkan oleh jarak tertentu untuk memungkinkan penerimaan ganda b. Diversitas Frekuensi, informasi dikirimkan dalam frekuensi carrier yang terpisah cukup jauh c. Diversitas Polarisasi, memanfaat pengiriman dengan macam polarisasi yang saling orthogonal atau eliptis i dengan beda fasa 90 o

23 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM Macam diversitas (cont ) d. Diversitas Sudut, dengan menggunakan sudut datang yang berbeda. Memerlukan antena yang besar karena gain harus besar. Contoh : Pada sky wave e. Diversitas Waktu, pengiriman dengan waktu yang berbeda Contoh perhitungan untuk Diversitas Ruang Δh A 1 agar penerimaan antena A 1 dan A memiliki korelasi Jarak Δh dibuat sedemikian terkecil A h h 1 Syarat : Δh = dλ 4 h t d = jarak antara pengirim dan penerima 3

24 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM Penerimaan rangkap diversitas dapat dilakukan dengan : a. Pemilihan penerimaan terbaik. A 1 LNA D/C IF W 1 S 1 Amp Comp S 1 ke Demod A LNA D/C IF Amp W S switcher W 1 > W : Comp = 1 S 1 ON, dan S OFF W 1 < W : Comp = 0 S 1 OFF, dan S ON b. Penggabungan penerimaan rangkap A 1 A LNA LNA Combiner D/C IF Amp ke Demod 4

25 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM Reliability (keandalan) Reliability W R W Rmin = Jumlah waktu dimana W R > W R min Waktu total pengamatan Fading margin Dimana, W Rmin = Daya terima minimum pada penerima yang akan memberikan BER maksimum yang dipersyaratkan Δt 1 Δt Δt 3 Δt 4 0 T Sebelum diberikan fading, T Δt + Δt + Δt 3 + Δt 4 Re liability = T ( ) 1 t 100% 5

26 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM Reliability (keandalan)... Fading margin diberikan untuk meningkatkan Reliability Contoh : Pengaruh fading margin dalam meningkatkan reliability pada komunikasi LOS Fading Margin Reliability 10 db 0 db 30 db 40 db 90% 99% 99,9% 9% 99,99% Sumber : HRW, Diktat Antena dan Propagasi, STTT Probabilitas Outage, P outage = 1 - Reliability outage 6

27 D. Parameter Yang Mempengaruhi Perambatan GEM D.4 Difraksi Gelombang Berdasarkan Prinsip Huygens yang menyatakan bahwa setiap titik pada celah yang dilalui gelombang dapat dianggap sebagai sumber gelombang yang baru Komunikasi yang memungkinkan penambahan tinggi antena Komunikasi Line Of Sight. Kata kunci : Jari-jari Fresnell, Clearance Factor Komunikasi yang tidak memungkinkan penambahan tinggi antena Komunikasi Difraksi Kata kunci : Loss Difraksi 7

28 E. Dasar Pemahaman Link Budget P T EIRP Loss Propagasi ( L P ) Diagram Level L ft G T G R L fr W R Fading Margin Daya terima, naik-turun karena fading Noise Figure Noise Spectral Density Threshold C N BER Effective Noise Spectral Density Lihat diagram di atas... P = Threshold + FM + L G + L G + T fr R P T L ft 8

29 E. Dasar Pemahaman Link Budget Perbaikan Unjuk Kerja Perbaikan Unjuk Kerja, dicapai dengan cara perbaikan disisi pengirim maupun di penerima... A. Sisi Pengirim Memperbesar daya pancar, High Gain Amplifier Meninggikan antena a Memperbesar gain antena Mengurangi loss kabel B. Sisi ipenerima Memperbesar gain antena Memperbaiki penerimaan dengan teknik diversitas, tinggi antena Mengurangi loss kabel Mengurangi tingkat noise : (1) Low Noise Amplifier & Filter () Mengurangi tingkat Noise Figure Parameter kinerja : Reliability, BER,... 9

30 F. Analisis Lintasan GEM F.1 Radius Efektif Bumi Tidak tepat jika dalam perencanaan menggambarkan muka bumi sebagai lengkungan dan lintasan GEM juga sebagai lengkungan Persamaan lengkungan ( Lihat penurunannya di diktat t P Heroe W ) : dn dh ρ = Jari-jari lengkungan lintasan gelombang EM ( dipengaruhi oleh perubahan indeks bias terhadap dh ketinggian ) = 1 ρ Kasus : N = n 1 10 = 89e.exp ( 0,136 h) ) 6 ( 0,136h ) Atmosfer Standar ( ) dn = 0, dh untuk h km kecil, didapatkan : dn 6 1 = 39,3.10 km = dh ρ ρ km km ( ATM standar, h km kecil ) 30

31 F. Analisis Lintasan GEM Transformasi Jari-Jari Efektif Bumi Lengkung lintasan GEM ditransformasikan sebagai Lintasan Lurus Lengkung muka bumi ditransformasikan sama, membentuk lengkungan baru dengan Jari-Jari Efektif Bumi = kr R eff = k R dimana, R eff = Jari-jari lengkung bumi hasil transformasi k = faktor kelengkungan g bumi ( dipengaruhi atmosfer ) dan, 1 k = 1+ R dn dh atau k 1 = 1 R ρ Untuk atmosfer standar, R = 6370 km dan ρ = 5000 km (perhitungan sebelumnya ), didapatkan : k = = sehingga R = k R = 6370 = 8500km 3 R 6370 eff 1 ρ

32 F. Analisis Lintasan GEM Kasus-Kasus : k = < k < 1 0 < k < k < 0 Secara praktis : 0,5 < k < 6 (kebanyakan) 3

33 F. Analisis Lintasan GEM F. Jarak Horison Radio h t kr d t kr Jika jarak horison Rx = d r, maka : tot t r Lihat penurunan di diktat P Heroe! ( kr ) + d = ( kr + ) t h t Didapatkan, untuk h t << R d = k R t h t Sesuaikan satuannya! Jika dt dalam mil dan ht dalam feet, [ h h ] d = d + d = k R + t r d = t ( mi) Contoh : ATM standar (R=6370, k = 4/3) didapatkan, [ h ] t( meter) hr( meter) ( ) d tot = 4,1 + km 3 k h t ( ft) Rumus praktis! Untuk h t = 100 m dan h r = 1,5 meter d tot = 46, km 33

34 F. Analisis Lintasan GEM Nomogram Horison Radio 34

35 F. Analisis Lintasan GEM F.3 Profile Chart Profile chart digunakan dalam perencanaan untuk mengetahui apakah titik di atas permukaan bumi terletak pada garis pandang radio dan obstacle di sepanjang lintasan 900 m 800 m 700 m 600 m 500 m 400 m 300 m 00 m 100 m y B x B Jari-Jari Fresnell obstacle K = 4/3 h r Untuk menggambar garis lengkung : y B x B = R eff Tapi yang lebih cocok dipakai ( sesuai skala ) y = c B x B h t Dengan c (konstanta) : d 1 d k Sesuai kebutuhan! c ~ 1 k

36 G. Berbagai Jenis Komunikasi Radio Jenis-Jenis Hubungan Komunikasi... (1) Komunikasi Gelombang Ruang Tipikal kanal propagasi : diasumsikan terdapat gelombang langsung dan gelombang pantul Termasuk dalam komunikasi gelombang ruang ini adalah : (a) Jarak dekat : Sistem komunikasi bergerak, (b) Jarak jauh ( sd puluhan km) : Komunikasi Line Of Sight () Hubungan Difraksi Kanal propagasi : Sengaja memanfaatkan terjadinya hamburan/difraksi penghalang Jarak hubungan difraksi bisa sampai ratusan km, atau mungkin juga untuk jarak dekat yang terhalang obstacle, sedangkan tidak mungkin menaikkan antena lagi (3) Hamburan Tropospheric Kanal propagasi : Sengaja memanfaatkan terjadinya hamburan/difraksi pada lapisan troposfer. Sebenarnya bisa diklasifikasikan sebagai hubungan difraksi. Jarak komunikasi : km Daerah frekuensi kerja : MHz 36

37 G. Berbagai Jenis Komunikasi Radio (4) Sky Wave Communication (Gelombang Langit) Jenis-Jenis Hubungan Komunikasi... Kanal propagasi : Memanfaatkan lapisan ionosfer untuk memantulkan gelombang menuju belahan bumi yang lain Jarak komunikasi : 150 km sampai ribuan km Daerah frekuensi : 3-30 MHz dengan bandwidth informasi sempit (5) Ground Wave (Gelombang Tanah) Kanal propagasi : Memanfaatkan permukaan bumi sebagai pembimbing gelombang Jarak komunikasi : SANGAT HANDAL untuk jarak dekat maupun jarak jauh Daerah frekuensi : hanya untuk frekuensi rendah sampai 3000 khz Aplikasi : Navigasi, siaran AM ( khz), deteksi ledakan nuklir (6) Gelombang Ruang Bebas Kanal propagasi : Ruang bebas, asumsi : hanya ada 1 gelombang langsung Jarak komunikasi : ribuan km Aplikasi : umumnya untuk komunikasi satelit, gelombang mikro 37

38 G. Berbagai Jenis Komunikasi Radio Spektrum Komunikasi Radio 3kH khz 300 GHz Radio Communication Radio, microwave, satellite VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 3 khz 30 khz 300 khz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz Surface Tropospheric Ionospheric Space & Line Space Of Sight 38