Konsep Propagasi Gelombang EM dan Link Budget

Transkripsi

1 TTG3D3 Antena Modul#7 Antena dan Propagasi Konsep Propagasi Gelombang EM dan Link Budget Oleh : driansyah, ST, MT 1 Outline Pendahuluan Model Sistem Komunikasi & Channel Modeling Karakteristik Dan Fenomena Dalam Perambatan GEM Prinsip Desain Sistem Komunikasi Radio Terestrial & Power Link Budget Berbagai Jenis Sistem Komunikasi Radio Terestrial Metode Perbaikan Kinerja Sistem Komunikasi Radio Terestrial Analisis Lintasan Gelombang Elektromagnetik

2 Pendahuluan 3 Review Kuliah Elmag II (Elmag Telekomunikasi) Gelombang datar : mode TEM (transverse electromagnetic) Gelombang merambat pada berbagai jenis medium H E P Kuliah Antena & Propagasi Komunikasi radio melalui perambatan GEM pada berbagai jenis mode transmisi radio terestrial 4

3 Spektrum Frekuensi HF UHF VHF SHF 30 MHz 300 MHz 3000 MHz GEM dengan frekuensi (panjang gelombang) berbeda diperlakukan oleh medium (kanal) propagasi secara berbeda Frekuensi berbeda ditujukan untuk jenis komunikasi terestrial berbeda Komunikasi jarak-jauh menggunakan frekuensi rendah Komunikasi jarakdekat menggunakan frekuensi tinggi 5 Pembagian Spektrum Frekuensi... Frekuensi λ Band Hz 101 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 λ = 300 f(mhz) Heinrich Hertz 6

4 Spektrum Frekuensi dan Media Transmisi... 7 Sistem Komunikasi dan Channel Modeling 8

5 Model Sistem Komunikasi Nirkabel Message Input Source encoder teks : kode ASCII, SPACE symbol, Suara : A/D converter, dan meliputi juga kompressi data serta error koreksi (ARQ, FEC, dll) Channel encoder modulation : FSK, ASK, PSK, dll antena Sinyal yang ditransmisikan sinyal suara, teks, gambar, proses random TI Tx Transducer Pemancar Input Kanal Propagasi Message output TO Transducer Output Rx Penerima antena Redaman, distorsi, derau, interferensi ( tergantung karakteristik kanal ybs ) UNCONTROLLED! 9 Pemodelan Kanal Propagasi Pemodelan kanal propagasi tergantung kepada... Jarak antara Tx Rx 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 pengirim dan/atau penerima Pengaruh Efek Doppler terhadap penerimaan Redaman propagasi Selisih antara daya pancar dan daya terima Fading: Fluktuasi daya di penerima 10

6 Contoh Model... Lokasi 1 Lokasi Lokasi 3 Lokasi 4 Lokasi 5 : Sinyal langsung mendominasi penerimaan, sinyal langsung (free space) cukup besar dibandingkan sinyal pantulan tanah. Contoh : pada mikrosellular : Sinyal terima dimodelkan sebagai jumlah sinyal langsung dan sinyal terima, karena sinyal pantulan cukup signifikan besarnya. Contoh : Pada sistem selular (Plane Earth Propagation Model) : Plane Earth Propagation Model dikoreksi karena adanya difraksi pepohonan : Path loss diestimasi dengan model difraksi sederhana : Path loss cukup sulit diprediksi karena adanya multiple diffraction 11 Karakteristik Dan Fenomena Dalam Perambatan GEM 1

7 Fenomena Dalam Perambatan GEM Ada lengkungan berkas GEM: Berkas gelombang EM di atmosfir dapat melengkung karena perubahan indeks bias atmosfir Ada pantulan gelombang: Permukaan bumi dan benda-benda di atasnya dapat memantulkan GEM Ada hamburan: Hamburan (difraksi) Ada penyerapan gelombang: Pada berbagai kondisi tertentu, ada juga absorpsi (penyerapan) gelombang Menyebabkan terjadinya FADING sinyal di sisi penerima 13 Sinyal Yang Diterima berfluktuasi : 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) 14

8 1) Lengkungan Berkas Gelombang EM Lintasan GEM di udara seringkali tidak lurus, tetapi MELENGKUNG Disebabkan INDEKS BIAS (n) atmosfer berubah dengan berubahnya ketinggian ( h ) terhadap permukaan bumi Analisis lintasan dilakukan dengan Hukum Snellius, sbb : n 3 1 sinθ1 = n sinθ = n3 sinθ =... = n(h)sinθ(h) = KONSTAN Jika, h 0, maka lengkungan lintasan pada gambar di bawah akan KONTINYU n n > n > n > n 4 θ 3 n 3 θ 3 θ θ n h n 1 h θ 1 h Lengkungan Berkas GEM Karakteristik Indeks Bias Atmosfir n = ε r Indeks Bias = n, dipengaruhi komposisi utama terutama uap air 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 mempengaruhi lintasan GEM terutama adalah TROPOSFER, yang ketinggiannya : 9 km ( Kutub Selatan ), 11 km ( Kutub Utara ), 18 km di katulistiwa 16

9 1. Lengkungan Berkas GEM Indeks Bias Dimodifikasi (M) Tujuan : Analisis perubahan indeks bias terhadap ketinggian h M= n R 6 Dimana, M = indeks bias dimodifikasi n 0 = indeks bias pada ketinggian h = 0 h = ketinggian dari permukaan bumi R = jari-jari bumi = 6, m dm > 0,048 dh dm dh = 0,048 dm = 0,036 dh dm = 0 dh dm < 0 dh Lengkungan Berkas GEM Atmosfir Standar h dm = 0,048 u dh ft h dm = 0,048 u dh ft h dm = 0,048 u dh ft h dm positif dh dm = 0,036 u dh ft M (a) ATM standar dm = 0 dh h d dm < 0 dh M M M (b) ρ = R ; k = (c) Duct (d) Elevated Duct Atmosfer Standar Tujuan : Standarisasi sifat atmosfer dan memudahkan perhitungan Atmosfer standar memenuhi persamaan berikut : Dimana, 6 ( 0,136h ) N= ( n 110 ) = 89e N = indeks bias h = ketinggian dalam km n = indeks bias sebagai fungsi h t d dm negatif dh dm positif dh 18

10 ) Pantulan Gelombang EM Karakteriktik propagasi gelombang tergantung kepada impedansi intrinsik medium Refleksi tergantung kepada sifat bahan yang dirambati gelombang dan polarisasi gelombang Koefisien refleksi dinyatakan sbb : R EH sinϕ = sin ϕ+ n n cos cos ϕ ϕ R EV n = n sinϕ sin ϕ+ n n cos cos ( Polarisasi horisontal ) ( Polarisasi vertikal ) Dimana, ϕ = 90 o - θ = sudut vertikal θ = sudut datang = sudut pantul n ε σ j r ωε0 = = indeks bias relatif ε r1 ϕ θ θ ϕ ϕ ϕ 19 ) Pantulan Gelombang EM Untuk keadaan permukaan bumi dan keadaan udara tertentu, maka grafik koefisien pantul dan sudut datang sebagai fungsi ϕ diberikan sebagai berikut : ϕ π 1.0 EH R EV R EH 0.9π π o 10 ϕ EV o o 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 ϕ 0

11 3) Difraksi Gelombang EM Prinsip Huygens 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 1 Prinsip Desain Sistem Komunikasi Radio Terestrial & Power Link Budget

12 Sistem komunikasi terestrial Dasar komunikasi terestrial ( jenisjenis komunikasi, karakteristiknya, 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 3 Diagram Level Daya EIRP P T Loss Propagasi ( L P ) L ft G T G R L ft P R Fading Margin Daya terima, naik-turun karena fading Lihat diagram di atas... T Noise Figure Noise Spectral Density fr Threshold C N BER Effective Noise Spectral Density P = Threshold + FM + L G + L G + L R P T ft 4

13 Check List Pertanyaan Dalam Desain Radio Link Berapa pathloss (L p ) untuk link komunikasi tersebut? Fungsi (frekuensi, jarak, jenis komunikasi, dst) Apa jenis antena dan berapa gain yang diperlukan? Fungsi (jenis transmisi (broadcast/point to point), pemancar/penerima) Berapa fading margin yang diperlukan untuk link komunikasi tersebut? Terkait dengan reliability Apa saja loss (rugi) yang terjadi dan berapa nilainya? Loss kabel, konektor, dsb Berapa sensitivitas sistem receiver utk mencapai standar kualitas tertentu Berapa daya pancar transmitter yang diperlukan 5 Prinsip Desain Komunikasi Terestrial Mengupayakan agar daya terima (P r ) selalu berada di atas ambang penerimaan minimum (P th ) P r P th Reliability dan BER optimum berdasarkan layanan/aplikasi komunikasi Tradeoff: Reliability ; BER 6

14 Reliability (keandalan) Reliability W R W Rmin Jumlahwaktu dimanaw > Waktutotalpengamatan W R R min = Dimana, Fading margin W Rmin = Daya terima minimum pada penerima yang akan memberikan BER maksimum yang dipersyaratkan t 1 t t 3 t 4 0 T Sebelum diberikan fading, ( t + t + t + t ) T 3 4 Reliability = T 1 t 100% 7 Reliability & Fading Margin Fading margin diberikan untuk meningkatkan Reliability Contoh : Pengaruh fading margin dalam meningkatkan reliability pada komunikasi LOS Fading Margin Reliability 10 db 90% 0 db 99% 30 db 99,9% 40 db 99,99% Sumber : HRW, Diktat Antena dan Propagasi, STTT Probabilitas Outage, P outage = 1 - Reliability 8

15 Berbagai Jenis Sistem Komunikasi Radio Terestrial 9 Spektrum Frekuensi Komunikasi Radio Terestrial 3 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 Of Sight Space 30

16 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 31 Jenis-Jenis Hubungan Komunikasi... (4) Sky Wave Communication (Gelombang Langit) 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 3

17 Metode Perbaikan Kinerja Sistem Komunikasi Radio Terestrial 33 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 Memperbesar gain antena Mengurangi loss kabel B. Sisi Penerima 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,... 34

18 Perbaikan Unjuk KerjaTeknik mengatasi fading Memberikan fading margin, sedemikian level sinyal penerimaan selalu lebih besar dari ambang (threshold) Menambahkan AGC (Automatic Gain Control) untuk stabilisasi penerimaan Memakai teknik diversitas 35 Perbaikan Unjuk Kerja: Diversitas Diversitas: teknik yang memungkinkan penerimaan ganda Diversitas memanfaatkan sifat masing-masing lintasan GEM yang memiliki peluang kecil dari untuk mengalami fading secara bersamaan Macam diversitas: Diversitas Ruang, antena dipisahkan oleh jarak tertentu untuk memungkinkan penerimaan ganda Diversitas Frekuensi, informasi dikirimkan dalam frekuensi carrier yang terpisah cukup jauh Diversitas Polarisasi, memanfaat pengiriman dengan macam polarisasi yang saling orthogonal atau eliptis dengan beda fasa 90 o Diversitas Sudut, dengan menggunakan sudut datang yang berbeda. Memerlukan antena yang besar karena gain harus besar. Contoh : Pada sky wave Diversitas Waktu, pengiriman dengan waktu yang berbeda 36

19 Contoh perhitungan untuk Diversitas Ruang h A 1 Jarak h dibuat sedemikian agar penerimaan antena A 1 dan A memiliki korelasi terkecil A h 1 A h Syarat : dλ h = 4h t d = jarak antara pengirim dan penerima 37 Diversitas: combining Penerimaan rangkap diversitas dapat dilakukan dengan : a. Pemilihan penerimaan terbaik.(selective combining) A 1 A LNA D/C IF Amp LNA D/C IF Amp W 1 W Com p S 1 S switcher ke Demod 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 38

20 End Of Modul#7 39