2.1. KONSEP PENGUATAN DAYA (LOSS DAN DECIBELL)

Transkripsi

1 2.1. KONSEP PENGUATAN DAYA (LOSS DAN DECIBELL)

2

3 BAB II PEMBAHASAN 2.1. KONSEP PENGUATAN DAYA (LOSS DAN DECIBELL) a. Macam-macam daya Ada berbagai macam jenis daya berdasarkan penggunaannya, salah satunya adalah daya pancar. Daya pancar atau yang sering disebut juga TX Power atau Daya TX, daya pancar dinyatakan dalam besaran Watt atau milliwatt, Jika kita bekerja pada frekuensi Microwave seringkali kita menggunakan besaran dbm. Daya pemancar pada peralatan WiFi dan WiMAX berkisar 30 mw sampai 200 mw atau lebih. Daya pancar maksimum pada frekuensi 2.4GHz yang legal di Indonesia adalah 100 mw. Daya TX seringkali tergantung pada kecepatan transmisi [1]. Besarnya daya pancar akan memengaruhi besarnya sinyal penerimaan di suatu tempat tertentu pada jarak tertentu dari stasiun pemancar. Semakin tinggi daya pancar semakin besar level kuat medan penerimaan siaran. Namun besarnya penerimaan siaran tidak hanya dipengaruhi oleh besarnya daya pancar. Besarnya daya pancar yang diperlukan untuk menjangkau sasaran pada jarak tertentu dipengaruhi antara lain oleh besarnya frekuensi, ketinggian antena pemancar dan antena penerima, profil antara lokasi pemancar dengan lokasi penerima, serta besarnya level kuat medan yang diharapkan dapat diterima oleh pesawat penerima. Apabila dinyatakan dalam rumus, dapat kita lihat dengan jelas parameter-parameter yang berpengaruh pada penerimaan sinyal siaran : [2] Gambar 1.1. Rumus Besaran Daya Pancar Keterangan : Pfs(db) : Level Field Strength dalam satuan db (level kuat medan). Po(db) : Power Output pemancar dalam satuan db (besarnya frekuensi). GantTx(db) : Gain antena pemancar dalam satuan db (ketinggian antena pemancar). Apl(db) : Attenuation Path Loss dalam satuan db (redaman ruang). Gant Rx(db) : Gain antena penerima dalam satuan db (ketinggian antenna penerima). b. Penguatan daya antena Pada sistem radio / wireless, kita menggunakan antena untuk mengkonversikan gelombang listrik menjadi gelombang elektromagnetik yang akan merambat di udara. Penguatan antena adalah besarnya penguatan energy yang dapat dilakukan oleh antena pada saat memancarkan dan menerima sinyal. Penguatan antena diukur dalam : dbi : relative terhadap antena isotropic (antena titik). dbd : relative terhadap sebuah antena dipole.

4 Hubungan antara dbd dan dbi adalah sebagai berikut : 0 dbd = 2.15 dbi dan kita biasanya menggunakan dbi sebagai perhitungan yang dilakukan [3]. Dalam pembahasan ilmu telekomunikasi, terdapat istilah-istilah dalam sinyal daya pancar maupun daya terima yaitu : 1. Gain (Penguatan) Adalah sebutan atau istilah yang digunakan untuk menyatakan seberapa besar daya output disbanding daya input dari suatu sistem. Perbandingan daya ini dinyatakan dalam satuan decibel (db). Jika dalam sistem terjadi penguatan maka pasti daya output sistem lebih besar dari daya inputnya. Gambar 1.2. Rumus Gain antena 2. Loss (Pelemahan) Adalah sebutan atau istilah yang digunakan untuk menyatakan seberapa besar daya input disbanding daya output dari suatu system. Perbandingan daya ini dinyatakan dalam satuan decibel (db). Jika dalam sistem terjadi pelemahan maka pasti daya output system lebih kecil dari daya inputnya. Loss (db) = 10 log (Pin/Pout) Gambar 1.3. Rumus Loss antena c. Redaman Dalam sebuah system komunikasi radio ada banyak hal yang memungkinkan terjadinya redaman pada kekuatan sinyal. Beberapa diantaranya adalah kabel, konektor, anti-petir, udara (free space), maupun berbagai halangan lain seperti pohon. Semua ini akan menyebabkan turunnya kemampuan jika tidak di install dengan baik. Dalam system komunikasi low power seperti WiFi yang rata-rata hanya mempunyai daya pancar mW saja, maka setiap db yang dapat kita hemat akan sangat penting artinya. Ingat 3 db Rule. Untuk setiap 3 db gain/loss kita akan double daya (gain) atau kehilangan setengah daya (loss). Contoh : -3 db = 1/2 daya (kehilangan setengah daya) -6 db = 1/4 daya (kehilangan seperempat daya) +3 db = 2x daya (double daya) +6 db = 4x daya (naik daya empat kali) d. Radiasi Daya Pancar Pemerintah maupun consensus komunitas kemungkinan besar akan menentukan batasan-batasan maksimum dari daya yang boleh di pancarkan dari antenna. Daya yang dipancarkan dari antenna dapat di ukur dengan dua 2 cara yaitu: Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) dalam dbm = daya di input antenna [dbm] + penguatan antenna [dbi]. Effective Radiated Power (ERP) dalam dbm = daya di input antenna [dbm] + penguatan antenna [dbd]. Effective Isotropic Radiated Power (EIRP) biasanya kita gunakan. Kita biasanya membatasi EIRP sekitar 36dBm. Di Indonesia, kita mengadopsi batasan EIRP yang berbeda bagi sambungan Point-to-Point (P2P) dan sambungan Point-to-Multi-Point (P2MP), menjadi 36 dbm dan 30 dbm. e. Propagasi di Udara (Free Space) Pada saat sinyal meninggalkan antenna, sinyal akan berpropagasi atau lepas ke udara. Antenna yang kita gunakan akan menentukan bagaimana propagasi akan terjadi. Pada frekuensi 2.4 GHz sangat penting sekali untuk menentukan agar jalur antara dua antenna ini tidak ada penghalang. Kita kemungkinan besar akan melihat adanya degradasi dari sinyal yang berpropagasi di udara jika ada hambatan di jalur. Pohonan, bangunan, tiang PLN, tower, gunung semua merupakan contoh dari penghalang. Tetapi sebagian besar redaman dalam system wireless adalah redaman karena sinyal harus merambat diudara. Persamaan dari redaman Free Space (Free Space Loss / FSL) adalah sebagai berikut: FSL(dB) = Log10F(MHz) + 20Log10D(km) Gambar 1.4. Rumus Free Space Loss Free Space Loss pada jarak satu (1) km pada frekuensi 2.4 GHz adalah: FSL(dB) = Log10(2400) + 20Log10(1) = = db Gambar 1.5. Perhitungan Free Space Loss

5 100+ dbm Free Space Loss (FSL) lumayan tinggi. Mengingat Effective Radiated Isotropic Power (EIRP) yang di ijinkan untuk terbang dari Antenna hanya dbm. Oleh karenanya kita melihat sekitar 70 sampai 80 dbm daya yang di terima. Cukup sempit margin yang ada mengingat sensitifitas penerima hanya sekitar -85dBm. f. Line of Sight Memperoleh Line of Sight (LOS) yang baik antara antenna pengirim dan antenna penerima sangat penting sekali baik untuk instalasi Point to Point dan Point to Multipoint. Ada dua (2) jenis LOS yang biasanya harus di perhatikan dalam instalasi, yaitu : Optical LOS berhubungan dengan kemampuan masing-maisng untuk melihat. Radio LOS berhubungan dengan kemampuan penerima radio untuk melihat sinyal dari pemancar radio. Teori Fresnel Zone digunakan untuk mengkuantifikasi Radio Line of Sight. Bayangkan sebuah Fresnel Zone sebagai lorong berbentuk bola rugby dengan antenna pemancar & penerima di ujung-ujungnya. Beberapa orang menggunakan consensus bahwa jika 60% dari Fresnel Zone di tambah tiga meter bebas dari halangan maka Radio LOS baik. Sebagian mengapopsi bahwa harus 80% dari Fresnel Zone tida ada yang menghalangi untuk memperoleh Radio LOS yang baik. Jika ada halangan di wilayah Fresnel Zone maka performance sistem akan terganggu. Beberapa efek yang akan terjadi adalah: 1. Reflection (Refleksi). Gelombang yang menabrak merambat menjauhi bidang datar & mulus yang di tabrak. Multipath fading akan terjadi jika gelombang yang datang secara langsung menyatu di penerima dengan gelombang pantulan yang juga datang tapi dengan fasa yang berbeda. 2. Refraction (Refraksi). Gelombang yang menabrak merambat melalui bidang yang dapat memudarkan (scattering) pada sudut tertentu. Pada frekuensi di bawah 10GHz kita tidak terlalu banyak terganggu oleh hujan lebat, awan, kabut dsb. Redaman pada 2.4GHz pada hujan 150mm/jam adalah sekitar 0.01dB/km. 3. Diffraction (Difraksi). Gelombang yang menabrak melewati halangan dan masuk ke daerah bayangan KONSEP LEVEL DAYA (dbm dan dbw) a. Decibel, Gain, dan Loss Power loss : Penurunan daya sinyal. Power gain : Penguatan daya sinyal. Decibel : Satuan untuk menyatakan power loss/gain. Decibel merupakan satuan ukuran daya yang logaritmis, Pertama kali digunakan oleh Alexander Graham Bell (satuan decibel digunakan untuk menghormati jasanya). Decibel : db Rumus db untuk menyatakan ukuran daya : Gambar 1.6. Rumus db menyatakan ukuran daya Jika kita lebih tertarik akan perubahan pada tegangan maka faktor impedansi harus dimasukkan pada perhitungan db. b. Power Levels in db Sampai titik ini kita masih melihat penerapan db untuk menyatakan perbandingan daya. Bagaimana cara menyatakan level daya absolut menggunakan db. Daya referensi yang banyak digunakan adalah 1 mw.

6 Satuan db yang dihasilkan adalah dbm. Contoh: suatu level daya 10 mw bila dinyatakan di dalam db adalah 10 dbm. Daya referensi lain yang dapat digunakan : 1 Watt (satuan db yang digunakan dbw). Gambar 1.7. Perubahan db ke dbm Gambar 1.8. Perubahan db ke dbw c.contoh penggunaan db Diketahui : P1 30 dbm RL 110 db 1 Watt GA 30 db =... dbm = 10 log 1 = 33 dbm Penyelesaian : P2 = P1 + GA - RL + GB = P2 = -20 dbm dbm = -20 = log x - = log x - 2 = log x X= X = 0,01 mw X = 0,01 mw X= x X= W c. Perhitungan Perhitungan Link Budget Sistem Komunikasi Radio link budget merupakan perhitungan level daya yang dilakukan untuk memastikan bahwa level daya penerimaan lebih besar

7 atau sama dengan level daya threshold (RSL = Rth). Tujuannya untuk menjaga keseimbangan gain dan loss guna mencapai SNR yang diinginkan di receiver. Parameterparameter yang mempengaruhi kondisi propagasi suatu kanal wireless adalah sebagai berikut : 1. Lingkungan propagasi Kondisi lingkungan sangat mempengaruhi gelombang radio. Gelombang radio dapat di redam, dipantulkan, atau dipengaruhi oleh noise dan interferensi. Tingkat peredaman tergantung frekuensi, dimana semakin tinggi frekuensi redaman juga semakin besar. Parameter yang mempengaruhi kondisi propagasi yaitu rugi-rugi propagasi, fading, delay spread, noise, dan interferensi. 2. Rugi-rugi propagasi Dalam lingkungan radio, konfigurasi alam yang tidak beraturan, bangunan, dan perubahan cuaca membuat perhitungan rugirugi propagasi sulit. Kombinasi statistik dan teori elektromagnetik membantu meramalkan rugirugi propagasi dengan lebih teliti. 3. Fading adalah fluktuasi amplituda sinyal. Fading margin adalah level daya yang harus dicadangkan yang besarnya merupakan selisih antara daya rata-rata yang sampai di penerima dan level sensitivitas penerima. Nilai fading margin biasanya sama dengan peluang level fading yang terjadi. Yang nilainya tergantung pada kondisi lingkungan dan sistem yang digunakan. Nilai fading margin minimum agar sistem bekerja dengan baik sebesar 15 dbm. 4. Noise dihasilkan dari proses alami seperti petir, noise thermal pada sistem penerima, dll. Disisi lain sinyal transmisi yang mengganggu dan tidak diinginkan dikelompokkan sebagai interferensi. d. Satuan dan Parameter Transmisi Radio 1. (Daya) Adalah besaran kekuatan suatu sinyal yang dihasilkan oleh perangkat (rangkaian). Notasi : P. Satuan : Watt, dbm, dbw. Rumus : P (Watt) = E (Volt) x I (Ampere) = E2 (Volt) : R (Ohm) = I2 (Ampere) x R (Ohm) P (Watt) = 10 Log P watt /1 Watt =.. dbw (deci Bell Watt) P (milliwatt) = 10 Log P milliwatt/1millwatt =.. dbm (deci Bell milliwatt P (Volt) = 20 Log P Volt /1 Volt =.. dbv (deci Bell Volt) P (mv) = 20 Log P mv / 1 mv =.. dbv (deci Bell mv) Hubungan dbw dan dbm : x dbw dbm

8 = (x + 30) dbm y = (y - 30) dbw 2. Loss / Attenuation (Redaman) Adalah suatu besaran yang diperoleh dari hasil perbandingan secara logaritmis antara daya input (Pi) dengan daya output (Po). Po < Pin. Po < Pin; Initial (notasi) : A; Satuan db. Rumus Contoh : Loss = 10 Log Pi/Po : Pi = 100 mw Po = 10 mw Loss = 10 Log 100/10 = 10 db 3. Bandwidth (Lebar pita frekwensi) Adalah lebar dari suatu spektrum frekwensi y ang diduduki oleh suatu sinyal. Jumlah kanal yang menduduki suatu bandwidth berbanding lurus dengan lebar pita frekwensi tersebut. Semakin lebar pita frekwensi maka semakin banyak jumlah kanal yang bisa dibawanya. Rumus : Bandwidth = f atas f bawah Contoh : Lebar pita frekwensi satu kanal suara adalah : 3100 Hz. 4. Noise (Derau) Adalah sinyal yang tidak diinginkan. Sifatnya mengganggu sinyal asli (informasi). Dan munculnya tidak bisa diduga (unpredictable ). Menurut sumbernya, noise bisa dibedakan menjadi 2 kelompok, yaitu : a. Internal Noise, yang disebabkan oleh : 1) Panas dari komponen (Thermal Noise). 2) Intermodulasi (Inter modulation Noise). 3) Cakap Silang (Crosstalk noise). b. External noise, yang disebabkan oleh : 1) Atmospheric (Atmospheric Noise). 2) Extraterrestrial (Extraterrestrial Noise). 3) Perbuatan orang (Man Made Noise). 5. Interferensi Adalah gangguan yang timbul akibat adanya sinyal lain dengan frekwensi sama dan yang mempunyai daya cukup besar. Untuk meningkatkan kapasitas pada sistem CDMA, interferensi harus ditekan sekecil mungkin dan memerlukan power control PARAMATER S/N, BER a. Parameter S/N (SIGNAL TO NOISE RATIO) S/N adalah pengukuran berdasarkan perbandingan antara level power sinyal informasi dengan level power noise yang diterima. Pengukuran S/N ini biasanya dilakukan pada sistem komunikasi analog pada bagian penerima untuk menunjukkan kualitas sinyal terima dibandingkan dengan noisenya. S/N juga digunakan sebagai patokan batas ambang sinyal informasi analog yang masih dapat diterima dengan baik. Dari pendapat yang lain S/N adalah perbandingan antara daya sinyal yang diinginkan terhadap daya noise yang diterima pada suatu titik pengukuran. SNR ini adalah suatu parameter untuk menunjukkan tingkat kualitas sinyal penerimaan pada sistem komunikasi analog, dimana semakin besar harga SNR maka kualitas akan semakin baik. Sauan dari SNR ini adalahbiasanya dalam db. S/N dapat juga diartikan sebagai ukuran yang digunakan dalam ilmu dan

9 teknik yang membandingkan tingkat sinyal yang diinginkan dengan tingkat kebisingan. Hal ini didefinisikan sebagai rasio dari daya sinyal terhadap daya noise. Rasio yang lebih tinggi dari 1:1 menunjukkan sinyal lebih dari kebisingan. Sementara SNR umumnya dikutip untuk sinyal listrik, dapat diterapkan untuk setiap bentuk sinyal. Sehingga untuk menentukan seberapa baik atau buruk suatu data dapat dihitung dengan persamaan Shannon-Hartley : (S/N)dB = Levelsignal(dBm) Levelnoise(dBm) Ada juga beberapa sumber yang mengatakan parameter S/N ratio ialah perbandingan antara daya sinyal yang diinginkan dengan daya sinyal yang tidak diinginkan (noise) pada suatu titik ukur. Menyatakan kualitas sinyal informasi yang diterima pada sistem transmisi analog. Merupakan batas ambang sinyal analog yang masih dapat diterima. Semakin besar nilai S/N maka kualitas sinyal semakin bagus. Ada beberapa parameter-parameter lain yang berkaitan dengan parameter S/N ratio, yakni seperti : 1. C/N ratio Perbandingan antara level power sinyal pemodulasi (carrier) dengan sinyal penginterferensi (interferer) yang diterima. Titik ukur C/N biasanya dilakukan pada tingkat IF sebelum masuk ke demodulator. Merupakan batas ambang sinyal carrier yang masih dapat didemodulasi dengan baik oleh demodulator. Semakin besar nilai C/N maka kualitas sinyal semakin bagus. 2. C/I ratio Perbandingan antara level power sinyal pemodulasi (carrier) dengan sinyal penginterferensi (interferer) yang diterima. Merupakan batas ambang sinyal carrier yang masih dapat di-demodulasi dengan baik oleh demodulator. Semakin besar nilai C/N maka kualitas sinyal semakin bagus. Dalam sistem CDMA nilai C/I ini akan mempengaruhi kapasitas. 3. Energi per bit terhadap kebisingan (Eb/N0) Energi per bit terhadap kebisingan merupakan parameter penting dalam komunikasi digital atau transmisi data. Eb/N0 sama dengan SNR dibagi dengan efisiensi "kotor" link spektral di (bit/s) / Hz, dimana bit dalam konteks ini ditransmisikan bit data, termasuk informasi koreksi kesalahan dan kelebihan pengiriman protokol lainnya. Kerapatan gangguan spektrum N0, biasanya dinyatakan dalam satuan watt per hertz, juga dapat dilihat sebagai memiliki dimensi energi, atau unit joule, atau joule per siklus. Eb/N0 umumnya digunakan dengan modulasi dan coding yang dirancang untuk kebisingan-terbatas. Dalam sistem komunikasi digital nilai Eb/N0 merupakan parameter penting untuk menentukan unjuk kerja sistem. Eb/N0 = C/kT (bit rate) Gambar 1.9. Parameter untuk mentukan kerja sistem dimana: C = Level sinyal terima (RSL) Gambar Eb/N0 = CdBW 10log(bitrate) (-228,6dBW ) 10logT e 2.0. Parameter C Gambar 2.1. Rumus perhitungan bit rate Te = Temperatur noise efektif pada penerima. Gambar 2.1. Parameter Te 4. Noise Figure Noise figure adalah perbedaan desibel (db) antara output suara dari penerima sebenarnya untuk output suara penerima "ideal" dengan keuntungan keseluruhan yang sama dan bandwidth ketika penerima yang terhubung ke sumber pada suhu standar kebisingan (T 0, biasanya 290 K). Noise figure merupakan suatu nilai perbandingan antara (S/N) in dan nilai (S/N)out. Untuk sistem linier maka noise figure (NF) dituliskan dalam bentuk matematis seperti berikut: NF = (S/N)in / (S/N)out

10 b. Parameter BER (BIT ERROR RATE) Bit Rate (Kecepatan bit) Ialah banyaknya bit yang terkirim dalam satu detik. Bit rate biasanya mempunyai satuan : kbps, Mbps, dan Gbps. Contoh : Bit rate satu kanal suara adalah : 64 kbps. Bit rate sinyal E1 adalah : kbps atau 2 Mbps. Bit Error Rate (Laju kesalahan bit) yang berarti suatu laju kesalahan bit yang timbul di dalam suatu sistem transmisi sinyal digital dan merupakan ukuran kualitas transmisi digital, BER juga merupakan konstanta, tanpa satuan. Semakin kecil nilai BER maka kualitas transmisi semakin bagus. Contoh : BER = 10-3, 10-6, Beberapa sumber lain mengatakan BER adalah satuan untuk mengukur kesalahan data pada proses pengiriman data. Besarnya BER dinyatakan dalam 10x, x berupa bilangan bulat decimal yang menyatakan besarnya data 10 pangkat x. Contoh suatu sistem mempunyai BER 10 6, artinya dalam system tersebut akan terjadi kesalahan 1 data setiap data. Jika system tersebut mempunya bitrate 8 Mbps, maka dalam satuan detik terjadi 8 buah data yang salah. Perbandingan antara jumlah bit yang diterima salah dengan jumlah total bit yang diterima. Pengukuran BER ini spesifik hanya pada sistem komunikasi digital dan diukur pada level baseband. h h h Gambar 2.2. Rumus BER BER (Bit Error Rate atau Bit error ratio) merupakan sejumlah bit digital bernilai tinggi pada jaringan transmisi yang ditafsirkan sebagai keadaan rendah atau sebaliknya, kemudian dibagi dengan sejumlah bit yang diterima atau dikirim atau diproses selama beberapa periode yang telah ditetapkan. Pada transmisi digital, jumlah kesalahan bit adalah jumlah bit yang diterima dari aliran data melalui saluran komunikasi yang telah berubah karena noise, gangguan distorsi, atau kesalahan bit sinkronisasi. Sebagai contoh, diasumsikan berikut ini urutan bit yang ditransmisikan: , dan pada alat penerima akan menterjemahkan urutan bit sebagai berikut: , Maka BER pada kasus ini ada 3 kesalahan penafsiran bit (yang digaris bawah) kemudian sebagai nilai BER yang dihasilkan adalah nilai kesalahan ini dibagi dengan sejumlah bit yang kirim yaitu 10 bit, sehingga didapatkan 0.3 atau 30%.

11