Research Based Learning Wave 2015 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Aplikasi Modulasi pada Gelombang Radar Wildan Syahrun Nahar 1,a, Cecep Triyandi 2,b, Martinus Tampubolon 3,c & Dimas Rexy Arie Saputra 4,d 1 Jl. Pelesiran No. 110 Kota Bandung 40132 2 Jl. Karangsari IV No. 202 Cimahi, 40535 Bandung 3 Jl. Tubagus Ismail VI No. 27, Bandung 4 Jl. Cisitu Lama IV No. 154/68 C, Bandung Email: a wildansn@s.itb.ac.id, b ceceptriyandi@s.itb.ac.id, c martinustampubolon@s.itb.ac.id, d dimasrexy@s.itb.ac.id Abstrak. Modulasi gelombang merupakan proses mengubah karakteristik tertentu dari suatu gelombang menurut pola osilasi gelombang yang lain. Radar (Radio, Detection, and Ranging) merupakan salah satu alat yang dimanfaatkan untuk mendeteksi jarak / kecepatan suatu objek. Radar menggunakan proses frequency modulation untuk proses pengiriman sinyal, khususnya pada frequency-modulated continuous wave (FMCW). FMCW mengaplikasikan proses modulasi FM untuk menentukan jarak antara radar dengan objek yang dideteksi. Dengan mengetahui frekuensi transmisi dan receive serta waktu tempuh, dapat ditentukan jarak antara objek dengan radar. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pada FMCW, jarak dari radar ke target ditentukan oleh perbandingan antara frekuensi kirim dan terima. Kata kunci: continuous wave, frekuensi, modulasi, radar, sinyal. 1 Pendahuluan Tujuan dari paper ini adalah untuk menentukan faktor-faktor yang mempengaruhi jarak antara radar ke target pada FMWC yang memanfaatkan proses modulasi FM. Modulasi gelombang pada dasarnya merupakan proses mengubah karakteristik dari sebuah gelombang berdasar pola osilasi gelombang yang lain. Melalui proses ini, karakteristik gelombang kedua dapat ditumpangkan pada gelombang pertama, dan kemudian dipisahkan kembali bila diperlukan. Dalam teknik komunikasi, gelombang atau sinyal pita dasar (baseband) dikirimkan kepada sasaran atau objek berjarak jauh dengan memodulasi suatu gelombang pembawa (carrier) berfrekuensi dan berdaya relatif tinggi. Dalam hal ini, sinyal pita dasar tersebut dikenal sebagai gelombang modulasi. Sebagai salah satu komponen pertahanan negara, radar merupakan alat yang harus terus beroperasi. Kemampuan untuk mendeteksi sasarannya dengan
38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 2 Wildan, Cecep, Martinus, Dimas akurat adalah hal mutlak yang harus dimiliki oleh sebuah radar. Radar pulsa memancarkan dan menerima deretan sinyal terputus secara periodik. Sedangkan radar dengan continuous wave mengirimkan dan menerima sinyal secara simultan. Prinsip kerja radar dengan sinyal gelombang kontinyu adalah transmitter memancarkan gelombang dengan frekuensi f 0 secara terus-menerus, sehingga radar jenis ini harus menggunakan antenna transmitter dan receiver yang berbeda. Oleh osilator, gelombang kontinyu tersebut diteruskan ke antenna dan sebagian kecil gelombangnya bocor menuju detektor. Gelombang dengan frekuensi f 0 tersebut akan dimodulasi dengan frekuensi carrier f c untuk kemudian dipancarkan kembali. Pada bagian 2 akan dibahas tentang teori modulasi gelombang yang meliputi jenis-jenis modulasi gelombang. Sedangkan pada bagian 3 akan dibahas tentang macam-macam gelombang radar yang sering dipakai. Serta pada bagian 4 akan dibahas secara khusus mengenai Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) yang memanfaatkan modulasi FM yang menjadi bahasan utama paper ini. 2 Teknik Modulasi Gelombang Teknik modulasi gelombang pada dasarnya dapat dibagi ke dalam kelompok teknik analog dan teknik digital. Dalam kelompok modulasi analog masih dapat dibedakan menjadi gelombang pembawa berupa continuous wave dan pulsed. Pada bahasan kali ini akan berfokus pada gelombang kontinyu yaitu modulasi frekuensi atau yang sering disebut Frequency Modulation (FM). Modulasi frekuensi (FM) adalah proses menumpangkan sinyal informasi pada sinyal pembawa sehingga frekuensi gelombang pembawa berubah sesuai dengan perubahan simpangan (tegangan) gelombang sinyal informasi. Pada modulasi FM, frekuensi sinyal informasi mengubah-ubah frekuensi gelombang pembawa. 65 Gambar 1. Proses modulasi frekuensi
Aplikasi Modulasi pada Gelombang Radar 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 Karakter dari transmisi modulasi FM adalah tidak dapat dipantulkannya gelombang elektromagnetik dari modulasi frekuensi sehingga jarak pancaran adalah line of sight dan terbatas pada daya pancar. Karakter kedua adalah ketahanan modulasi terhadap noise (gangguan) pada transmisi modulasi frekuensi, sehingga kualitas sinyal informasi yang diterima jernih seperti aslinya. 3 Teori Gelombang Radar Radar adalah suatu sistem gelombang elektromagnetik yang berguna untuk mendeteksi, mengukur jarak dan mapping benda-benda di angkasa seperti pesawat terbang dan satelit. Panjang gelombang yang dipancarkan radar bervariasi, dari milimeter hingga meter. Gelombang sinyal yang dipancarkan dan dipantulkan dari suatu benda tertentu akan ditangkap oleh radar. Dengan menganalisis sinyal yang dipantulkan tersebut, pemantul sinyal dapat ditentukan lokasinya dan dengan analisis lebih lanjut dari sinyal yang dipantulkan dapat juga ditentukan jenisnya. [1] Berdasarkan bentuk gelombangnya, radar dibedakan menjadi dua yaitu : 1) continuous wave (gelombang kontinyu) yang menggunakan transmitter dan antena penerima secara terpisah. Radar CW yang tidak termodulasi dapat mengukur kecepatan target serta posisi sudut target secara akurat. Radar ini biasanya digunakan untuk mengetahui kecepatan target dan menjadi pemandu rudal (missile guidance). 2) Pulsed Radar (Radar pulsa) yang merupakan radar yang gelombang elektromagnetiknya diputus secara periodik. Frekuensi denyut radar (pulse repetition frequency / PRF) dapat dikategorikan menjad 3 jenis, yaitu : PRF high, PRF medium, dan PRF low. Pada paper ini hanya akan dibahas jenis radar CW yang termodulasi secara FM atau biasa disebut Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) [2]. 4 Frequency-Modulated Continuous Wave FMCW adalah jenis continuous wave radar yang termodulasi secara FM. Tujuan dari FMCW sendiri secara khusus adalah untuk mendeteksi jarak antara radar dengan target. Karakteristik dari FMCW yaitu : 1) pengukuran jarak dilakukan dengan membandingkan frekuensi sinyal diterima dengan referensi (biasanya langsung dengan sinyal transmisi) dan 2) durasi transmisi sinyal secara substansial lebih besar dari durasi penerimaan untuk pengukuran jarak. Secara khusus, FMCW akan menambah frekuensi transmisi secara linier.
101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 4 Wildan, Cecep, Martinus, Dimas Frekuensi transmisi tersebut akan berubah pada kecepatan yang tetap. Jarak dari radar ke target dapat dicari dengan perumusan sebagai berikut [3] :... (1)... (2)... (3) Keterangan : Df = perbedaan frekuensi kirim-terima (Hz) f1 = frekuensi minimal (Hz) Dt = time delay (s) f2 = frekuensi maksimal (Hz) c = kecepatan cahaya (3 x 10 8 m/s) 116 117 118 119 120 121 122 123 124 Gambar 2. Frekuensi transmisi dan received. Gambar 2 tersebut digunakan untuk mencari hubungan antara Dt dengan beda frekuensi transmisi dan terima (persamaan 2), yang secara matematis dapat diturunkan sebagai berikut : 125 126
Aplikasi Modulasi pada Gelombang Radar 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 Dari persamaan 2 tersebut, didapatkan hubungan antara waktu tempuh dengan frekuensi transmisi dan terima yang direpresentasikan oleh Df. 5 Kesimpulan Dari pembahasan di atas, dapat disimpulkan bahwa Frequency-Modulated Continuous Wave (FMCW) memanfaatkan teknik modulasi gelombang secara FM, dimana frekuensi transmisinya dimodulasi secara linier untuk mengukur jarak dari radar ke target. Selain dari frekuensi, waktu tempuh juga mempengaruhi jarak antara radar ke target. Dengan pemilihan frekuensi maksimum (f2) dan minimum (f1) yang tepat, jarak antara target ke radar dapat ditentukan dengan cukup sederhana melalui persamaan (3). Referensi [1] L. Charvat, Gregory & C. Kempel, Leo, Synthetic Aperture Radar Imaging Using a Unique Approach to FMCW Radar Design, IEEE Antennas and Propagation Magazine, 48(1), pp. 1-3, 2006. [2] Gustomo, Fery & Suwadi, Analisa Penggunaan Sinyal Radar Bentuk Pulsa dan Gelombang Kontinyu untuk Target Bergerak dengan Model Clutter Terdistribusi Rayleigh, Jurnal Teknik POMITS 2(2), pp. 1, 2013. [3] Radar Tutorial. Frequency-Modulated Continuous-Wave Radar (FM-CW Radar). Tersedia di : http://www.radartutorial.eu/02.basics/frequency%20modulated%2 0Continuous%20Wave%20Radar.en.html [3 November 2015]