Modul#7 TTG3D3 Antena dan Propagasi
Konsep Propagasi Gelombang EM dan Link Budget Oleh : Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT
1
Outline Pendahuluan Model Sistem Komunikasi & Channel Modeling Karakteristik Dan Fenomena2 Dalam Perambatan GEM Prinsip Desain Sistem Komunikasi Radio Terestrial & Power Link Budget Berbagai Jenis Sistem Komunikasi Radio Terestrial Metode2 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
E P
H
Kuliah Antena & Propagasi Komunikasi radio melalui perambatan GEM pada berbagai jenis mode transmisi radio terestrial
Nachwan Mufti A
4
Spektrum Frekuensi HF
UHF
30 MHz
VHF
300 MHz
SHF
GEM dengan frekuensi (panjang gelombang) berbeda diperlakukan oleh medium (kanal) propagasi secara berbeda
3000 MHz
Frekuensi berbeda ditujukan untuk jenis komunikasi terestrial berbeda Komunikasi jarak-jauh menggunakan frekuensi rendah Komunikasi jarakdekat menggunakan frekuensi tinggi
Nachwan Mufti A
5
Pembagian Spektrum Frekuensi... Frekuensi 30 - 300 Hz 300 - 3000 Hz 3 - 30 kHz 30 - 300 kHz 300 - 3000 kHz 3 - 30 MHz 30 - 300 MHz 300 - 3000 MHz 3 - 30 GHz 30 - 300 GHz 300 - 3000 GHz
λ 10 1 Mm
Band ELF (extremely low frequency) 1 Mm - 100 km SLF (Super Low Frequency) 100 -10 km VLF (very low frequency) 10 - 1 km LF (low frequency) 1 km - 100 m MF (medium frequency) 100 - 10 m HF (high frequency) 10 - 1 m VHF (very high frequency) 1 m - 10 cm UHF (ultra high frequency) 10 - 1 cm SHF (super high frequency) 1 cm - 1 mm EHF (extremely high frequency) 1mm - 100 µm
Nachwan Mufti A
λ=
300 f (MHz)
Heinrich Hertz
6
Spektrum Frekuensi dan Media Transmisi...
Nachwan Mufti A
7
Sistem Komunikasi dan Channel Modeling
8
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)
TI sinyal suara, teks, gambar, proses random
Message output
Transducer Input
Channel encoder Sinyal yang ditransmisikan
modulation : FSK, ASK, PSK, dll antena
Tx Pemancar
TO Rx Transducer Penerima Output Nachwan Mufti A
Kanal Propagasi
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
• Redaman propagasi Selisih antara daya pancar dan daya terima • Fading: Fluktuasi daya di penerima
• Gerakan pengirim dan/atau penerima Pengaruh Efek Doppler terhadap penerimaan Nachwan Mufti A
10
Contoh Model...
Lokasi 1
: Sinyal langsung mendominasi penerimaan, sinyal langsung (free space) cukup besar dibandingkan sinyal pantulan tanah. Contoh : pada mikrosellular
Lokasi 2
: 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
Lokasi 3 Lokasi 4
: Path loss diestimasi dengan model difraksi sederhana
Lokasi 5
: Path loss cukup sulit diprediksi karena adanya multiple diffraction Nachwan Mufti A
11
Karakteristik Dan Fenomena2 Dalam Perambatan GEM
12
Fenomena2 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)
Menyebabkan terjadinya “FADING” sinyal di sisi penerima
Ada penyerapan gelombang: Pada berbagai kondisi tertentu, ada juga absorpsi (penyerapan) gelombang
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) Nachwan Mufti A
14
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 :
n1 sin θ1 = n 2 sin θ2 = n3 sin θ3 = ... = n(h) sin θ(h) = KONSTAN Jika, ∆h → 0, maka lengkungan lintasan pada gambar di bawah akan KONTINYU n4
n1 > n 2 > n 3 > n 4
θ3 θ2 θ1
θ2
n3
θ3
n2
∆h
n1
∆h ∆h 15
1. Lengkungan Berkas GEM…Karakteristik Indeks Bias Atmosfir Indeks Bias = n , dipengaruhi komposisi utama terutama uap air
n = εr
→
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 2 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 Nachwan Mufti A
16
1. Lengkungan Berkas GEM… Indeks Bias Dimodifikasi (M) Tujuan : Analisis perubahan indeks bias terhadap ketinggian Dimana, M = indeks bias dimodifikasi n0 = indeks bias pada ketinggian h = 0 h = ketinggian dari permukaan bumi R = jari-jari bumi = 6,37. 106 m
h M = n0 −1+ 106 R
dM = 0,048 dh dM = 0,036 dh
dM > 0,048 dh
dM =0 dh dM <0 dh
Nachwan Mufti A
17
1. Lengkungan Berkas GEM… Atmosfir Standar h
dM = 0,048u ft dh
h
h
dM = 0,048u ft dh
dM = 0,036u ft dh
dM =0 dh
h
dM = 0,048u ft dh
h
dM positif dh
td
dM <0 dh
d
M
M (a) ATM standar
(b) ρ = R ; k = ∞
dM negatif dh dM positif dh
M
M (c) Duct
(d) Elevated Duct
• Atmosfer Standar Tujuan : Standarisasi sifat atmosfer dan memudahkan perhitungan Atmosfer standar memenuhi persamaan berikut : Dimana, 6 (−0,136h) N = indeks bias h = ketinggian dalam km n = indeks bias sebagai fungsi h
N = (n −1)10 = 289e
Nachwan Mufti A
18
2) 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 =
sin ϕ − n 2 − cos2 ϕ
R EV =
sin ϕ + n 2 − cos2 ϕ
n 2 sin ϕ − n 2 − cos2 ϕ n 2 sin ϕ + n 2 − cos2 ϕ
( Polarisasi horisontal )
( Polarisasi vertikal )
Dimana, ϕ = 90o - θ = sudut vertikal θ = sudut datang = sudut pantul
εr 2 − j n = 2
σ2 ωε0
εr1
θ
θ
ϕ
ϕ
= indeks bias relatif
Nachwan Mufti A
19
2) Pantulan Gelombang EM… • Untuk keadaan permukaan bumi dan keadaan udara tertentu, maka grafik koefisien pantul dan sudut datang sebagai fungsi ϕ diberikan sebagai berikut : ϕEH
1.0 0.9
R EH 0.7
π 0.9π
R EV 0.5π
0.5 0.3
ϕEV 0
10o
50o
90o
ϕ
• Asumsi : Karena jarak Tx-Rx >> tinggi menara, maka biasa dianggap REV = REH = 1 , dan φR = π atau 180o ) • Untuk suatu kondisi, sudut ϕ untuk koefisien pantul minimum disebut sebagai SUDUT BREWSTER Nachwan Mufti A
20
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 Nachwan Mufti A
21
Prinsip Desain Sistem Komunikasi Radio Terestrial & Power Link Budget
22
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 23
Nachwan Mufti A
Diagram Level Daya EIRP
PT
Loss Propagasi ( LP ) Lft
GT GR
Lft
PR Daya terima, naik-turun karena fading
Fading Margin
Threshold
C Noise Figure
N
↔ BER
Effective Noise Spectral Density
Lihat diagram di atas...
Noise Spectral Density
PT = Threshold + FM + L fR − G R + L P − G T + L fT Nachwan Mufti A
24
Check List Pertanyaan Dalam Desain Radio Link Berapa pathloss (Lp) 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 (rugi2) yang terjadi dan berapa nilainya ? Loss kabel, konektor, dsb
Berapa sensitivitas sistem receiver utk mencapai standar kualitas tertentu Berapa daya pancar transmitter yang diperlukan 25
Prinsip Desain Komunikasi Terestrial Mengupayakan agar daya terima (Pr) selalu berada di atas ambang penerimaan minimum (Pth)
Pr ≥ Pth Reliability dan BER optimum berdasarkan layanan/aplikasi komunikasi Tradeoff: Reliability ↑↑ ; BER ↓↓
26
Reliability (keandalan)
Reliability =
Jumlahwaktu dimanaWR > WR min Waktu totalpengamatan Fading margin
WR
WRmin ∆ t1
∆ t2
∆ t3
0 Sebelum diberikan fading,
Re liability =
∆ t4 T
Dimana, WRmin = Daya terima minimum pada penerima yang akan memberikan BER maksimum yang dipersyaratkan
t
T − (∆t1 + ∆t 2 + ∆t 3 + ∆t 4 ) ×100% T 27
Nachwan Mufti A
Reliability & Fading Margin Fading margin diberikan untuk meningkatkan Reliability Contoh : Pengaruh fading margin dalam meningkatkan reliability pada komunikasi LOS
Fading Margin Reliability 10 dB 20 dB 30 dB 40 dB
90% 99% 99,9% 99,99%
Sumber : HRW, “ Diktat Antena dan Propagasi”, STTT
• Probabilitas Outage, Poutage = 1 - Reliability Nachwan Mufti A
28
Berbagai Jenis Sistem Komunikasi Radio Terestrial
29
Spektrum Frekuensi Komunikasi Radio Terestrial
3 kHz
300 GHz Radio Communication Radio, microwave, satellite
VLF 3 kHz
LF
30 kHz
Surface
MF 300 kHz
HF
30 MHz
3 MHz
Tropospheric
VHF
Ionospheric
Nachwan Mufti A
UHF 300 MHz
SHF
3 GHz
Space & Line Of Sight
EHF
30 GHz
300 GHz
Space
30
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
(2) 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 : 200 - 800 km • Daerah frekuensi kerja : 300 - 30000 MHz Nachwan Mufti A
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 (400-1600 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 Nachwan Mufti A
32
Metode2 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 (2) Mengurangi tingkat Noise Figure
Parameter kinerja : Reliability, BER, ... Nachwan Mufti A
34
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
Nachwan Mufti A
35
Perbaikan Unjuk Kerja: 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 2 frekuensi carrier yang terpisah cukup jauh Diversitas Polarisasi, memanfaat pengiriman dengan 2 macam polarisasi yang saling orthogonal atau eliptis dengan beda fasa 90o 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
Contoh perhitungan untuk Diversitas Ruang ● Jarak ∆h dibuat sedemikian agar penerimaan antena A1 dan A2 memiliki korelasi terkecil
A1
∆h h1
A2
●
Syarat :
dλ ∆h = 4 ht
h2
d = jarak antara pengirim dan penerima
Nachwan Mufti A
37
Diversitas: combining … • Penerimaan rangkap diversitas dapat dilakukan dengan : a. Pemilihan penerimaan terbaik….(selective combining) A1
A2
LNA
D/C
IF Amp
S1
W1
ke Demod Com p
LNA
• W1 > W2 • W1 < W2
D/C
IF Amp
S2 W2
switcher
: Comp = 1 ⇒ S1 ON , dan S2 OFF : Comp = 0 ⇒ S1 OFF , dan S2 ON
b. Penggabungan penerimaan rangkap A1 A2
LNA Combiner
D/C
IF Amp
ke Demod
LNA Nachwan Mufti A
38
End Of Modul#7
39
