Pengembangan Through-Wall Radar untuk Life Detector
II. PENGEMBANGAN RADAR THROUGH WALL 2.1 Pemilihan Jenis dan Spesifikas
Through-Wall Radar menggunakan teknologi UWB. Pembangkitan dan analisa sinyal UWB dapat dilakukan baik dalam domain waktu maupun dalam domain frekuensi. Pada metode domain waktu, sinyal UWB dibangkitkan dengan membentuk/memancarkan pulsa-pulsa dengan durasi sangat pendek. Sinyal balik yang akan diterima oleh penerima radar akan berupa kombinasi sinyal-sinyal yang merupakan pantulan sinyal yang dipancarkan oleh pemancar dan dipantulkan kembali oleh benda-benda dengan jarak, ukuran, dan reflektivitas yang berbeda- beda. Sinyal-sinyal ini memiliki daya, fasa, dan delay yang berbeda-beda terhadap sinyal yang dipancarkan. Analisa sinyal dilakukan dalam domain waktu di mana delay sinyal menunjukkan jarak/range benda dari radar.
Metode domain frekuensi bisa dibagi menjadi 2. Yang pertama adalah Step Frequency dan yang kedua adalah Frequency Modulation Continuous Wave (FM- CW). Analisa sinyal dilakukan dalam frekuensi dengan melakukan Transformasi Fourier/ FFT.
Dari teknik-teknik UWB yang ada, seperti teknik time domain/pulse, teknik step frequency continuous wave (SFCW), dan teknik frequency modulation continuous wave (FMCW), kami memilih FMCW karena kami sudah berpengalaman dengan teknik ini, baik di sisi hardware maupun di sisi software, meski untuk aplikasi, frekuensi, dan bandwidth yang berbeda.
Kami menetapkan frekuensi kerja radar dari 500MHz sampai dengan 3GHz, karena berdasarkan literatur pada rentang frekuensi tersebut gelombang radio dapat menembus bahan-bahan yang umum dipakai untuk bahan bangunan. Untuk membangkitkan frekuensi sweep dari 500MHz sampai dengan 3GHz digunakan sebuah DRO dengan frekuensi tetap 9.75GHz, sebuah VCO akan diatur agar menghasilkan frekuensi sweep dari 6.75-9.25GHz, sebuah mixer, dan sebuah lowpass filter. Untuk menjamin frekuensi sweep yang linier terhadap waktu, VCO digunakan bersama sebuah DDS dan PLL dalam konfigurasi pengali frekuensi.
• Frekuensi : 500-3000MHz
• Daya pancar : 30dBm
• Sweep time : 1mS
• Beat Frequeny Bandwidth : 500kHz
• Beat Frequeny sampling rate : 1MSamples/S
• Jumlah sample : 1024
• Range cells : 512
• Maximum range : 30m
• Range resolution : 6cm
2.2. Prinsip Radar FM-CW UWB
Sebagaimana telah dijelaskan, dalam pengembangan Radar Through Wall untuk Life Detector kami memilih teknik FM-CW, karena kami memiliki pengalaman dengan type radar ini, meskipun untuk aplikasi yang berbeda. Di samping itu, kami melihat bahwa arsitektur radar dengan type ini cukup sederhana dan tidak membutuhkan komponen khusus.
Diagram blok hardware radar dapat dilihat pada Gambar 1.1. Radar yang dikembangkan menggunakan DRO 9.75GHz sebagai pembangkit frekuensi referensi. Sinyal ini dipecah menjadi dua, yang satu digunakan sebagai sinyal clock DDS setelah melalui pembagi frekwensi, yang lain digunakan untuk downconversion mixer. DDS dan VCO bersama-sama membentuk sebuah rangkaian PLL dengan output dari DDS sebagai frekuensi referensi. DDS diprogram untuk membangkitkan chirp sehingga output VCO berupa chirp juga, namun dengan frekuensi yang lebih tinggi dan bandwidth yang lebih lebar. Output VCO di-downconvert menggunakan satu dari pecahan output DRO yang telah disebutkan di atas, menghasilkan chirp dengan frekuensi yang lebih rendah, namun dengan bandwidth yang sama. Sinyal chirp dipecah menjadi dua, yang satu kemudian diperkuat dan dipancarkan melalui antena pemancar dan yang lain digunakan untuk input mixer penerima.
Setelah dipancarkan dan dipantulkan oleh objek di depan radar, sinyal kembali diterima oleh antena penerima. Setelah difilter dan diperkuat, sinyal ini di-mix dengan sinyal chirp dari pemancar, menghasilkan sinyal beat. Sinyal beat inilah yang dianalisa untuk mendapatkan informasi range (jarak) dan Doppler (kecepatan gerak objek). Untuk itu sinyal beat ini harus dikonversi ke bentuk digital dengan ADC
106
kemudian di ambil oleh komputer (PC) melalui USB. Pemrosesan sinyal dilakukan di PC.
Gambar 1.1. Diagram Blok
2.3. Bahan dan Metodologi Pengembangan
Through-Wall Radar adalah perangkat yang menggunakan prinsip gelombang radio. Untuk mengembangkannya diperlukan bahan-bahan berupa komponen- komponen maupun modul-modul frekuensi radio (RF), di samping komponen- komponen elektronika lain. Bahan-bahan tersebut adalah sebagai berikut.
• Modul Dielectric Resonance Oscillator (DRO)
• Modul Voltage Control Oscillator (VCO)
• Modul-modul Frequency Mixer
• Modul Direct Digital Synthesis (DDS)
• Modul/komponen Frequency Divider
• Modul Power Amplifier dan Low Noise Amplifier
• Modul-modul Lowpass, Highpass, dan Bandpass Filter
• Modul/komponen Analog to Digital Converter (ADC)
• Modul Data Aquisition
DRO 9,75GHz ÷16 VCO 5-10GHz DDS AD 9965 ÷16 ADC LOGIC USB UWB LPF 3000 SYNC 500-3000MHz PLL OSC (max655) 421-578MHz PLL REF DAC 6,75-9,25 TRIGGER REF CLK (max 2,7GHz) 9,75 GHz 609MHz
• Komponen-komponen elektronika aktif berupa semiconductor diskrit seperti transistor, dioda,
• Komponen-komponen elektronika aktif berupa semiconductor terintegrasi (IC) seperti mikrokontroler, IC TTL, dll.
• Komponen-komponen hybrid seperti hybrid COIC dan hybrid SLIC.
• Komponen lain seperti PCB, konektor, kabel, dsb.
• Modul-modul elektronika seperti power supply dan antenna.
• Komponen-komponen elektronika pasif
• Bahan-bahan mekanik
Untuk DRO digunakan modul DRO generic yang memiliki frekuensi output 9.75GHz dan daya sekitar 7dBm. Untuk DDS akan digunakan Evaluation Board AD9965 dari Analog Device. Untuk wideband VCO akan digunakan HMC-C029 dari Hittite. VCO ini dapat menghasilkan sinyal output dengan frekuensi antara 5 dan 10 GHz, dengan daya sekitar 20dBm. Sedangkan untuk mixer antara DRO dan wideband VCO akan digunakan ZX05-153+ dari Mini-Circuits, dipasangkan dengan Lowpass filter VLF-3000+. Untuk Power Amplifier akan digunakan ZHL-42W. Untuk Divider 16 akan digunakan dua pembagi 4 HMC493LP3E dari Hittite.
Sedangkan pada receiver, untuk LNA akan digunakan ZX60-33LN+ dari Mini- Circuits. Sebagai Bandpass filter akan digunakan kombinasi antara lowpass filter VLF-3000+ dan highpass filter SHP-500+. Untuk Mixer antara sinyal transmit dan sinyal receive akan digunakan ZJL-4G+ dari Mini-Circuits.
Adapun dalam pelaksanaannya, kegiatan ini menggunakan metoda penelitian yang dapat dirangkum sebagai berikut.
• Perancangan sistem, di mana sistem dirancang secara keseluruhan, termasuk di dalamnya penyusunan spesifikasi dan pendefinisian modul- modul penyusun sistem.
• Perancangan Software
• Pemilihan modul-modul yang memenuhi fungsi dan spesifikasi yang dibutuhkan (untuk modul-modul yang tidak dibuat sendiri).
• Perancangan modul-modul (untuk modul-modul yang dibuat sendiri) di mana skema rangkaian elektronik modul-modul dibuat untuk menghasilkan fungsi dari masing-masing modul yang diinginkan.
108
• Realisasi modul-modul, di mana skema elektronik dituangkan dalam disain tata letak komponen dalam PCB, kemudian PCB dibuat dan rangkaian elektronika diasembling di atas PCB.
• Pengujian modul-modul, di mana modul-modul di uji coba secara individu untuk mengetahui apakah mereka telah berfungsi sebagaimana yang didinginkan.
• Intergrasi sistem, di mana modul-modul yang telah diuji diintegrasikan menjadi sebuah sistem.
• Pengembangan Software
• Pengujian sistem di laboratorium, di mana sistem diuji coba untuk mengetahui fungsi sistem.
• Perbaikan dan penyempurnaan apabila diperlukan
III. PENGEMBANGAN PEMBANGKIT CHIRP WIDEBAND