Tommi Hariyadi, Endon Bharata, Andriyan Bayu Suksmono
4. SIMULASI DAN HASIL SIMULAS
System transceiver yang akan disimulasikan menggunakan arsitektur homodyne. Gambar berikut adalah diagram blok dari SFCW-GPR.
Gambar 3: Diagram blok transceiver SFCW-GPR Dalam tulisan ini yang akan di simulasikan adalah pemancar dan penerima saja sedangkan signal
processing hanya untuk mendapatkan A-scan
menggunakan bantuan MATLAB®. 4.1. Pemancar
Dalam SFCW-GPR frequency synthesizer
harus bisa membangkitkan sinyal dengan frekuensi tertentu dan berubah setiap saat dengan step tertentu seperti yang sudah dijelaskan di atas. Untuk memodelkan frekuensi synthesizer, penulis mengunakan salah satu fitur dari simulator yang disebut Variable Parameter Token yang memungkinkan simulator untuk membangkitkan frekuensi step dengan memanfaatkan system loop.
Sederhananya adalah pada loop ke-1 dibangkitkan , pada loop ke-2 dibangkitkan , dan seterusnya hingga loop ke-128 dibangkitkan , dengan terlebih dahulu memasukkan parameter step 5.5 MHz. Untuk keluaran frequency synthesizer adalah sekitar 10 dBm untuk rentang frekuensi 700-1400 MHz sesuai dengan spesifikasi dari hardware yang tersedia yaitu menggunakan frequency synthesizer dari Synergy Microwave Corp. dengan seri LFSW60170- 50.
Bagian berikutnya dari pemancar adalah power amplifier. Power amplifier yang digunakan adalah ZHL-1042J dari Mini-Circuits. Antenna pemancar selain sebagai radiator untuk meradiasikan sinyal yang berasal dari pemancar juga berfungsi seolah-olah sebagai bandpass filter karena frekuensi kerja dari antenna itu sendiri hanya pada band tertentu saja. Dalam simulasi ini antenna dimodelkan sebagai differentiator karena keluaran dari antenna dapat berupa turunan pertama dari sinyal yang dimasukkan. Berikut ini adalah diagram blok dari pemancar.
Gambar 4. : Model transmitter 4.2. Kanal
Pemodelan kanal merupakan salah satu bagian yang tersulit dalam simulasi ini karena dari beberapa literatur diperoleh rumus yang berbeda. Hal ini dapat terjadi karena pendekatan dari masing- masing peneliti berbeda. Untuk simulasi ini penulis menggunakan persamaan radar yang sudah dimodifikasi untuk memodelkan kanal seperti pada persamaan 11. Dari literatur lain dikatakan bahwa pada GPR selain redaman karena lintasan ada juga redaman mismatch antenna dan redaman karena perubahan medium dari udara ke tanah dan sebaliknya. Kedua jenis redaman tersebut juga dimasukkan dalam simulasi ini dan dimodelkan dengan attenuator.
Selain mengalami redaman sinyal juga mengalami pergeseran fasa karena perambatan gelombang di medium. Untuk memodelkannya menggunakan waktu tunda yang nilainya adalah:
(16)
Redaman dalam medium merupakan fungsi frekuensi. Untuk memodelkannya penulis menggunakan filter FIR yang respon frekuensinya sesuai dengan nilai redaman untuk masing-masing frekuensi. Model untuk kanal adalah sebagai berikut:
Gambar 5: Model kanal
4.3. Penerima
Sistem penerima terdiri dari antenna penerima, filter (BPF), LNA, dan I/Q demodulator. Model antenna penerima sama dengan antenna pemancar, begitu juga dengan BPF sama dengan BPF yang ada di pemancar. Untuk LNA dimodelkan dengan amplifier juga namun dengan parameter yang berbeda dengan power amplifier pada pemancar. LNA yang digunakan adalah ZRL-3500+ dari Mini- Circuits.
Untuk I/Q demodulator menggunakan ADL5382 dari Analog Devices. Dari datasheet komponen dapat dilihat bahwa I/Q demodulator pada dasarnya adalah 2 buah mixer dengan LO masing-masing mixer fasanya berbeda . Oleh karena itu, dalam simulasi ini I/Q demodulator dimodelkan dengan 2 buah mixer yang diberi LO dengan beda fasa Keluaran dari I/Q demodulator kemudian dilewatkan ke lowpass filter (LPF) untuk mendapatkan komponen I dan Q berupa sinyal DC. Kemudian sinyal DC tersebut disampling dan dikuantisasi menggunakan ADC 16 bit untuk selanjutnya diolah menggunakan DSP sehingga diperoleh suatu citra. Namun demikian karena keterbatasan simulator, dalam tulisan ini untuk hasil simulasi hanya sampai mendapatkan A-scan saja. Untuk B-scan dan C-scan yang merupakan pengembangan dari A-scan dapat dilakukan ketika pengukuran di lapangan. Gambar 6 adalah model penerima.
Gambar 6: Model penerima
4.4. Transceiver dan Kanal
Model untuk masing-masing bagian sudah dijelaskan di atas seperti pemancar, kanal, dan penerima. Berikutnya adalah pemodelan secara keseluruhan dari ketiga bagian tersebut. Gambar 7 menunjukkan model system secara keseluruhan.
Gambar 7: Model sistem keseluruhan (transceiver dan kanal)
Untuk mendapatkan hasil A-scan dari suatu benda, penulis menggunakan waktu tunda sebagai parameter yang mewakili kedalaman suatu benda. Misalnya untuk benda dengan kedalaman 0.2 m penulis menggunakan waktu tunda
detik. Sedangkan untuk kalibrasi dilakukan dengan men-set waktu tunda detik.
Gambar 8: Keluaran I/Q demodulator (Inphase) 0.2 m
Gambar 9:Keluaran I/Q demodulator (Quadrature) 0.2 m
Hasil keluaran dari simulasi ini adalah berupa sinyal inphase (riil) dan quadrature (imajiner) sebagai keluaran dari I/Q demodulator. Kedua sinyal tersebut kemudian diproses menggunakan bantuan MATLAB® untuk mendapatkan A-scan. Gambar 8 dan gambar 9 adalah sinyal inphase dan quadrature keluaran I/Q demodulator untuk benda dengan kedalaman 0.2 m. Sedangkan untuk hasil A-scan-nya dapat dilihat pada gambar 10.
Gambar 10: A-scan untuk benda dengan Jarak 0.2 meter
Dari gambar 10 terlihat bahwa jaraknya bukan 0.2 m tetapi 1.508 m. Untuk mendapatkan hasil yang sebenarnya kita bandingkan dengan hasil kalibrasi. Hasil A-scan kalibrasi dapat dilihat pada gambar 11. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa sebelum ada waktu tunda pun sudah terjadi pergeseran fasa karena komponen RF yang ditunjukkan seolah- olah ada sebuah benda pada jarak 1.296 m. Dengan kata lain hasil dari simulasi untuk jarak 0.2 m dikurangkan terlebih dahulu dengan hasil kalibrasi dan hasilnya adalah jarak yang sebenarnya. Dalam kasus ini untuk mendapatkan hasil A-scan yang sebenarnya untuk jarak benda 0.2 m di dalam tanah adalah 1.508- 1.296 = 0.212 m. Hasilnya cukup mendekati yang sebenarnya dengan perbedaan sebesar 0.212-0.2 = 0.012 m atau 1.2cm.
Gambar 11: Kalibrasi A-scan
Gambar 12 menunjukkan perbandingan hasil A-scan untuk benda dengan jarak 0.2 m (kiri), 1 m (tengah), dan 2 m (kanan). Dari gambar tersebut terlihat bahwa untuk jarak 0.2 m, 1 m, dan 2 m berturut-turut tertulis 1.508 m, 2.286 m, dan 3.276 m. Dengan melakukan offset kalibrasi menjadi 0.212 m, 0.99 m, dan 1.98 m. Hasilnya memang tidak tepat sama dengan yang sebenarnya namun sudah cukup mendekati yang sebenarnya dengan perbedaan terbesar 0.02 m atau 2 cm pada benda dengan jarak 2 m dengan resolusi 9.5 cm. Artinya kesalahan masih dalam batas toleransi.
Gambar 12: A-scan 3 benda
Sebagai perbandingan, gambar 13 merupakan hasil A-scan dari pengukuran menggunakan Vector Network Analyzer (VNA) yang dilakukan di GPR
Test Range milik Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro (LTRGM) ITB. Permitivitas relatif pasir yang digunakan adalah 5.1 dan benda dikubur di dalam pasir sedalam kurang lebih 0.2 m. Benda yang dikubur berbentuk silinder. Rentang frekuensi dan jumlah sample dibuat sama dengan simulasi yaitu 700-1398.5 MHz dan 128 sample.
Gambar 13:. A-scan hasil pengukuran menggunakan VNA
5. KESIMPULAN
Dari hasil simulasi di atas dapat disimpulkan bahwa transceiver dengan arsitektur homodyne dapat diimplementasikan untuk SFCW-GPR dengan rangkaian yang sederhana sehingga harganya relatif murah. Karena ketidakidealan komponen, sebelum pengukuran terlebih dahulu dilakukan kalibrasi untuk mendapatkan offset sehingga dapat diperoleh jarak yang sebenarnya. Kesalahan pengukuran masih dalam batas toleransi yang diperbolehkan yaitu kurang dari nilai resolusi.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini telah dibiayai oleh ITB-TU Delft International Research Grant. Oleh karena itu penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada ITB dan TU Delft atas kerja samanya sehingga penelitian ini dapat berjalan dengan baik.
DAFTAR REFERENSI
[1] Daniels, David J. Ground Penetrating Radar 2nd Edition. 2004. IEE: London.
74
[2] http://suksmono.wordpress.com
[3] Mngadi, Andile. Design of a SystemView Simulation of a Stepped Frequency Continuous Wave Ground Penetrating Radar. 2004. University of Capetown: Capetown.
[4] Farquharson, Gordon. Design and Implementation of a 200 to 1600 MHz, Stepped Frequency, Ground Penetrating Radar Transceiver. 1999. University of Capetown: Capetown.
[5] Noon, David A. et al. A Frequency- Independent Characterization of GPR Penetration and Resolution Performance. 1998. Journal of Applied Geophysics. [6] Langman, Alan et al. Development of a Low
Cost SFCW Ground Penetrating Radar.
1996. IEEE paper.
[7] Severns, Rudy. Skin Depth and Wavelength in Soil. 2005.
http://www.antennasbyn6lf.com