OPTIMASI RERATA DALAM PROSES KORELASI SILANG UNTUK MENENTUKAN LOKASI RADIO TRANSMITTER
Isnan Nur Rifai
1), Wahyu Widada
2)1) Program Studi Diplo ma Ele ktronika dan Instrumentasi, Se kolah Vo kasi Universitas Gadjah Mada, [email protected]
2) Peneliti Bidang Tele metri, Pusat Roket
Le mbaga Penerbangan dan Antariksa Nasional, [email protected]
Abstrak
Algorit ma Ko relasi Silang banyak digunakan untuk mengetahui ke miripan suatu sinyal atau menghitung waktu tunda (delay) sinyal satu terhadap sinyal lainnya. Dala m penelitian ka li ini, A lgorit ma korelasi silang akan digunakan untuk menegtahui koordinat lokasi keberadaan radio transmitter terhadap stasiun penerima dengan cara kerja yang mirip dengan prinsip radar. Namun dala m prakteknya adanya banyak interferensi sinyal yang masuk mengharuskan penambahan teori optimasi untuk menstabilkan data yang telah diperoleh. Metode ini perlu adanya sinyal referensi sebagai acuan titik nol derajat (00). Sinyal dia mb il dari sumber yang s ama yaitu dari radio transmitter pada waktu dan arah tertentu. Sinyal re ferensi akan diproses secara auto korelasi untuk menentukan titik nol derajat sebelum diproses menggunakan metode korelasi silang dengan sinyal dari transmitter secara real time. Hasil a khir in ilah yang akan dioptimasi untuk mene mukan kestabilan data dan keakurasian posisi koordinat radio transmitter. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan adanya optimasi pada perhitungan korelasi silang untuk penentuan lokasi radio transmitter dapat menurunkan kesalahan rata rata dari 4,59% menjadi 3,5% pada posisi radio transmitter yang tetap/tidak berpindah.
Kata kunci : Kore lasi Silang, Opt imasi Rerata, Rad io Transmitter.
1. Pendahuluan
Algoritma Korelasi Silang banyak digunakan untuk mengetahui kemiripan suatu sinyal atau menghitung waktu tunda (delay) sinyal satu terhadap sinyal lainnya. Dalam penelitian kali ini, Algoritma korelasi silang akan digunakan untuk mengetahui koordinat lokasi keberadaan radio transmitter terhadap stasiun penerima dengan cara kerja yang mirip dengan prinsip radar. Namun dalam prakteknya adanya banyak interferensi sinyal yang masuk mengharuskan penambahan teori optimasi untuk menstabilkan data yang telah diperoleh.
Sinyal gelombang radio yang dipancarkan oleh radio transmitter dapat dideteksi dengan menggunakan beberapa antenna yang terpisah posisinya. Seperti terlihat pada ilustrasi gambar 1 masing-masing antenna akan menerima lewat sinyal yang dipengaruhi oleh posisi dan jarak antenna.
Akan terjadi perbedaan amplitude antenna antara antenna A, B, C, dan D hal ini disebabkan oleh
posisi sinyalpada keempat antenna yang terlihat berbeda.Saat arah perambatan gelombang atau sumber
gelombang radio dari Sudut 0 derajat,power yang diterimapada A tinggi (1), B dan D sama dengan nol
(0), sedangkan C rendah(-1). Sehingga jika keempat antena di switch secara cepat dan kontinyu akan
menghasilkan gelombang sinus yang mempunyai puncak gelombang pada titk A.
Ga mbar 1. Prinsip perbedaan power antena dengan arah sumber transmisi atau arah pera mbatan gelombang 0 dera jat.
Kemudian apabila posisi sumber gelombang bergeser 30 derajat seperti terlihat pada gambar 2.
Maka power yang diterima masing masing antenna juga akan bergeser, power yang diterima antena A sekitar (0.8), power pada antena B dan D adalah (0.5), sedangkan power antena C sekitar (-0.8).
pergeseran power radio yang ditrima akhirnya menghasilkan gelombang sinusoidal yang bergeser pula.
Ga mbar 2. Prinsip perbedaan power antena dengan arah sumber transmisi atau arah pera mbatan gelombang 30 derajat.
Pada gambar 3 diilustrasikan apabila sumber gelombang radio digeser sejauh 90 derajat. Maka gelombang sinusoidal juga akan bergeser sejauh 90 derajat sehingga mempunyai puncak di titik B.
Jika switching antenna secara kontinu diputar dengan kecepatan tertentu, maka frekuensi gelombang sinusoidal tersebut akan mengikuti kecepatan rotasi antenna tersebut.
Ga mbar 3. Prinsip perbedaan power antena dengan arah sumber transmisi atau arah pera mbatan gelombang 90 derajat.
Setelah mengetahui dasar teori proses kerja penerimaan sinyal radio transmitter untuk menentukan sudut azimuth, maka dapat dirancang suatu alat dengan terlebih dahulu membuat diagram blok sistem. Diagram blok sistem instrumentasi pengukur sudut azimuth radio transmitter berbasis doppler circular array menggunakan 4 buah antenna dipole secara keseluruhan ditunjukkan pada gambar 4 berikut:
Ga mbar 4. Diagra m blok sistem instrumentasi pengukur sudut azimuth radio trans mitter berbasis doppler circula r array.
2. Model, Analisa, Desain dan Implementasi
Circular array antenna berupa 4 buah antenna dipole yang dipasang melingkar dengan jarak antar antena yang telah disesuaikan berdasarkan panjang gelombang sinyal radio yang digunakan (λ). Jarak optimal adalah ¼ λ atau kurang agar power yang didapat pada masing masing antenna merupakan puncak-puncak gelombang. Karena sinyal yang digunakan berfrekuensi 430 MHz, maka jarak antar antena adalah 17 cm.
Jika menggunakan lebih dari 4 buah antena, untuk mempertahankan jarak antar antena agar tetap
¼ λ, maka jari-jari circular antena perlu di hitung berdasar persamaan berikut:
𝑟 =
1 λ cos (90−∝)𝑝
sin∝
(1)
dimana,
r = jari-jari circular antena
∝ = sudut pusat p = jumlah antena
Switching Antena 500 Hz
Frekuensi yang digunakan dalam pemilihan antena (switching antenna) adalah 500 Hz. Alasan pemilihan frekuensi 500 Hz diantaranya:
Untuk mengeliminasi noise yang berasal dari suara manuasia.
Kapasitas radio yang digunakan hanya bisa mengeluarkan output audio berfrekuensi 300 –
4000 Hz.
Sehubungan dengan kecepatan ADC dan jumlah data/frame yang dikirimkan ke komputer.
Yaitu 922 data dengan kecepatan sampling 116000 sampling per second. Sehingga bila
menggunakan frekuensi 500 Hz, satu frame dapat terlihat sebanyak 922/(116000/500) ≈ 4 gelombang. Jumlah yang cukup pas untuk menganalisis bentuk dan pergeseran sinyalnya.
Secara hardware, switching ini menggunakan mikrokontroller dan dioda BAR 3606 untuk menyambung dan memutus arus sinyal dari antena.
Bandpass Filter 500 Hz
Untuk memperbaiki sinyal dari radio receiver digunakan analog bandpass filter. Frekuensi yang akan dipilih dalam pemilihan antenna (switching antena) adalah 500 Hz. Bandpass filter juga akan dibuat sempit dengan frekuensi 450 Hz – 500 Hz. bandpass filter dirancang memakai rangkaian sallen- key dengan menghubungkan lowpass filter dan high pass filter secara seri.
Low Pass Filter
Lowpass filter dirancang untuk dapat melewatkan frekwensi dibawah 500 Hz dan berorde 4.
Dengan menggunakan transfer function sallen key untuk lowpass filter, kita dapat menghitung nilai nilai komponen filter aktif yang dirancang [4]. Transfer function sallen key untuk low pass filter ditunjukkan oleh persamaan 3.1 berikut:
𝐻
𝑐,𝐿𝑠 =
𝐾 𝑅
1𝑅
2𝐶
1𝐶
2𝑆
2+ 1
𝑅
1𝐶
1+ 1
𝑅
2𝐶
1+ (1 − 𝑘)
𝑅
2𝐶
2𝑆 + 1 𝑅
1𝑅
2𝐶
1𝐶
2(2)
Dimana, 𝐾 = 1 +
𝑅𝑏𝑅𝑎
(3) Nilai Kapasitor ditentukan
𝐶
1= 𝐶
2= 0.01𝑢𝐹 𝑑𝑎𝑛 𝑅
𝑎= 10𝐾𝛺 Maka didapatkan nilai nilai komponen sebagai berikut:
𝑅
1= 𝑅
2= 31,8𝐾
𝑅
𝑏1= 12,3𝐾 𝑑𝑎𝑛 𝑅
𝑏2= 1,5𝐾
Rangkaian akhir untuk lowpass sallenkey 500 Hz orde 4 dan hasil simulasi menggunakan LTspice ditunjukkan pada gambar 5.
Ga mbar 5. Rangkaian lowpass filter 500Hz
High Pass Filter
Highpass filter dirancang untuk dapat melewatkan frekwensi diatas 450 Hz dan berorde 4.
Sebagaimana pada lowpass, menghitung nilai nilai komponen filter aktif yang dirancang adalah
dengan menggunakan transfer function sallen key untuk highpass filter, Transfer function sallen key untuk low pass filter ditunjukkan oleh persamaan 3.3 berikut:
𝐻
𝑐,𝐻𝑠 = 𝐾. 𝑆
2𝑆
2+ 1
𝑅
2𝐶
2+ 1
𝑅
2𝐶
1+ (1 − 𝑘)
𝑅
1𝐶
1𝑆 + 1 𝑅
1𝑅
2𝐶
1𝐶
2(4)
Dimana, 𝐾 = 1 +
𝑅𝑏𝑅𝑎
(5) Nilai nilai komponen untuk high pass ini adalah
𝐶
1= 𝐶
2= 0.01𝑢𝐹
𝑅
𝑎= 10𝐾𝛺, 𝑅
1= 𝑅
2= 35,4𝐾 𝑅
𝑏1= 12,35𝐾 𝑑𝑎𝑛 𝑅
𝑏2= 1,53𝐾
Rangkaian akhir untuk highpass sallenkey 450 Hz orde 4 dan hasil simulasi menggunakan LTspice ditunjukkan pada gambar 6.
Ga mbar6. Rangka ian highpass filter 450Hz
Analog to Digital Converter
Analog to Digital Converter (ADC) menggunakan hardware mikrokontroller ATMega 32 dengan kecepatan sampling 116000 sampling per second (SPS). Pemakaian sinyal dengan frekuensi 500 Hz, akan didapat 232 data per gelombang. Sehingga diharapkan resolusi pergeseran gelombang yang didapat pada sistem penentuan sudut azimuth ini adalah 360/232 = 1.55 ≈ 2 derajat.
Signal Processing
Semua proses dalam pengolah sinyal (Sinyal Processor) dijalankan oleh software Matlab pada komputer. Pengolah sinyal terdiri atas dua proses penting, yaitu Bandpass filter dan korelasi silang (cross correlation).
Kros korelasi banyak digunakan untuk mengetahui kemiripan suatu sinyal atau menghitung waktu tunda (delay) sinyal satu terhadap sinyal lainnya. fungsi kros korelasi sinyal X(n) terhadap sinyal Y(n) dinyatakan dalam persamaan berikut:
𝑅
𝑥𝑦𝜏 = lim
𝑇→∞1𝑇
∫ 𝑥 𝑡 𝑦 𝑡 + 𝜏 𝑑𝑡
−𝑇𝑇(6)
Atau
𝑅
𝑦𝑥𝜏 = lim
𝑇→∞1𝑇
∫ 𝑦 𝑡 𝑥 𝑡 + 𝜏 𝑑𝑡
−𝑇𝑇(7)
Dimana T adalah waktu observasi.
Sedangkan untuk sinyal tersampling seperti yang digunakan pada sistem penentuan sudut azimuth ini, fungsi kros korelasi dinyatakan dalam persamaan berikut:
𝑹
𝒚𝒙𝒎 =
𝟏𝑵 𝑵−𝒎+𝟏𝒏=𝟏
𝒚 𝒏 𝒙(𝒏 + 𝒎 − 𝟏) (8)
m = 1,2,3,.... , N+1
dimana N adalah panjang data sampling.
Sebelum sinyal masuk proses kros korelasi, perlu adanya sinyal referensi sebagai acuan titik nol derajat (0
0). Sinyal ini diambil dari sumber yang sama yaitu dari radio transmitter pada waktu dan arah tertentu. Sinyal referensi akan diauto korelesi untuk menentukan titik nol derajat. Sinyal referensi ini juga yang nantinya akan selalu di kros korelasi dengan sinyal dari transmitter secara real time.
Gambar 7 menunjukkan pergeseran antara sinyal referensi yang digunakan sebagai titik acuan dengan sinyal transmisi yang sedang dipantau sudut azimuthnya.
Ga mbar 7. Pergeseran sinyal refe rensi dan sinyal transmisi.
3. Hasil
Pengujian yang dilakukan dengan cara menempatkan radio transmitter pada jarak radius kurang lebih 1 km dari antenna array. Pada titik tertentu (misalnya arah utara) sinyal dari radio transmitter akan direkam sebagai sinyal referensi sudut 0
0.
Setelah mendapatkan titik referensi, percobaan yang pertama adalah menggeser radio transmitter pada sudut 30
0, 45
0, 60
0dan 90
0terhadap titik referensi. Sinyal yang dipancarkan pada sudut sudut tersebut akan dikorelasi silang dengan sinyal referensi untuk membandingkan sudut azimuth radio transmitter melalui perhitungan korelasi sinyal dengan sudut azimuth yang sebenarnya.
Berdasarkan beberapa kali pengujian didapatkan bahwa alat pendeteksi dudut azimuth ini cukup akurat jika digunakan pada sumber gelombang yang diam.
Hasil korelasi silang sinyal referensi dan sinyal transmisi dan hasil pengukuran pada sudut 30
derajat ditunjukkan pada gambar 8. Sedangkan grafik perolehan data realtime ditunjukkan pada
gamvar9.
Ga mbar 8.Bentuk sinyal hasil kros kore lasi dan hasil pengukuran pada sudut 30 derajat
Ga mbar 9.Gra fik Perbandingan data Hasil Pengukuran dan Hasil Optimasi
4. Kesimpulan
Pengukuran sudut azimuth radio transmitter dapat dihitung dengan prinsip doppler circular array antenna. Dengan penambahan bandpass filter 450-500 Hz, sinyal yang dihasilkan lebih halus karena gangguan / noise dapat diminimalkan sehingga bisa langsung memakai algoritma korelasi silang secara efektif untuk menentukan beda sudut fase.
Hasil penghitungan cukup akurat hanya saat sumber gelombang dalam keadaan diam, sehingga diperlukan penelitian lebih lanjut agar hasil penghitungan lebih akurat baik sumber gelombang dalam keadaan diam maupun bergerak.
Dengan adanya optimasi rerata pada perhitungan korelasi silang untuk penentuan lokasi radio transmitter dapat menurunkan kesalahan rata rata dari 4,59% menjadi 3,5% pada posisi radio transmitter yang tetap/tidak berpindah.
Daftar Pustaka
