PENGEMBANGAN MODEM AFSK UNTUK TELEMETRI MUATAN ROKET UHF
Wahyu Wldada
Penelltl BldangTelemetri dan Muatan Roket. LAPAN
ABSTRACT
I
Modem is an important component in t h e telemetry d a t a system of t h e rocket. The telemetry d a t a based on an a m a t e u r radio is usually used an AFSK modem. This paper describes the development of AFSK modem u s i n g a microcontroller which the speed can be set to t h e m a x i m u m bandwidth of the radio. The prototype is use a 16 MHz of microcontroller and the speed can be set to 2.4 kbps that available to the standard bandwidth of an a m a t e u r radio.
ABSTRAK
Modem m e r u p a k a n komponen yang sangat penting u n t u k sistem telemetri d a t a m u a t a n r o k e t Telemetri ini berbasis UHF yang m e m e r l u k a n modem AFSK [Audio Frekuensi Shift Keying) u n t u k komunikasi d a t a . Tulisan ini m e m b a h a s mengenai pengembangan modem AFSK berbasis microcontroller dengan kecepatan transfer d a t a yang d a p a t d i a t u r s e s u a i dengan k e m a m p u a n bandwith radio yang d i g u n a k a n . Prototip modem ini m e n g g u n a k a n s e b u a h microcontroller dengan kecepatan 16 Mhz d a n d a p a t menghasilkan kecepatan modem sampai 2.4 k b p s y a n g sesuai dengan s t a n d a r bandwidth UHF.
Kata k u n c i : AFSK modem. Band-rate, Telemetri, Roket, Telemetri, UHF
1 PENDAHULUAN
Komunikasi d a t a a n t a r a m u a t a n roket dengan s t a s i u n penerima d a p a t m e n g g u n a k a n s e b u a h UHF y a n g di- lengkapi d e n g a n p e r a n g k a t modem. Pada dekade ini telah b e r k e m b a n g dengan pesat komunikasi d a t a dengan radio yang d i k h u s u s k a n u n t u k komunikasi d a t a , p a d a awalnya m e n g g u n a k a n radio s u a r a dengan s e b u a h modem audio. Untuk m e l a k u k a n k o m u n i k a s i d a t a j a r a k j a u h , frekuensi radio y a n g paling optimal adalah frekuensi r e n d a h , bisa VFH a t a u UHF. J i k a m e n g g u n a k a n frekuensi yang lebih tinggi, m a k a d a y a j a n g k a u n y a menjadi berkurang j a u h . Pada peluncuran s e b u a h roket y a n g m e m p u n y a i daya j a n g k a u rendah, m a k a radio dengan frekuensi tinggi d a n k e c e p a t a n transfer tinggi d a p a t d i g u n a k a n s e c a r a optimal.
Akan tetapi u n t u k roket dengan daya j a n g k a u y a n g j a u h , penggunaan radio
frekuensi lebih r e n d a h lebih optimal, walaupun jumlah data yang dapat dikirim menjadi t e r b a t a s . Akan tetapi masih dalam b a t a s j u m l a h d a t a y a n g memadai u n t u k d i g u n a k a n sebagai b a h a n analisa terbang roket tersebut.
Kecepatan transfer d a t a d a p a t ditingkatkan dengan memodifikasi modem dan bandwidth radio. Komunikasi d a t a melalui UHF telah b a n y a k dikembangkan p a d a awal t a h u n 8 0 a n dan masih digunakan sampai sekarang. Akan tetapi karena UHF d i g u n a k a n j u g a sebagai alat komunikasi s u a r a , m a k a pengiriman d a t a via radio s u a r a ini masih diperlukan dan lebih optimal u n t u k aplikasi-aplikasi tertentu y a n g m e m e r l u k a n komunikasi d a t a dan s u a r a . Modem u n t u k radio s u a r a {Audio Frequency Shift Keying] seperti tipe s t a n d a r tidak m u d a h diperoleh serta m e m p u n y a i kecepatan yang terbatas, yaitu 1200 b p s d a n d a p a t ditingkatkan
jut nut icKjiuuryt'uuguiitaiu von •* J*u. J juni £UVU;JJ-JO
menjadi 2400 bps. Akan tetapi bandwidth UHF masih mampu u n t u k mengirim d a t a dengan kecepatan yang lebih tinggi lagi.
Sehingga p e n g e m b a n g a n modem jenis AFSK dengan s e b u a h microcontroller menjadi s a n g a t penting u n t u k keperluan komunikasi p e l u n c u r a n roket.
Dalam tulisan ini m e m u a t mengenai pengembangan modem berbasis micro- controller dengan m e m b u a t modulasi p u l s a d a n s e b u a h lowpass filter. Dalam percobaan kali ini m e n g g u n a k a n micro- controller tipe AT90S2313 b u a t a n ATMEL dengan kecepatan kristal 16 MHz. Input d a t a ke modem ini d a p a t b e r u p a d a t a digital p a d a level TTL m a u p u n serial RS232. Modem ini s a n g a t s e d e r h a n a d a n m e m p u n y a i k e m a m p u a n kecepatan transfer d a t a yang d a p a t d i u b a h - u b a h s a m p a i dengan kecepatan 2.4 k b p s s e s u a i d e n g a n lebar pita UHF. Selain m u d a h diintegrasikan dengan sistem muatan, juga mempunyai kecepatan yang lebih tinggi, s a m p a i b a t a s k e m a m p u a n radio d a n d a p a t m e n g h e m a t biaya diban- dingkan dengan m e n g g u n a k a n modem s t a n d a r d i p a s a r a n . Hasil pegembangan modem ini m a s i h s e d e r h a n a , tetapi d a p a t membuka peluang pegembangan selan- jutnya.
2 TEORI DASAR AFSK MODEM
Sesuai dengan namanya, modulasi pengiriman d a t a digital ini adalah memodulasi d u a b u a h frekuensi u n t u k mengirim d a t a digital high d a n low, yang biasa disebut 'mark' d a n 'space' frekuensi.
Secara s t a n d a r modem seperti Bell202, frekuensi u n t u k modem dengan ke- cepatan 1200 bps a d a l a h , 1200 Hz (space) d a n 2200 Hz (mark), dengan tone frekuensi 1000 Hz. Signal tone ini di- g u n a k a n u n t u k mendeteksi a d a tidaknya komunikasi sehingga m e m p e r m u d a h pendeteksian frekuensi. Pada Gambar 2-1 di bawah terlihat s e b u a h contoh signal d a t a yang b e r u p a p u l s a dengan lebar tertentu u n t u k mengirim d a t a binari
"01100". Kemudian p a d a g a m b a r bagian tengah, m e n u n j u k k a n d a t a yang di-
modulasikan ke signal sinusoidal. Bagian paling bawah m e n u n j u k k a n p e r u b a h a n ketiea frekuensi v a n e d i e u n a k a n .
G a m b a r 2 - 1 : Modulasi frekuensi u n t u k modem AFSK dengan d a t a binary " 0 1 1 0 0 "
Kecepatan d a t a m a k s i m u m yang d a p a t dikirim melalui AFSK modem (maximum keying speed in bauds) terhadap modulasi adalah
(2 1)
fs adalah frekuensi 'space' dalam Hz d a n Baud d a l a m bit/detik. Sehingga j u m l a h k a r a k t e r ascii yang d a p a t dikirim adalah Baud/8 tiap detik. Dengan keterangan lain b a h w a s a t u b u a h d a t a binary a k a n diwakili d e n g a n s e b u a h gelombang sinusoidal a t a u satu byte diwakili dengan delapan gelombang sinus.
Microcontroller secara m u d a h dapat digunakan u n t u k m e m b u a t signal p u l s a dengan lebar yang d a p a t d i u b a h - u b a h . Sehingga data yang a k a n lata modulasikan diubah menjadi data binary dan kemudian m e m b u a t p u l s a dengan lebar sebuai dengan frekuensi yang d i g u n a k a n . Signal yang b e r u p a p u l s a ini tidak d a p a t dikirim dengan baik p a d a UHF. Karena signal pulsa ini m e n g a n d u n g frekuensi tinggi, sehingga h a r u s kita g u n a k a n lowpass filter agar dapat berbentuk signal sinusoidal d a n d a p a t didengar d a n dikirim melalui radio. Sebaliknya p a d a sistem penerima, keluaran s u a r a dari radio h a r u s d a p a t dihitung frekuensinya. Sehingga proses yang m u d a h dilakukan adalah menghitung lebar p u l s a signal tersebut. Proses ini dapat dilakukan dengan m u d a h dengan fasilitas
komparator signal pada microcontroller.
Input signal sinusoidal dari radio, kita bandingkan dengan signal dengan besaran tertentu p a d a p e r t e n g a h a n tegangan minimal dan maksimal keluaran tegangan s u a r a radio. Penjelasan m e t o d a y a n g lebih detail a k a n d i b a h a s p a d a b a b berikut.
3 RANCANG-BANGUN MODEM AFSK Sistem k o m u n i k a s i via modem ini terdiri dari d u a bagian. Bagian transmitter d e n g a n m e n g g u n a k a n modulator d a n s e b u a h radio. Bagian receiver dengan m e n g g u n a k a n demodulator d a n s e b u a h radio sebagai penerima. Masing-masing bagian modem tersebut dijelaskan sebagai berikut.
3 . 1 Modulator
Modulasi deret d a t a binari menjadi signal s u a r a d a p a t dilakukan p a d a salah s a t u port s e b u a h microcontroller. Lebar p u l s a masing-masing frekuensi dapat diatur dengan timer p a d a prosesor tersebut.
Data digital yang m a s u k langsung dirubah menjadi p u l s a . Pulsa ini a k a n melalui
lowpass filter agar b e r u b a h menjadi gelombang sinus dan dapat dikirim dengan baik melalui gelombang radio. B a g a n modulator k o m u n i k a s i radio s u a r a dapat dilihat p a d a G a m b a r 3 - 1 , yang terdiri dari r ang kai an elektronik y a n g sangat se- d e r h a n a , seperti s e b u a h microcontroller AT90S2313 d e n g a n kecepatan 16 MHz d a n lowpass fiter d e n g a n m e n g g u n a k a n komponen beberapa resistor dan kapasitor.
Gambar 3 - 1 : S k e m a modulator d a t a menjadi s u a r a
F r e k u e n s i signal y a n g digunakan u n t u k modulasi data seperti p a d a Tabel 3-1.
Frekuensi 'tone' sedikit lebih r e n d a h dari frekuensi 'space'. Frekuensi signal 'space'
disamakan dengan kecepatan transfer d a t a a t a u baudrate, sehingga s a t u panjang gelombang s i n u s m e m u a t s a t u d a t a binary. Kecepatan transfer d a t a ini sebenarnya dapat diatur seoptimal mungkin s e s u a i d e n g a n lebar p i t a radio d a n k e b u t u h a n p a d a sistem telemetri, w a l a u p u n m e n g g u n a k a n k e c e p a t a n d a n frekuensi sinyal yang tidak standar. Dalam percobaan kali ini k i t a m e n g g u n a k a n 3 b u a h kecepatan transfer data, 1200 d a n 2400 b p s yang m a s i h d a p a t ditransfer melalui UHF y a n g m a s i h s t a n d a r (belum dimodifikasi).
Tabel 3 - 1 : KECEPATAN DAN FREKUENSI UNTUK MODULASI
P a d a bagian lowpass filter, makin b a n y a k order y a n g d i g u n a k a n , b e n t u k gelombang y a n g diinginkan semakin baik.
Sehingga frekuensi y a n g dihasilkan menjadi semakin tajam t e r h a d a p nilai yang diinginkan. J i k a b e n t u k signal masih b e r b e n t u k m e n d e k a t i pulsa, m a k a frekuensi signal yang dihasilkan menjadi lebih lebar y a n g m e n g a n d u n g frekuensi yang banyak. P a d a prototip modulator kali ini, d i g u n a k a n lowpass filter order 4 d a n hasil signal y a n g diperoleh c u k u p baik. Pada Gambar 3-1 nilai resistor u n t u k masing-masing kecepatan transfer ber- beda-beda agar s e s u a i d e n g a n frekuensi yang digunakan. Tabel 3-2 a d a l a h nilai resistor y a n g d i g u n a k a n p a d a percobaan kali ini. Penggunaan variabel resistor a k a n menjadi lebih praktis dalam percobaan m a u p u n saat merubah kecepatan modulasi, misalnya dengan 1 Ohm variabel resistor.
Tabel 3-2: NILAI TAHANAN DAN KAPASI- TOR UNTUK MASING-MASING BAUDRATE
Metoda lain y a n g d a p a t d i g u n a k a n u n t u k memodulasi signal a d a l a h dengan m e n g g u n a k a n r a n g k a i a n digital-to-analog converter berbasis network resistor yang b i a s a d i s e b u t R2R ladder. Akan tetapi metoda ini sedikit memerlukan komponen yang lebih dan program yang lebih komplek, sehingga metoda yang dipilih menggunakan lowpass filter.
BAUDRATE vs KRISTAL
U n t u k mengganti kecepatan baudrate modulator dapat melalui program p a d a microcontroller a t a u d e n g a n meng- ganti kecepatan kristal y a n g dipakai (memakai jumper dengan beberapa macam kristal). H u b u n g a n a n t a r a kecepatan kristal d a n baudrate a d a l a h linier, seperti terlihat p a d a G a m b a r 3-2.
Komunikasi dengan k e c e p a t a n b a u d r a t e yang tidak s t a n d a r d a p a t di- l a k u k a n a n t a r modem d a n j u g a a n t a r a modem d a n komputer. Sehingga peng- g u n a a n kecepatan b a u d r a t e ini s a n g a t f l e k s i b e l d a n dapat d i s e s u a i k a n d e n g a n
bandwidth UHF yang d i g u n a k a n . U n t u k memperoleh hasil signal y a n g baik, p e n g g u n a a n kristal k e c e p a t a n tinggi (16 MHz) sangat diperlukan. Agar eksekusi p e r i n t a h menjadi lebih cepat, sehingga memperoleh frekuensi signal modulasi y a n g lebih a k u r a t .
3 . 2 Demodulator
G a m b a r 3-3 a d a l a h r a n c a n g a n demodulator u n t u k modem AFSK. I n p u t b e r u p a signal s u a r a dari radio, d a n k e l u a r a n n y a b e r u p a serial d a t a .
Gambar 3-3: Hubungan kecepatan kristal d a n baudrate d e n g a n p a r a - meter fix
G a m b a r 3-4: S k e m a demodulator s u a r a menjadi d a t a digital
R a n c a n g a n r a n g k a i a n elektronik u n t u k demodulator ini h a r u s d a p a t menghasilkan signal y a n g c u k u p b a g u s agar d a p a t mendeteksi d a t a y a n g dikirim.
Sehingga memerlukah pengkondisian sinyal yang baik. Bandpass filter merupa- kan hal yang sangat penting untuk mengeliminasi sinyal-sinyal yang tidak dikehendaki. Prosesor AT90S8515 mem- punyai analog comparator secara internal yang dapat membandingkan tegangan
input pada positif pin AINO dan pada negatif pin AIN1 (Gambar 3-5). Ketika tegangan pada positif pin AINO lebih tinggi dari tegangan pada negatif pin AIN1, maka analog comparator output dalam keadaan set atau high. Keluaran komparator ini dapat digunakan untuk melakukan triggering sebuah timer atau counter u n t u k menghitung lebar signal.
Rangkaian prototip demodulator pada Gambar 3-5 di bawah. Output signal dari radio masuk ke pin positif komparator dan tegangan input pada negatif komparator.
Input tegangan komparator AIN1 tersebut dapat ditulis dengan persamaan berikut.
A(t) adalah output signal suara dari radio receiver, Qt) adalah tegangan untuk komparator terhadap signal radio receiver. Pada persamaan 3-1 diharapkan dapat menghitung lebar satu buah gelombang sinus secara akurat dengan memotong pada bagian tengah. Signal A{t) yang diterima mengandung noise yang tidak diperlukan, sehingga perlu dihilangkan dengan sebuah bandpass filter.
Perhitungan frekuensi yang terdeteksi ini dapat kita beri nilai toleransi sebesar kira-kira ±10% dari frekuensi modulasi (seperti pada persamaan 3-2 di bawah), sehingga jika masuk dalam wilayah nilai itu akan dianggap telah terdeteksi.
fd adalah frekuensi modulasi yang terdeteksi dan fu adalah frekuensi modulasi.
BAND-PASS FILTER RADIO RECEIVER Desain JUter untuk receiver modem ini kami gunakan tipe butterworth dengan rangkaian Sallen-Key, baik untuk lowpass
maupun highpass filter. Alasan penggu- naan tipe ini adalah agar respon frekuensi yang diinginkan lebih mendatar. Makin banyak order filter yang digunakan, dapat membuat respon frekuensi mendekati yang diinginkan. Akan tetapi untuk optimasi komponen perlu dibatasi sesuai dengan jumlah opamp yang dipakai. Dalam prototip
kali ini kita gunakan dua buah quad- opamp, sehingga selain untuk sebuah amplifier, dapat pula dipakai 4 order untuk lowpass dan highpass filter. Gambar 3-6 bagian atas adalah desain highpass filter.
Penentuan nilai tahanan, kapasitor, dan cutq/ffrekuensi adalah dapat kita temukan diberbagai literatur-literatur pada bidang signal prosesing. Gambar 3-6 bagian bawah adalah desain lowpass filter. Metodanya mirip dengan di atas, hanya posisi tahanan dan kapasitor saling tertukar. Sebelum membuat prototipnya kami juga telah menghitung nilai-nilai komponen tersebut dengan r a m u s yang telah ada, dan juga telah melakukan simulasi rangkaian filter tersebut dengan perangkat lunak seperti Spice. Sehingga hasil yang akan kita peroleh dapat kita prediksi. Selain itu, pengamatan langsung pada output radio receiver dengan menggunakan osiloskop yang juga mampu menghitung spectrum frekuensinya sangat penting. Kami meng- gunakan perangkat lunak yang dapat mengakusisi data melalui sound-card komputer dan menganalisa frekuensi- frekuensi yang didapat. Kemudian melaku- kan filtering secara digital u n t u k mem- peroleh parameter cutoff frekuensi yang tepat pada prototip rangkaian elektronik modem. Sehingga secara keseluruhan desain rangkaian elektronik receiver modem ini terdiri dari bagian highpass filter, lowpass filter, amplifier, komparator signal, dan prosesing digital dengan microcontroller.
Hasil percobaan yang kami peroleh akan dibahas lebih mendetail pada bagian berikutnya. Untuk memilih kecepatan baudrate untuk demodulator, perlu diguna- kan jumper u n t u k pemilihan kecepatan kristal dan rangkaian filtering agar sensi- tivitas receiver tetap dalam kondisi baik.
35
G a m b a r 3-6: S k e m a bandpass filter 4 order u n t u k demodulator 4 PERCOBAAN DAN ANALISA
Percobaan d i l a k u k a n dengan m e m b u a t r a n g k a i a n prototip b a i k u n t u k transmitter d a n receiver y a n g dilengkapi dengan d u a b u a h UHF. Mula-mula kita analisa signal tone, a p a k a h stabil u n t u k m e m b u a t frekuensi y a n g dihasilkan.
Kemudian mengecek frekuensi mark d a n space a p a k a h s u d a h s e s u a i dengan
rencana. Perhitungan spectrum frekuensi signal tersebut dilakukan dengan meng- gunakan program MATLAB yang terhubung p a d a sound-card. U n t u k menganalisa bandpass filter y a n g telah dirancang, kita cek respon frekuensinya d e n g a n meng- g u n a k a n signal generator yang dimodu- lasikan dari nol s a m p a i 6 kHz. Kemudian dimasukkan beberapa data yang dikirim d a n diterima dengan receiver y a n g telah
terhubung p a d a sebuah terminal komputer via r s 2 3 2 . Radio y a n g d i g u n a k a n mem- punyai bandwidth y a n g c u k u p respon p a d a frekuensi 5 0 0 Hz s a m p a i dengan 3500 Hz. Sehingga k e c e p a t a n baudrate y a n g ideal a d a l a h a n t a r a 1200 b p s d a n 2 4 0 0 b p s . U n t u k k e c e p a t a n y a n g lebih tinggi m e m e r l u k a n radio y a n g lebih lebar bandwidth. Hal ini dapat dilakukan dengan m e n g g u n a k a n radio y a n g k h u s u s di- rancang u n t u k modem cepat atau dapat dimodifikasi sendiri.
G a m b a r 4-2 s a m p a i G a m b a r 4-4 m e n u n j u k k a n signal tone yang dihasilkan oleh transmitter, m a s i n g - m a s i n g dengan frekuensi 2 0 0 0 , 2 4 0 0 , 3 3 3 0 Hz. Sehingga dengan modulasi frekuensi ini dapat digunakan u n t u k mengirim data maksimal 2400 b p s . Contoh signal pengiriman d a t a dengan d a t a h u r u f / A / d a p a t dilihat p a d a G a m b a r 4-4. Signal terlihat d u a kali mengirim d a t a . P a d a s p e k t r u m di bawah m e n u n j u k k a n frekuensi tone yang paling dominan. Analisa signal ini dilakukan dengan menggunakan sound-card s e b u a h PC sebagai d a t a akuisisi. Kecepatan sampling m a k s i m u m s a m p a i 44 kHz, sehingga c u k u p u n t u k mendeteksi signal dari modulator.
Gambar 4-4: Signal pengiriman data /A/
Gambar 4-2: Signal space dengan frekuensi 2400 Hz
5 KESIMPULAN
Pengembangan m o d e m tipe AFSK berbasis microcontroller dengan kecepatan transfer sampai 2 4 0 0 b p s u n t u k komu- nikasi telemetri muatari roket dengan UHF. Pengujian d i l a k u k a n d e n g a n d u a b u a h UHF d e n g a n frekuensi UHF dan memperoleh kualitas komunikasi d a t a dengan baik. Kecepatan modem ini d a p a t ditingkatkan lebih cepat lagi sesuai dengan bandwidth radio y a n g d i p e r g u n a k a n . Ke- stabilan modulasi dapat diperoleh dengan lebih baik menggunakan kecepatan kristal yang lebih cepat Modem ini a k a n di-
integrasikan dengan sistem m u a t a n r o k e t baiistik u n t u k mengjrim d a t a s e n s o r gerak inersia [Inertial Measurements Unify d a n d a t a GPS.
D AFT AR RUJUKAN
Bob Watson, FSK: Signals and Demodula- tion Technical Note, www.wj.com.
www.tcm3105.com; D a t a sheet modem TCM3105.pdf.
www.atmel.com; Data sheet Microcontroller AT90S2313.pdf, AT90S8515.pdf.
