Konsep Propagasi Gelombang EM dan Link Budget

(1)

Modul#7

TTG3D3

TTG3D3 Antena

Antena dan

dan Propagasi

Propagasi

Konsep Propagasi Gelombang

EM dan Link Budget

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

Metode

2

_{Perbaikan Kinerja Sistem Komunikasi Radio}

Terestrial

(2)

Pendahuluan

3

Review

Kuliah Elmag II (Elmag

Telekomunikasi)

Gelombang datar : mode TEM

(transverse electromagnetic)

Gelombang merambat pada

berbagai jenis medium

E

P

berbagai jenis medium

Nachwan Mufti A

H

Kuliah Antena & Propagasi

Komunikasi radio melalui perambatan GEM pada

berbagai jenis mode transmisi radio terestrial

(3)

Spektrum

Spektrum Frekuensi

Frekuensi

GEM dengan frekuensi (panjang gelombang) berbeda diperlakukan oleh medium (kanal) propagasi secara berbeda

Frekuensi berbeda ditujukan untuk jenis

HF UHF VHF SHF

30 MHz 300 MHz 3000 MHz

ditujukan untuk jenis komunikasi terestrial berbeda Komunikasi jarak-jauh menggunakan frekuensi rendah Komunikasi jarak-dekat menggunakan frekuensi tinggi Nachwan Mufti A 5

)

MHz

(

f

300 =

λ

Frekuensi _λλ_λ_λ Band

30 - 300 Hz 10 1 Mm ELF (extremely low

frequency)

300 - 3000 Hz 1 Mm - 100 km SLF (Super Low Frequency) 3 - 30 kHz 100 -10 km VLF (very low frequency) 30 - 300 kHz 10 - 1 km LF (low frequency) 300 - 3000 kHz 1 km - 100 m MF (medium frequency) 3 - 30 MHz 100 - 10 m HF (high frequency) 30 - 300 MHz 10 - 1 m VHF (very high frequency) 300 - 3000 MHz 1 m - 10 cm UHF (ultra high frequency) 3 - 30 GHz 10 - 1 cm SHF (super high frequency) 30 - 300 GHz 1 cm - 1 mm EHF (extremely high

frequency)

300 - 3000 GHz 1mm - 100 µm

Pembagian Spektrum Frekuensi...

Heinrich Hertz

(4)

Spektrum Frekuensi dan Media Transmisi...

Nachwan Mufti A 7

Sistem

Sistem Komunikasi

Komunikasi dan

dan

Channel Modeling

(5)

Model Sistem Komunikasi Nirkabel

TI

Tx

Message

Input _{ditransmisikan}Sinyal yang

Transducer Pemancar

sinyal suara, teks, gambar, Channel encoder modulation : FSK, ASK, PSK, dll Source encoder

teks : kode ASCII, SPACE symbol, Suara : A/D converter, dan meliputi juga kompressi data serta error

koreksi (ARQ, FEC, dll) antena

Nachwan Mufti A

Rx

TO

Kanal Propagasi

Transducer

Input

Pemancar

Message output

Transducer

Output

Penerima

Redaman, distorsi, derau, interferensi ( tergantung karakteristik kanal ybs ) UNCONTROLLED ! 9 teks, gambar, proses random antena

Pemodelan Kanal Propagasi

Pemodelan kanal propagasi tergantung kepada ...

• ‘Benda-benda’ diantara pengirim dan

penerima

• Frekuensi gelombang EM dan

Obstacle / penghalang, bentuk obstacle (runcing/landai), ion-ion, partikel-partikel, dll

• Redaman propagasi Selisih antara daya

• Jarak antara Tx – Rx

• Frekuensi gelombang EM dan

bandwidth informasi yang dikirimkan

• Gerakan pengirim dan/atau penerima

Frekuensi dan bandwidth informasi mempengaruhi ‘perlakuan’ kanal propagasi terhadap sinyal yang dikirimkan

Pengaruh Efek Doppler terhadap penerimaan

Selisih antara daya pancar dan daya terima

• Fading: Fluktuasi daya di penerima

(6)

Contoh Model...

Lokasi 1 : Sinyal langsung mendominasi penerimaan, sinyal langsung (free space) cukup besar dibandingkan sinyal pantulan tanah. Contoh : pada mikrosellular

Nachwan Mufti A

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)

Lokasi 3 : Plane Earth Propagation Model dikoreksi karena adanya difraksi pepohonan

Lokasi 4 : Path loss diestimasi dengan model difraksi sederhana Lokasi 5 : Path loss cukup sulit diprediksi karena adanya multiple

diffraction

11

Karakteristik

Karakteristik Dan Fenomena

Dan Fenomena

2

2 Dalam

Dalam Perambatan

Perambatan GEM

GEM

(7)

Fenomena

2

2 _Dalam

_{Dalam Perambatan}

_{Perambatan GEM}

_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

Menyebabkan terjadinya di atasnya dapat memantulkan GEM

Ada hamburan:

Hamburan (difraksi)

Ada penyerapan gelombang:

Pada berbagai kondisi tertentu, ada juga absorpsi (penyerapan)

gelombang

13

terjadinya “FADING” sinyal

di sisi penerima

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

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)

(8)

1)

1) Lengkungan

Lengkungan Berkas

Berkas Gelombang

Gelombang EM

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 :

KONSTAN

)

h

(

sin

)

h

(

n

...

sin

n

sin

n

sin

n

₁

θ

₁

=

₂

θ

₂

=

₃

θ

₃

=

θ

=

Jika, ∆h → 0, maka lengkungan lintasan pada gambar di bawah akan KONTINYU 15 1 n 2 n 3 n 4 n 1 θ 2 θ 3 θ 2 θ 3 θ 4 3 2 1 n n n n > > > h ∆ h ∆ h ∆

1. 1. Lengkungan

Lengkungan Berkas

Berkas GEM

GEM

……KarakteristikKarakteristik IndeksIndeks Bias Bias AtmosfirAtmosfir

Indeks Bias = n , dipengaruhi

komposisi utama terutama uap air

→ 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

r

n

=

ε

→ Jika n tetap, lintasan GEM tetap ‘lurus’ (terhadap ketinggian)

→ Kadang-kadang GEM terperangkap di antara 2 lapisan ( duct )

16 Nachwan Mufti A

Bagian atmosfer yang mempengaruhi lintasan GEM

terutama adalah TROPOSFER , yang ketinggiannya : 9 km

( Kutub Selatan ) , 11 km ( Kutub Utara ), 18 km di

(9)

6 0

10 R

h

1 n

M













+

−

=

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 048 , 0 dh dM = dM

Tujuan : Analisis perubahan indeks bias terhadap ketinggian

1. 1. Lengkungan

Lengkungan Berkas

Berkas GEM

GEM

… … IndeksIndeks Bias Bias DimodifikasiDimodifikasi (M)(M)

Nachwan Mufti A 0 dh dM = 0 dh dM < 036 , 0 dh dM = 048 , 0 dh = 048 , 0 dh dM > 17 ft u 036 , 0 dh dM = ft u 048 , 0 dh dM =

(a) ATM standar

0 dh dM = ft u 048 , 0 dh dM = M h h M h M h M (b) ρρρρ = R ; k = ∞∞∞∞ (c) Duct (d) Elevated Duct h d t_d 0 dh dM < ft u 048 , 0 dh dM = positif dh dM negatif dh dM positif dh dM

1. 1. Lengkungan

Lengkungan Berkas

Berkas GEM

GEM

… … AtmosfirAtmosfir StandarStandar

• Atmosfer Standar

Tujuan : Standarisasi sifat atmosfer dan memudahkan perhitungan Atmosfer standar memenuhi persamaan berikut

:

( )

6 ( 0,136h)

e

289

10

1 n

N

=

−

=

− Dimana, N = indeks bias h = ketinggian dalam km

n = indeks bias sebagai fungsi h

(10)

• Refleksi tergantung kepada sifat bahan yang dirambati gelombang dan polarisasi gelombang

• Karakteriktik propagasi gelombang tergantung kepada impedansi intrinsik medium

• Koefisien refleksi dinyatakan sbb :

ϕ

−

+

ϕ

−

ϕ

=

2 2 2 2 EH

cos

n

sin

cos

n

sin

R

ϕ

−

+

ϕ

−

ϕ

=

2 2 2 2 2 2 EV

cos

n

sin

n

cos

n

sin

n

R

2)

2) Pantulan

Pantulan Gelombang

Gelombang EM

EM

Nachwan Mufti A

ϕ

−

+

ϕ

2 2 EH

cos

n

sin

EV 2

_ϕ

₊

2

₋

2

_ϕ

cos

n

sin

n

( Polarisasi horisontal ) ( Polarisasi vertikal ) Dimana,

ϕ = 90o_-_{θ = sudut vertikal}

θ = sudut datang = sudut pantul

1 r 0 2 2 r 2

j

n

ε

ωε

σ

−

ε

=

= indeks bias relatif

θ θ

ϕ

19

• Untuk keadaan permukaan bumi dan keadaan udara tertentu, maka grafik koefisien pantul dan sudut datang sebagai fungsi ϕ diberikan sebagai berikut : 0.5 0.7 0.9 1.0 ϕEH EV R EH R π 5 . 0 π 9 . 0 π

2)

2) Pantulan

Pantulan Gelombang

Gelombang EM…

EM…

Nachwan Mufti A 0 0.3 EV ϕ o 10 50o o 90

ϕ

• Asumsi :

Karena jarak Tx-Rx >> tinggi menara, maka biasa dianggap R_EV= R_EH= 1 , dan φ_R= π atau 180o₎

• Untuk suatu kondisi, sudut ϕϕϕ untuk koefisien pantul minimum disebut ϕ sebagai SUDUT BREWSTER

(11)

• 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.

3)

3) Difraksi

Difraksi Gelombang

Gelombang EM

EM

Nachwan Mufti A

• Komunikasi yang tidak

memungkinkan penambahan tinggi antena Komunikasi Difraksi

Kata kunci : Jari-jari Fresnell, Clearance Factor Kata kunci : Loss Difraksi 21

Prinsip

Prinsip Desain

Desain Sistem

Sistem

Komunikasi Radio

Komunikasi Radio Terestrial

Terestrial

& Power Link Budget

(12)

• Dasar komunikasi terestrial (

jenis-jenis komunikasi, karakteristiknya, dan

dasar perhitungan daya / link

budgetting )

Tipe-tipe komunikasi terestrial, dibedakan atas

dasar

Sistem komunikasi terestrial

Nachwan Mufti A

dasar

• Jarak pengirim dan penerima

• Frekuensi radio yang digunakan • Kanal lintasan radio yang digunakan

Untuk jarak cukup dekat, biasa digunakan hubungan LOS (Line Of

Sight), semakin jauh jaraknya maka pengaruh kelengkungan bumi

harus diperhatikan

Frekuensi yang digunakan, mempengaruhi jenis komunikasi yang dipilih Contoh : hubungan troposfer, komunikasi ionosfer, hubungan difraksi

23

Diagram Level Daya

P_T EIRP G_T L_ft P_R G_R Lft Fading Margin Loss Propagasi ( L_P) Nachwan Mufti A Threshold Noise Figure Effective Noise Spectral Density Noise Spectral Density

BER

N

C

_↔

Daya terima, naik-turun karena fading

Lihat diagram di atas...

fT T P R fR T

Threshold

FM

L

G

L

G

L

P

=

+

−

+

−

+

24

(13)

Check List

Check List Pertanyaan

Pertanyaan

DalamDalam DesainDesain Radio LinkRadio Link

Berapa pathloss (L

_p

) 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

Prinsip Desain

Desain Komunikasi

Komunikasi Terestrial

Terestrial

Mengupayakan agar daya terima (P

_r

) selalu

berada di atas ambang penerimaan

minimum (P

_th

)

r

th

P

≥

P

Reliability dan BER optimum berdasarkan

layanan/aplikasi komunikasi

Tradeoff: Reliability ↑↑ ; BER ↓↓

(14)

Reliability (keandalan)

pengamatan

total

Waktu

dimana

waktu

Jumlah

y

Reliabilit

=

W

R

>

W

Rmin _Dimana,

W_Rmin= Daya terima minimum pada penerima yang akan memberikan BER maksimum Fading margin W_R Nachwan Mufti A BER maksimum yang dipersyaratkan ∆ ∆ ∆ ∆t₁ ∆∆t∆∆ ₂ ∆t∆∆∆ ₃ ∆∆∆∆t₄ W_Rmin t 0 T

(

)

% 100 T t t t t T liability Re ₌ − ∆1+∆ 2+∆ 3+∆ 4 _×

Sebelum diberikan fading,

27

Reliability & Fading Margin

Fading margin diberikan untuk meningkatkan Reliability

Contoh :

Pengaruh fading margin dalam meningkatkan reliability pada komunikasi LOS

Fading Margin Reliability

10 dB

90%

10 dB

20 dB

30 dB

40 dB

90%

99%

99,9%

99,99%

• Probabilitas Outage,

P

_outage

= 1 - Reliability

(15)

Berbagai

Berbagai Jenis

Jenis Sistem

Sistem

Komunikasi Radio

Komunikasi Radio Terestrial

Terestrial

29

Spektrum

Spektrum Frekuensi

Frekuensi

Komunikasi Radio Komunikasi Radio TerestrialTerestrial

Radio Communication

Radio, microwave, satellite

3 kHz 300 GHz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF 3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz Tropospheric

Surface Ionospheric Space & Line _{Of Sight}

(16)

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

Nachwan Mufti A

• 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

31

(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

Jenis-Jenis Hubungan Komunikasi...

Nachwan Mufti A

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

(17)

Metode

2

2 _Perbaikan

_{Perbaikan Kinerja}

_{Kinerja Sistem}

_Sistem

Komunikasi Radio

Komunikasi Radio Terestrial

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 • 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

(18)

Memberikan fading margin , sedemikian level

sinyal penerimaan selalu lebih besar dari

ambang (threshold)

Menambahkan AGC (Automatic Gain Control)

untuk stabilisasi penerimaan

Perbaikan Unjuk…

KerjaTeknik mengatasi fading

Memakai teknik diversitas

Perbaikan

Perbaikan Unjuk

Unjuk Kerja

Kerja:

: Diversitas

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 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

(19)

Contoh

Contoh perhitungan

perhitungan untuk

untuk Diversitas

Diversitas Ruang

Ruang

A₁

A₂ h1

h

∆

● Jarak ∆h dibuat sedemikian agar penerimaan antena A₁ dan A₂memiliki korelasi terkecil ● Syarat : 37 Nachwan Mufti A A₂ h₂ ● Syarat : t

h

4 d

h

=

λ

∆

d = jarak antara pengirim dan

penerima

• Penerimaan rangkap diversitas dapat dilakukan dengan :

a. Pemilihan penerimaan terbaik….(selective combining) LNA D/C _AmpIF Com p LNA D/C _AmpIF ke Demod S₁ S₂ W₁ A₁ A₂

Diversitas: combining …

LNA D/C _Amp switcher W₂

• W₁> W₂ : Comp = 1 ⇒⇒⇒⇒ S₁ON , dan S₂OFF • W₁< W₂ : Comp = 0 ⇒⇒⇒⇒ S₁OFF , dan S₂ON

b. Penggabungan penerimaan rangkap LNA Combiner LNA D/C _AmpIF ke Demod A₁ A₂

(20)