transponder satelit - · pdf filefilter, penguat, pengalih frekuensi, switch , multiplekser,...

DIKTAT Komunikasi Satelit

1

TRANSPONDER SATELIT SIGIT KUSMARYANTO

Pendahuluan

Sinyal pembawa diterima oleh satelit pada level daya yang sangat

rendah karena jauhnya jarak yang ditempuh oleh gelombang radio. Satelit

memerlukan tambahan level daya sinyal sebelum mentransmisikan kembali

ke bumi untuk memastikan bahwa sinyal tersebut dapat dideteksi oleh

sebuah penerima stasiun bumi. Satelit komunikasi dapat dianggap sebagai

repeater jauh yang berfungsi untuk menerima pembawa uplink,

memrosesnya, dan mentransmisikan kembali informasi tersebut ke

downlink. Komunikasi satelit modern terdiri dari repeater

multikanal(Transponder) yang tersusun dari beberapa komponen, meliputi

filter, penguat, pengalih frekuensi, switch, multiplekser, dan hybrid. Repeater

tersebut memiliki fungsi yang sama dengan repeater relay radio gelombang

mikro line-of-sight pada sistem transmisi terestrial.

1. Fungsi Transponder

Gambar 1 menunjukkan diagram blok umum dari repeater multikanal

yang digunakan dalam satelit komunikasi modern. Garis edar tiap kanal dari

antena penerima ke antena pemancar dinamakan transponder. Istilah ini

muncul dari pemakaiannya dalam aeronautic ketika diaplikasikan pada

sebuah peralatan yang menerima sinyal dari stasiun bumi dan

mengembalikan sinyal balasan. Satelit komunikasi dapat berfungsi melalui

transpondernya. Jadi, fungsi dasar tiap transponder adalah :

- penguatan sinyal

- pemisahan kanal RF yang berdekatan

- pengalihan frekuensi.


2

Gambar 1. Repeater Multitransponder

Tabel 1 menunjukkan alokasi frekuensi yang umumnya digunakan untuk

komunikasi satelit. Umumnya, semakin tinggi frekuensi, semakin rentan

terhadap redaman hujan, dan semakin mahal peralatan yang dibutuhkan.

Tetapi, kemacetan pada umumnya terjadi pada frekuensi rendah

selanjutnya naik ke operasi frekuensi yang lebih tinggi.

Frekuensi uplink dipisahkan dari frekuensi downlink untuk meminimalkan

interferensi antara sinyal pemancar dan penerima. Downlink biasanya

menggunakan frekuensi yang lebih rendah, yang mengalami redaman yang

lebih rendah sehingga mengurangi kebutuhan daya output satelit.

Bandwidth yang tersedia pada tiap transponder dapat digunakan oleh

pembawa jamak seperti FDMA atau pembawa tunggal seperti TDMA.

Tabel 1. Alokasi frekuensi satelit komunikasi (MHz)

Use Downlink freq. (MHz) Uplink freq.(MHz)

Commercial (C-band)

Millitary (X-band)

Commercial(K-band)

Domestic

Fixed service

3700-4200

7250-7750

11700-12200

5925-6425

7900-8400

14000-14500

Bandpassfilter Switch

Receiver

Receiver

Hybrid

Bandpassfilter

Poweramplifier

1

3

5

7

9

11

12

10

8

6

4

2

Antenna

Transmitantenna


3

International

Maritime

Aeronautical

10950-11200

11450-11700

17700-21200

Mobile Service

1535-1542.5

1543.5-1558.8

Broadcast Service

2500-2535

11700-12750

Telemetry,Tracking,Command

137-138,401-412,1525-1540

27500-31000

1635-1644

1645-1660

2655-2690

2. Implementasi Transponder

2.1. Transponder Quasilinier

Istilah quasilinier menggambarkan kenyataan bahwa penguat

transponder satelit, seperti semua penguat, menunjukkan respon nonlinear

yang mendekati daya output maksimum dan respon yang lebih linear pada

level daya lebih rendah. Gain total transponder diperoleh dengan meng-

kaskade beberapa tingkat penguatan yang memberikan level operasi untuk

memenuhi kebutuhan internal, seperti ditunjukkan dalam gambar 2.

Gambar 2 menunjukkan diagram blok umum tranponder quasilinier.

Transponder quasilinier menerima, memisahkan, dan menguatkan

pembawa uplink, menerjemahkan frekuensi ke band downlink, dan

menguatkan sinyal untuk transmisi kembali ke downlink. Tingkat output

daya-tinggi akhir transponder biasanya berasal dari travelling wave tube

amplifier (TWTA).

LNA

Filt

er

Filt

er

Uplinkfrequency

band

Amp.

L.O.

Amp.

Frequencyconverter

Amp.

Downlinkfrequency

band


4

Gambar 2. Transponder quasilinier konversi tunggal

Biasanya, perangkat pada tahap-tahap awal transponder digunakan

bersama oleh lebih dari satu kanal frekuensi-radio. Tahap-tahap awal ini

biasanya terdiri dari filter untuk menghilangkan energi di luar band operasi,

Low Noise Amplifier (LNA), dan konverter frekuensi broadband untk

menggeser seluruh band operasi dari alokasi frekuensi uplink ke downlink.

Kemudian bandwidth operasi penuh dipisahkan oleh filter band kanal

transponder masing-masing. Bandwidth transponder bervariasi dari

beberapa megahertz sampai 100 MHz atau lebih, meskipun bandwidth

umumnya adalah 36 dan 75 MHz untuk satelit komunikasi komersial. Tiap

sinyal band kanal dikuatkan oleh High-Power Amplifier (HPA). Keluaran

tiap HPA dilewatkan melalui filter bandpass, yang menghilangkan produk

out-of-band karena ketidak-linearan penguat. Keluaran HPA beberapa

kanal kemudian digabung dalam multiplekser keluaran dan diumpankan ke

sistem antena bersama untuk pentransmisian. Pada prakteknya, sistem

antena tunggal digunakan untuk sinyal tyerima dan pancar. Dalam kasus

ini, diplexer digunakan untuk memisahkan lintasan terima dan pancar.

Desain transponder yang lain adalah tipe konversi-dual, yang berguna

untuk aplikasi tertentu. Gambar 3 melukiskan sistem operasi dua band, A

dan B. Tiap band yang diambil terpisah dapat dikuatkan dan dipancarkan

menggunakan penerjemahan frekuensi sederhana antara band uplink dan

downlink yang terkait. Keluaran switch yang ditujukan ke downlink band B

harus dikonversi frekuensi dari band A ke B sebelum penguatan akhir.


5

Gambar 3. Transponder konversi dual

2.2. Repeater Regeneratif

Dalam aplikasi transmisi digital mungkin digunakan transponder satelit

yang lebih kompleks untuk mendapatkan peningkatan kinerja. Gambar 4

adalah diagram blok transponder sebagai repeater regeneratif. Repeater

regeneratif melakukan fungsi penerimaan dan pentransmisian seperti

repeater quasilinear. Akan tetapi, regenerator terdiri dari demodulator yang

mendemodulasi sinyal uplink ke sinyal baseband digital dan modulator yang

mendemodulasi ulang sinyal pembawa downlink.

Gambar 4. Remodulasi atau repeater satelit regeneratif

Dalam perhitungan rekayasa sistem menggunakan repeater regeneratif,

kinerja diukur dalam istilah laju error bit keseluruhan dalam segmen space

link end-to-end. Misalkan PU dan PD adalah probabilitas bit yang error pada

uplink dan downlink. Maka probabilitas bit yang tidak error dalam link end-

to-end diberikan oleh

PC = (1- PU) (1- PD) = 1 – (PU + PD) + PU PD (1)

Oleh karena itu, probabilitas error bit dalam link end-to-end adalah

PE = PU + PD – PU PD (2)

Selama laju error cukup rendah, laju total adalah

PE = PU + PD (3)

LNA Amp.Processing

L.O.

Demodulator

Demodulator

Filter

Am

p.

L.O.A

mp.

Am

p.

Filter

IF

RF


6

2.3 Karakteristik Perangkat

2.3. 1 Filter

Filter merupakan perangkat yang penting dalam semua rangkaian

komunikasi, dan karakteristiknya mempengaruhi level pelemahan transmisi.

Gambar 5 menunjukkan karakteristik amplitudo terhadap frekuensi dari filter

ideal dengan karakteristik passband, dan fasa linear yang sempurna.

Gambar 5. Respons frekuensi filter ideal

2.3.2. High-power Amplifier

Semua penguat, baik tipe output level-rendah dan berdaya-tinggi,

memberikan karakteristik input/output seperti yang ditunjukkan dalam

gambar 6. Bila level input dinaikkan, penguat mencapai keadaan saturasi

yang berhubungan dengan output daya maximum yang tersedia. Selama

penguat hanya memroses satu pembawa tunggal, penguat dapat

dioperasikan mendekati saturasi tanpa menyebabkan pelemahan yang

serius. Akan tetapi, dalam operasi pembawa jamak, pelemahan yang

disebabkan peningkatan respons nonlinear yang mendekati saturasi

menghasilkan peningkatan distorsi intermodulasi yang tidak diinginkan.


7

Gambar 6. Rantai penerima gelombang mikro

Dalam aplikasi pembawa jamak, link RF didesain untuk menge-set titik

operasi HPA dalam daerah yang cukup linear untuk menghasilkan

pelemahan nonlinear yang rendah. Hal ini dicapai dengan mengurangi level

input relatif terhadap saturasi. Hal ini menghasilkan reduksi output dari level

output daya saturasi ke titik yang mengurangi efek nonlinear sampai level

yang dapat diterima. Gambar 7 menunjukkan fungsi alih penguat melalui

range operasi yang lebar untuk menggambarkan tingkah laku produk

intermodulasi sebagai fungsi back-off saturasi. Dalam kasus pembawa

jamak, hasil output daya-lebih rendah daripada kasus pembawa tunggal.

Selama beberapa tahun HPA menggunakan travelling wave tube (TWT)

sebagai penguat daya output. Desain transponder yang lebih baru lebih

memilih solid-state power amplifier (SSPA) pada C-band. Pada Ku band,

TWTA masih lebih diutamakan. TWTA lebih efisien (50%) daripada SSPA

(30%). Kedua tipe penguat daya memberikan gain 60 dB dan bahkan 70

dB.

Pada prinsipnya, karakteristik keandalan dan usia SSPA diharapkan

melebihi TWTA, tetapi pada prakteknya belum membuktikannya.


8

Low-noise Amplifier. Sisi depan repeater satelit komunikasi

menggunakan low-noise amplifier (LNA) yang didesain khusus. Desain

transponder terdahulu menggunakan penguat transistor bipolar dan diode

tunnel sebagai komponen dasar LNA. Desain yang modern menggunakan

HEMT (high electron mobility transistor) efek medan yang memakai

teknologi gallium arsenide (AlGaAsFET). Gain dan noise-figure yang dapat

dicapai dengan teknologi ini terur meningkat.

Oscillator. Oscillator juga mempunyai peranan yang penting dalam

desain transponder. Desain oscillator yang teliti dan pemilihan kristal

digunakan untuk mengurangi dan meminimalkan efek-efek jangka panjang.

3. Pelemahan Transmisi

Tabel 2 menunjukkan klasifikasi pelemahan transmisi tipe linier dan

nonlinier baik untuk operasi transponder tunggak maupun jamak.

Pelemahan linier utamanya disebabkan oleh respon amplitudo dan fasa

jaringan yang digunakan dalam transponder, seperti halnya thermal noise

yang biasanya mendominasi garis tujuan dari satelit penerima.

Tabel 2. Klasifikasi Pelemahan Transmisi

Single Transponder Multiple Transponder

Liinier

impairments

Thermal noise (uplink)

Group-delay distortion

Amplitude/frequency

distortion

Dual-path

group-delay, delay, distortion

Nonlinier

impairments

Intermodulation (including

AM-PM)

Intelligible crosstalk

Adjacent

Transponder, intermodulation

Intelligible

Out-of-band, crosstalk

3.1. Pelemahan Linear

Noise termal merupakan pelemahan linear yang dominan dalam link

satelit. Kinerja uplink didominasi oleh noise termal, yang menimbulkan rasio


9

carrier-to-noise. Rugi-rugi dalam saluran transmisi antara antena dan

penerima menambah temperatur noise dan karena itu harus dijaga agar

minimum. Penerima satelit umumnya mempunyai temperatue noise dalam

range 1000 sampai 3000 K, berhubungan dengan 5 sampai 10 dB noise

figure.

3.2. Pelemahan Nonlinear

Distorsi intermodulasi. Semua penguat, termasuk penguat solid-state,

mempunyai karakteristik nonlinear bila dioperasikan mendekati daya output

saturasinya. Gambar 7 merupakan salah satu contoh distorsi intermodulasi.

Pada kenyataannya, pembawa termodulasi mewakili lebar spektrum

terbatas. Mempunyai dua atau lebih pembawa membuat masalah ini lebih

pelik, membuat memperhatikan efek perkalian orde tinggi dan perbedaan

semua frekuensi pada sinyal campuran. Komponen-komponen yang tidak

diinginkan pada penjumlahan dan perbedaan frekuensi asal disebut

perkalian intermodulasi. Gambar 7 menunjukkan banyaknya komponen

yang tidak diinginkan yang mungkin menyebabkan nonlinieritas.

Gambar 7. Timbulnya distorsi intermodulasi


10

Pendekatan matematis paling sederhana untuk memodelkan

nonlinieritas transponder mengasumsikan bahwa karakteristik transfer

transponder dapat dituliskan sebagai deret Taylor: k

k eaeaeae +++= ...3310 (4)

dimana e adalah tegangan input dan e0 adalah tegangan output. Koefisien

ak. Untuk input n pembawa,

∑∑==

==n

ii

n

ii tAtAe

11

coscos ωω (5)

dengan daya input total Pi (normalisasi untuk impedansi rangkaian 1 Ω)

221 nA . Dengan mensubstitusi persamaan (5) ke persamaan (4) dan operasi

aljabar dan trigonometri, dapat diturunkan pernyataan berikut.

Untuk tiap n pembawa,

+

+−

+

−+ ...3

2

2

315

2

131

2 2

2

1

5

1

3 nnn

P

a

an

n

P

a

a

n

PaA iii

in (6)

Berikut ini adalah perkalian intermodulasi yang penting:

1. Perkalian dari bentuk (2f1 – f2), yang beramplitudo

[ ]

+−++

= ...)2(155.123

21

2

4

3

3

53

23

nn

P

a

a

n

PaI ii

n (7)

yang berkurang menjadi

)(2

4

3 23

3 ini

n PFn

PaI

= (8)

2. Perkalian dari bentuk (f1 + f2 – f3), yang beramplitudo

+

−++

= ...)3(2

3101

2

2

3

3

53

'2

3

nn

P

a

a

n

PaI ii

n (9)

yang berkurang menjadi

)(2

2

3 '3

'2

3

ini

n PFn

PaI

= (10)


11

Perlu diperhatikan bahwa a3 mengubah 3 dB setiap perubahan 1-dB dari

daya masukan. Juga untuk bentuk (f1+f2-f3) amplitudonya 6 dB lebih besar

daripada bentuk (2f1-f2).

Untuk (2f1-f2), distorsi komponen :

( ) ( )[ ]( ) rnDn nv 1112

122

1 −−−−−= (11)

Untuk (f1+f2-f3), distorsi komponen :

( ) ( )[ ] ( )[ ]( ) rnn

Dn nrnv +−−−−−−++−= 1112

153

4

11

2

1' 2

(12)

Pada saat r=n/2:

2

2−= nvDn

( )( )8

432'

−−= nnv Dn

(13)

Carrier to total intermodulation ratio. Diasumsikan bahwa perkalian

intermodulasi adalah nonkoheren. Secara umum dapat ditulis,

2''2

2

nDnnDn

n

n IvIv

A

I

C

+=

(14)

Substitusi untuk An, dapat ditulis

( )

)4(9

/42''22

20

231

2

nDnnDni

n

n FvFvP

Faan

I

C

+=

(15)

menggunakan pers. (6), (8), dan (10).

Konversi AM-ke-PM. Pelemahan nonlinier lain yang berhubungan dekat

dengan distorsi intermodulasi disebabkan oleh konversi AM-ke-PM. Banyak

penguat, terutama TWTA, memiliki pergeseran fasa total yang merupakan

fungsi level input TWTA adalah rentan terhadap efek ini karena TWTA

inheren dalam mekanisme penguatan cavity-coupled. Untuk tujuan praktis,

pengaruh AM-ke-PM dapat diperlakukan sama seperti distorsi

intermodulasi.

Pendekatan level-sistem terhadap distorsi yang disebabkan oleh

konversi AM-ke-PM dapat dilakukan dengan menggunakan data yang


12

tersedia. Data sheet TWTA biasanya berisi nilai parameter yang dikenal

sebagai koefisien konversi AM-ke-PM, K.

Persamaan berikut menyatakan rasio carrier to interference terhadap

konversi AM-to-PM sebagai fungsi dari banyaknya pembawa :

( ) ( )( )123

8

1516.0 2

2

−−=

nnK

n

I

C

nPMAM (16)

Dengan pendekatan nilai K sebagai fungsi back-off dan K tidak

berkurang dengan cepat seiring berkurangnya daya, diperhatikan bahwa

dengan n yang bertambah persamaan tersebut menjadi :

2

116

KI

C

nPMAM

=

(17)

Gambar 8 digunakan atas menunjukkan variasi K sebagai fungsi dari

back-off.

Gambar 8. Koefisien konversi AM-ke-PM terhadap input back-off

Crosstalk. Efek gabungan lekukan dan riak gain dalam tahapan

mendahului efek konversi AM-ke-PM dalam TWT menghasilkan kategori

efek yang disebut crosstalk. Dapat dikatakan mengganggu jika level


13

gangguan menjadi cukup besar untuk dirasakan, karena spektrum sumber

pengganggu jatuh pada kanal yang dimaksud. Untuk kasus tersebut,

produk palsu dapat didengar seperti bicara yang dikenali, juga dinamakan

intelligible crosstalk. Level sinyal ini harus benar-benar dikontrol, dalam

orde 65 dB dibawah level bicara yang diinginkan.

Pernyataan yang berguna untuk intelligible crosstalk dalam lingkungan

pembawa jamak diberikan sebagai berikut;

+∗

−=21

1

3.57

2log20

PP

PgfkIXTK

p (18)

dimana

kp = koefisien konversi AM-ke-PM dalam o/dB

g = lekukan gain dalam dB/MHz

f = frekuensi baseband maksimum

P1, P2 = level daya pembawa pengganggu dan yang diinginkan

(mW)

Pernyataan ini menentukan berapa level intelligible crosstalk di bawah

level sinyal yang diinginkan. Nilai P1 dan P2 bergantung pada daerah

pemasukan dan penolakan dari karakteristik filter demultiplekser.

Perlu juga diperhatikan bahwa intelligible crosstalk pada akhirnya akan

dianggap kecil karena tiga pertimbangan: (1) transmisi digital akan menjadi

mode utama dalam transmisi satelit. (2) Meningkatnya penggunaan pe-

linear transponder akan mengurangi efek nonlinearitas, termasuk konversi

AM-ke-PM, dan (3) transponder solid-state (SSPA) akan menjadi umum.

4. Aspek lain dari Transponder

4.1 Frekuensi Reuse dan Pengaturan Gain Transponder

Satelit komunikasi modern sering menyediakan kemampuan untuk

menggandakan bandwidth satelit yang tersedia (500 MHz) dengan

menyediakan antenna pamancar dan penerima yang terpolarisasi ganda

serta dua set transponder, satu set untuk rangkaian yang dapat diatur oleh

komando bumi melalui range yang lebar. Untuk optimasi daya pemancar


14

stasiun bumi dan kerugian karena ukuran dan kapasitas range yang sangat

lebar dari stasiun bumi mungkin dapat digunakan transponder dengan gain

tetap. Teknik ini menggandakan kapasitas sistem satelit dan efektif selama

polarisasi isolasi sekitar 30 dB.

4.2 Operasi Cross-Band

Pada beberapa aplikasi satelit, transponder harus menghubungkan

stasiun yang beroperasi dalam dua band frekuensi yang berbeda.

Contohnya, operasi pada satelit maritime yang melayani operasi pada

band L mempunyai hubungan dengan satelit tetap yang melayani operasi

pada band C. Transmisi dari kapal di laut ke pantai diterima satelit pada

uplink band 1.6 GHz dan ditransmisikan ke pantai pada band 4 GHz.

Transmisi dari pantai ke kapal di laut diterima pada band 6 GHz dan

ditransmisikan ke kapal pada band 1.5 GHz. Untuk tiap tujuan transmisi

selalu disediakan transponder terpisah.

DAFTAR PUSTAKA

1. Dennis,Roddy.1996. Satellite Communications. USA :Mc.Graw Hill Company Inc

2. Henry G, Robert A, Wilbur L.1993. Satellite Communication Systems Engineering,

Prentice Hall PTR, New Jersey

3. Roody, Denis and John Coolen. 1997. Electronic Communication, Third Edition .

Alih bahasa : Kamal Idris, Penerbit Erlangga. Jakarta

4. Kusmaryanto, Sigit. Komunikasi Satelit:Diktat, Jurusan Teknik Elektro Universitas

Brawijaya, Malang


15

transponder satelit - · pdf filefilter, penguat, pengalih frekuensi, switch , multiplekser,...

Documents