Modul#7 Modul#7 TTG3D3 TTG3D3 AntenaAntena dandan PropagasiPropagasi

Konsep Propagasi Gelombang EM dan Link Budget

Konsep Propagasi Gelombang EM dan Link Budget

Oleh :Nachwan Mufti Adriansyah, ST, MT

1

Outline 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� Berbagai Jenis Sistem Komunikasi Radio Terestrial

� Metode2 Perbaikan Kinerja Sistem Komunikasi Radio

Terestrial

� Analisis Lintasan Gelombang Elektromagnetik

2

PendahuluanPendahuluan

3

ReviewReview

� 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

4

SpektrumSpektrum FrekuensiFrekuensi

� 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 λλλλ 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 highfrequency)

300 - 3000 GHz 1mm - 100 µm

Pembagian Spektrum Frekuensi...

Heinrich Hertz

Nachwan Mufti A

300 - 3000 GHz 1mm - 100 µm

6

Spektrum Frekuensi dan Media Transmisi...

Nachwan Mufti A 7

SistemSistem Komunikasi Komunikasi dandan

Channel ModelingChannel Modeling

8

Model Sistem Komunikasi Nirkabel

TI Tx

Message

InputSinyal yang

ditransmisikan

Transducer Pemancarsinyal 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

RxTO

Kanal Propagasi

Transducer

InputPemancar

Message output

Transducer

OutputPenerima 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 propagasiSelisih antara daya

• Jarak antara Tx – Rx

Nachwan Mufti A

• 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

10

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

KarakteristikKarakteristik Dan FenomenaDan Fenomena22

DalamDalam PerambatanPerambatan GEMGEM

12

FenomenaFenomena22 DalamDalam PerambatanPerambatan GEMGEM

� 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

Nachwan Mufti A

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)

14

1) 1) LengkunganLengkungan BerkasBerkas GelombangGelombang EMEM

� 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...sinnsinnsinn 332211 =θ==θ=θ=θ

� Jika, ∆h → 0, maka lengkungan lintasan pada gambar di bawah akan KONTINYU

15

1n

2n

3n

4n

1θ

2θ

3θ

2θ

3θ

4321 nnnn >>>

h∆

h∆

h∆

1. 1. LengkunganLengkungan BerkasBerkas GEMGEM……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

rn ε=→ Jika n tetap, lintasan GEM tetap ‘lurus’ (terhadap

ketinggian)

→ Kadang-kadang GEM terperangkap di antara 2

lapisan ( duct )

16Nachwan Mufti A

� Bagian atmosfer yang mempengaruhi lintasan GEM

terutama adalah TROPOSFER , yang ketinggiannya : 9 km

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

katulistiwa

6

0 10R

h1nM

+−=Dimana, M = indeks bias dimodifikasin0 = indeks bias pada ketinggian h = 0h = ketinggian dari permukaan bumiR = jari-jari bumi = 6,37. 106 m

048,0dh

dM=

dM

Tujuan : Analisis perubahan indeks bias terhadap ketinggian

1. 1. LengkunganLengkungan BerkasBerkas GEMGEM… … IndeksIndeks Bias Bias DimodifikasiDimodifikasi (M)(M)

Nachwan Mufti A

0dh

dM=

0dh

dM<

036,0dh

dM=

048,0dh

=048,0

dh

dM>

17

ftu036,0

dh

dM=

ftu048,0

dh

dM=

(a) ATM standar

0dh

dM=

ftu048,0

dh

dM=

M

hh

M

h

M

h

M

(b) ρρρρ = R ; k = ∞∞∞∞ (c) Duct (d) Elevated

Duct

h

d

td0

dh

dM<

ftu048,0

dh

dM=

positifdh

dM

negatifdh

dM

positifdh

dM

1. 1. LengkunganLengkungan BerkasBerkas GEMGEM… … AtmosfirAtmosfir StandarStandar

Nachwan Mufti A

• Atmosfer StandarTujuan : Standarisasi sifat atmosfer dan memudahkan perhitungan

Atmosfer standar memenuhi persamaan berikut

:

( ) )h136,0(6 e289101nN −=−=Dimana, N = indeks bias h = ketinggian dalam kmn = indeks bias sebagai fungsi h

Duct

18

• 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−−ϕ=

22

22

EH

cosnsin

cosnsinR

ϕ−+ϕ

ϕ−−ϕ=

222

222

EV

cosnsinn

cosnsinnR

2) 2) PantulanPantulan GelombangGelombang EMEM

Nachwan Mufti A

ϕ−+ϕ 22EH

cosnsin ϕ−+ϕ 222EV

cosnsinn

( Polarisasi horisontal ) ( Polarisasi vertikal )

Dimana, ϕ = 90o - θ = sudut vertikalθ = sudut datang = sudut pantul

1r

0

22r

2

j

nε

ωεσ

−ε= = indeks bias relatif

θ θ

ϕϕ

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 EHϕ

EVR

EHR

π5.0

π9.0

π

2) 2) PantulanPantulan GelombangGelombang EM…EM…

Nachwan Mufti A

0

0.3

EVϕ

o10o50 o90

ϕ• Asumsi :

Karena jarak Tx-Rx >> tinggi menara, maka biasa dianggap REV = REH = 1 , dan φR = π atau 180o )

• Untuk suatu kondisi, sudut ϕϕϕϕ untuk koefisien pantul minimum disebut

sebagai SUDUT BREWSTER

20

• 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) DifraksiDifraksi GelombangGelombang EMEM

Nachwan Mufti A

• Komunikasi yang tidak memungkinkan penambahan tinggi antena � Komunikasi Difraksi

Kata kunci :Jari-jari Fresnell, Clearance Factor

Kata kunci :Loss Difraksi

21

PrinsipPrinsip DesainDesain SistemSistemKomunikasi Radio Komunikasi Radio TerestrialTerestrial

& Power Link Budget& Power Link Budget

22

• 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

PT

EIRP

GTLft

PR

GRLft

Fading Margin

Loss Propagasi ( LP )

Nachwan Mufti A

Threshold

Noise Figure

Effective Noise Spectral Density

Noise Spectral Density

BERN

C ↔Daya terima,

naik-turun

karena fading

Lihat diagram di atas...

fTTPRfRT LGLGLFMThresholdP +−+−++=24

Check List Check List PertanyaanPertanyaan DalamDalam DesainDesain Radio LinkRadio Link

� Berapa pathloss (Lp) 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? 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

PrinsipPrinsip DesainDesain Komunikasi Komunikasi TerestrialTerestrial

� Mengupayakan agar daya terima (Pr) selalu

berada di atas ambang penerimaan

minimum (Pth)

r thP P≥

� Reliability dan BER optimum berdasarkan layanan/aplikasi komunikasi

� Tradeoff: Reliability ↑↑ ; BER ↓↓

26

r th

Reliability (keandalan)

pengamatantotalWaktu

dimanawaktuJumlahyReliabilit minRR WW >

= Dimana,

WRmin = Daya terima

minimum pada

penerima yang

akan

memberikan

BER maksimum

Fading marginWR

Nachwan Mufti A

BER maksimum

yang

dipersyaratkan

∆∆∆∆t1 ∆∆∆∆t3∆∆∆∆t2 ∆∆∆∆t4

WRmin

t0 T

( )%100

T

ttttTliabilityRe 4321 ×

∆+∆+∆+∆−=

Sebelum diberikan fading,

27

Reliability & Fading MarginReliability & Fading Margin

� Fading margin diberikan untuk meningkatkan Reliability

� Contoh :

� Pengaruh fading margin dalam meningkatkan reliability pada komunikasi LOS

Fading Margin Reliability

10 dB 90%

28Nachwan Mufti A

10 dB 20 dB 30 dB

40 dB

90% 99%

99,9% 99,99%

• Probabilitas Outage,

Poutage = 1 - Reliability

Sumber : HRW, “ Diktat Antena dan Propagasi”, STTT

BerbagaiBerbagai JenisJenis SistemSistemKomunikasi Radio Komunikasi Radio TerestrialTerestrial

29

SpektrumSpektrum FrekuensiFrekuensi Komunikasi Radio Komunikasi Radio TerestrialTerestrial

Radio CommunicationRadio, microwave, satellite

3 kHz 300 GHz

30Nachwan Mufti A

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

TroposphericSurface Ionospheric Space & Line Of Sight

Space

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

32

MetodeMetode22 PerbaikanPerbaikan KinerjaKinerja SistemSistemKomunikasi Radio Komunikasi Radio TerestrialTerestrial

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

Nachwan Mufti A

• 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

Parameter kinerja : Reliability, BER, ...34

� 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

35Nachwan Mufti A

PerbaikanPerbaikan UnjukUnjuk KerjaKerja: : DiversitasDiversitas

� 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

36

ContohContoh perhitunganperhitungan untukuntuk DiversitasDiversitas RuangRuang

A1

A2

h1

h∆

● Jarak ∆h dibuat sedemikian agar penerimaan antena A1

dan A2 memiliki korelasi terkecil

● Syarat :

37Nachwan Mufti A

A2

h2

● Syarat :

th4

dh

λ=∆

d = jarak antara pengirim dan penerima

• Penerimaan rangkap diversitas dapat dilakukan dengan :

a. Pemilihan penerimaan terbaik….(selective combining)

LNA D/C IF Amp

Comp

LNA D/C IF Amp

ke Demod

S1

S2

W1A1

A2

Diversitas: combining …

Nachwan Mufti A

LNA D/C AmpswitcherW2

• W1 > W2 : Comp = 1 ⇒⇒⇒⇒ S1 ON , dan S2 OFF

• W1 < W2 : Comp = 0 ⇒⇒⇒⇒ S1 OFF , dan S2 ON

b. Penggabungan penerimaan rangkap

LNACombiner

LNA

D/CIF

Amp

ke Demod

A1

A2

38

End Of Modul#7 End Of Modul#7

39