RF LINK - sigitkus.lecture.ub.ac.id filenoise adalah noise yang terjadi karena fluktuasi acak dari...

DIKTAT KOMUNIKASI SATELIT

1

RF LINK SIGIT KUSMARYANTO http://[email protected]

1. PENDAHULUAN

Kinerja dari hubungan komunikasi satelit pada umumnya didasarkan pada

dua bagian. Bagian pertama, merupakan segmen yang disebut RF link, yang

berhubungan dengan kalkulasi rasio carrier-to-noise-density (C/No) yang tersedia,

meliputi transmisi radio dari sinyal termodulasi. Bagian kedua, berhubungan dengan

kalkulasi dari kinerja saluran, dan jumlah saluran yang tersedia sebagai fungsi dari

kerapatan carrier-to-noise yang tersedia. Hasil kalkulasi ini tergantung pada

modulasi dan sistem multiple-access yang digunakan.

Kinerja dari hubungan radio-frequency ditentukan dari karakteristik terminal-

terminal radio (seperti, pemancar, penerima, dan antena), karakteristik media

propagasi, dan kemungkinan adanya interferensi. Dua aspek pertama dari RF link

akan dibahas dalam makalah ini.

2. NOISE

Dasar dari kinerja suatu link adalah noise, yang dapat dihasilkan oleh

peralatan elektron aktif, diterima dari luar angkasa, atau oleh thermal noise. Thermal

noise adalah noise yang terjadi karena fluktuasi acak dari arus listrik. Nyquist

membuktikan, dengan pertimbangan termodinamika, bahwa kuadrat tegangan pada

resistansi R dan bandwidth B dinyatakan dengan

kTBRen 42 = volt2 (1)

dimana en = tegangan noise

k = konstanta Boltzmann, 1,38 × 10-23 J/K

R = resistansi, Ω

B = bandwidth noise, Hz

T = temperatur absolut, K

Daya noise yang tersedia Pn pada beban yang tersedia dinyatakan dengan

kTBR

eP n

n ==4

2

watt


2

Formula Nyquist berlaku pada hampir semua spektrum komunikasi, tapi

untuk millimeter-wave yang lebih tinggi dan daerah infrared, harus digunakan

formula quantum yang pasti untuk kerapatan noise NQ yang berlaku untuk semua

frekuensi.

hfe

hfN

kThfQ +−

=1/

W/Hz (2)

Persamaan diatas menunjukkan bahwa pada frekuensi yang sangat tinggi,

thermal noise hilang, sehingga yang ada hanyalah quantum noise. Kita definisikan

suatu kerapatan spektral daya noise No sehingga N=NoB untuk nonquantum thermal

noise, dimana No=kT. Bila dinyatakan dalam rasio NQ terhadap No, maka diperoleh

kT

hf

e

kThf

N

NkTh

o

Q +−

=1

//

1⟨⟨kT

hf (3)

Pada frekuensi rendah, hf/kT 0 dan NQ No.

1=kT

hf

dapat dianggap transisional antara kedua pernyataan diatas. Ini terjadi untuk

21=T

f

jika f dalam GHz dan T dalam K.

Ini menunjukkan bahwa makin rendah temperatur sistem, makin rendah

frekuensi yang harus digunakan. Hal ini tidak perlu digunakan untuk permasalahan

komunikasi satelit saat ini, bahkan pada range gigahertz, namun untuk masa yang

akan datang dimana frekuensi yang digunakan lebih tinggi dalam daerah infrared dan

optik, maka harus digunakan persamaan quantum.

3. RF LINK DASAR

3.1 Hukum Inverse-Square yang Diterapkan pada Setiap Link

Dengan radiasi isotropik dari daya PT dalam gelombang berbentuk bola

konsentris dan mendefinisikan gain GT sebagai rasio daya dari sinyal pada arah yang


3

diinginkan, maka diperoleh daya sinyal (carrier) yang ditangkap oleh penerima pada

jarak R, dengan aperture efektif antena Aeff, sebagai :

effTT AGR

PC

24π= (4)

karena

kerapatan fluks × aperture efektif = level carrier

Sehingga, parameter-parameter yang mempengaruhi daya nyata yang diterima pada

setiap link adalah daya pemancar, gain antena pemancar, jarak antara pemancar dan

penerima, dan ukuran antena penerima (efektif). Persamaan (4) dapat dinyatakan

kembali dengan menerapkan formula antena universal

πλ

4

2GAeff =

dimana G adalah gain antena. Sehingga,

=

πλ

π 44

2

2RTT G

R

GPC (5)

Thermal noise yang tersedia dapat ditulis sebagai

BkTN s= (6)

dimana Ts didefinisikan sebagai keseluruhan temperatur sistem diterima, yang

diinginkan untuk menghitung efek dari noise thermal, peralatan, atmosfir, dan

kosmik. Daya carrier yang diperoleh adalah

BkTN

CN

N

CC s==

dimana (C/N) adalah carrier-to-noise rasio. Sehingga dapat ditulis

( ) kBT

G

R

GP

N

C

s

RTT 1

/4 2

=

λπ (7)

Faktor-faktor diatas umumnya didefinisikan sebagai berikut :

PTGT = e.i.r.p. (equivalent isotropic radiated power)


4

sLR =

2

4

λπ

(free space loss)

Free space loss adalah istilah yang digunakan untuk menyatakan kalkulasi daya RF

link. Keadaan dimana kerapatan radiasi elektromagnetik berkurang sesuai dengan

jarak, disebut spreading loss, merupakan hubungan inverse square 1/(4πR2) dan

tidak tergantung pada panjang gelombang. Persamaan (7) dapat ditulis

kBT

G

L

prie

N

C

s

R

s

1....

=

Dapat dilihat bahwa kinerja dari penerima, dinyatakan dengan (C/N), ditentukan oleh

(GR/Ts), suatu faktor (biasanya disebut G/T) yang banyak digunakan dalam sistem

penerima satelit. Satuannya adalah dB/K. Persamaan diatas dapat dinyatakan dalam

bentuk umum, tidak tergantung pada bandwidth, sebagai

kT

G

L

prie

N

C

so

1....

=

(8)

3.2 Signifikansi C/No

C/No adalah suatu parameter yang menarik, hal ini dapat dilihat pada

persamaan Shannon untuk kapasitas kanal.

+=N

CBH 1log2 (9)

dimana H, kecepatan maksimum dimana informasi yang error-free dapat

ditransmisikan pada saluran, dan diukur dalam bit/detik.

( )

( )[ ] CBNoo

Bo

oBNCNC

BNC/

2

2

/1log/

/1log

+=

+=

C/No (diukur dalam Hertz) adalah sebanding dengan kecepatan informasi

maksimum yang dapat ditransmisikan dengan daya carrier tertentu tanpa

eNCH oB

2log/lim =∞→


5

memperhitungkan bandwidth. Untuk transmisi digital, digunakan parameter yang

serupa dengan C/No yaitu Eb/No, yang merupakan rasio dari energi per bit informasi

yang ditransmisikan terhadap kerapatan noise, sama dengan C/No dibagi kecepatan

transmisi bit. Pada kasus dimana kecepatan transmisi sama dengan kapasitas kanal H,

maka

dBN

E

eN

HEH

o

b

o

b

6.1

log2

−=

= (10)

Ini adalah limit Shannon untuk energi bit terhadap rasio kerapatan noise.

Untuk nilai dibawah ini, tidak mungkin ditemukan sistem coding yang error-free.

4. TIGA TIPE KHUSUS DARI LIMIT PADA KINERJA LINK

4.1 Ukuran Antena Tetap pada Kedua Ujung

Misalkan suatu link dimana ukuran fisik dari antenanya terbatas pada kedua

ujungnya dengan alasan biaya atau kenyamanan, ini merupakan tipe dari relay

microwave terrestrial line-of-sight. Dengan menggunakan persamaan (8) dan

formula antena universal, maka dapat dilihat bahwa

TTR

so

PR

AA

kTN

C22

2

λη= (11)

dimana AR dan AT adalah area fisik dari antena pemancar dan penerima, dan η adalah

efisiensi antena, dianggap sama untuk kedua antena. Kinerja link akan semakin baik

pada daya pemancar lebih tinggi dan temperatur sistem penerima lebih rendah.

Dengan AR dan AT tetap, jarak dan panjang gelombang yang lebih pendek juga akan

meningkatkan kinerja.

4.2 Gain Antena Tetap pada Kedua Ujung

Dalam beberapa aplikasi, beamwidth kedua antena mempunyai nilai tertentu.

Pada kasus ini, digunakan persamaan dimana gain antena ditentukan pada kedua

ujung, karena gain antena berbanding terbalik dengan beamwidth. Persamaan (8)

dapat ditulis lagi menjadi


6

( ) T

s

RT

o

PRkT

GG

N

C22

2

4πλ

= (12)

Kinerja link makin baik dengan meningkatnya PT dan berkurangnya T dan R2,

juga dengan bertambahnya panjang gelombang.

4.3 Gain Antena Tetap pada Ujung yang Satu dan Ukuran Antena Tetap pada

Ujung yang Lain

Kasus ini diterapkan pada downlink dari sistem satelit-bumi dimana gain

antena pemancar satelit tetap, sedangkan ukuran antena penerima sebesar mungkin,

dengan mempertimbangkan biaya dan kenyamanan. Dengan menggunakan hubungan

gain-area antena universal dan hubungan antara sudut tetap Ω, jarak R, dan area S

pada permukaan bola konsentris, maka

2R

S=Ω steradian (13)

dengan Ω = 4π untuk bulatan penuh.

Jika diasumsikan bahwa energi dikonsentrasikan pada beam utama, gain

antena GT dari antena pemancar adalah berbanding terbalik dengan sudut tetap beam,

S

RKKGT

211 =

Ω= (14)

Dengan mensubstitusikan pada persamaan (8), dan menggunakan formula antena

universal, maka untuk downlink diperoleh

Ts

R

o

PSkT

AK

N

C

πη4

1= (15)

Sedangkan untuk uplink diperoleh

Ts

T

o

PSkT

AK

N

C

πη4

1= (16)

5. LINK SATELIT: ATAS DAN BAWAH

Persamaan (8) dapat dinyatakan dalam desibel dengan menghitung logaritma

umum dari kedua sisi dan mengalikannya dengan 10, sehingga

[ ] [ ] [ ]kT

GLprie

N

C

s

Rs

o

−

+−=

.... (17)


7

Satuan yang digunakan adalah

[C/No] dalam dBHz

[e.i.r.p] dalam dBW

[Ls] dalam dB

[G/T] dalam dB/K

[k] = -228.6 dBJ/K (karena k = 1.38 × 10-23 J/K)

[B] dalam dBHz

5.1 Uplink

Uplink biasanya dinyatakan dengan parameter intermediat, ψ, kerapatan fluks

yang diperlukan untuk menghasilkan keluaran transponder maksimum atau saturasi,

PT, untuk single carrier. Nilai aktual φ dari kerapatan fluks yang diterima dinyatakan

dengan

24

).(...

R

istasiunbumprie

πφ =

2

4....

λπ

sL

prie= (18)

dalam desibel,

[ ] [ ] [ ]

+−=2

4....

λπφ sLprie dBW/m2 (19)

Jika φ = ψ, persamaan ini dapat digunakan untuk menghitung nilai dari e.i.r.p. yang

dibutuhkan pada stasiun bumi untuk menyediakan nilai dari kerapatan fluks saturasi

ψ pada satelit. Dari persamaan (17) diperoleh

[ ] [ ]kT

G

N

C

UUo

−

+

−=

2

4

λπφ (20)

5.2 Downlink dan Back-off

Untuk downlink,

[ ] [ ] [ ]kT

GLprie

N

C

DsDsD

Do

−

+−=

.... (21)

Gambar 1 menunjukkan karakteristik transfer dari amplifier secara umum. Biasanya

amplifier dioperasikan pada nilai yang lebih rendah daripada output saturasinya, pada

suatu jumlah yang disebut back-off, yang tergantung pada nonlinearitas dan

spektrum input.


8

Gambar 1. Karakteristik transfer amplitudo TWT

Jika daya output satelit dikurangi dengan BOo (back-off output) dari nilai saturasi,

PT, maka persamaan downlink menjadi

[ ] [ ] [ ] [ ]kT

GLBOprie

N

C

DsDsoD

Do

−

+−−=

.... (22)

Jika diasumsikan nilai tetap dari parameter-parameter seperti [G/Ts]U dan

[Ls]U, back-off diperoleh dengan mengurangi daya pemancar uplink atau dengan

mengurangi amplifikasi transponder satelit. Jika uplink e.i.r.p. dikurangi dengan BOi

(back-off input), maka persamaan uplink menjadi

[ ] [ ] [ ] [ ]iUs

Uo

BOkTGN

C −−+

−=

/

42λπψ (23)

Jika amplifikasi transponder dikurangi untuk mencapai back-off, ψ menjadi nilai

baru ψ’ ,

[ ] [ ] [ ]iBO−= ψψ '

sehingga

[ ] [ ] [ ]kTGN

CUs

Uo

−+

−=

/

4'

2λπψ (24)

6. KINERJA GABUNGAN


9

Kinerja keseluruhan dari hubungan satelit tergantung pada uplink, downlink,

efek nonlinear pada transponder, dan interference.Skema noise keseluruhan

ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Skema noise keseluruhan

Uplink noise, dan sinyal pengganggu, dikuatkan oleh transponder, seperti halnya

sinyal uplink. Interferensi downlink dari satelit yang berdekatan akan menambah

thermal noise pada penerima stasiun bumi. Dengan menggunakan intermodulasi dan

thermal noise Ni, maka dapat ditulis

TNTNN

TP

N

C

iUD

s

T ++=

α

(25)

dimana

D

s

D N

TP

N

C =

U

s

U N

P

N

C α/=

i

s

i N

P

N

C =

dengan aljabar rutin

(26)

Dengan mempertimbangkan sinyal interferensi I pada uplink atau downlink, maka

11111 −−−−−

+

+

+

=

I

C

N

C

N

C

N

C

N

C

iUDT

(27)

Kurva gabungan carrier-to-intermodulation rasio sebagai fungsi back-off, dan

dengan jumlah carrier sebagai parameter, ditunjukkan pada gambar 3. Nilai ini dapat

1111 −−−−

+

+

=

iUDT N

C

N

C

N

C

N

C


10

dihitung dengan menggunakan berbagai model matematik, atau dapat juga diukur

menggunakan simulator transponder satelit.

Gambar 3. Grafik noise carrier-to-intermodulation terhadap back-off

7. OPTIMASI DARI RF LINK

Rasio carrier-to-intermodulation-noise meningkat seiring dengan

berkurangnya level daya HPA, dan pada saat bersamaan, rasio kerapatan carrier-to-

noise downlink makin menurun. Gambar 4a menunjukkan rasio kerapatan thermal

carrier-to-noise uplink dan downlink terhadap input back-off. Pada contoh ini

diasumsikan bahwa back-off dicapai dengan mengurangi daya pemancar uplink.

Gambar 4a. Operasi TWT optimum


11

Jika kita mengkalkulasikan gabungan carrier-noise rasio menggunakan

metode yang telah dibahas sebelumnya, maka diperoleh bahwa posisi dari titik

optimum merupakan fungsi dari stasiun bumi G/T. Makin besar G/T, maka makin

banyak back-off untuk mengurangi intermodulasi karena rasio yang lebih besar dari

carrier-to-thermal noise. Gambar 4b menunjukkan hasil dari kalkulasi untuk kasus

tertentu dengan satelit 40dBW, bandwidth 42 MHz, dan karakteristik intermodulasi

seperti pada gambar 2.

Gambar 4b. Pengaruh penerima stasiun bumi G/T pada back-off optimum transponder

Sistem single-channel-per-carrier lebih rumit, karena biasanya mempunyai

voice activation; yang artinya bila satu carrier tidak diperlukan karena pemberhentian

pembicaraan, maka akan dimatikan (off). Hal ini mengakibatkan daya pemancar

satelit tersimpan dan intermodulasi berkurang. Ini terlihat pada gambar 5.


12

Gambar 5. Model noise intermodulasi satelit: banyak carrier

8. LINK INTERSATELIT

Link intersatelit membuat geometri jaringan yang lebih canggih dimana titik-

titik yang tidak berada dalam pola coverage satelit yang sama dapat dihubungkan.

Dalam beberapa kasus, hal ini akan mengurangi delay transmisi. Persamaan gain

antenna bila dihubungkan dengan sudut tetap dari pencil beam:

βη

2

260004 =

ΩΠ=G

D

λβ 70= (28)

Dimana Ω adalah sudut tetap beam dsalam steradian, β adalah beamwidth

setengah daya dari beam yang sama dalam derajat, λ adalah panjang gelombang dan

D adalah diameter.

Bila performansi link dibatasi oleh keakuratan beam pointing, maka

beamwidth antenna akan dianggap sama dengan dua kali keakuratan pointing δ. Kita

meletakkan antenna pada kedua ujung link dengan kondisi yang sama, dan dengan

menggunakan persamaan (12) akan diperoleh :

δ 422

21

1074.1TRf

PN

s

T

o

xC =

(29)


13

Persamaan ini dapat diplot dengan berbagai cara. Gambar 6-7 memplot C/No

terhadap frekuensi carier dengan keakuratan anguler dan diameter antenna sebagai

parameternya.

9. TEMPERATUR NOISE

9.1 Umum

Komputasi performansi link RF biasanya dibawa dalam bentuk temperatur

noise system ekivalen Ts.

Individual point dalam system dikarakterisasikan oleh noise temperatur TN.

temperatur antena Ta adalah sebuah khasus khusus tertentu. Dia tergantung dari pola

radiasi, temperatur fisik sekeliling dimana antena melakukan pertukaran energi, dan

noise yang diterima. Dia dapat berubah karena sudut elevasi, rugi hujan dan waktu.

Individual stage dikarakterisasikan oleh temperatur excess Te. Temperatur ini

kadangkala disebut sebagai temperatur noise input ekivalen atau effektif, adalah

perbedaan antara temperatur sistem Ts dan temperatur noise TN pada output stage.

Antena Ta Receiver gain, Output N out

Ta G equivalent

Ts temperatur, Te

Gambar 6 System receive dasar

Dari gambar diperoleh ;

Nout = kGTsB (30)

Dari persamaan dapat diperoleh :

Ts = Ta + Te (31)

Sedangkan untuk dua jaringan dalam tandem dengan temperatur excess Te1

dan Te2, gabungan dari temperatur Te dapat ditunjukkan dalam persamaan :

GTTT e

ee1

21+= (32)

9.2 Beberapa Kasus Penting


14

Beberapa hasil yang penting dari definisi dan persamaan diatas dapat

ditentukan untuk beberapa kasus khusus.

Ini dapat ditunjukkan bahwa hot pad memiliki sebuah temperatur excess :

TE =T(L-1) (33)

Dan bila dihubungkan dengan temperatur noise:

L

TLTT N

)1(0

−+= (34)

dimana L adalah rugi atenuator.

9.3 Noise Figure

Noise figure atau noise factor ini diperoleh :

NC

NC

out

out

in

in F= (35)

dimana F adalah noise figure.

Bila level input dan output carier dihubungkan dengan power gain G dan bila

level noise input adalah kTinB, maka

Nout= FGkTinB (36)

Atau dapat ditulis :

Nout=(F-1)GkTinB + GkTinB (37)

Semua hal diatas tergantung dari F pada level noise input. Bila level ini bertambah,

C/N akan bertambah.

Dalam pengoperasian temperatur input biasanya terdapat dalam masalah

satelit Ta berbeda dari To, sehingga output noise menjadi :

Nout = GkTaB + (F-1)GkToB (38)

Dari definisi temperatur system dalam bentuk Nout, kita dapat menentukan

nilai dua noise output adalah sama, sehingga:

kGTsB = GkTaB + (F-1)GkToB

Ts = Ta + (F-1)To, To = 290 K (39)

Dan dari definisi temperatur exess Te,

Te = (F-1)To To = 290 K (40)

Dengan menggunakan persamaan (6-34) dan (6-44), dapat kita peroleh persamaan

noise figure dua jaringan :


15

GFFF

1

2112

1−+= (41)

10. TEMPERATUR ANTENA

10.1 Temperatur Antenna Komposit

Antenna menerima energi dari dan meradiasikan energi ke langit, tanah, dan

(pada waktu-waktu tertentu) ke matahari. Pada prinsipnya, Ta seharusnya

dievaluasikan menggunakan sebuah integrasi melalui sudut antenna (4Π steradian)

dalam persamaan :

∫ ∫ ΩΩΩ Ω

+−+=1 2

2

22

211])1[( dd TTGTGT skygskya ρρ (42)

Dimana :a

G1 = gain antenna dalam arah langit

G2 = gain antenna dalam arah tanah

Ω1 = daerah sudut solid dalam arah langit

Ω2 = daerah sudut solid dalam arah tanah

T0 = temperatur troposfer atau asumsi hujan, biasanay 290 K

Tg = temperatur tanah, biasanya 290 K

ρ = factor pantulan tegangan dari bumi

Temperatur langit, Tsky, diperoleh dari T’, temperatur clear sky karena noise

galaktis, background gelombang mikro, rugi-rugi O2 dan H2O seperti ditunjukkan

pada Gambar 7 dan 8. bila rugi hujan adalah Lg, maka temperatur langit bila dihitung

dari T’ akan diperoleh :

LLT

R

Rsky

ToT )1(' −+= To = 290 K (43)

Dari beberapa pendekatan ini akan dihasilkan :

Ta = a1 Tsky + a2Tg + a3Tsun (44)

Dimana:

a1 = Ωsky/4π(1-ρ2)

a2 = (Ωg/4π)(1-ρ2)

a3 = p(Ωs/4π)(Gs/LR)


16

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

RF LINK - sigitkus.lecture.ub.ac.id filenoise adalah noise yang terjadi karena fluktuasi acak dari...

Documents

Transcript of RF LINK - sigitkus.lecture.ub.ac.id filenoise adalah noise yang terjadi karena fluktuasi acak dari...