Perancangan dan Pembuatan Transmitter untuk Satelit ITS-SAT pada Frekuensi 436,9 MHz

1

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

Perancangan dan Pembuatan Transmitter untuk Satelit ITS-SAT pada Frekuensi 436,9 MHz Diana Alia, Eko Setijadi, ST., MT, Ph.D, dan Dr. Ir. Suwadi, MT Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected], [email protected] Abstrak— Akhir-akhir ini teknologi komunikasi satelit sedang ramai diperbincangkan. Hal ini menyebabkan mahasiswa-mahasiswa dan engineer di Indonesia mulai merintis untuk membuat satelit. ITS juga tidak ketinggalan untuk ikut mengembangkan teknologi satelit. Hal ini dibuktikan dengan partisipasi ITS dalam pembuatan satelit IINUSAT I dan II. Guna menindak lanjuti pembuatan satelit, maka ITS juga membuat ITS-SAT. Salah satu kriteria dari ITS-SAT ini adalah transmitter yang bekerja pada frekuensi 436.9 MHz. Dalam membangun komunikasi pada ITSSAT dibutuhkan transmitter yang diintegrasikan dengan modulator FSK yang dapat mengirimkan sinyal ke stasiun bumi. Transmitter ini juga akan diintegrasikan dengan PA (power amplifier) yang berguna untuk menguatkan sinyal yang dikirim. Dalam mendesain transmitter perlu diperhatikan beberapa parameter diantaranya frekuensi, gain, dan daya output. Pada tugas akhir ini akan dibuat transmitter yang disesuaikan dengan ukuran dan kebutuhan ITS-SAT. Tranmitter akan bekerja pada pita radio amatir pada spektrum UHF. Kata Kunci— transmitter FSK, PA, ITS-SAT

I. PENDAHULUAN

Akhir-akhir ini teknologi komunikasi satelit sedang ramai diperbincangkan. Di negara-negara maju, teknologi satelit ini sudah banyak dikembangkan. Bahkan di negaranegara berkembang pun, teknologi ini sudah mulai dirintis. Hal ini menyebabkan mahasiswa-mahasiswa dan engineer di Indonesia mulai merintis untuk membuat satelit. Satelit ini dibuat oleh INSPIRE (Indonesian inter university satellite), yang merupakan gabungan dari beberapa perguruan tinggi ternama di Indonesia. Satelit yang dibuat diberi nama IiNUSAT. ITS juga turut mengembangkan teknologi satelit. Hal ini dibuktikan dengan partisipasi ITS dalam pembuatan satelit IiNUSAT I dan II. Selain membuat stasiun bumi, ITS juga merancang dan membuat space segment pada komunikasi satelit. Saat ini, ITS tetap mengembangkan teknologi komunikasi satelit. Kali ini satelit yang dibuat adalah ITS-SAT. Salah satu bagian penting dalam komunikasi satelit ini adalah transmitter pada space segment. Transmitter adalah sebuah alat yang berfungsi untuk memproses dan

memodifikasi sinyal input agar dapat ditransmisikan sesuai dengan kanal yang diinginkan, transmitter juga dilengkapi oleh PA. Transmitter ini nanatinya akan bekerja pada frekuensi 436,9 MHz dan menggunakan modulasi FSK (Frequency Shift Keying). Selain itu, sistem komunikasi akan bekerja pada pita radio amatir pada spektrum VHF / UHF. Sebelum transmitter mengirimkna sinyal, sinyal tersebut terlebih dahulu diproses oleh PA (power amplifier). PA sendiri berguna menguatkan sinyal, setelah sinyal dicampur dengan sinyal carrier. Kinerja PA sangat berpengaruh pada proses pengiriman sinyal ke stasiun bumi karena tanpa adanya PA maka sinyal akan drop bahkan hilang, selain itu jika ada kerusakan kecil pada komponen ini akan mengganggu sistem pemancar. II. DASAR TEORI A. Transmitter Bagian yang berfungsi sebagai pengirim data ini sering disebut transmitter. Bagian akhir dari transmitter akan dihubungkan ke antenna untuk dipancarakan. Pada bagian ini sinyal yang dikirimkan merupakan sinyal dengan frekuensi tinggi (sinyal RF). Dalam transmitter terdapat bagan-bagan sehingga sinyal informasi dapat diolah menjadi sinyal yang siap di transmisikan. Seperti pada gambar dibawah ini. Ada banyak bagian di dalam transmitter.

PA

Up Converterr

modulator

encoder

Gambar 1. Sub-sistem transmitter

B. Power Amplifier Power amplifier merupakan bagian terakhir sebelum antenna. Power amplifier bertugas untuk menguatkan sinyal sehingga daya pancarnya cukup besar. Jika daya pancarnya cukup besar, maka daya pancarnya tidak habis diperjalanan dan daya pancarnya masih bisa diterima oleh receiver. Apabila daya yang diterima pada receiver kurang dari daya minimum receiver maka informasi dianggap hilang. Parameter penting dalam power amplifier ini adalah gain atau penguatan.

2

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

C. IC MAX7049 MAX7049 adalah sebuah integrated circuit (IC) yang berfungsi sebagai transmitter. IC ini diproduksi oleh maxim dari Texas, Amerika. IC ini bekerja pada frekuensi antara 288 MHz sampai 945 MHz. Jenis modulasi yang dapat digunakan pada IC ini adalah modulasi ASK dan FSK. Selain itu ic ini dapat menghasilkan daya ouput sebesar 15 dBm atau sekitar 31.6 mW. MAX 7049 memiliki 28 kaki, hal ini dapat dilihat pada gambar 2.

Gambar 4. Subsistem ITS SAT

Gambar 2. IC MAX7049

Data atau informasi yang akan dimodulasikan dimasukkan ke pin DATAIN (16). Data yang dimasukkan harus data digital NRZ. Output dari IC ini dapat dilihat pada pin PA+ dan PA- (27 dan 28). D. AD8000 AD8000 merupakan optimal amplifier (op-amp) yang diproduksi oleh analog devices. Komponen ini dapat digunakan pada frekuensi tinggi hingga 1,5 GHz. AD8000 dapat diaplikasikan dalam video professional, instrumentasi dengan kecepatan tinggi, video switching, IF/RF gain stage, dan CCD image.

Dua transmitter yang ada pada payload ITS-SAT bekerja pada frekuensi 2.4 GHz dan 436.9 MHz. Untuk pengiriman data teks, digunakan transmitter dengan frekuensi 436.9 MHz. Di dalam transmitter itu sendiri terdapat dua bagian inti yaitu PA (power amplifier) dan modulator. Modulasi yang digunakan untuk frekunsi 436.9MHz adalah modulasi FSK (Frequency Shift Keying). Pada perancangan transmitter dan power amplifier, terdapat parameter yang akan diukur yaitu keluaran daya dan penguatan. Sebelum menentukan besar daya atau penguatan yang diinginkan maka dilakukan perhitunngan link budget. - Daya pada penerima pada stasiun bumi yaitu -35.95 dBm - Frekuensi kerja yaitu 436.9 MHz - Jarak antara stasiun bumi dan satelit adalah 20 km. - Daya pancaran maksimal pada satelit yaitu 15 dBm - Gain antenna pemancar 2 dB [EIRP] = [Ps] + [G]

(1)

[FSL] = 10 log � � 𝜆𝜆 [FSL] = 32.4 + 20 log r + 20 log f

(2)

[P R ] = [EIRP] + [G R ] – [LOSSES] Dimana : FSL : redaaman free-space r : jarak antara pemancar dan penerima λ: panjang gelombang Pr : daya pada penerima Gr : gain penerima G : gain pemancar

(4)

4𝜋𝜋𝜋𝜋 2

Gambar 3. AD8000

Dapat dilihat pada gambar 3, AD8000 memiliki 8 buah kaki / pin. Pin 2 dan pin 3 merupakan inputan yang nantinya akan di kuatkan. Pin 4 merupakan suplai tegangan negatif, sedangkan pin 7 adalah suplai tengangan positif. Pin 1 merupakan bagian pin untuk umpan balik. Dan keluarannya terdapat pada pin 6. III. PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI Secara singkat bagian satelit ini mempunyai sistem menerima, menyimpan, dan mengirim. Nantinya satelit ITS-SAT dapat mengirim gambar atau citra dan data teks. Maka dari itu, ITS-SAT memiliki dua transmitter.

𝜆𝜆 =

𝑐𝑐

𝑓𝑓

=

3 𝑥𝑥 10 8

436.9 𝑥𝑥 10 6

[FSL] = 10 log �

111,27 𝑑𝑑𝑑𝑑

dB m m dBW dB dB

= 0,687

4𝜋𝜋𝜋𝜋 2 𝜆𝜆

(3)

� = 10 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �

4𝜋𝜋20000 0,687

�=

[EIRP] = [Ps] + [G] = 15 + 2 = 17 dB

Karena frekuensi senternya hanya 436,9 MHz dan ketinggiansatelit hanya 20 km, maka redaman air hujan dan redaman atmosfer sangat kecil sehingga diabaikan. Jadi lossesnya hanya FSL saja.

3

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

[P R ] = [EIRP] + [G R ] – [LOSSES] -35.96dBm = 17 dBm + [G R ] – 111,27 dB [G R ] = 58.31 dB Dari perhitungan di atas, maka dapat disimpulkan bahwa untukmencapai nilai P R -35,96 dBm maka masih di perlukan penguatan sebesar 58.31 dB atau sebesar 853100 kali. Penguatan daya sebesar 58,31 dB ini dapat ditambahkan pada pemancar dan penerima. A. Perancang Transmitter Dalam merancang PCB transmitter, digunakan software Eagle 6.4. Modul transmitter yang menggunakan IC MAX7049 tidak dapat berdiri sendiri. IC MAX7049 membutuhkan komponen pasif untuk mendukung kerja dari IC tersebut. Komponen pasif yang dibutuhkan tertera dalam tabel 1.

16 18 19 20 21 22 23

Resistor 5.11 ohm Resistor 56 kohm Resistor 10 ohm Resistor 2kohm Resistor 1 kohm Resistor 0 ohm Resistor 100 kohm

1 1 7 1 3 1 10

0603 0603 0603 0603 0603 0603 0603

B. Perancangan Power Amplifier Perancangan PCB untuk power amplifier eksternal, tidak jauh beda dengan perancangan PCB pada modul transmitter. Dalam perancangan diperhatikan rangkaian tipikal dari AD8000. Untuk membuat rangkaian power amplifier, digunakan rangkaian non-inverting. Rangkaian skematik dapat dilihat pada gambar 6. Pada rangkaian tipikal terdapat rangkaian dc blok untuk menstabilkan tegangan input.

Gambar 6. Rangkaian skematik Power Amplifier

Untuk mendukung kinerja dari AD8000, dibutuhkan beberapa komponen pasif seperti pada tabel 2. Tabel 2. Daftar komponen pasif modul Power Amplifier

Gambar 5. Rangkaian modul transmitter

Komponen pasif tersebut harus dirangkai sedemikian rupa sehingga IC dapat bekerja secara maksimum dengan hasil yang diinginkan. Bentuk rangkaian keseluruhan dari modul transmitter seperti pada gambar 5. Tabel 1. Daftar komponen pasif modul transmitter

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Deskripsi komponen Kapasitor 33pF Kapasitor 0.01 uF Kapasitor 1 uF Kapasitor 10 uF Kapasitor 150pF Kapasitor 1500pF Kapasitor 68 pF Kapasitor 1.5 pF Kapasitor 6.2 pF Kapasitor 5.6 pF Kapasitor 12 pF Inductor 470nH Inductor 33nH Inductor 16nH Inductor 15 nH

Jumlah 9 9 9 1 1 3 1 2 3 1 1 1 1 1 1

dimensi 0402 0603 0603 0805 0402 0402 0402 0402 0402 0402 0402 0603 0603 0603 0603

No 1 2 3 4 5 6 7

Komponen Resistor 40 ohm Resistor 357 ohm Kapasitor 100nF Kapasitor polar 470nF Resistor 75 ohm Induktor 39nH Kapasitor 10pF

Jumlah 1 1 1 1 1 1 1

Dimensi 0805 0805

0805

Simulasi MAX7049 Simulasi perangkat transmitter dilakukan dengan bantuan software bawaan dari maxim yaitu MAX7049EVKIT software. Software ini dapat mengatur beberapa spesifikasi antara lain jenis modulasinya, frekuensi senter, amplitude sinyal, amplitudo stepnya, frekuensi deviasinya, dan jenis pembentukan serta baud ratenya.

4

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

Function generator laptop

Modul transmitter

Spectrum analyzer

Gambar 8. Skema Pengukuran Transmitter dengan

Output Spektrum Analyzer

Gambar 7. Tampilan software MAX7049EVKIT

Dari gambar 6, dapat dilihat bahwa banyak sekali box-box yang harus diatur. Langkah-langkah yang dilakukan dalam melakukan pengaturan IC MAX7049 dengan menggunakan software MAX7049evkit, antara lain: a. Pilih modulasi yang digunakan (ASK atu FSK). Untuk pengujian modul transmitter maka dipilih modulasi FSK. b. Atur frekuensi center yang diinginkan pada kolom FTX. c. Atur amplitudo (FSK) pada kolom FSK amplitude. Amplitudo ini bernilai 1 hingga 63. Untuk mendapatkan daya maksimum maka atur amplitudonya dengan nilai maksimum pula. d. Atur amplitudo step-nya. Nilai dari amplitudo stepnya bernilai 1 sampai 63. e. Pada kolom FSK FDEV, dilakukan pengaturan frekuensi deviasinya. Untuk modulasi FSK, frekuensi deviasi maksimumnya sebesar 150 kHz. Tetapi nilai FDEV ini sendiri merupakan setengah dari frekuensi deviasi sebenarnya. f. Atur jenis pembentukan pulsa. g. Masukkan besarnya baudratenya. h. Kemudian centang MAX7049 enable. i. Setelah itu centang Tx data

Untuk melakukan pengujian transmitter diperlukan laptop atau komputer untuk melakukan pengaturan dengan menggunakan software MAX7049EVKIT. Kemudian modul transmitter diberikan masukkan data berupa sinyal digital NRZ dengan menggunakan function generator. Keluaran dari transmitter di hubungkan pada Spektrum Analyzer. Spectrum analyzer berfungsi untuk menampilkan spectrum frekuensi. Hal ini dimaksudkan untuk mengukur daya keluaran dari transmitter. Selain itu, dapat juga melihat spektrum frekuensi dari sinyal FSK. Dalam pengujian modul transmitter dilakukan dengan mengubah-ubah frekuensi informasinya. Modul MAX7049 EVKIT

(a)

IV. PENGUKURAN DAN PENGUJIAN ALAT A. Pengukuran Spektrum Sinyal Transmitter Dalam pengujian modul transmitter dibutuhkan beberapa perangkat pendukung. Pada pengukuran ini digunakan sebuah spectrum analyzer Rohde & Schwartz sebagai display sinyal output perangkat serta sebuah function generator dengan nomor seri GFG-8015G sebagai sumber sinyal pemodulasi. Skema pengukuran yang dilakukan ditunjukkan pada gambar 8.

(b)

5

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

(c) Gambar 9. (a) Spektrum frekuensi dengan frekuensi informasi 4 kHz, (b) Spektrum frekuensi dengan frekuensi informasi 40 kHz, (c) Spektrum frekuensi dengan frekuensi informasi 400 kHz

Pada gambar 9(a) spektrum frekuensinya jelas terlihat ada dua buah mainlobe. Berbeda dengan spektrum frekuensi yang sinyal informasinya 40 kHz dan 400 kHz, yang tampak pada gambar 9(b) dan 9(c). Pada gambar gambar 9(b) dan 9(c) tampak spektrum frekuensinya lebih rapat. Hal ini disebabkan oleh bitrate dari inputan modulator yang besar. Semakin besar frekuensi informasinya maka bentuk dari spektrum frekuensinya semakin buruk. Hal ini eraat kaitannya dengan pengaturan baudrate pada software MAX7049EVKIT. Untuk besarnya daya yang dikeluarkan oleh modul transmitter ini hanya sampai pada kisaran nilai 13 dBm. Modul Transmitter

( c) Gambar 10. (a) Spektrum frekuensi dengan frekuensi informasi 48kHz, (b) Spektrum frekuensi dengan frekuensi informasi 480 kHz, (c) Spektrum frekuensi dengan frekuensi informasi 4,8 kHz

Pada gambar 10 (c) spektrum frekuensinya jelas terlihat ada dua buah mainlobe. Berbeda dengan spektrum frekuensi yang sinyal informasinya 48 kHz dan 480 kHz, yang tampak pada gambar 10(a) dan 10(b). Pada gambar gambar 10(b) dan 10(c) , spektrum frekuensinya tidak sebaik pada gambar 10 (c). bahkan pada gambar 10 (b) hanya ada 1 mainlobe saja. Hal ini disebabkan oleh bitrate dari inputan modulator yang besar. Semakin besar frekuensi informasinya maka bentuk dari spektrum frekuensinya semakin buruk. Hal ini erat kaitannya dengan pengaturan baudrate pada software MAX7049EVKIT. Untuk besarnya daya yang dikeluarkan oleh modul transmitter ini hanya sampai pada kisaran nilai -27 dBm. Pengukuran modul transmitter memiliki hasil yang sedikit berbeda dengan pengukuran pada MAX7049EVKIT. Keluaran daya pada kedua modul ini sangat berbeda, hal ini dikarenakan referensi level daya pada kedua alat ukur tersebut berbeda. Tetapi bentuk spektrum frekuensinya sama, yaitu memiliki dua mainlobe.

B. Pengujian Power Amplifier

(a) Function generator

Modul PA

Oscilloscope

Power supply Gambar 14. Skema pengujian power amplifier

(b)

Pengukuran modul power amplifier menggunakan beberapa alat ukur dan menggunakan motode seperti pada gambar 14. Alat ukur yang digunakan antara lain function generator yang berfungsi untuk memberikan sinyal masukan. Power supply digunakan untuk mensuplai tegangan dengan nilai ± 5volt. Sedangkan oscilloscope digunakan untuk melihat output PA. Dari proses pengukuran didapatkan hasil seperti gambar 15.

6

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6

[5]

Gambar 15. Output dari modul PA

Pengukuran PA kali ini masih belum sesuai dengan parameter yang telah ditentukan. Pada parameter diharapkan perangkat ini dapat menguatkan sinyal sebesar 10 kali. Tetapi pada saat pengujian, perangkat ini hanya dapat menguatkan sinyal sekitar 5 kali. Ini dapat dilihat pada level tegangannya

V. KESIMPULAN Pada pengujian transmitter FSK 436.9 MHz yang menggunakan IC MAX7049 dan pengujian power amplifier dengan menggunakan AD8000, terdapat beberapa kesimpulan, antara lain yaitu transmitter yang menggunakan IC MAX7049, dapat bekerja pada frekuensi 436,9 MHz, modul transmitter yang menggunakan MAX7049EVKIT, daya outputnya hanya mencapai 13dBm saja. Padahal, berdasarkan datasheet IC ini dapat menghasilkan daya output sebesar 15 dBm, modul transmitter yang menggunakan IC MAX7049, daya outputnya hanya mencapai -27dBm, hasil perancangan PA dapat menguatkan sebesar lima kali dari daya input. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Eko Setijadi, ST., MT,. Ph.D dan Bapak Dr. Ir. Suwadi, MT. selaku dosen pembimbing , Orang Tua, teman-teman angkatan 2009, serta teman-teman bidang studi telekomunikasi multimedia yang telah meluangkan waktu dan tenaganya untuk memberi masukan dan semangat dalam menuntaskan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]

[4]

Dennis Roddy, “ Satellite communication 3rd edision,” McGraw Hill, 2001. R. Ludwig, and P. Bretchko, “RF Circuit Design : Theory and Applications,” Prentice Hall, 2005. Data Sheet AD8000 http://www.analog.com/en/high-speed-opamps/current-feedbackamplifiers/ad8000/products/product.html#productdetails Data Sheet MAX7049

http://www.maximintegrated.com/datasheet/index. mvp/id/7215 Data Sheet MAX7049EVKIT http://www.maximintegrated.com