SISTEM KOMUNIKASI WIRELESS

Sistem Komunikasi Wireless

Komunikasi wireless merupakan pertukaran informasi antara dua point tanpa hubungan langsung, bisa menggunakan sound, infrared, optical atau energi frekuensi radio. Sistem wireless paling modern mengandalkan RF atau sinyal microwave,  umumnya pada range UHF sampai frekuensi gelombang milimeter .

Sekarang ini,  spektrum frekuensi telah begitu ramai, dan kebutuhan kecepatan data yang lebih tinggi, maka kecenderungannya adalah  menggunakan frekuensi yang lebih tinggi, sehingga mayoritas sistem wireless hari ini beroperasi pada range frekuensi 800 MHz sampai dengan GHz. Sinyal RF dan microwave mmberikan bandwidth lebar dan keuntungan tambahan yaitu mampu menembus kabut, debu, dedaunan, bangunan dan kendaraan.

Berdasarkan sejarahnya, komunikasi wireless menggunakan energi RF berawal dari kerja teori maxwell, diikuti oleh eksperimen oleh Hertz tentang propagasi gelombang elektromagnetik dan pengembanngan komersil dari praktek sistem radio oleh Marconi di awal abad 20-an. Hari ini sistem wireless meliputi radio broadcast dan TV,sistem telepon seluler, TV Direct Broadcast Satelite,WLANs, sistem paging, GPS dan sistem RFID. Sistem ini menyediakan worldwide conectivity untuk voice, video dan komunikasi data.

Cara pertama untuk mengkategorikan sistem wireless adalah tergantung pada alam dan posisi pengguna. Pada sistem radio point to point, satu transmisi berkomunikasi dengan sebuah receiver. Sistem biasanya mengunakan antena denga penguatan yang tinggi pada fix posisi untuk memaksimalkan daya penerima dan meminimalkan interferensi dengan radio lain yang beroperasi hampir pada range frekuensi yang sama. Radio poin to poin pada umumnya digunakan untuk komunikasi data dengan yang berkepentingan dan untuk hubnngan sisi telepon seluler ke sentral.

Sistem point to multipoint menghubungkan sentral ke semua nomor penerima yang memungkinkan. Contoh yang paling umum adalah radio komersial AM , FM , dan TV Broadcast. Dimana sentral transmiter menggunakan antena dengan beam yang besar untuk menjangkau para pendengar dan penonton.

Sistem multipoint to multipoint adalah komunikasi serentak antara masing-masing user yang memungkinkan berada pada lokasi yang berbeda-beda. Sistem seperti ini pada umumnya tidak menghubungkan dua user secara langsung, tetapi mengandalakan jaringan stasiun dasar untuk memberikan interkoneksi diantara user. Contoh aplikasinya adalah sistem telepon seluler dan beberapa tipe dari WLAN.

Cara lain mengkategorikan sistem wireless adalah komunikasi langsung. Pasa sistem simplex, komunikasi terjadi hanya satu arah dari transmitter ke receiver, contohnya adalah  radio broadcast, TV, dan sisitem paging.

Sistem half duplex adalah komunikasi yang terjadi dua arah tetapi tidak bersamaan. Contonya adalah radio mobile pertama dan radio masyarakat. Pada umumnya mengandalkan “push-to-talk” dimana satu saluran bisa digunakan untuk transmisi dan penerima pada interval yang berbeda.

Sistem full duplex membutuhkan teknik duplexing untuk menghindari interferensi diantara sinyal pemancar dan penerima, bisa dilakukan dengan menggunakan band frekuensi yang terpisah untuk mentransmisikan dan menerima (frekuensi division duplexing (FDD)).

Kebanyakan sistem wireless adalah ground based, tetapi juga ada yang menggunakan sistem satelit untuk voice,video, dan data. Sistem satlit menawarkan komunikasi user dalam jumlah yang besar pada area yang luas, nahkan menjangkau planet. Satelit pada Geosynchronous Earth Orbit (GEO) terletak kira-kira 36.000 km di atas permukaan bumi, dan tetap pada posisi di permukaan. Satelit seperti ini berguna untuk link radio point to point antara stasiun yang terpisah jauh, dan pada umumnya digunakan untuk TV dan komunikasi data seluruh dunia.

Layanan telepon dunia juga relay pada satelit ini, tetapi kabel fiber optik (FO) bawah laut bisa menggantikan satelit untuk hubungan antar samudera dan lebih ekonomis, serta dapat menghindari delay yang ditimbulkan oleh trip yang panjang antar sateli dan bumi.

Kekurangan lain dari GEO adalah ketinggian yang dapat mengurangi kekuatan sinyal penerima , membuat hal ini tidak praktis untuk komunikasi dua arah dengan tranceiver yang kecil.

Satelit Low Earth (LEO) lebih dekat ke bumi, terletak pada range jarak 500 sampai 2000 km. Contoh penghunaan adalah pada hand held radio. Orbit satelit LEO terkadang dapat dilihat dari bumi selama beberapa menit hingga 20 menit.

Rumus Friis

Gambar di bawah ini merupakan sebuah link sistem radio.

Gambar 1. Link Sistem Radio

Pt adalah daya transmisi, Gt adalah gain antena transmisi, Gr adalah gain antena penerima, Pr adalah daya terima, R adalah jarak antara antena transmisi dan antena penerima.

Radiasi densitas daya oleh antena isotropis adalah (D=1=0 dB) adalah

Savg = Pt/4πR²  W/m² ..................(1)

Dimana harus mampu moncover semua daya radiasi dengan mengintegrasikan lingkaran radiius disekeliling antena karena daya didistribusikan  secara isotropis dan area lengkungan adalah 4πR².

Jika antena transmisi punya directivity lebih besar dari 0 dB, densitas daya radiasi bisa didapatkan dari mengalikan dengandirectivity. Directivity adalah perbandingan intensitas radiasi dan intensitas radiasi isotropis.

Jika antena transmisi loss, kita bisa menggunakna aktor efsiensi radiasi yang berefek  mengkonversi directivity ke gain, dan dapat dirumuskan radiasi denstitas power untuk antena transmisi yang berubah-ubah yaitu :

Savg= Gt Pt / 4πR²   W/m²  ......................(2)

Jika denstitas daya bermasalah pada antena penerima, maka kita dapat menentukan daya terima dengan konsep efektif aperture  area yaitu:

Pr = Ae Savg = (Gt Pt Ae)/ 4πR²   W....(3)

Sehingga daya terima adalah (rumus Friis Radio Link) :

Pr = (Gt Gr l2 Pt) / 4πR²   W...................(4)

Persamaan  (4) di atas diterjemahkan sebagai daya maximal yang diterima. Ada beberapa faktor yang dapat mengurangi daya terima pada sistem radio, diantaranya adalah :

1.      Missmatch impedansi pada antena

2.      Missmatch polarisasi antar antena.

3.      Efek propagasi yaitu peredaman atau depolarisasi.

4.      Gagal sebagian pada area terima.

Pada persamaan (4) daya terima berkurang sebesar 1/ R², ini karena kekelan energi sehingga ini terlihat sebagai penghalang yang besar untuk jarak yang besar. Pada kenyataannya space decay dari 1/ R² lebih baik dari pada penurunan eksponensial pada link komunikasi kawat, dikarenakan redaman daya pada saluran transmisi yaitu

  

dimana α adalah konstanta redaman saluran, pada jarak yang jauh fungsi eksponensial menurun lebih cepat dari pada aljabar 1/ R² . Pada komunikasi jarak jauh, radio link akan tampil lebih baik dibanding wirelink. Hal ini berguna untuk semua tipe saluran transmisi, termasuk coaxial,waveguide, dan FO, tidak berguna jika komunikasi link di daratan atau lautan. Oleh karena itu repeater bisa ditempatkan sepanjang link ini untuk menemukan daya sinyal yang hilang.

            Pada rumus Friis, daya terima sebanding dengan hasil Pt.Gt. Daya transmisi dan penguat antena transmisi merupakan karakteristik transmitter, dan pada pada main beam antena, Pt Gt ekivalen sebagai daya radiasi oleh antena isotropis dengan daya Pt Gt, hasilnya diartikan sebagai effective isotropic radiated power (EIRP). EIRP = Pt Gt Watt.

            Daya terima sebanding dengan EIRP transmitter, bisa ditingkatkan dengan meningkatkan daya transmisi atau gain antena transmisi atau keduanya. Asal dari Friis formula diasumsikan sebagai antena transmisi dan receiver memiliki match impedansi dengan transmitter dan receiver.

            Pada sistem RF dengan micro, impedansi missmatch mengurangi daya yang dikirim dari sumber ke beban oleh faktor (1-|r|² ), r adalah koefisien pantul antar sumber dan beban.

            Pada radiolink, ada kemungkinan mismatch impedansi antara transmiter dan antena pancar, sama saja dengan antena penerima dan receiver.

Friis formula bisa dikalikan dengan impedansi mismatch faktor ,

η imp = (1-|r_t|²) (1-|r_r|²)

untuk menghitung penurunan pada daya terima karena efek missmatch impedansi pada transmitter dan receiver.

r_t = koefisien pantul transmitter

r_r= koeisien pantul receiver

catatan: impedansi missmatch tidak termasuk dalam defenisi gain antena, karena missmatch tergantung pada sumber eksternal atau impedansi beban dimana antena dihubungkan, dan bukan bagian dari antena itu sendiri, dan bisa matching dengan antena dengan menggunakna eksternal tuning yang tepat.

            Transmisi maksimal antara transmitter dan receiver membutuhkan antena yang dipolarisasi pada arah yang sama. Jika antena transmisi polarisasinya vertikal, contohh, daya maksimal akan dikirim ke polarisasi vertikal antena penerima.

Radio Receiver Architectur

Untuk mendisign antena harus menyediakan halhal dibawah ini:

1.      Gain tinggi ( 100 dB). Untuk memulihkan daya rendah dengan sinyal yang diterima ke level yang mendekati nilai asli baseband.

2.      Selektivitas. Untuk menerima sinyal yang diinginkan dan menolak kanal yang berdekatan, frekuensi bayangna dan intererensi.

3.      Down conversion dari RF  penerima IF untuk memproses.

4.      Detection. Untuk mendeteksi info analog/digital

5.      Isolation. Untuk isolasi dari transmitter untuk menghindari sturasi penerima.

Level daya sinyal dari antena penerima berkisar -100 hingga -120 dBm. Penerima membutuhkan gain sama 100-120 dB. Gain ini tersebar pada RF,IF dan baseband untuk menghindai ketidakstabilan osilasi. Inilah praktek yang bagus untuk menghindari gain lebih dari 50-60 dB pada band frekuensi.

            Selektifitas bisa didapatkan dengan menggunakan BPF pada tahap RF dipenerima, tetapi BW dan frekuensi cut off membutuhkan filter yang tidak praktis untuk direalisasikan pada RF frekuensi. Lebih efektifnya dengan down converting RF bandwidth disekitar sinyal yang diinginkan dan menggunakan sharp cutt off BPF pada tahap IF untuk memilih band frekuensi yang diinginkan.

            Tuned radio frequency receiver .

Sesuai gambar di bawah ini.

Gambar 2. Tuned Radio frekuency receiver

Terdapat beberapa tahap dari RF penguat dengan BPF tunning untuk menyediakan Gain tinggi dan selektivitas . Alternatif lainnya adalah pemfilteran dan penguatan dikombinasikan menggunakan penguat dengan tunable band pass respon. Low broadcast radio frekuensi dituning menggunakan kapasitor variabel/induktor. Tuning lebih sulit kaena butuh beberapa tahap dan sedikit selektivitas.

Semua penguat penerima TRF dicapai pada RF frekuensi terbatas pada jumlah penguatan yang didapatkan sebelum osilasi terjadi dan meningkatnya cost dengan komplexitas penerima. Kekurangan TRF adalah jarang digunakan dan merupakan pilihan yang buruk untuk RF dan microwave.

Direct convertion receiver ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

Gambar 3. Direct convertion receiver

            Menggunakan mixer dan osilator lokal untuk menghasilkan frekuensi down convertion dengan zero IF frekuensi.

            Local osilator direct dengan frekuensi sama dengan RF sinyal yang diinginkan, dan dikonversi langsung ke baseband. Untuk AM , penerima sinyal baseband tidak butuh deteksi yang lebih jauh.

Direct conversion receiver punya beberapa keuntungan dari pada TRF receiver yaitu:

1.      Selektivitas bisa dikontrol dengan simple LPF

2.      Gain bisa disebar melalui RF

Direct converstion receiver lebih simple