Peningkatan Kualitas Penerimaan Sinyal

Prosiding
Seminar Nasional Sains Antariksa
Homepage: http//www.lapan.go.id
PENINGKATAN KUALITAS PENERIMAAN SINYAL CALLISTO
MENGGUNAKAN ANTENA PENJEJAK MATAHARI
(QUALITY ENHANCEMENT OF SIGNAL RECEPTION OF CALLISTO USING
SOLAR TRACKER ANTENNA)
Rizal Suryana, Peberlin Sitompul, Mario Batubara
Pusat Sains Antariksa,
Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional.
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
Riwayat Artikel:
Diterima: 22-11-2016
Direvisi: 24-02-2017
Disetujui: 04-03-2017
Diterbitkan: 22-05-2017
Kata kunci:
Antena, sistem kontrol
antena, CALLISTO
Kualitas sinyal yang diterima oleh sistem berbasis radio ditentukan oleh
antena dan arah antena terhadap sistem pemancar. CALLISTO
merupakan sebuah alat pengamatan semburan matahari dengan sistem
radio. Posisi antenna CALLISTO pada saat ini dipasang tegak lurus (90°),
sedangkan sumber sinyal yaitu matahari yang selalu bergerak sesuai
dengan perubahan waktu. Dampak dari posisi tersebut, sinyal yang
diterima antena CALLISTO kurang maksimal. Peningkatan penerimaan
sinyal CALLISTO dilakukan dengan mengonkontrol arah antena dengan
menggunakan sistem kontroller berbasis mikrokontroller, sehingga
antenna CALLISTO selalu mengarah ke arah matahari dan bergerak
secara otomatis mengikuti arah gerak matahari. Antena CALLISTO
bergerak secara otomatis mengikuti matahari dimulai dari jam 07:00 WIB
sampai 17:00 WIB. Penerimaan sinyal CALLISTO meningkat secara
signifikan setelah antena dikendalikan untuk mengikuti arah gerak
Matahari.
ABSTRACT
Keywords:
Antenna, antenna control
system, CALLISTO
The signal quality received by a radio system is determined by the
antenna and antenna’s direction to the source of the signal. CALLISTO is
an instrument to observe solar radio burst. At this moment, the position of
antenna CALLISTO was mounted perpendicularly (900), while the signal
source which is the always moves in time. This caused the received signal
by the antenna CALLISTO will be less than maximum. The quality
enhancement of signal reception of the CALLISTO was done by controlling
the movement using a microcontroller, so CALLISTO antenna always
directed toward the Sun and automatically moved following the Sun. The
CALLISTO antenna move automatically from 07:00 AM until 17:00 PM.
The signal received by CALLISTO was increased about 10% after the
antenna was controlled to follow the motion of the Sun.
1. Pendahuluan
CALLISTO merupakan sebuah
penerima radio yang digunakan
Seminar Nasional Sains Antariksa
Bandung, 22 November 2016
sistem
untuk
mengamati semburan radio Matahari . Sistem
radio spektrometer CALLISTO terdiri dari
antena, Low Noise Preamplifier, Synthesizer
Tuner, Down Converter, Logarithmic, Low Pass
c 2017 Pusat Sains Antariksa LAPAN
ISBN: 978-602-17420-1-3
226
R. Suryana et al.
Filter dan Data Acquisition Unit (Benz et al,
2004). Posisi dan arah Antena terhadap sumber
pemancar merupakan salah satu faktor
penentu
kualitas
baik
dan
buruknya
penerimaan sinyal pada sistem radio. Pada saat
ini radio spektrometer CALLISTO yang di
operasikan di Balai Pengamatan Atmosfer dan
Antariksa (BPAA) Sumedang menggunakan
antenna yagi log-periodik, posisi tegak lurus
dan tidak mengarah ke matahari. Kondisi saat
ini radio spektrometer CALLISTO dapat
menerima sinyal dan menangkap kejadian
burst matahari baik pada pagi, siang dan sore
hari. Selain itu CALLISTO dapat menerima
sinyal dari sistem radio broadcast, TV dan lainlain dengan penerimaan yang kuat. Hal
tersebut dapat mengganggu radio spektrometer
CALLISTO jika sinyal kejadian burst dari
matahari
lemah.
Untuk
mengatasi
permasalahan tersebut, makalah ini akan
menjelaskan cara meningkatkan kualitas
penerimaan sinyal radio burst menggunakan
antena penjejak matahari.
Antenna penjejak matahari CALLISTO
bergerak mulai pada jam 07:00 WIB sampai
17:00 WIB. Posisi awal antena mengarah ke
utara pada sudut azimuth 0° dan 90° sudut
elevasi. Antena akan bergerak setiap 15 menit
mengikuti gerak matahari. Kontrol antena
penjejak
matahari
menggunakan
mikrokontroller sebagai pusat kontrol dan
terhubung
dengan
komputer
untuk
mendapatkan jadwal pergerakan antenna dan
sebagai tampilan informasi posisi antena saat
ini.
Implementasi antena penjejak matahari
pada
radio
spektrometer
CALLISTO
diharapkan dapat meningkatkan kualitas
penerimaan sinyal dari arah depan antena
(Matahari). Sinyal yang datang dari belakang
antena diterima menjadi lebih kecil atau
hilang.
2.
semburan radio matahari dapat menggunakan
sistem radio penerima dalam rentang frekuensi
band A, band B, band C dan band D. Sistem
radio penerima untuk mengamati semburan
radio matahari disebut dengan spektomter
radio.
CALLISTO mengamati semburan radio
matahari dalam rentang frekuensi 80 Mhz 800 Mhz dengan menggunakan antena yagi log
periodik. Sinyal yang diterima oleh antena
diteruskan ke Intermediate Frequency (IF)
yang berupa digital tuner, digital tuner
tersebut dikontrol oleh komputer untuk dapat
menerima sinyal dengan frekuensi tertentu.
Sinyal yang diterima oleh antena mengalami
dua kali konversi (down converter) yaitu 37.7
Mhz dan 10.7 Mhz. Sinyal tersebut akan
diteruskan ke logarithmic untuk dilakukan
filter dan pengolahan (Arnold, 2004). Keluaran
dari low pass filter dimasukkan ke bagian data
aquisi untuk dikonversi menjadi besaran
digital dan pengolahan data.
Antena merupakan salah satu komponen
utama dalam sistem radio yang dapat
memancarkan dan menerima gelombang
elektromagnetik dari ruang bebas. CALLISTO
merupakan alat pengamatan semburan radio
matahari pasif yang hanya menerima sinyal
baik dari matahari maupun dari sumber lain
seperti pemancar televisi, radio dan lain-lain.
Antena yagi log periodik merupakan antena
multi elemen yang mempunyai karakteristik
dan radiasi yang berubah-ubah secara konstan
seperti fungsi logaritma dan mempunyai gain
yang kecil tetapi mempunyai bandwidth
frekuensi yang besar (Raharjo, 2009).
Polarisasi antena yagi log periodik
merupakan polarisasi antena terarah seperti
ditunjukan pada Gambar 2-1. Antena yagi log
periodik akan bekerja/menerima sinyal dengan
Tinjauan Pustaka
Matahari merupakan sumber emisi radio
yang sangat kuat. Intensitas emisi akan
meningkat kalau ada peningkatan aktivitas
matahari, yaitu adanya peningkatan aktivitas
sunspot di permukaan mahatari (Jasman,
2003). Semburan radio matahari (solar radio
burst) merupakan wujud aktivitas matahari
yang diamati pada gelombang radio (Suratno et
al, 2009). Peningkatan intensitas pancaran
gelombang elektromagnetik khususnya pada
rentang panjang gelombang radio ini disebut
dengan semburan radio matahari (Fitriani,
2013).
Untuk
melakukan
pengamatan
Prosiding SNSA 2016
ISBN: 978-602-17420-1-3
Gambar 2-1. Polarisasi Antena Yagi Log
Periodik (Balanis, 1982).
Peningkatan Kualitas Penerimaan Sinyal . . .
baik jika mengarah ke arah sumber pemancar.
Adapun sinyal yang datang dari belakang,
samping akan diterima sangat kecil.
3.
Data dan Metode
Untuk menggerakkan antena CALLISTO
digunakan motor rotator dan kontroller YAESU
G5500 yang dapat mengatur antena pada posisi
azimuth 0 - 450 derajat dan elevasi 0 - 90
derajat. YAESU G5500 terdiri dari dua bagian
yaitu bagian pertama terdiri dari motor rotator
yang berfungsi untuk menggerakan antena
pada sudut azimuth dan elevasi. Bagian kedua
terdiri dari penggerak motor rotator sebagai
kontroller (Wozniak et al, 2012) seperti
ditunjukan pada Gambar 3-1. Kontroler
YAESU G5500 memiliki empat kontrol switch
sebagai masukan untuk mengatur posisi
azimuth dan elevation dan dua pin keluaran
untuk mengetahui posisi motor rotator
(Spencer, 2010). Ke empat kontrol switch dan
dua pin keluar tersebut akan dimasukkan ke
mikrokontroller yang akan mengatur gerak
motor rotator dan untuk mengetahui posisi
sudut motor tersebut.
4.
Hasil dan Pembahasan
Kontroller YAESU G5500 dihubungkan
dengan mikrokontroller Atmega16 melalui Port
C yang berfungsi sebagai keluaran untuk
mengatur motor rotator bergerak, sedangkan
pin keluaran kontroller YAESU G5500
dihubungkan dengan mikrontroller melalui
227
port analog to digital Converter (ADC). ADC
pada mikrokontroller Atmega16 berfungsi
untuk melakukan konversi tegangan yang
dikeluarkan kontroller YAESU G5500 menjadi
besaran digital.
Gambar 4-1 menunjukan
sistem antena penjejak matahari.
Besaran digital tersebut akan dikonversi
lagi
menjadi
bilangan
desimal
yang
menggambarkan gerak motor rotator pada
sudut azimuth dan elevasi. Tegangan yang
keluar dari kontroller YAESU G5500 0 - 5 Volt.
Tegangan 0 - 5 Volt akan dikonversi oleh ADC
menjadi bilangan digital (Hexa-desimal) 10 bit
(0 - FFF) atau sama dengan 1023 dalam
bilangan desimal. Setiap ADC memiliki resolusi
yang berbeda-beda dalam melakukan konversi
dari analog ke digital, resolusi ADC yang
digunakan pada Atmega16 dihitung dengan
menggunakan Persamaan (4-1).
................................. (4-1)
Vinmax merupakan tegangan input maksimal
yang dapat diterima ADC dan Nilaimax
merupakan nilai maksimal ADC. Nilaimax ADC
Atmega16 adalah 1023 yang merupakan nilai
maksimal dari 10 bit. Tegangan input
maksimal kontroller YAESU G5500 sebesar 5
Volt, maka resolusi ADC Atmega16 adalah 4.88
milivolt, yang artinya jika ada tegangan masuk
sebesar 4.88 milivolt maka ADC akan
mengkonversi tegangan tersebut menjadi 1
hexa desimal (Bible, 2000).
Rentang
tengangan
0-5
Volt
merepresentasi putaran sudut azimuth 450
Gambar 4-1. Sistem antena penjejak matahari.
Prosiding SNSA 2016
ISBN: 978-602-17420-1-3
228
R. Suryana et al.
Gambar 4-2.
YAESU G550.
Pin
keluaran
kontroller
derajat dan sudut elevasi 180 derajat.
Menghitung tegangan per derajat dapat
menggunakan Persamaan (4-2).
_
........................... (4-2)
_
Sehingga kalau tegangan per derajat sudut
azimuth
dan
elevasi
hitung
dengan
menggunakan Persamaan 4-2 adalah sebesar
11,11 miliVolt dan 27,77 miliVolt. ADC
Atmega16 akan melakukan konversi analog ke
digital dengan menggunakan Persamaan (4-3).
∗
_
................... (4-3)
Dengan nilai maksimal adalah nilai 10 bit
ADC yaitu 1023 dan Vref adalah tegangan
referensi ADC yang diberikan yaitu 5 Volt.
Nilai hasil ukur ADC bukan merupakan nilai
dari sudut azimuth atau elevasi, untuk
mengkonversi nilai hasil ukur ADC menjadi
sudut
azimuth
atau
elevasi
dapat
menggunakan Persamaan (4-4).
_
∗
......... (4-4)
Putaran motor rotator untuk sudut
azimuth dan elevasi dikontrol dengan cara
menyambungkan pin 4, 2, 3, dan 5 dengan pin
8 pada pin keluaran kontroller YAESU G5500.
Apabila pin no 4 disambungkan dengan
pin 8, maka motor rotator /sudut azimuth akan
berputar berlawanan arah dengan arah jarum
jam, sedangkan jika pin no 2 disambungkan
dengan pin no 8 maka motor rotator atau sudut
azimuth akan berputar searah jarum jam.
Untuk mengatur sudut elevasi, jika pin no 5
dihubungkan dengan pin no 8 maka antena
akan naik atau sudut elevasinya bertambah.
Apabila pin no 3 disambungkan dengan pin no
8, maka antena akan turun atau sudut elevasi
akan
berkurang.
Setup
pin
keluaran
disambungkan dengan relay yang berfungsi
sebagai switch untuk menghubungkan ke pin
no 8. Gambar 4-3. menunjukan hubungan pin
keluaran antara relay dengan Atmega16.
Prosiding SNSA 2016
ISBN: 978-602-17420-1-3
Antena penjejak matahari akan mulai
mengikuti gerak matahari pada jam 07:00 WIB
sampai 17:00 WIB. Ketinggian matahari setiap
bulan dan hari mulai dari 07:00 WIB sampai
17:00 WIB memiliki ketinggian yang berbeda.
Perbedaan
posisi
ketinggian
matahari
disebabkan oleh variasi deklinasi matahari
pada sudut kemiringan sumbu bumi maksimal
+23,27° (utara) sampai minimal -23,27°
(selatan) (Jagoo, 2013). Untuk menentukan
posisi matahari dalam melakukan pengamatan
akan
ditentukan
oleh
waktu,
dimana
penentuannya
dapat
dihitung
dengan
menghitung posisi matahari dari sistema
koordinat ekliptika, konversi sistem koordinat
ekuatorial equatorial dan konversi sistem
koordinat horizontal pada posisi dan waktu
lokal (Jenkins, 2013).
Kontrol posisi antena CALLISTO terhadap
gerak matahari menggunakan data yang
berasal dari aplikasi accurate time. Data
tersebut menjadi accuan untuk mengatur gerak
antena CALLISTO untuk menentukan sudut
azimuth dan elevasi motor rotator.
4.1. Algoritma Program
Antena CALLISTO akan mulai bergerak
sesuai dengan kontrol dari Atmage16.
Atmega16 akan menerima data posisi azimuth
dan elevasi dari komputer setiap 15 menit.
Data posisi matahari yang dikirim ke
Atmega16 adalah sudut azimuth dan elevasi.
Gambar 4-3 menunjukan algoritma program
yang dibuat untuk mengontrol gerak antena
CALLISTO.
Atmega16 akan mengaktifkan relay sesuai
dengan data yang diterima. Jika data yang
diterima untuk menaikkan sudut azimuth
maka relay akan menyambungkan pin no 2
dengan pin no 8 dan sebaliknya jika data yang
diterima untuk menurunkan sudut azimuth
maka relay menyambungkan pin no 4 dengan
pin no 8, untuk sudut elevasi pun demikian.
Pada saat motor rotator mulai bergerak,
Atmega16 akan membaca data ADC dan
membandingkan dengan data yang dikirim dari
komputer. Jika nilai ADC sama dengan data
yang dikirim dari komputer, maka motor
rotator akan berhenti dengan cara mengnonaktifkan relay. Data ADC akan dikirim ke
komputer sebagai informasi posisi antena
sudut azimuth dan elevasi.
4.2. Pengujian Gerak Antena
Pengujian gerak antena dilakukan dengan
mengirimkan sebuah data posisi matahari ke
mikrokontroller, kemudian mikrokontroller
mengaktifkan relay untuk menggerakkan
Peningkatan Kualitas Penerimaan Sinyal . . .
229
Gambar 4-3. Hubungan pin keluaran, relay dan Atmega16.
Gambar 4-4. Hasil Penerimaan Sinyal Sebelum dan Sesudah Menggunakan Antena Penjejak
Matahari.
motor rotator dan membaca posisi antena
melalui
ADC.
Sebagai
referensinya
menggunakan sensor gyro yang terdapat pada
smartphone android. Tabel 4-1 menunjukan
hasil pengukuran gerak antena.
Melihat pada tabel 4-1, tampak perbedaan
antara posisi sudut azimuth, elevasi hasil
pembacaan dari ADC dengan yang ditunjukan
oleh aplikasi smartphone android. Hal tersebut
terjadi karena ada gangguan dari gelombang
elektromagnetis dari putaran motor rotator,
noise ADC itu sendiri dan batasan dari
mekanik gear motor rotator/gear slop (Bible,
2000).
4.3. Hasil Penerimaan
CALLISTO
Sinyal
Antena
Penerimaan sinyal antena CALLISTO
sebelum
menggunakan
antena
penjejak
matahari dapat menerima sinyal radio dengan
kuat dari berbagai arah, sehingga dapat
mengganggu
penerimaan
sinyal
yang
bersumber dari matahari. Antena CALLISTO
dipasang tegak lurus, kondisi ini yang
menyebabkan
antena
CALLISTO
dapat
menerima sinyal dari segala arah walaupun
menggunakan antena yagi log periodik.
Penggunaan antena penjejak matahari
pada CALLISTO memberikan perubahan pada
sinyal penerima. Gambar 4-4 menunjukan
perbedaan sinyal penerima CALLISTO sesudah
Prosiding SNSA 2016
ISBN: 978-602-17420-1-3
230
R. Suryana et al.
Tabel 4-1. Hasil Ukur posisi antena CALLISTO
Percobaan Sudut
(derajat)
0
5
10
15
30
45
60
Azimuth
(derajat)
0
7
9
18
29
46
59
Elevasi
(derajat)
0
4
11
18
33
44
58
dan sebelum menggunakan antena penjejak
matahari. Grafik berwarna merah menunjukan
penerimaan sinyal antena CALLISTO sesudah
menggunakan antena penjejak matahari dan
warna biru menunjukan penerimaan sinyal
CALLISTO sebelum menggunakan antena
penjejak
matahari.
Penerimaan
sinyal
CALLISTO sesudah menggunakan antena
penjejak matahari masih menerima banyak
sinyal dari arah lain namun sinyal yang
diterimanya menjadi lebih kecil akan tetapi
sinyal dengan frekuensi tertentu menjadi
sangat besar. Hal ini terjadi kemungkinan pada
arah tersebut ada pemancara lain berupa radio
broadcast,
radio
amatir
dan
lain-lain.
Sedangkan sinyal yang bersumber dari
matahari akan muncul jika terjadi semburan
radio matahari (burst) dan dapat diamati pada
rentang frekuensi 30 Mhz sampai 300 GHz
(Suratno, 2011). Penerimaan sinyal dari
semburan matahari bisa mendekati real time,
hal ini disebabkan karena posisi yang dekat
dengan bumi. Interval kemunculnya bervariasi
antara detik, menit atau jam dan radiasinya
puncaknya bisa mencapai sepuluh kali lebih
dari pada saat matahari dalam kondisi tenang
(Nasrulloh, 2011).
5.
Kesimpulan
Perbedaan penerimaan sinyal CALLISTO
setelah
menggunakan
antena
penjejak
matahari sangat signifikan dan pada frekuensi
tertentu mengalami peningkatan sehingga
CALLISTO dapat menerima sinyal dari
semburan matahari dengan baik. Akurasi
posisi antena penjejak matahari plus minus 2
derajat masih dapat diterima, karena antena
yagi log periodik memiliki beam width yang
cukup lebar.
Ucapan Terima Kasih
Penulis ucapkan banyak terimakasih
kepada bapak Yana Robian dan Yusuf
Dirgantara yang telah membantu dalam
melakukan ujicoba dan instalasi antena
Prosiding SNSA 2016
ISBN: 978-602-17420-1-3
Data Dari Smart Phone Android
(derajat)
0
5
10
15
30
45
60
penjejak matahari, sehingga antena penjejak
matahari dapat berjalan dengan baik. Penulis
juga tidak lupa mengucapkan terimakasih
kepada Bapak Aris Kurniawan selaku kepala
Balai Pengamatan Atmosfer dan Antariksa,
serta kepada Bapak Haries yang telah banyak
membantu
dalam
pengoperasian
dan
melakukan ketika ada masalah pada antena
penjejak matahari.
Rujukan
Balanis. C. A. (1982). Antenna Theory, Analysis
and Design, Harper & Row Publisher, pp
427-439.
Bible. S. R. (2000). EasyTrak, A PIC Based
Rotor/Radio Controller Interface, 19th
Digital
Communications
Conference,
Orlando, FL, ISBN : 0872598144.
Fitriani. T. (2013). Analisis Kemajuan Muka
Gelombang Kejut Pada Peristiwa Semburan
Radio Matahari Tipe II, Skripsi, Universitas
Pendidikan Indonesia.
Jagoo. Z. (2013). Tracking Solar Concentrators
A Low Budget Solution, springer, XX, 99 p.
55 illus, ISBN : 978-94-007-6103-2.
Jasman. S. (2003). Pengamatan Semburan
Radio Matahari dengan Spektograf Radio,
Berita Dirgantara, 3(1).
Jenkins. A. (2013) The Sun’s Position in the
Sky, European Journal of Physics, 34, 3
Nasrulloh. A. (2011) Pengembangan Teleskop
Radio dan Interferometer Jove Dua Elemen
di Observatorium Bosscha, Skripsi, ITB.
Instruction
Manual
G-5500
http://www.yaesu.co.uk/files/G5500%20Operating%20Manual_a.pdf
diunduh 4 Oktober 2016
Raharjo. T. (2009). Percangan dan Pembuatan
Antena Log Periodik, Skripsi, Universities
Mercu Buana.
Suratno.,
Sulistiani.
S.,
Gunawan.
A.,
Muhammad.
J.
(2009).
Kesetaraan
Kecepatan Gelombang Kejut Semburan
Radio Matahari Tipe II dan Lontaran Massa
Peningkatan Kualitas Penerimaan Sinyal . . .
Korona, Jurnal Sains Dirgantara, 6(2), 109123.
Suratno dan Suhartini. S. (2011). Analisi
Asosiasi Semburan Radio Matahari Tipe III
dengan Flare Sinar-X dan Frekuensi
Minimum
Ionosfer,
Journal
Sains
Dirgantara, 8(2).
Spencer. W. (2010). Satellite Tracker Interface
http://www.arrl.org/files/file/ETP/Satellite%2
231
0Tracker%20Interface%20ver%201_2.pdf
diunduh 1 4 Oktober 2016.
Wozniak. G, Stolarski. M. (2012). Low Cost
Amateur Rotators For Student’s Satellites
and High Altitude Balloon Application,
Proceeding of SPIE – Photonics Applications
in Astronomy, Communication, Industry and
High-Energy Physics Experiments, 84540F.
Rizal Suryana, ST, lahir di Jakarta (DKI Jakarta) pada tanggal 28 Oktober 1978
bekerja sebagai pegawai negeri sipil di lingkungan Lembaga Penerbangan dan Antariksa
Nasional (LAPAN), masuk mulai tahun 2006, menjadi salah satu Peneliti Sistem
Komputer dan Komunikasi di satuan kerja Pusat Sains Antariksa di Bandung.
Menyelesaikan pendidikan Strata 1 (S1) di Universitas Jenderal Achmad Yani (UNJANI)
Jurusan Teknik Elektro pada tahun 2003.
Prosiding SNSA 2016
ISBN: 978-602-17420-1-3