modulasi spread spectrum untuk peningkatan - Penelitian
advertisement
Pusat Penelitian Informatika - LIPI MODULASI SPREAD SPECTRUM UNTUK PENINGKATAN PERFORMANSI SISTEM KOMUNIKASI DI LINGKUNGAN TNI-AL Rusmana Sekolah Tinggi Teknologi Angkatan Laut - Surabaya ABSTRACT Frequency Hopping is one of spread spectrum technique namely a kind of modulation where transmission field wide that is used will be more bigger than the minimum field wide that is needed to transmit information, while there is’nt direct connection between output signal wide and information signal modulation. By modulation, information signal will be spread at frequency area that is wide enough. By frequency hopping, process of spreading is done by changing carrier wave frequency periodically. The area of information signal is spread depend on spreading signal, where this spreading signal is produced by a frequency synthesizer which is controlled by a sequence of spreading code. Keywords : frequency hopping, spread spectrum, carrier wave. INTISARI Frequency hopping adalah salah satu teknik spread spectrum (spektral tersebar) yaitu suatu jenis modulasi dimana lebar bidang transmisi yang digunakan jauh lebih besar dari pada lebar bidang minimum yang dibutuhkan untuk mentransmisikan informasi, sementara tidak ada kaitan langsung antara lebar pita sinyal keluaran dengan modulasi oleh sinyal informasinya. Dengan adanya pemodulasian, sinyal informasi akan ditebarkan pada daerah frekuensi yang cukup lebar. Pada frequency hopping, proses penebaran dilakukan dengan mengubah-ubah frekuensi gelombang pembawa secara periodik. Daerah sinyal informasi ditebarkan tergantung pada sinyal penebar, dimana sinyal penebar ini dihasilkan oleh suatu pensintesis frekuensi yang dikendalikan oleh suatu urutan kode penebar. Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 1 Bandung, 29 – 30 Juli 2003 Kata kunci: Frequency hopping, spread spectrum, gelombang pembawa. LATAR BELAKANG Dalam mempertahankan dan melindungi Negara Kesatuan Republik Indonesia, dimana tiga perempat bagian wilayahnya adalah lautan, maka TNI Angkatan Laut mempunyai peranan yang sangat penting. Untuk itu TNI Angkatan Laut dengan berbagai upaya dan kemampuannya memformulasikan kekuatannya dalam suatu Sistem Senjata Armada Terpadu (SSAT). Sistem ini akan efektif apabila didukung oleh sistem komunikasi yang kuat antar unsur-unsur SSAT, diantaranya Pangkalan TNI Angkatan Laut sebagai salah satu bagian dari SSAT. Perkembangan penggunaan radio komunikasi dewasa ini sangat luas, baik untuk kepentingan bisnis, birokrasi maupun militer. Bagi kepentingan militer, gangguangangguan seperti penyadapan informasi perlu dicegah, agar informasi-informasi rahasia yang dikirimkan tidak mudah disadap, dideteksi, dibaca serta dijamming oleh musuh. Oleh sebab itu system komunikasi radio yang digelar harus senantiasa memperhatikan keamanan komunikasi yang meliputi keamanan informasi, yaitu terhindar dari kemungkinan kegiatan Electronic Counter Measure (ECM) dan Electronic Support Measure (ESM) pihak musuh. Untuk mengatasi ECM dan ESM digunakan peralatan Electronic Counter Counter Measure (ECCM), atau yang sekarang sering disebut sebagai Electronic Protect Measure (EPM). Dengan demikian penggunaan peralatan elektronika itu sendiri dalam kondisi aman dari gangguan musuh. PERUMUSAN MASALAH Salah satu penerapan dari teknik EPM adalah system komunikasi penebaran spektrum (Spread Spectrum Communication System). Keunggulan dari system komunikasi penebaran spektrum antara lain adalah memiliki kemampuan anti jamming, kemampuan menekan sinyal-sinyal interferensi atau noise lainnya, kemampuan pengalamatan terpilih (Selective Addressing Capability), mempunyai spektrum kerapatan daya yang rendah dan bandwidth yang sangat lebar, sehingga sukar diamati keberadaanya oleh penerima yang tidak menggunakan system yang sama dan memungkinkan digunakan oleh banyak pemakai dalam satu kawasan frekwensi yang sama (Multiple Access). 2 Pemaparan Hasil Litbang 2003 Pusat Penelitian Informatika - LIPI Dalam teknik ini, sinyal informasi sebelum mengalami proses modulasi oleh sinyal pembawa, penebaran terhadap sinyal informasi dilakukan langsung oleh suatu deretan kode digital yang mempunyai laju bit (bit rate) jauh lebih tinggi daripada laju bit sinyal informasi data. Pada penerima dilakukan dispreading sebagai kebalikan dari proses spreading pada pemancar, selanjutnya dilakukan proses demodulasi. Kedua proses tersebut merupakan operasi memetakan kembali informasi data dari bandwidth modulasi baseband sebelum operasi penebaran pada pemancar. Pada proses dispreading digunakan korelator yang prisipnya berfungsi sebagai detector sinkron. Korelator ini mengkorelasikan sinyal penebar dari penerima dengan sinyal penebar yang terdapat pada sinyal yang diterima, dan ketika sinyal penebar tadi sinkron maka nilai korelasinya akan maksimum. Dalam keadaan ini korelator akan memetakan sinyal informasi dari bandwidth yang lebar ke bandwidth semula. Prinsip Spread Spectrum Teknik penebaran spectrum dapat diterangkan dengan rumusan tentang kapasitas kanal digital dari C.E. Shannon sebagai berikut : S C = W . log 2 1 + …………………………………………..(2.1) N dimana: C = kapasitas kanal maksimum dalam bit/second W= lebar pita kanal dalam Hertz S = daya sinyal N= daya noise Untuk perbandingan sinyal dan noise yang lebih kecil dari sepersepuluh, hubungan diatas dapat diuraikan sebagai berikut: C S = 1,44 log e1 + …………………………………….….(2.2) W N Karena (S/N << 0,1) maka: C/W = 1,44 S/N 1,44 WS = CN W = CN/1,44S didapat W ≅ CN/S dan C ≅ WS/N Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 3 Bandung, 29 – 30 Juli 2003 Dari persamaan di atas, dapat dikatakan bahwa untuk menyalurkan informasi pada laju tertentu dengan perbandingan sinyal dengan noise yang tertentu pula, diperlukan suatu kanal dengan lebar pita yang cukup. Karakteristik Spread Spectrum Seperti yang telah diuraikan diatas, bahwa suatu system komunikasi digital dapat digolongkan sebagai system spread spectrum bila memenuhi karakteristik teknik sebagai berikut: Memiliki rangkaian penebar yang berfungsi untuk mengkodekan sinyal-sinyal data informasi dengan pola tertentu dan menebarkannya ke dalam pita frekuensi yang jauh lebih lebar dari lebar pita frekuensi minimum yang diperlukan untuk mengirimkan sinyal data informasi. Proses penebaran spectrum frekuensi dilakukan oleh sinyal penebar yang berbentuk kode biner(digital) dengan pola pseudo noise. Macam-macam Teknik Spread Spectrum. Berdasarkan metode penebarannya, teknik spread spectrum dapat dibagi dalam lima macam, yaitu : Direct Sequence Spread Spektrum (DS-SS), Frequency Hopping Spread Spectrum (FH-SS), Time Hopping Spread Spectrum (TH-SS), Pulsed Frequency Modulation (Chirp), Hybrid Spread Spectrum (Hybrid-SS) Keistimewaan Teknik Spread Spectrum Dengan adanya suatu pola sinyal yang dikodekan melalui suatu operasi penebaran (spreading), yang hasilnya berupa sinyal dengan bandwidth yang lebar, maka diperoleh beberapa sifat dan keunggulan yang menyebabkan teknik ini menguntungkan untuk digunakan, keunggulan-keunggulannya antara lain: Pengalamatan Selektif Setiap penerima dapat dipanggil/dihubungi hanya dengan mentransmisikan sinyal yang memuat kode tertentu. Code Division Multiple Access (CDMA). Beberapa emisi yang menggunakan kode-kode orthogonal dapat menggunakan pita frekuensi yang sama pada saat yang bersamaan. Teknik ini sangat bermanfaat bagi 4 Pemaparan Hasil Litbang 2003 Pusat Penelitian Informatika - LIPI system komunikasi satelit dimana beberapa pengguna dapat memakai sebuah transponder pada saat yang bersamaan tanpa mengkawatirkan timbulnya gangguan karena efek-efek nonlinearitas transponder seperti intermodulation. Emisi Spread Spectrum tak mengganggu emisi lain. Mengingat bahwa kerapatan spectrum sinyal spread spectrum adalah relatif kecil, emisi informasi dengan teknik ini tetap dapat berlangsung bersama-sama dengan emisi informasi klasik pita sempit lain tanpa mengganggunya. Probabilitas intersepsi dan sadapan yang rendah. Karena level sinyal yang diterima dapat lebih kecil dari level noise, komunikasi tidak akan mudah dideteksi oleh yang tidak berhak. Bila komunikasi dapat terdeteksi hanya yang mengetahui parameter kode yang sesuai saja yang dapat memecahkan kode dan mendapatkan informasinya. Penolakan terhadap interferensi. Komunikasi spread spectrum dapat secara efektif bertahan terhadap berbagai jenis interferensi baik yang disengaja maupun tidak. Pada saat dekondifikasi, penerima justru akan menebarkan spectrum daya sinyal interferensi, sehingga besar kerapatan dayanya bisa diabaikan dalam pita frekuensi sinyal informasi yang diinginkan. Hal ini sangat bermanfaat untuk komunikasi militer yang umumnya harus kebal dan terlindung. Penekanan efek lintas jamak Teknik spread spectrum dapat dimanfaatkan sebagai suatu cara yang efektif untuk menekan efek lintasan jamak (multipath) dalam propagasigelombang radio dari pemancar ke penerima yang banyak muncul dalam system komunikasi mobil. Sistem lokalisasi radio dengan ketelitian tinggi Dalam bidang diluar telekomunikasi dapat dijumpai pada teknik lokalisasi radio dengan ketelitian tinggi. Dalam system navigasi pasif melalui satelit-satelit berskala dunia, teknik spread spectrum dapat menawarkan system lokalisasi tiga demensi dengan ketelitian yang belum ada duanya, misalnya system pengukur kecepatan dan system pewaktu standar. Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 5 Bandung, 29 – 30 Juli 2003 Pseudo Noise Generator Hal pokok dalam system komunikasi spread spectrum adalah pembangkit sinyal acak semu atau disebut juga pseudo noise generator. Proses penebaran spectrum sinyal data maupun sinyal pembawa pada komunikasi ini dilakukan dengan cara menjumlahkan sinyal kode penebar yang dibangkitkan oleh pembangkit sinyal acak semu. Sifat-sifat Kode Pseudo-Noise (PN). Pada system spread spectrum sinyal informasi pita sempit digandakan dengan sinyal pita lebar yang disebut sinyal penebar (PN). Sinyal penebar ini terdiri dari deretan kode-kode acak semu atau juga disebut deretan kode linier maksimal. Kode yang digunakan dalam system spread spectrum memiliki karakteristik, yaitu: Melindungi dari interferensi. Proses pengkodean akan memperbesar lebar pita sinyal sehingga pada processing gain dapat mengatasi interferensi. Meningkatkan kerahasiaan. Pengkodean dengan konfigurasi tertentu maka hanya penerima yang memiliki PN identik yang dapat menerima informasi yang dikirim. Meningkatkan S/N system. Proses pendeteksian dan pembenaran kode-kode dapat mengurangi pengaruh noise dan interferensi. Panjang kode PN yang direncanakan. Setiap kode PN yang akan dibangkitkan harus memiliki panjang periode kode tertentu karena hal ini dapat menghindari ketidak sinkronan pada bagian penerimanya. Polinomial umpan balik. Menunjukkan tingkat tahapan mana yang merupakan umpan balik dari system pembangkitan kode PN. Banyak kode PN yang dapat dibangkitkan. Menunjukkan jumlah kode yang dapat dibangkitkan suatu kode PN. Status inisial register geser. Menunjukkan status awal dari suatu deretan yang sangat berpengaruh dari suatu pembangkitan kode PN PEMODELAN SIMULASI Pada bagian ini akan diuraikan mengenai pemodelan simulasi yang bertujuan untuk membangkitkan sinyal spread spectrum dengan cara menjumlahkan sinyal informasi dengan kode acak semu yaitu kode maksimal, dilanjutkan dengan memodulasi dengan sinyal kariernya. Dalam bab ini juga disimulasikan fungsi-fungsi penguji atau evaluasi sifat-sifatnya seperti yang telah disebutkan di atas. 6 Pemaparan Hasil Litbang 2003 Pusat Penelitian Informatika - LIPI Blok diagram system komunikasi Direct Sequence Spread Spectrum dengan sinyal informasi bilangan digit biner sebagai data input dan PN generator sebagai pembangkit kode penebar yang melakukan spreading, kemudian melalui proses modulasi BPSK sebagai transmitter, demikian juga sebaliknya yang terjadi pada receiver dapat dilihat secara sederhana pada gambar 1 sebagai berikut : Demod. BPSK Modulator BPSK Informasi Data Kanal AWGN + Jamming Pembangkit Kode Penebar Informasi Data Pembangkit Kode Penebar Gambar .1 Diagram blok sistem DS-SS Pada pemodelan pembangkitan kode acak semu ini akan diasumsikan beberapa hal seperti dibawah ini : Kode yang akan dibangkitkan merupakan kode linear feedback register geser. Jumlah register yang digunakan untuk membentuk kode-kode acak semu ini dapat ditentukan menurut panjang periodenya. Kondisi awal (inisial condition) dari masing-masing register yang membentuk kode-kode acak semu ini dapat ditentukan sesuai dengan penggunaannya. Aplikasi program yang dipakai dalam pembangkitan kode-kode acak semu ini adalah MATLAB versi 5. Pengujian Performansi pada Amplitudo Jammer Seperti yang telah diuraikan sebelumnya bahwa tujuan dari penggunaan system komunikasi yang memiliki kemampuan tinggi dengan berbagai aspek gangguan pada saat propogasi sinyal, adalah penerimaan sinyal data yang paling baik pada kondisi lintasan propogasi yang paling jelek. Untuk melihat pengaruh sinyal informasi data yang dikirimkan dan yang diterima pada system komunikasi spread spectrum terhadap perubahan kekuatan daya dapat dilihat pada gambar sinyal, PSD-nya dan nilai Bit Error Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 7 Bandung, 29 – 30 Juli 2003 Rate penerima yang disimulasikan. Jadi fungsi daya jammer disimulasi ini dilakukan dengan melaksanakan jamming pada Amplitudo yang berubah-ubah. Kemudian performa jamming yang sama juga dilakukan pada system komunikasi non spread spectrum, sehingga dapat dilihat perbedaan performansi sinyal data informasi penerima di kedua system komunikasi tersebut. Pengujian Performansi pada Frekuensi Jammer Pengujian ini dimaksudkan untuk melihat kemampuan kedua system komunikasi dihadapkan pada jamming dengan frekuensi yang berbeda. Seperti halnya pada pengujian yang pertama dimana perubahan daya juga dilakukan pada frekuensi-frekuensi jammernya. Sehingga dapat dilihat juga respon sinyal pada penerima kedua system komunikasi tersebut, dan kemudian dapat dibandingkan performansinya. Pengamatan Data Komunikasi Sinyal Sinyal informasi Spreading Proccess 2 2 1 1 0 0 -1 -1 -2 0 200 400 600 -2 0 PSD informasi 1000 800 800 600 600 400 400 200 200 8 0 1 2 400 600 PSD Spread Spectrum 1000 0 200 3 0 0 1 2 3 Pemaparan Hasil Litbang 2003 Pusat Penelitian Informatika - LIPI PSD Tone Jamming SS sebelum di Jamming 1000 5 800 600 0 400 200 0 0 1 2 -5 3 0 50 PSD Sinyal SS+Jammer 100 SS setelah di Jamming 1000 5 800 600 0 400 200 0 0 1 2 -5 3 0 50 Filter LPF Recovery Informasi 2 2 1.5 1 1 0 0.5 -1 0 0 0.1 0.2 0.3 100 0.4 0.5 -2 0 100 SS setelah LPF 200 300 400 500 600 500 600 Hasil sampling Recovery 1200 2 1000 1 800 600 0 400 -1 200 0 0 0.1 0.2 0.3 Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 0.4 0.5 -2 0 100 200 300 400 9 Bandung, 29 – 30 Juli 2003 HASIL PENGAMATAN Tabel 1 BER untuk pengamatan data1000 bit Amplitudo Jammer (A) Acos(0.02*pi*k) 0.2 0.5 1 1.5 2.5 4.5 B E R Non SS 0 0 0.030 0.212 0.292 0.421 SS 0 0 0 0 0 0.21 Dari hasil pengamatan simulasi ternyata pengaruh sinyal informasi data yang dikirimkan dan yang diterima pada system komunikasi spread spectrum terhadap perubahan kekuatan daya jammer dapat dilihat nilai Bit Error Rate penerima baru muncul pada saat Amplitudo jammer = 4.5 sedangkan pada system non spread spectrum sudah muncul pada saat Amplitudo jammer = 1, sehingga dapat dilihat perbedaan performansi sinyal data informasi penerima di antara kedua system komunikasi tersebut lebih baik system spread spectrum. Tabel 2. BER untuk pengamatan data1000 bit Frekuensi Jammer (f) Freq=Acos(0.02*pi*k*f) 1.2 1.5 2 6 8 12 B E R Non SS(A=1.2) 59 86 0 0 0 0 SS(A=3.8) 30 28 0 0 0 0 Dari hasil pengamatan simulasi ternyata pengaruh perubahan atau pergeseran frekuensi pada sinyal jammer mempengaruhi performansi sinyal data di penerima pada kedua system komunikasi tersebut, dimana pergerakan frekuensi menjauh dari bandwidth spectrum kedua system komunikasi tersebut dan mengurangi/menghilangkan pengaruh jammer pada performansinya. Analisa yang dilakukan terhadap hasil simulasi pembangkitan spread spectrum adalah dengan mengubah-ubah Amplitudo dan Frekuensi sinyal jammer. Perubahan ini akan mempengaruhi performansi pengiriman data non spread spectrum maupun yang 10 Pemaparan Hasil Litbang 2003 Pusat Penelitian Informatika - LIPI menggunakan spread spektrum, pada sistem Spread spectrum. Perubahan performansi itu dapat dijelaskan sebagai berikut: 1. Perubahan daya noise/jamming yang semakin besar dapat mengurangi performansi sinyal data yang dapat menimbulkan error yang besar, namun sinyal spread specktrum lebih handal mengatasinya dibandingkan dengan non spread spectrum 2. Perubahan frekuensi yang semakin tinggi pada frekuensi jamming akan mengurangi pengaruh jamming dan meningkatkan keandalan kedua system komunikasi (dapat dilihat pada PSD sinyal dimana freq. Jamm bergeser menjauhi band sinyal). KESIMPULAN Setelah melakukan perancangan dan simulasi software serta dilanjutkan dengan running program Direct Sequence Spread Spectrum, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Sinyal data yang dikirim dan yang diterima mempunyai performa karakteristik berbeda diantara dua system komunikasi yang disimulasikan, dimana lebih baik dengan menggunakan system spread spectrum daripada system modulasi langsung (tahan terhadap Jamming, Power spectralnya lebih rendah, dan probalitas kesalahannya lebih kecil). 2. Sinyal data yang diterima dan yang dikirim tidak mengalami pergeseran fasa karena sinkronisasi sempurna. 3. Semakin besar amplitudo tone jammer maka akan tetap mempengaruhi nilai BER dari DS-SS dan sangat mempengaruhi pada Non DS-SS, sehingga pada kondisi kanal yang sama komunikasi spread spectrum dapat meningkatkan system komunikasi yang ada. SARAN Guna kesempurnaan dan pengembangan lebih lanjut maka disampaikan saran sebagai berikut: 1. Sistem komunikasi DS-SS komponen utamanya adalah pada pembangkitan PN sebelum dimodulasi carrier, dan PN harus mempunyai karakteristik corelasi yang baik sehingga bila dibuat hardware faktor ini harus diutamakan. Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 11 Bandung, 29 – 30 Juli 2003 2. Adanya keunggulan-keunggulan yang dimiliki system komunikasi ini, maka system komunikasi spread spectrum ini sangat tepat untuk digunakan untuk meningkatkan system komunikasi TNI, khususnya TNI-AL. DAFTAR PUSTAKA Hyuck, M.Kwon. (1990), “Capacity and Cut-off Rate of Coded FH/ MFSK Communication with Imperfect Side Information Generator”. IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol 8 no 5, June 1990. .Kaplan, E, “Frequency Hopping Takes the Leap”, Radio Resource, vol 7 no 2, Simon, M.K; Scholtz, R.A. and Levitt, B.K. (1985), “Spread Spectrum”, Computer Science Press. Kimo, J.J. and Liu, Shyh-Chang. (1990), ”Maximal Length Sequences for Frequency Hopping”, IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol 8 no 5, June 1990. Small, M, “HF Amateur Band Frequency Synthesizer”, Electronic Word, vol 85 No. 1519. Cooper, G.R. and Mc Gilem, C.D. (1988), “Modern Communication and Spread Spectrum”, McGraw Hill,. Ziemer, R.E. and Peterson, R.L. (1985), “Digital Communication and Spread Spectrum System”. 12 Pemaparan Hasil Litbang 2003
