RADIO KOMUNIKASI DIGITAL DUA ARAH DENGAN SUMBER TENAGA YANG DAPAT DIISI ULANG MENGGUNAKAN SEL SURYA oleh Bonus Adityas NIM : 612006002 Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga Oktober 2013
64
Embed
Radio Komunikasi Digital Dua Arah Dengan Sumber Tenaga Yang … · 2014. 3. 20. · RADIO KOMUNIKASI DIGITAL DUA ARAH DENGAN SUMBER TENAGA YANG DAPAT DIISI ULANG MENGGUNAKAN SEL SURYA
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
RADIO KOMUNIKASI DIGITAL DUA ARAH DENGAN SUMBER TENAGA
YANG DAPAT DIISI ULANG MENGGUNAKAN SEL SURYA
oleh
Bonus Adityas
NIM : 612006002
Skripsi
Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh
Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer
Universitas Kristen Satya Wacana
Salatiga
Oktober 2013
INTISARI
Tugas skripsi ini merancang dan merealisasikan sebuah sistem radio komunikasi
digital dua arah. Informasi yang ditransmisikan berupa suara percakapan manusia. Catu
daya yang digunakan berupa baterai. Baterai dapat diisi ulang menggunakan sel surya pada
siang hari.
Radio komunikasi dalam tugas skripsi ini dirancang sebagai alat komunikasi yang
hemat daya. Daerah pemakaian terutama pada area outdoor dimana jaringan listrik sulit
ditemui. Radio komunikasi ini diperuntukkan bagi kelompok pengguna yang memerlukan
alat komunikasi di area outdoor dalam jangka waktu lama.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa jarak jangkauan radio komunikasi ini dapat
mencapai 200 m. Lama pemakaian radio komunikasi dapat mencapai 16 jam setelah diuji
dengan proporsi 90 detik standby, 5 detik terima dan 5 detik pancar. Pengujian yang lain
menunjukkan bahwa baterai dapat diisi ulang menggunakan panel sel surya dalam waktu
sekitar tiga jam. Namun hasil pengujian kualitas sinyal suara menunjukkan bahwa sinyal
keluaran perangkat audio output masih didominasi derau.
i
ABSTRACT
In this final report, a two way digital communication radio system is designed and
built. This system carries information signal formed by human speech. Each unit of radio
communication in this system uses battery as its power supply. The battery can be
recharged by solar cell.
The communication radio is designed to consumes power less than handy talky
does. It can be operated in outdoor which is hard to get power line connection. So it can be
used by user group that need communication device for long usage in outdoor.
Based on the test results, the maximum range of the communication radio is 200 m
in open air (line of sight). The communication radio can be used until 16 hours using test
cycle with proportion : 90 seconds standby, 5 seconds transmit, and 5 seconds receive. In
other test result, the baterry can be recharged by solar cell panel in about 3 hours.
Meanwhile, the audio output quality is still poor. The output sound is still dominated by
noise.
ii
KATA PENGANTAR
Pujian dan syukur dipersembahkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa. Bimbingan
dan kekuatan yang diberikan olehNya menuntun penulis untuk menyelesaikan tugas skripsi
yang berjudul “Radio Komunikasi Digital Dua Arah dengan Sumber Tenaga yang Dapat
Diisi Ulang Menggunakan Sel Surya”. Adapun tugas skripsi ini dapat direalisasikan berkat
dukungan berbagai pihak.
1. Ayah dan ibu atas dukungan materiil dan morilnya, kedua kakakku perempuan atas
dukungan doa dan semangatnya, serta kedua kakakku laki – laki yang selalu memberi
7. Baterai dapat diisi ulang menggunakan modul sel surya. Spesifikasi modul sel surya
selengkapnya ditentukan setelah pengukuran kebutuhan daya radio komunikasi.
8. Setiap set radio komunikasi memiliki ukuran fisik sekitar 15 x 6 x 5 cm.
1.4. Sistematika Penulisan
Bagian utama skripsi ini terdiri atas lima bab. Bab pertama merupakan bab
Pendahuluan. Bab ini menjelaskan latar belakang serta batasan masalah dalam pembuatan
tugas skripsi. Bab ini juga berisi spesifikasi alat dan sistematika penulisan. Bab kedua
berjudul Sistem Radio Komunikasi Digital Dua Arah. Bab ini berisi pemaparan dasar –
dasar perancangan tugas skripsi. Bab ketiga merupakan bab Perancangan. Bab ini berisi
metode dan langkah – langkah perancangan seluruh bagian alat meliputi perangkat keras
dan perangkat lunak. Bab berikutnya adalah bab keempat yaitu Pengujian dan Analisis. Bab
ini berisi hasil pengujian alat beserta analisisnya. Bab kelima adalah bab Penutup. Bab
terakhir ini berisi kesimpulan yang diperoleh berdasarkan keseluruhan tugas skripsi. Bab
ini juga memuat saran pengembangan lebih lanjut.
4
BAB II
SISTEM RADIO KOMUNIKASI DIGITAL DUA ARAH
Radio komunikasi yang dirancang pada tugas skripsi ini adalah radio komunikasi
dua arah untuk percakapan. Informasi yang dikirim dan diterima berupa suara percakapan
manusia. Radio komunikasi menggunakan modul transceiver data sehingga informasi
dikirim dalam bentuk data digital. Sistem radio komunikasi digital dua arah ini
memerlukan protokol komunikasi untuk mengatur lalu lintas pertukaran data antar unit
radio komunikasi.
Jika dua paket data dikirim melalui gelombang radio menggunakan frekuensi yang
sama, maka dapat terjadi tabrakan dan interferensi antar data [23, h.1031]. Hal tersebut
dihindari menggunakan protokol komunikasi untuk mengatur pertukaran data antar unit
radio komunikasi. Pada umumnya, protokol tersebut dilakukan oleh unit yang disebut base
station [8, h.530]. Demikian pula radio komunikasi pada tugas skripsi ini membutuhkan
suatu unit yang bertugas mengatur lalu lintas data antar radio komunikasi.
Tampak dalam Gambar 2.1, ada dua fungsi radio yang selanjutnya akan disebut
radio induk dan radio anak. Radio induk adalah unit yang berperan sebagai base station.
Unit radio komunikasi ini menjalankan protokol komunikasi sehingga pertukaran data antar
unit radio komunikasi dapat berjalan lancar. Radio anak menjalankan kegiatan pemancaran
dan penerimaan data yang prosedurnya diatur oleh radio induk. Supaya penggunaanya
lebih fleksibel, tiap unit radio komunikasi dirancang dapat berperan sebagai radio induk
atau radio anak.
Pengaturan peran radio komunikasi sebagai radio induk atau radio anak dilakukan
sebelum radio komunikasi dihidupkan. Kelompok pengguna harus membuat kesepakatan
mengenai unit radio komunikasi yang berperan sebagai radio induk dan yang berperan
sebagai radio anak. Dalam satu kelompok pengguna, harus ada dan hanya boleh ada satu
unit radio komunikasi yang berperan sebagai radio induk. Unit radio komunikasi lain yang
berperan sebagai radio anak harus diatur supaya memiliki frekuensi pancar yang berbeda –
beda. Setelah radio komunikasi dihidupkan, pembagian peran tersebut tidak boleh diganti
5
kecuali ada kesepakatan lain. Pengguna radio induk diusahakan berada di tengah – tengah
kelompok pengguna supaya jaringan komunikasi yang diciptakan dapat mencapai
jangkauan maksimum.
Gambar 2.1. Hubungan serta letak radio induk dan radio anak.
Radio komunikasi dengan banyak pengguna atau radio komunikasi multiuser
umumnya memakai pembagian kanal frekuensi yang disebut FDMA (Frequency Division
Multiple Access). Demikian pula sistem radio komunikasi digital yang dirancang
memerlukan pembagian kanal. Setiap radio anak harus memiliki frekuensi pancar yang
berbeda sehingga radio induk dapat membedakan sumber data dengan baik. Guna
memperoleh data dari setiap radio anak, radio induk perlu melakukan pemindaian
frekuensi. Frekuensi terimanya perlu diubah sesuai frekuensi pancar masing – masing radio
anak. Arah pemindaian dibuat dari kanal radio anak yang terendah sampai kanal tertinggi
kemudian memutar lagi ke kanal terendah. Jika ada radio anak yang mengirimkan data,
maka pemindaian kanal berhenti, radio anak menerima data dan memancarkannya kembali
6
ke seluruh radio anak. Jika radio anak tidak mengirimkan data, pemindaian diteruskan ke
kanal berikutnya. Radio induk menggunakan sebuah kanal untuk memancarkan data ke
seluruh radio anak. Dengan demikian frekuensi terima seluruh radio anak diatur sama
dengan frekuensi kanal tersebut.
Gambar 2.2. Proses pemindaian kanal.
Informasi suara dipancarkan dan diterima dalam bentuk data digital. Perangkat
audio yang bekerjasama dengan suatu unit pemroses berfungsi mengubah sinyal suara
menjadi data dan data menjadi sinyal suara. Perangkat audio pada bagian input berfungsi
menangkap sinyal suara dan memperkuatnya. Hasil penguatan tersebut akan diterima unit
pemroses melalui ADC (Analog to Digital Converter). Unit pemroses kemudian
mengeluarkan informasi dalam bentuk sinyal PWM (Pulse Width Modulation). Perangkat
audio output bertugas mengekstrak sinyal informasi yang terkandung dalam sinyal PWM
tersebut. Selanjutnya sinyal informasi dikeluarkan penyuara menjadi sinyal suara yang
dapat didengar pengguna radio komunikasi.
7
Gambar 2.3. Hubungan perangkat audio, unit pemroses, dan tranceiver data.
Sebagaimana peralatan portabel pada umumnya, radio komunikasi ini ditenagai
oleh baterai. Baterai yang digunakan adalah baterai yang dapat diisi ulang. Radio
komunikasi ini ditujukan untuk dapat dipakai pada daerah outdoor pada waktu yang lama.
Oleh karena itu pengisian ulang baterai harus memanfaatkan sumber daya yang dapat
dijumpai di area outdoor, dalam hal ini sinar matahari.
Piranti yang digunakan untuk pengisian ulang baterai memanfaatkan cahaya
matahari adalah panel sel surya. Sel surya dapat mengubah energi cahaya matahari
menjadi energi listrik sehingga dapat menjadi sumber daya bagi proses pengisian ulang
baterai. Daya yang dihasilkan panel sel surya kemudian digunakan oleh perangkat pengisi
ulang baterai untuk mengisi ulang muatan baterai.
Berdasarkan uraian di atas, perancangan sistem radio komunikasi digital dua arah
memerlukan perancangan perangkat keras dan perangkat lunak. Kebutuhan perangkat keras
dapat dikelomopokkan menjadi tiga bagian utama : perangkat transceiver, perangkat audio,
dan perangkat catu daya. Perangkat transceiver memuat transceiver data dan unit pemroses.
Perangkat audio terdiri atas perangkat audio input dan perangkat audio output. Perangkat
catu daya meliputi baterai, panel sel surya dan untai pengisi ulang baterai. Hubungan ketiga
perangkat ini tampak dalam Gambar 2.4. Perangkat lunak yang dibutuhkan adalah
perangkat lunak yang dibenamkan pada unit pemroses. Perangkat lunak ini bertugas
menjalankan protokol komunikasi yang meliputi fungsi radio induk dan radio anak.
8
Gambar 2.4. Hubungan antar bagian perangkat keras.
9
BAB III
PERANCANGAN
Perancangan radio komunikasi digital dua arah meliputi perancangan perangkat
keras dan perancangan perangkat lunak. Perangkat keras terdiri atas tiga bagian utama :
perangkat transceiver, perangkat audio, dan perangkat catu daya. Perangkat lunak berupa
program mikrokontroler yang memuat protokol komunikasi, pemrosesan data dan
pendeteksian tegangan baterai.
3.1. Gambaran Umum Perancangan
Radio komunikasi dalam tugas skripsi ini akan direalisasikan menjadi empat unit
dimana masing – masing perangkat kerasnya memiliki tiga bagian utama : perangkat
transceiver, perangkat audio dan perangkat catu daya. Perangkat transceiver memuat
mikrokontroler dan modul transceiver data (RFM12). Perangkat audio terdiri atas
perangkat audio input dan perangkat audio output. Perangkat catu daya terdiri atas baterai,
panel surya, untai pengisi ulang baterai dan detektor level tegangan baterai. Bagan
keseluruhan perangkat keras tersebut tampak dalam Gambar 3.1.
Mikrokontroler bersama modul transceiver data RFM12 bertugas melaksanakan
protokol komunikasi. Mikrokontroler juga bertugas melakukan pemrosesan data dan
berperan dalam pendeteksian level tegangan baterai.
Perangkat audio input tersusun atas penguat awal dan tapis lolos bawah sedangkan
perangkat audio output dibangun menggunakan tapis lolos bawah. Penguat awal bertugas
menyesuaikan sinyal keluaran mikrofon sehingga dapat diterima ADC mikrokontroler.
Penyesuaian ini meliputi penguatan dan pemberian offset tegangan. Tapis lolos bawah pada
perangkat audio input bertugas membatasi jangkauan frekuensi untuk proses pencuplikan
oleh ADC. Tapis lolos bawah pada audio output bertugas mengekstrak sinyal informasi dari
sinyal PWM.
Baterai yang digunakan sebagai catu daya adalah baterai yang dapat diisi ulang.
Baterai diisi ulang menggunakan untai pengisi ulang baterai yang bersumber daya keluaran
10
panel surya. Untai pengisi ulang baterai dibangun menggunakan untai DC to DC Converter.
Keadaan baterai terisi penuh dan baterai lemah dideteksi dengan detektor level tegangan
baterai. Detektor ini terhubung ke salah satu ADC mikrokontroler.
Gambar 3.1. Bagan perangkat keras radio komunikasi digital dua arah.
3.2. Perangkat Transceiver
Perangkat transceiver merupakan bagian utama radio komunikasi yang berfungsi
melakukan transmisi data antar unit radio komunikasi. Transmisi data dilakukan menurut
protokol komunikasi yang dibenamkan pada mikrokontroler. Tugas perangkat ini antara
lain dapat dirumuskan sebagai berikut.
1. Mengubah informasi menjadi data, yaitu mengubah sinyal listrik – suara dari perangkat
audio input menjadi data digital.
2. Mengubah data menjadi informasi, yaitu mengubah data yang diterima menjadi sinyal
PWM yang kemudian diberikan ke bagian audio output.
3. Melakukan pertukaran data, meliputi pengiriman dan penerimaan data.
4. Menentukan fungsi radio komunikasi sebagai radio induk atau radio anak.
11
5. Menentukan frekuensi kanal radio anak.
6. Menentukan jumlah radio anak yang ditangani radio induk.
Tugas – tugas tersebut ditangani oleh untai yang terbentuk dari mikrokontroler, RFM12 dan
beberapa komponen sebagai berikut.
3.2.1. Mikrokontroler
Mikrokontroler bertugas memberi perintah dan data ke RFM12 serta menerima data
dan sinyal interupsi dari RFM12. Selain itu mikrokontroler juga bertugas mengolah data
informasi suara. ADC internal mikrokontroler bertugas mengubah sinyal listrik – suara dari
penguat awal menjadi data selebar 8 bit. Sumber sinyal PWM internal mikrokontroler
bertugas mengubah data yang diterima RFM12 menjadi sinyal PWM. Tugas
mikrokontroler berkenaan dengan detektor level tegangan baterai akan dijelaskan dalam
bagian lain.
Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan radio komunikasi ini adalah
mikrokontroler AVR Atmega168A. Mikrokontroler ini memiliki enam masukan ADC
internal dan enam keluaran untuk sumber sinyal PWM. Masukan ADC yang digunakan
adalah ADC0 yang terletak pada Port C Pin 0. ADC0 terhubung ke keluaran perangkat
audio input. ADC menggunakan tegangan referensi internal 1,1 V sehingga pin VREF
harus dihubungkan ke GND menggunakan kapasitor 100 nF. Sinyal PWM dikeluarkan
melalui OC1A yang terletak Pada Port B Pin 1. Pin keluaran OC1A terhubung ke masukan
perangkat audio output. Lebar data untuk ADC dan pembangkit sinyal PWM diatur
menyesuaikan lebar register data RFM12 yaitu 8 bit.
Sistem clock eksternal Atmega168 memerlukan sebuah kristal dan dua buah
kapasitor. Kristal yang digunakan memiliki frekuensi 12 MHz. Pemilihan nilai frekuensi ini
menyesuaikan grafik frekuensi clock terhadap tegangan catu untuk Atmega168A. Kedua
kapasitor yang digunakan memiliki nilai 18 pF. Nilai kapasitor ini sesuai dengan batasan
nilai kapasitor yang dianjurkan, yaitu 12 – 22 pF.
3.2.2. RFM12
RFM12 menangani pertukaran data via gelombang radio pada pita ISM. Jenis pita
ISM yang digunakan adalah pita 433 MHz (433,92 MHz). RFM12 dapat digunakan untuk
12
dua keperluan : pemancar dan penerima. Perubahan kedua fungsi ini diatur oleh
mikrokontroler. Metode pengendalian RFM12 berkenaan dengan protokol komunikasi akan
dijabarkan pada bagian lain.
Lima pin pada RFM12 harus dihubungkan dengan lima pin I/O digital pada
mikrokontroler sehingga RFM12 dapat dikendalikan untuk melakukan pertukaran data.
Kelima pin tersebut beserta koneksinya dengan mikrokontroler diuraikan sebagai berikut.
1. SDI (Serial Data Input)
Pin ini berfungsi menerima data masukan dari mikrokontroler. Pin SDI dihubungkan ke
Port D Pin 6.
2. SDO (Serial Data Output)
Pin ini berfungsi mengeluarkan data keluaran ke mikrokontroler. Pin SDO dihubungkan
ke Port D Pin 4.
3. SCK (Serial Clock)
Pin ini digunakan sebagai saluaran masukan clock dari I/O mikrokontroler. Pin SCK
dihubungkan ke Port D Pin 1.
4. IRQ (Interrupt Request)
Pin ini digunakan untuk mengeluarkan sinyal interupsi dari RFM12. Pin IRQ
dihubungkan ke Port D Pin 7.
5. SEL (Chip Select)
Pin ini digunakan sebagai saluaran masukan untuk pengaktifan modul RFM12. Pin SEL
dihubungkan ke Port D Pin 0.
Modul RFM12 tidak memiliki antena internal sehingga antena eksternal perlu
ditambahkan. Antena eksternal yang dipakai adalah antena omnidireksional 433 MHz.
Antena ini menggunakan konektor SMA tipe male sehingga diperlukan konektor SMA tipe
female untuk menghubungkannya dengan RFM12.
3.2.3. Saklar Pemilih Mode
Saklar ini berfungsi memilih fungsi radio komunikasi sebagai radio induk atau radio
anak. Saklar ini berupa sebuah saklar geser. Salah satu pin ujung akan dihubungkan ke
VCC dan pin ujung lainnya ke GND. Pin tengah akan dihubungkan ke salah satu pin I/O
13
digital dari Atmega168, yaitu Port B Pin 0. Jika pin tengah dihubungkan ke GND, maka
mode radio induk akan terpilih. Jika pin tengah dihubungkan ke VCC, maka mode radio
anak akan terpilih.
3.2.4. Saklar Pemilih Kanal
Jika berada dalam mode radio induk, saklar ini berfungsi memilih jumlah radio anak
yang ditangani radio induk sedangkan jika berada dalam mode radio anak, saklar ini
berfungsi memilih kanal kerja radio anak. Saklar ini berupa empat buah saklar geser. Salah
satu pin ujung dari masing – masing saklar geser dihubungkan ke VCC sedangkan pin
ujung yang lain dihubungkan ke GND. Pin tengah dari keempat saklar dihubungkan ke
empat I/O digital dari Atmega168, yaitu Port B Pin 2 sampai dengan Pin 5. Jika pin tengah
dihubungkan ke GND, maka nilai '0' akan diberikan ke mikrokontroler. Jika pin tengah
dihubungkan ke VCC, maka nilai '1' diberikan ke mikrokontroler. Dengan demikian
kombinasi pengaturan keempat saklar akan menghasilkan nilai biner empat bit yang
menyimbolkan kanal radio anak atau jumlah radio anak yang ditangani radio induk.
3.2.5. Saklar untuk Memulai Pembicaraan
Saklar ini harus ditekan jika radio komunikasi hendak digunakan untuk mengirim
informasi. Selanjutnya saklar ini akan disebut saklar PTT (Push To Talk). Saklar ini berupa
sebuah saklar tekan. Pin common saklar ini terhubung dengan Port D Pin 3 yang memiliki
fitur interupsi eksternal 0. Dengan demikian fitur interupsi eksternal dapat digunakan jika
diperlukan. Pin normally close saklar terhubung ke VCC sedangkan pin normally open
terhubung ke GND. Jika fitur interupsi eksternal 1 digunakan maka pemicu interupsi harus
diatur pada logika '0' atau transisi turun.
Gambar 3.2 menampilkan skematik keseluruhan perangkat transceiver, meliputi
untai mikrokontroler, RFM12 dan saklar – saklar.
3.3. Perangkat Audio
Perangkat audio terdiri atas perangkat audio input dan perangkat audio output.
Perangkat audio input terdiri atas mikrofon, penguat awal dan tapis lolos bawah. Perangkat
audio output terdiri atas tapis lolos bawah dan penguat akhir.
14
Gambar 3.2. Skematik Perangkat Transceiver.
3.3.1. Perangkat Audio Input
Bagian audio input dimulai dengan mikrofon sebagai transduser untuk mengubah
sinyal suara menjadi sinyal listrik – suara. Mikrofon yang dipilih adalah mikrofon elektret.
Mikrofon ini adalah mikrofon yang umum dipakai untuk peralatan portabel. Mikrofon jenis
ini juga sudah cukup memadai untuk menangkap suara percakapan.
Sinyal listrik – suara keluaran mikrofon masih terlalu lemah untuk dimasukkan
langsung ke ADC mikrokontroler sehingga diperlukan sebuah penguat awal. Penguat awal
dibuat menggunakan untai penguat operasional tak membalik dengan catu tegangan
tunggal. Berkaitan dengan nilai catu tegangan yang digunakan, penguat operasional akan
dipilih dari jenis yang dapat bekerja pada tegangan rendah. Perancangan radio komunikasi
ini akan menggunakan penguat operasional dari IC LM358 sebagai jantung penguat awal.
15
Gambar 3.3. Skematik Audio Input.
Sebagaimana tampak pada gambar 3.3, bagian depan penguat awal disusun oleh
untai mikrofon dan untai offset tegangan. Untai mikrofon tersusun atas mikrofon elektret
dan sebuah resistor pull – up. Nilai resistor pull – up diambil dari nilai yang umum
digunakan yaitu 27 kΩ. Untai offset tegangan berfungsi menaikkan ayunan sinyal keluaran
mikrofon sehingga ayunan sinyal keluaran penguat awal dapat ditangkap seluruhnya oleh
ADC. Berkenaan dengan hal tersebut, sinyal keluaran mikrofon harus diberikan offset
tegangan sebesar setengah dari nilai maksimal tegangan masukan ADC. Oleh karena batas
atas tegangan masukan ADC adalah 1,1 V (sesuai dengan tegangan referensi internal
ADC), maka nilai offset tegangan yang perlu diberikan adalah 0,55 V. Nilai ini dihasilkan
oleh RA, RB, dan DZ1.
Berikutnya adalah untai penguat awal dimana penguatan ditentukan oleh RI dan RF.
Kedua resistor dalam untai menghasilkan penguatan sebesar 21x. Jika diamati melalui
osiloskop dalam keadaan mikrofon menangkap suara, ayunan sinyal keluaran penguat awal
bernilai sekitar 1 Vpp. CI ditambahkan supaya penguatan hanya berlaku pada komponen
sinyal AC dan tidak berlaku bagi komponen DC.
16
Sinyal suara yang dapat ditangkap indera pendengaran manusia terentang antara 20
– 20000 Hz sedangkan sinyal suara yang benar – benar berpengaruh pada percakapan
hanya terentang antara 300 – 3400 Hz1. Pada rentang frekuensi ini, informasi percakapan
sudah dapat dikenali dengan baik karena daya yang signifikan untuk suara manusia
terkumpul pada rentang frekuensi tersebut. Umumnya, peralatan komunikasi menyediakan
lebar kanal 4 kHz untuk informasi percakapan2. Komponen frekuensi di atas 4 kHz perlu
ditekan supaya tidak masuk ke proses pencuplikan. Hal ini dilakukan menggunakan tapis
lolos bawah. Tapis lolos bawah yang digunakan adalah tapis aktif berorde dua dengan
topologi Sallen Key dan koefisien Bessel..
Empat komponen pasif dibutuhkan untuk melengkapi untai tapis aktif orde dua
menggunakan topologi Sallen Key. Empat buah komponen pasif tersebut meliputi : R1, R2,
C1 dan C2 yang nilainya dicari menggunakan persamaan – persamaan sebagai berikut.
C2≥C1
4b1
a12
R1,2=a1 C2∓√a1
2 C22−4b1 C1 C2
4πfC C1 C2
Langkah pertama adalah menentukan tipe koefisien untuk mengisi nilai a1 dan b1. Koefisien
tipe Bessel digunakan karena koefisien tipe ini tidak mempunyai riak pada transisi antara
passband dan stopband sehingga baik untuk sinyal listrik – suara. Koefisien tipe Bessel
untuk tapis aktif orde dua adalah 1,3617 untuk a1 dan 0,618 untuk b1. Jika ditentukan C1 =
20 nF, maka nilai C2 dapat dicari sebagai berikut.
C1
4b1
a12 =68n
4⋅0,6181,36172 =68n
2,4721,85422689
=90,6555723609n
Nilai C2 harus sama dengan atau lebih besar dari nilai tersebut. 100 nF adalah nilai yang
dapat diterapkan untuk C2.
Frekuensi penggal diatur bernilai 5 kHz supaya seluruh pita informasi sebisa mungkin
berada pada daerah passband. Selanjutnya nilai R1 dan R2 dapat dicari sebagai berikut.
1 Pita percakapan manusia yang sering dipakai dalam komunikasi [16, h.83], [28, h.38].2 Lebar kanal komunikasi yang umum dipakai untuk informasi percakapan manusia [27, h.38].
17
R1,2=a1 C2∓√a1
2 C22−4b1 C1 C2
4πfC C1 C2
=1,3617⋅10−7
∓√1,36172⋅100n2
−4⋅0,618⋅68n⋅100n4⋅π⋅5k⋅68n⋅100n
R1,2=1,3617⋅10−7
∓√1,85422689⋅10−14−1,68096⋅10−14
4,27256600888⋅10−10
R1,2=1,3617⋅10−7
∓√1,7326689⋅10−15
4,27256600888⋅10−10
R1=1,3617⋅10−7
−4,16253396383⋅10−8
4,27256600888⋅10−10 =9,45446603617⋅10−8
4,27256600888⋅10−10
R1=221,283088816
R2=1,3617⋅10−7
+4,16253396383⋅10−8
4,27256600888⋅10−10 =17,7795339638⋅10−8
4,27256600888⋅10−10
R2=416,132458266
Nilai pendekatan untuk R1 adalah 220 Ω sedangkan untuk R2 adalah 390 Ω. Untai lengkap
tapis lolos bawah dengan frekuensi penggal 5 kHz dapat dilihat pada Gambar 3.3.
3.3.2. Perangkat Audio Output
Perangkat audio output bertugas mengubah sinyal PWM keluaran mikrokontroler
menjadi sinyal suara sehingga informasi dapat didengar oleh pengguna radio komunikasi.
Sinyal informasi harus diekstrak dari sinyal PWM kemudian diperkuat dan diubah menjadi
sinyal suara. Ekstraksi sinyal informasi dari sinyal PWM dilakukan oleh tapis lolos bawah.
Penguatan sinyal informasi dilakukan penguat dan hasilnya dikeluarkan oleh penyuara
menjadi suara yang dapat didengar manusia.
Frekuensi sinyal PWM minimal tiga kali frekuensi tertinggi sinyal informasi,
bahkan disarankan setidaknya empat kali frekuensi tertinggi sinyal informasi [15, h.3]. Hal
ini dimaksudkan supaya tapis lolos bawah dapat bekerja dengan baik untuk memisahkan
sinyal informasi dari sinyal PWM. Frekuensi clock mikrokontroler yang dipakai adalah 12
MHz, sehingga frekuensi tertinggi sinyal PWM yang mungkin didapat, dihitung sebagai
berikut.
f PWM=f CLK
N⋅(1+TOP)
TOP adalah nilai data tertinggi dari sinyal PWM. Lebar data PWM yang dipakai adalah 8
18
bit sehingga nilai data tertinggi adalah 255. N adalah faktor pembagi. Supaya didapatkan
frekuensi PWM tertinggi, N diatur bernilai 1.
f PWM=12⋅106
1⋅(1+255)=
12⋅106
256=46.875 Hz
Seperempat nilai frekuensi tersebut adalah 11.718,75 Hz, dengan demikian frekuensi sinyal
PWM sudah sesuai dengan lebar pita sinyal informasi selebar 4 kHz.
Frekuensi tapis lolos bawah untuk mengekstrak sinyal informasi ditentukan sebesar
5 kHz. Hal ini untuk memastikan seluruh sinyal informasi yang dibutuhkan dapat
diloloskan ke penguat akhir dengan baik. Nilai frekuensi penggal ini juga masih di bawah
seperempat frekuensi sinyal PWM sehingga sinyal informasi dapat terpisah dengan cukup
baik dari sinyal PWM.
Tapis berorde tiga atau empat dapat digunakan untuk keperluan ekstraksi sinyal
suara [15, h.2]. Tapis orde empat dapat dibangun menggunakan dua buah penguat
operasional dalam satu keping IC LM358. Tapis yang dihasilkan adalah tapis aktif lolos
bawah orde empat. Tapis aktif yang digunakan mempunyai topologi Sallen Key dengan
koefisien Butterworth. Komponen – komponen pendukung yang dibutuhkan meliputi
empat buah kapasitor dan empat buah resistor. Susunan tapis terlihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Skematik tapis lolos bawah untuk audio output.
Nilai dari komponen – komponen pendukung dihitung sebagai berikut. Pertama –
19
tama disediakan koefisien Butterworth untuk tapis orde empat : a1 = 1,8478, b1 = 1, a2 =
0,7654, dan b2 = 1. Tipe koefisien Butterworth dipilih karena menghasilkan area passband
yang cukup rata (tidak ada riak seperti pada tipe Tschebyscheff) tetapi memiliki kecuraman
yang cukup. Kemudian ditentukan C1, C2, C3 dan C4 dengan aturan :
C2≥C1
4b1
a12 dan C4≥C3
4b2
a22 .
Jika ditentukan C1 = 100 nF, maka :
C2≥(100⋅10−9)
4⋅1
(1,8478)2=(100⋅10−9
)4
3,41436484
C2≥117,152096728nF .
Dengan demikian C2 ditentukan bernilai 150 nF. Jika C3 bernilai 68 nF, maka :
C4≥(68⋅10−9)
4⋅1
(0,7654)2=(68⋅10−9
)4
0,58583716
C4≥464,292842059nF .
Dengan demikian C4 ditentukan bernilai 470 nF. Berikutnya R1, R2, R3, dan R4 ditentukan
dengan persamaan R1,2=a1 C2∓√a1
2 C22−4b1 C1 C2
4πfC C1 C2
. Perhitungan secara rinci sebagai
berikut.
R1,2=a1 C2∓√a1
2 C22−4b1 C1 C2
4πfC C1 C2
=1,8478⋅150n∓√1,84782
⋅150n2−4⋅1⋅100n⋅150n
4⋅π⋅5k⋅100n⋅150n
R1,2=2,7717⋅10−7
∓√7,68232089⋅10−14−6⋅10−14
9,42477796077⋅10−10 =2,7717⋅10−7
∓√1,68232089⋅10−14
9,42477796077⋅10−10
R1=2,7717⋅10−7
−1,29704313344⋅10−7
9,42477796077⋅10−10
R1=156.465953118444Ω
R2=2,7717⋅10−7
+1,29704313344⋅10−7
9,42477796077⋅10−10
R2=431.707054571964Ω .
R1 ditentukan bernilai 150 Ω dan R2 bernilai 390 Ω.
20
R3,4=a2C2∓√a2
2C22−4b2C1C2
4πfC C1C2
=0,7654⋅470n∓√0,76542
⋅470n2−4⋅1⋅68n⋅470n
4⋅π⋅5k⋅68n⋅470n
R3,4=3,59738⋅10−7
∓√1,29411428644⋅10−13−4,08⋅10−14
6,40884901332⋅10−10
R3,4=3,59738⋅10−7
∓√8,8611428644⋅10−14
6,40884901332⋅10−10 =3,59738⋅10−7
∓2,97676718344⋅10−7
6,40884901332⋅10−10
R3=3,59738⋅10−7
−2,97676718344⋅10−7
6,40884901332⋅10−10
R3=159.402315850137Ω
R3=3,59738⋅10−7
+2,97676718344⋅10−7
6,40884901332⋅10−10
R4=198.883547216147Ω
R3 ditentukan bernilai 150 Ω dan R4 bernilai 200 Ω.
Sinyal keluaran tapis lolos bawah perlu diperkuat supaya sinyal untuk penyuara
mencapai ayunan maksimum. Penguatan dilakukan menggunakan IC TDA2822M.
Skematik penguat yang dibangun dengan IC tersebut adalah sebagai berikut.
Gambar 3.5. Untai penguat untuk audio output.
Untai penguat pada gambar di atas memiliki dua penguat operasional. Keduanya
mengeluarkan sinyal dengan fase yang berkebalikan. Hal ini untuk memaksimalkan ayunan
tegangan pada penyuara. Volume suara diatur menggunakan potensiometer RVOL.
21
3.4. Perangkat Lunak Protokol Komunikasi
Protokol komunikasi dan pengolahan data dilaksanakan oleh mikrokontroler. Oleh
karena itu diperlukan perangkat lunak atau program yang akan berperan dalam berbagai
tugas antara lain :
1. pengaturan lalu lintas data antar radio komunikasi,
2. pengubahan informasi menjadi data,
3. pengubahan data menjadi informasi.
Berikut akan dijelaskan penyusunan perangkat lunak secara bertahap.
3.4.1. Konsep Radio Induk dan Radio Anak
Protokol komunikasi yang akan diterapkan memiliki dua fungsi : radio induk dan
radio anak. Radio induk bertugas mengatur lalu lintas pertukaran data antar radio
komunikasi, baik radio anak maupun radio induk itu sendiri. Masing – masing radio anak
mempunyai frekuensi pancar yang berbeda. Pemilihan kanal untuk frekuensi pancar radio
anak dilakukan menggunakan saklar pemilih kanal. Frekuensi terima seluruh radio anak
ditetapkan sama dengan frekuensi pancar radio induk supaya ketika radio induk
memancarkan data, semua radio anak dapat menerima data tersebut. Sementara itu,
frekuensi terima radio induk diubah secara berurutan sesuai frekuensi pancar radio anak.
Perubahan frekuensi ini menggunakan proses pemindaian frekuensi. Gambar 3.6 dan 3.7
menampilkan diagram alir untuk radio induk dan radio anak. Penerapan konsep pada
program akan dibahas sesudah pembahasan mengenai pengoperasian RFM12 dan konversi
sinyal informasi.
3.4.2. Pengoperasian RFM12
Pengoperasian RFM12 yang berkenaan dengan perangkat lunak radio komunikasi
meliputi : inisialisasi RFM12, pengaturan frekuensi, prosedur pengiriman data dan
prosedur penerimaan data. Prosedur pengiriman dan penerimaan data berkaitan dengan
pergantian fungsi RFM12 sebagai pemancar atau penerima.
3.4.2.1. Inisialisasi RFM12
Serangkaian proses awal atau inisialisasi perlu dilakukan supaya RFM12 dapat
digunakan untuk mengirim dan menerima data. Berikut beberapa rincian instruksi yang
22
diperlukan untuk inisialisasi.
Gambar 3.6. Diagram alir radio induk.
23
Gambar 3.7. Diagram alir radio anak.
1. Tunda
Fungsi tunda digunakan untuk memberi jeda waktu 100 milidetik. Jeda waktu ini
berfungsi untuk mempersiapkan RFM12 supaya siap menerima instruksi.
2. Configuration Setting Command
Instruksi ini berfungsi untuk mengatur jenis pita frekuensi, kapasitor osilator kristal,
dan mengaktifkan penggunaan register data dan mode FIFO. Pita frekuensi yang digunakan
adalah 433 MHz dan kapasitor osilator kristal diatur senilai 12 pF.
24
3. Frequency Setting Command
Instruksi ini berfungsi memberikan frekuensi awal. Frekuensi akan diubah lagi di
bagian lain program. Oleh karena itu frekuensi awal cukup diatur sama dengan frekuensi
kanal menurut saklar pemilih kanal.
4. Data Rate Command
Instruksi ini mengatur kecepatan transfer data. Kecepatan transfer data diatur pada
nilai tertinggi, yaitu 115,2 kbps.
5. Power Setting Command
Instruksi ini mengatur VDI (Valid Data Indicator), baseband bandwidth, LNA gain,
dan RSSI detector threshold. VDI berhubungan dengan respons penerima terhadap validitas
data; pada perancangan ini diatur pada fast. Baseband bandwidth adalah lebar pita data,
diatur pada nilai tertinggi yaitu 400 kHz. Nilai ini juga akan menjadi dasar bagi pembagian
kanal. LNA (Low Noise Amplifier) merupakan penguat gelombang radio pada penerima;
pada perancangan ini diatur senilai 0 dB. RSSI (Relative Signal Strength Indicator) adalah
indikator kekuatan sinyal; ambang bawahnya diatur senilai -103 dBm.
6. Data Filter Command
Instruksi ini mengatur mengenai tapis data dimana pada perancangan ini jenis tapis
data yang digunakan adalah tapis digital.
7. FIFO and Reset Mode command
Instruksi ini mengatur pengaktifan dan pemakaian FIFO.
8. AFC Command
Instruksi ini berisi berbagai pengaturan mengenai AFC (Automatic Frequency
Control).
9. TX Configuration Control Command
Instruksi ini mengatur polaritas FSK (Frequency Shift Keying), frekuensi yang
digunakan FSK, dan daya keluaran pemancar. Frekuensi untuk representasi logika pada
FSK diatur senilai +/- 60 kHz dari frekuensi tengah kanal. Jadi logika '0' dan '1' akan
berbeda 120 kHz. Daya pemancar diatur senilai 0 dB.
25
3.4.2.2. Pengaturan Frekuensi
Pengaturan frekuensi kerja RFM12 (baik pancar maupun terima) menggunakan
perintah 'Frequency Setting Command'. Instruksi ini memiliki format :
Bit 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Data 1 0 1 0 F, menyatakan frekuensi
Nilai F ditentukan melalui persamaan : F=4000(f
10⋅C1
−C2) .
Tabel 3.1. Pembagian Kanal.
KanalFrekuensi
(MHz)
F Kombinasi
Saklar FSKeterangan
Desimal Heksadesimal
0 430,4 160 0x00A0 frekuensi pancar
radio induk
1 430,8 320 0x0140 0001
frekuensi pancar
radio anak
2 431,2 480 0x01E0 0010
3 431,6 640 0x0280 0011
4 432,0 800 0x0320 0100
5 432,4 960 0x03C0 0101
6 432,8 1120 0x0460 0110
7 433,2 1280 0x0500 0111
8 433,6 1440 0x05A0 1000
9 434,0 1600 0x0640 1001
10 434,4 1760 0x06E0 1010
11 434,8 1920 0x0780 1011
12 435,2 2080 0x0820 1100
13 435,6 2240 0x08C0 1101
14 436,0 2400 0x0960 1110
15 436,4 2560 0x0A00 1111
16 436,8 2720 0x0AA0 0000
26
f adalah frekuensi dalam satuan MHz. Nilai C1 dan C2 untuk RFM12 pita 433 MHz adalah
1 dan 43, sehingga persamaan menjadi : F=400( f −430) . Sebagai catatan, nilai F
minimal adalah 96 dan maksimal 3903.
RFM12 dengan pita frekuensi 433 MHz dapat memakai frekuensi antara 430,24 –
439,7575 MHz. Berdasarkan jangkauan frekuensi tersebut, dapat dibuat pembagian kanal
untuk sistem radio komunikasi yang dirancang dengan perincian sebagaimana tertera pada
Tabel 3.1. Tersedia tujuh belas kanal dimana masing – masing memiliki lebar 400 kHz.
Berdasarkan tabel di atas, dapat dibuat hubungan antara nilai F dan nomor kanal :
F=160∗(KANAL+1) . No. kanal untuk frekuensi pancar radio anak didapat dari
kombinasi saklar pemilih kanal dimana kanal 1 – 15 dilambangkan dengan bilangan biner
yang bersesuaian sedangkan kanal 16 menggunakan bilangan biner 0. Kanal 0 tidak
berhubungan dengan kombinasi saklar pemilih kanal karena sudah ditentukan
pemakaiannya untuk frekuensi pancar radio induk. Nilai F yang sudah didapatkan
kemudian dilewatkan operasi OR dengan bilangan heksadesimal 0xA000 (sesuai format
'Frequency Setting Command') dan selanjutnya dikirimkan ke RFM12.
3.4.2.3. Prosedur Pengiriman Data
Prosedur pengiriman data melibatkan instruksi 'Power Management Command' dan