RECEIVER

Fabianus Marintis (21060110110067)Benny Raharjo (21060110130071)Moh. Yanuar Siddiq (21060110130085)Amelia Syarfina Qisthi (L2F009105)

Desain Sistem Komunikasi dan Propagasi1RECEIVERHal yang paling sulit dalam merancang sistem komunikasi adalah pada receiver. Receiver harus memiliki noise figure yang rendah (pada Very High Frequency dan diatasnya), group delay variation yang rendah, intermodulasi distorsi, high dynamic range, AGC stabil, RF yang cocok dan gain IF, stabilitas frekuensi baik, gain flatness yang baik, low phase noise, small in-band spurs, selektivitas yang memadai, BER yang layak. 2Receiver ImageHal yang menjadi masalah dalam superheterodyne receiver adalah image frequency.Jika: Frekuensi LO > RF, Image = (2 x IF) + RF atau LO + IF (high side injection)Frekuensi LO < RF, Image = (2 x IF) RF atau LO IF (low side injection)3

4Sinyal yang diterima antena akan diperkuat dengan LNA Kemudian di filter dengan bantuan IF yang tinggi untuk menghapus image dari sinyal yang diinginkan dan menurunkan resiko Group Delay VariationsMelewati mixer dan dicampur dengan LO dan menghasilkan sinyal baru yang akan digunakan untuk melewati amplifier IFPada multiple conversion IF pertama memiliki frekuensi yang tinggi dan IF kedua frekuensi rendahPada IF kedua digunakan untuk selektivitas dan gain karena memiliki frekuensi rendah.

5Pada kebanyakan penerima superheterodyne penghapusan image frequency dan image noise merupakan sifat dari IFR(Image Frequency Reject) dan INR(Image Noise Reject)IFR terletak sebelum LNA dan INR terletak setelah LNAIFR tidak bisa menghapus wideband LNA yang dihasilkan noiseSolusinya adalah dengan penggunaan INR filter yang terletak setelah LNA6Receiver Noise Figure

7Low Noise Figure: menggunakan NF yang rendah dan gain amplifier yang tinggiKesepakatan dalam mebuat desain di LNA: untuk gain paling tinggi pada front-end, LNA harus disesuaikan dengan filter receiver front-end. Tetapi ini mengakibatkan noise bertambahJadi, pertimbangan fase pertama sebuah receiver diperlukan desain NF yang paling rendah dan gain yang paling tinggiHal yang terpenting pada NF rendah di receiver ditunjukan oleh hubungan linear dengan SNR8Misalnya: receiver memiliki NF 12 dB dan SNR pada output 20 dB. Ketika SNR ditingkatkan jadi 30dB dengan daya sinyal input dan gain receiver yang sama menghasilkan NF yang berkurang menjadi 2 dB.Setiap tahap yang ditempatkan setelah LNA hanya akan ditambahkan ke NF overall yang mana NF overall dihasilkan dari pembagian NF tahap kedua dangan gain tahap pertama

9Receiver Dynamic RangeKinerja BER yang tidak bagus akan menjadi hasil dalam radio digital atau menurunnya ketelitian dalam radio analogOleh karena itu receiver harus memiliki kinerja sinyal kecil dan besar yang maksimum. Dengan kata lain adalah high dynamic range10Kinerja sinyal kecil dibatasi oleh noise, sedangkan kinerja sinyal besar dibatasi product distorsi.Keuntungan terbesar dari sinyal kecil itu didapat dari penurunan NF pada receiver, sedangkan sinyal besar dari penurunan nonlinearitas pada receiver.Mengoptimalkan salah satu parameter diatas akan menyebabkan penurunan pada parameter yang lainnya.Untuk mengurangi masalah tersebut maka digunakan LNA dan mixer pertama dengan intercept point orde ketiga (IP3) yang tinggi serta attenuator yang dikendalikan AGC.11Receiver Reciprocal Mixing

12Reciprocal mixing dapat menyebabkan terjadinya penurunan SNR pada receiver secara signifikan.Cara untuk menguranginya: mengurangi amplitudo dari sinyal yang berinterferensi atau mengurangi phase noise pada LOReciprocal mixing berlangsung di dalam mixer penerima, biasanya akan menjadi masalah ketika sinyal interferensi dekat dengan sinyal yang diinginkan:

fI = sinyal yang berinterferensi, yang dekat dengan sinyal yang diinginkan (Hz) fN = frekuensi noise LO (Hz) fIF = frekuenci IF receiver (Hz)

13Receiver Half-IF Spurs

Frekuensi RF yang menyebabkan half-IF spurs terletak diantara LO dan frekuensi RF yang diinginkan

Untuk low-side injection, RF interferer yang berada dibawah frekuensi yang diinginkan:Untuk high-side injection, RF interferer yang berada diatas frekuensi receiver yang diinginkan:

14Receiver Phase NoisePhase noise adalah noise yang mirip dengan spektrum termodulasi yang dibuat oleh sumber noise virtual yang sinyal diinginkannya termodulasi fase.Frekuensi sumber LO pada receiver tidak sempurna continuous wave tunggalnya, tetapi memiliki sidebands noise yang disebut phase noiseSkema modulasi setiap penerima menggunakan variasi fase untuk berkomunikasi, terutama modulasi padat seperti QAM-16 dan di atasnya, yang sangat terpengaruh oleh adanya phase noise ini, karena phase noise rendah sangat penting untuk menjaga SNR penerima dan BER 15

Phase noise diukur sebagai rasio antara frekuensi fundamental dan noise sideband (dalam dbc), dengan noise sideband terletak dalam bandwidth 1 Hz pada frekuensi tertentu yang offset terhadap LO fundamental (dalam kHz). Spesifikasi phase noise bisa terlihat seperti "-95dBc/Hz @ 10kHz", yang dalam hal ini berarti bahwa Phase noise LO pada receiver diukur pada 10 kHz offset terhadap frekuensi fundamental output pada LO, dan daya noise (dalam dBm) dalam bandwidth 1 Hz adalah 95 dBc dibawah amplitudo LO.16RECEIVER SYSTEM DESIGNReceiver cascadeSebagian besar receiver adalah jenis down-conversion. Jadi receiver ini akan mengambil input RF dan segera mengkonversi ke salah satu IF yang lebih rendah.Kebanyakan desain receiver superheterodyne, ketika mengkonversi RF ke IF rasio RF-to-IF ratio yang digunakan tidak lebih dari 10:1. Jadi, jika frekuensi masuk RF adalah 1 GHz, maka frekuensi IF harus berada pada 100 MHz atau mendekatinya.

17

18Frequency PlanningPSPUR (dBm) = 171 + NF + 10 log (BW)where PSPUR = Amplitude of spurious frequencies, dBmNF = receivers input noise figure, dBBW = bandwidth of the receivers IF, Hz

19Receiver System Calculationsa) Total gain yang dibutuhkan receiver dapat dihitung dengang mencari perkiraan level sinyal RF terendah yang akan terjadi setelah dari antena. Dan menentukan sinyal output receiver minimum yang dibutuhkan ke dalam detector. GdB = POUT PINwhere GdB = required gain of the receiver, dBPOUT = lowest acceptable signal output level of the receiver, dBmPIN = lowest expected RF signal level into the front end of the receiver,after the antenna, dBm.

20b) Minimum discernable signal (MDS) adalah tingkat sensitivitas untuk receiver dan sinyal terlemah yang dapat dideteksi. MDS (dBm) = 174 dBm + 10 log10 (BW) + NFBW = noise bandwidth of the receiver, or approximately the 6-dB down bandwidth (instead of the typical 3-dB bandwidth), HzNF = receivers noise figure, dB

21where IPTOT = receivers total IP3 from its input to its output, dBmIP3n = IP3s linear term, not in dBGAINn = gains linear term, not in dB

22d) NF dari receiver dapat dihitung menggunakan persamaan FRISS,

DimanaNFTOTAL = total NF for the entire receiver, dBNF1 = noise figure for the first stage, dBNF2 = NF for the second stage, dBNFn = NF for the n stage, dBG1 = gain for the first stage, dBG2 = gain for the second stage, dBGn = gain for n stage, dB

23Atau dengan cara1. Hitung power thermal noiseKTB = 174 + 10 log(BW)where KTB = thermal noise power within the specified BW, dBm, BW = receivers bandwidth, Hz.

242. Menghitung sensitivitas terendah yang dapat dicapai sinyal:SENSLOW = (KTB + SNR)WhereSNR = receivers desired output signal-to-noise ratio, dB, KTB = thermal noise power, dBm.

25NFMAX = SENS (SENSLOW)dimanaSENS = required sensitivity of the receiver, dBmSENSLOW = sensitivity of the receiver at 0 dB NF, for the specified SNR, dBmNFMAX = maximum noise figure that the receiver can be and still satisfy the sensitivity requirement of SENS, dB

26Transmitter

27

The Complete Communications System

TDD TransceiverProses Modulasi dan Demodulasi pada Time Division Duplexed (TDD) Transceiver adalah sebagai berikut:

28Pada sisi Transmitter / Pengirim

Input Baseband digital masuk ke DAC (Digital to Analog Converter) menghasilkan data serial Analog.Kemudian difilter menggunakan LPF (Low Pass Filter) , lalu mengirimnya masing-masing ke sisi I (inphase) dan Q (quadrature).Modulator mengambil sinyal I dan Q, lalu memadukan dengan DBM, dengan I sefase dan Q beda fase 90 dari LO (Local Oscillator).Keluaran dari masing-masing DBM ditambahkan menggunakan Linear Mixer untuk menghasilkan sinyal IF (Intermediate Frequency).Sinyal IF kemudian diamplifikasi, difilter, diupcovert, dan diamplifikasi sebelum sinyal dikirim ke antena.

29Pada sisi Receiver / Penerima

Input berasal dari antena yang kemudian di filter menggunakan BPF (Band Pass Filter).Lalu switch T/R diarahkan ke jalur Receiver.Kemudian sinyal masuk ke LNA (Low Noise Amplifier) untuk meningkatkan daya sinyal dan mengurangi NF.Sinyal kemudian dilewatkan ke Image Filter untuk mengurangi Image Noise dan Interferensi.Lalu pada Mixer untuk merendahkan frekuensi IF.Lalu diumpankan ke Diplexer untuk mengurangi refleksi yang dibangkitkan oleh IMD.Lalu pada bagian IF Strip yang di-AGC (Automatic Gain Control), digunakan untuk merendahkan dan meningkatkan level sinyal.Kemudian sinyal masuk ke demodulator untuk mendapatkan data digital.30

FDD TransceiverProses Modulasi dan Demodulasi pada Frequency Division Duplexed (TDD) Transceiver adalah sebagai berikut:

31Pada sisi Transmitter / Pengirim

Input sinyal IF berasal dari modulator difilter melalui IF BPF.Lalu sinyal dimasukkan ke Mixer untuk dinaikkan frekensinya.Kemudian sinyal dilewatkan pada Wideband Amplifier untuk meredam refleksi kembali ke dalam mixer.Sinyal kemudian difilter kembali melalui IF BPF.Selanjutnya sinyal dilewatkan pada Mixer lagi untuk menghasilkan RF.Lalu dilewatkan melalui Tx BPF untuk menekan noise dan harmonisa.Driver Amplifier digunakan untuk dapat diterima dengan benar oleh PA (Power Amplifier ).Sebelum sinyal ditransmisikan ke antena, sinyal disadap dengan Coupler untuk konfirmasi ke Microprocessor.32Pada sisi Receiver / Penerima

Sinyal masukan berasal dari antena, kemudian masuk ke Duplexer.Sinyal dilewatkan pada LNA untuk akan mengatur sebagian dari NF penerima.Image Filter digunakan untuk menghilangkan Image Noise.Sinyal dilewatkan ke Mixer kemudian dilewatkan pada Wideband Amplifier untuk mencegah frekuensi terpantul.IF BPF menolak semua sinyal yang tidak pada saluran.Kemudian sinyal dimix kembali untuk membantu untuk meningkatkan kembali kerugian dari tahap konversi, sehingga mengurangi IMD.Limiter mengatur amplitudo IFOUT menjadi sebuah diskriminator atau modem, yang selanjutnya digunakan untuk proses demodulasi untuk mendapatkan data digital.33RFIC Transceiver

Desain sistem yang nirkabel sekarang sangat bergantung pada penggunaan yang terus meningkat dari RFIC. Ini merupakan sirkuit terpadu mungkin berisi LNA / tahap mixer, tahap IF menyeluruh, atau bahkan transceiver lengkap.

Bahkan, RFIC telah menggantikan banyak tahap terpisah, tingginya tingkat integrasi memungkinkan sebuah chip tunggal untuk menggantikan puluhan, hingga ratusan komponen. Saat ini, sebuah transceiver lengkap pada satu chip RFIC tunggal biasanya tersedia hanya untuk data rate yang rendah, aplikasi daya rendah.

34Penggunaan RFIC dan MMIC untuk Complete Wireless Transceiver

35Complete data radio dengan level integrasi yang sangat tinggi hanya mengggunakan sebuah external LNA, PA, RF and DC switching, and RF filtering.

36RFIC yang tersedia untuk setiap tahap radio, dengan tingkat integrasi yang diinginkan tergantung pada fleksibilitas desain yang dibutuhkan. Sebagian besar chip RF untuk ini, dan yang sejenis dengan desain radio, sudah tersedia dari perusahaan seperti Maxim, RFMD, Mini-Circuit, Nasional, dan sebagainya.

Banyak desain nirkabel masih harus bergantung pada tahap terpisah, atau setidaknya satu MMIC, amplifier dan mixer. Hal ini karena ketersediaan RFIC mungkin tidak kompatibel dengan tujuan desain tertentu. Memang, solusi RFIC hanya kompatibel dengan desain nirkabel tertentu jika chip itu sendiri sudah ada untuk melakukan fungsi yang diperlukan dalam spesifikasi nirkabel kita, atau jika volume produksi membuatnya ekonomis untuk benar-benar merancang RFIC dan memproduksinya.37PROPAGASI RFGelombang elektromagnetik merambat melalui ruang hampa sekitar 300.000.000 m/s. Kecepatan ini menurun saat melewati semua jenis bahan dielektrik, bahkan udara. E-field (listrik) dan H-field (magnet) dari gelombang elektromagnetik tidak hanya berada pada sudut 90 satu sama lain, atau orthogonal, tetapi mereka juga dapat meningkatkan dan menurunkan amplitude bersama-sama dari waktu ke waktu, dengan satu field meregenerasi yang lain saat mereka melakukan perjalanan melalui ruang. Hal ini disebut sebagai propagasi Transverse Electric Mode (TEM).

38Propagasi gelombang radio sangat dipengaruhi oleh frekuensi RF carrier, dan terjadi melalui tiga mode utama: Ground Wave, yang merambat di atas dan melewati permukaan bumi pada frekuensi di bawah 1 MHzSurface Wave (juga disebut gelombang langsung), yang merambat melalui atmosfer dalam garis yang hampir lurus dari pemancar ke penerima, dan merupakan bentuk utama propagasi untuk sinyal RF lebih dari 30 MHzSky Wave, merupakan sinyal RF yang dibiaskan dan dicerminkan oleh Ionosfer Bumi, dan merupakan metode untuk HF rendah dan high powered simplex dengan panjang range komunikasi RF yang terjadi dibawah 30 MHz

39MultipathEfek multipath fading, terutama bermasalah pada frekuensi gelombang mikro, hal ini terjadi ketika sinyal RF yang ditransmisikan memantul dari benda-benda konduktif, seperti tiang sebuah bangunan, tiang lampu jalan, atau bahkan bumi itu sendiri, dan mencapai penerima pada waktu yang sedikit berbeda daripada sinyal RF yang ditransmisikan secara langsung.

40Multipath dapat menyebabkan tingginya InterSymbol Interference (ISI) dan BER (Bit Error Ratio) dalam komunikasi sistem digital, dan dapat diperburuk oleh misalignment pada antena pengirim atau penerima, lokasi penerima yang dekat dengan pemantulan RF, atau dekatnya dengan gerakan kendaraan atau manusia. Multipath juga menyebabkan delay spread. Sinyal multipath memakan waktu lebih lama untuk mencapai antena penerima (dengan waktu yang tergantung pada seberapa jauh jarak pengirim dan penerima) dibandingkan dengan gelombang langsung, jangka waktu antara ketika sinyal langsung tiba dan ketika sinyal multipath terakhir tiba disebut juga dengan delay spread. Efek ini dapat menyebabkan meningkatnya ISI karena data yang diterima menjadi overlapping.41RF Link BudgetsSebelum hardware RF didesain, analisis sistem link budget harus dilakukan. Fade MarginEb/N0Outdoor Link Budget DesignedPerforming an Outdoor Link Budget AnalysisIndoor Link Budget AnalysisApproxiamate Indoor Range Calculations

42Fade MarginKarena adanya masalah propagasi komunikasi nirkabel yang disebabkan oleh multipath fading, sejumlah fade margin akan diperlukan untuk memastikan link RF tetap operasional untuk persentase tertentu dalam setahun, bahkan jika kondisi cuaca sangat parahMargin ini memberikan perlindungan untuk penerima NF, gain penerima, daya pemancar, dan atau gain antena yang dimasukkan ke dalam Link Budget RF sebagai koneksi wireless yang dapat diandalkan dan hanya dengan jumlah maksimum downtime tertentu yang diijinkan per tahun (biasanya diukur dalam hitungan detik).43Eb/N0Eb/N0 adalah indikator yang dibutuhkan sistem energi sistem yang diperlukan per bit dibandingkan dengan daya noise. Namun, seringkali lebih nyaman untuk mengkonversi Eb/N0 menjadi SNR. Kita dapat melakukannya dengan :

44Outdoor Link Budget DesignUntuk memulai analisis link budget, kita harus mengambil range dalam kilometer atau mil, bahwa hubungan komunikasi harus benar-benar dapat mengirimkan informasi, dan kemudian menghitung free-space path loss.45

Performing an Outdoor Link Budget Analysis461. Menghitung free-space path loss dari jarak link yang diinginkan

2. Tentukan nilai fade margin. Semakin tinggi frekuensi, semakin panjang link path, dan semakin besar keandalan yang diinginkan, maka semakin banyak fade margin yang diperlukan.

473. kita dapat menghitung kekuatan sinyal yang diperlukan.

4. Hitung daya yang akan ditempatkan di port input penerima, setelah perjalanan melewati link dari pemancar:

485. Rumus berikut untuk mengetaui daya pada port output penerima, ke modem atau detektor:

Rumus berikut untuk mengetaui daya sinyal output dari penerima ketika kekuatan sinyal di antena penerima diketahui :

49Formula ini untuk mengetahui signal-to-noise rasio pada output dari tahap penerima:

Perhitungan di atas harus memberikan indikasi yang sangat baik dari daya sinyal, noise figure, dan gain yang diperlukan di setiap outdoor link.

50Indoor Link Budget Analysis

51Difraksi gelombang terjadi ketika sinyal RF mengenai tepi konduktif dalam gedung yang menyebabkan energi RF menekuk ke bawah dan mengisi daerah fisik yang biasanya diblokir dari menerima gelombang individu.Hamburan, efek yang diciptakan oleh energi RF ketika mengenai sesuatu yang besar dan beraneka permukaan konduktif, atau beberapa permukaan kecil dan rapat yang dikemas bersama-sama, sehingga menyebabkan energi RF menghamburkan menjadi banyak dan ke berbagai arah.

52Approxiamate Indoor Range CalculationDalam lingkungan indoor dengan penyerapan RF oleh peralatan dan dinding, jangkauan menjadi sangat menurun, dan sangat sulit untuk memprediksi. Namun demikian, kita dapat mendekati jangkauan indoor, seperti yang direkomendasikan oleh Infineon (Intersil):

Hitung free-space path loss untuk 20 ft pertama (di 2440 MHz ini akan sama dengan 56 dB).Setelah awal 20 ft dihitung sebagai free-space path loss di atas, tambahlah indoor path losses sebesar 30 dB untuk setiap 100 ft jangkauan indoor.Tambahkan 2 path losses yang telah diperoleh dalam langkah 1 dan 2.

Kita juga dapat melakukan beberapa perhitungan jangkauan indoor dengan rumus berikut. Formula ini dapat relatif akurat untuk 2,4 GHz, yang merupakan frekuensi yang sangat umum dalam lingkungan bisnis saat ini :

53RF Link IssuesFresnel Zone

54Fresnel Zone disebut sebagai radio line-of-sight, dan akan membutuhkan lebih banyak jarak ruangan dimana line-of-sight mata kita sendiri dapat melihat: gelombang radio, ketika melewati objek - seperti bangunan atau gunung- akan terjadi defraksi atau sinyal membelok.Fresnel Zone merupakan diameter antara antenna pemancar dengan antenna penerima dimana diantara kedua antenna tersebut ada penghalang.

55TERIMA KASIH