Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008 ... · PDF fileProsiding Seminar...
Transcript of Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008 ... · PDF fileProsiding Seminar...
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-156
PENGEMBANGAN SISTEM PENGOLAHAN DATA RADAR VHF LAPAN
1M. Sjarifudin, 1A. Kurniawan, 1P. Sitompul, 1M. A. Aris, 1H. Bangkit,
1M. Batubara, 2J. R. Roettger
1Pusat Pemanfaatan Sains Antariksa, LAPAN
Jl. Dr. Djundjunan 133 Bandung 40573 Telp. 022-6012602 Fax. 022-6014998
Email: [email protected] 2DLR (Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt) Jerman
Email: [email protected]
ABSTRACT
LAPAN VHF radar has been installed and operated since December 2007 at Pameungpeuk
Space Observatory Station of LAPAN. The operating frequency is 150MHz with 1kW peak pulse power. The radar transmitter is 150MHz 1kW T-R Module made by Vikas Communication Pvt. Ltd. India, the radar receiver is 3 channels 150MHz receiver made by United System Engineering Ltd. (USE) India, completed by 32 Yagi antennas for the transmitter, and 32 Yagi antennas for the receiver. Radar operation is controlled by LAPAN made radar controller based on AT Mega 8535 microcontroller. At this moment the 150MHz radar signal is vertically transmitted in the form of 150MHz pulse signals, with 6µseconds duration and 75µseconds IPP (Inter Pulse Period). The atmospheric echo signal in the form of In-phase and Quadrature signals have been received. By using Meilhaus ME-4660S DAQ Card the digitation of those signals are controlled by LabVIEW Professional version 8 software. The ME-4660S DAQ Card is operated as 16 bits 500kHz ADC (Analog to Digital Converter). At the beginning, the ADC card was performed for radar system testing. Twelve digital data in the text file format have been collected every 6µseconds at 75µseconds radar pulse period. On year 2008, an research activity for developing the LAPAN VHF radar data processing system has been done in the form of Riset Insentif Kedirgantaraan (RIK) LAPAN. Actually the data processing system is a DSP (Digital Signal Processing) system for digitizing the In-phase and Quadrature signals, and convert it to the atmospheric characteristic digital data. For example the data of zonal, meridional, and vertical wind velocity. Those digital data will be analysed for getting atmospheric layer information which be useful for understanding weather and climate at westward Indonesia and also for ENSO (El-Nino and Southern Oscillation) and QBO (Quasi Biennial Oscillation) research. A signal processing system comparison study of EAR (Equatorial Atmospheric Radar) at Kototabang Bukittinggi, MF (Medium Frequency) radar di Pontianak and Pameungpeuk, VHF (Very High Frequency) radar Chung-Li Taiwan, and VHF radar Jicamarca Peru is in process. At this moment, a design of signal processing system for LAPAN VHF radar has been developed based on those study results. This paper will present the current activities results (until October 2008). The research will be continued in 2009 by signal processing system software implementation and in 2010 by signal processing system hardware implementation for LAPAN VHF radar. Keywords: LAPAN VHF radar, ME-4660S DAQ Card, Digital Signal Processing, design of signal processing system
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-157
1. PENDAHULUAN
Radar VHF LAPAN yang dibangun sendiri oleh LAPAN sejak tahun 2006 merupakan
radar atmosfer dengan frekuensi kerja 150 MHz dan daya pancar 1 kW peak pulse dan dipasang
di SPD Pameungpeuk. Data yang diperoleh selain meningkatkan pemahaman tentang cuaca dan
iklim di kawasan Barat Indonesia juga akan mendukung informasi tentang fenomena seperti
ENSO (El-Nino and Southern Oscillation) dan QBO (Quasi Biennial Oscillation). Saat ini data
mentah yang diperoleh dari penerima analog baru sampai tahap pengubahan menjadi data sinyal
digital dalam rangka pengujian operasi radar VHF LAPAN. Data sinyal digital yang diperoleh
mempunyai resolusi yang kurang karena menggunakan konverter analog ke digital dengan
frekuensi pencuplikan 500kHz. Pemrosesan data digital selanjutnya direncanakan menggunakan
sistem DSP (Digital Signal Processing), yang memungkinkan dilakukannya berbagai
perhitungan dan analisis seperti power spectrum, auto and cross correlation analysis, sehingga
diperoleh informasi yang berguna untuk penelitian atmosfer seperti misalnya kecepatan dan
arah angin pada ketinggian tertentu dengan akurasi yang tinggi.
Untuk mencapai maksud tersebut diperlukan berbagai kajian tentang penerima digital
dan sistem DSP yang sesuai untuk radar VHF LAPAN. Dari kajian tersebut diharapkan
diperolehnya rancang bangun sistem pengolahan data untuk radar VHF LAPAN, yang
diharapkan dapat diimplementasikan pada tahap berikutnya. Telah dilakukan studi banding
sistem pengolahan data EAR (Equatorial Atmospheric Radar) di Kototabang Bukittinggi, MF
(Medium Frequency) radar di Pontianak dan Pameungpeuk, VHF (Very High Frequency) radar
Chung-Li Taiwan, dan VHF radar Jicamarca Peru. Saat ini rancang bangun sistem pengolahan
data untuk radar VHF LAPAN berdasarkan hasil studi terhadap radar-radar tersebut di atas,
masih dalam tahap penyempurnaan. Pada makalah ini akan disampaikan hasil kegiatan yang
telah diperoleh hingga bulan Oktober 2008. Penelitian ini akan dilanjutkan pada tahun 2009
berupa kegiatan implementasi perangkat lunak sistem pengolahan data untuk radar VHF
LAPAN, dan pada tahun 2010 berupa implememntasi perangkat keras sistem pengolahan data
untuk radar VHF LAPAN.
2. RADAR VHF LAPAN
Pada diagram blok radar VHF LAPAN, ditunjukkan ruang lingkup sistem pengolahan
data radar VHF LAPAN yang meliputi unit ADC (DAQ Card ME-4660S) dan PC radar (S.
Kaloka, dkk., 2006).
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-158
RX-FrontendRX-Frontend amplifier, filter
amplifier, filter
150 MHzMixers30 MHz, b.b.amp’s, filters
Mixers30 MHz, b.b.amp’s, filters
150 MHz
in-phase
quadrature
MasteroscillatorMaster
oscillator
DAQ card ME-4660s
PCRF-Pulse generator
RF-Pulse generator
TX1 (1 kW)TX1 (1 kW)
VIKAS Meilhaus
UNITED
LAPANLAPAN
Meilhaus
(0-500kHz)
ISRO
Improved Block Diagram
LAPAN
VHF RADAR
Improved Block Diagram
LAPAN
VHF RADAR
RXAntenna
RXAntenna
TX Antenna
TX AntennaTX2 (1 kW)
Data quality testsData quality testsTotal system testsTotal system tests
3 channels3 channels
µC
TX3 (1 kW)
RUANG LINGKUP
Gambar 1. Diagram blok radar VHF LAPAN 2.1 Penerima Radar VHF LAPAN
Menggunakan penerima analog 150MHz 3 kanal buatan United System Engineering
Ltd. (USE) India dengan output berbentuk sinyal analog. Setiap kanal menghasilkan sinyal
output analog I (In-phase) dan sinyal output analog Q (Quadrature). Penerima 3 kanal akan
menghasilkan 6 buah sinyal output analog (3 sinyal In-phase dan 3 sinyal Quadrature).
2.2 Konverter Analog ke Digital
Digunakan Meilhaus ME-4660S DAQ Card 16 bit 500kHz A/D Converter dengan 16
single ended A/D channels, 2 D/A channels, 32 DIO Channels, 3 counters (Meilhaus Editor,
2005). ADC ini mempunyai Sample and Hold yang memungkinkan simultaneous data
acquisition yang dikontrol dengan software melalui 8 buah channel A/D (AD_0 – AD_7 pada 78
pin D-sub female connector ME-4660S). Fasilitas ini memungkinkan operasi digitasi 8 buah
sinyal analog secara simultan, sehingga mampu mendigitasi 6 sinyal output analog penerima
radar VHF LAPAN secara simultan (Meilhaus Editor, 2006).
2.2.1 Perioda Waktu Pencuplikan
Pada mode digitasi simultan, ME-4660S mempunyai perioda/waktu cuplik minimum
Minimum SCAN time = (No. Of channel x CHAN time) + recovery time, dimana CHAN time = 2
µs, sedangkan recovery time = 2 µs (min. 1,5 µs). Pada pengoperasian penerima radar VHF
LAPAN 1 kanal perlu 2 channel sehingga No. of channel = 2. Dengan demikian, perioda waktu
cuplik minimum = (jumlah channel simultan x 2 µs) + recovery time = (2 * 2 µs) + 2 µs = 6 µs.
2.2.2 External Trigger A/D
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-159
Untuk memulai proses pencuplikan (digitasi) digunakan digital external trigger mode
(digitasi ditrigger dengan sinyal digital level TTL dari luar) pada Acquisition Mode “ External
Standard”. Pada radar VHF LAPAN digunakan sinyal trigger ADC start yang dibuat oleh µC
AT Mega 8535 dan dimasukkan pada kaki AD_TRG_D di 78pin D-sub female connector ME-
4660S. Trigger digital ini dilakukan tiap 75 µs yang merupakan IPP (Inter Pulse Period) untuk
T-R Module mode transmit. Karena perioda pencuplikan adalah 6 µs maka pada satu IPP 75 µs
hanya dapat dibuat pencuplikan sebanyak 12 kali. Artinya setiap 75 µs akan didapat 12 data
digital dari sinyal output penerima. Pada diagram Acquisition Mode “ External Standard”,
terlihat akibat settling time 2 µs maka digitasi pertama dimulai 2 µs setelah sinyal trigger ADC
start.
2.2.3 Pulse Timing Diagram
Pulse timing diagram menunjukkan saat proses fungsional pemancar, penerima, dan
konversi sinyal analog ke digital dilakukan. Pulse timing diagram pada radar VHF LAPAN
ditunjukkan Gambar 2.2 (Mohamad Sjarifudin, dkk., 2006).
Gambar 2. Pulse timing diagram
2.3 Pemrosesan Data Radar VHF LAPAN
2.3.1 Pengumpulan Data Pada Ketinggian Tertentu
Dianalisis informasi sampel daya sinyal radar yang dihamburbalikan oleh lapisan
atmosfer pada ketinggian tertentu, berdasarkan saat pencuplikan data analog radar menjadi data
digital (perioda pencuplikan 6µdet, 16 sampel, lihat pulse timing diagram pada Gambar 2.2).
Dengan formula h = ct/2 dimana c = kecepatan propagasi sinyal radar ≈ kecepatan cahaya, dapat
dihitung ketinggian lapisan atmosfer (h) untuk waktu propagasi sinyal radar (t) yang besarnya =
saat pencuplikan sinyal radar yang bersangkutan. Karena dilakukan 12 pencuplikan dalam 1
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-160
perioda inter pulse (IPP), diperoleh hubungan nomor sampel, waktu propagasi dan ketinggian
sebagai berikut.:
Tabel 1. Hubungan nomor sampel, waktu propagasi dan ketinggian
NO
SAMPEL
WAKTU PROPAGASI
(mikro detik)
KETINGGIAN
(meter)
1 8 1200
2 14 2100
3 20 3000
4 26 3900
5 32 4800
6 38 5700
7 44 6600
8 50 7500
9 56 8400
10 62 9300
11 68 10200
12 74 11100
Dari sampel data pengukuran seperti pada contoh data tanggal 12 Juni 2008 di bawah
ini, dapat dilihat adanya daya sinyal yang dihambur-balikan oleh lapisan atmosfer pada
ketinggian 1200m (identik dengan waktu propagasi 8 mikro detik = saat sampling pertama).
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-161
Data ketinggian h1 = 1200 m
Data ketinggiian h1 = 1200 m Data ketinggian h2 = 2100 m
Bukan Data
Gambar 3. Contoh hasil sampling sinyal radar VHF LAPAN
CONTOH DATA HASIL PENGAMATAN
DATA 11062008 ; 09:35 AM DATA 12062008 ; 07:08 PM DATA 13062008 ; 01:12 PM
Gambar 4. Contoh data hasil pengamatan radar VHF LAPAN
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-162
2.3.2 Plotting Data I dan Q
Dilakukan plotting nilai daya sinyal I dan Q pada ketinggian h1 = 1200m, h2 = 2100m
dan harga rata-ratanya :
HASIL PENGOLAHAN DATA RADAR
DATA 11062008; 09:35 AM DATA 13062008; 01:12 PM
DATA 12062008; 07:08 PM
Gambar 5. Plotting Data I dan Q
2.3.3 Verifikasi Sinyal Echo Dari Atmosfer
Dilakukan pengujian distribusi data I dan Q secara grafis, apakah Probability Density
Function (PDF) nya mengikuti pola Gaussian dan Rayleigh. Software penguji dibuat dalam
bahasa pemograman Matlab, dimana formula Probability Density Function Gaussian yang
digunakan:
x = I atau Q atau I2 + Q2
= standar deviasi
222 N
QI == σσ = variansi
Sedangkan formula Probability Density Function Rayleigh yang digunakan adalah:
x = I atau Q atau I2 + Q2
( )( )
Rxx
exx
∈
−==−−
;1
2
1 2
2
22
, σµϕ
σπσϕ σ
µ
σµ
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-163
Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa umumnya PDF dari sinyal I, Q dan I2 + Q2 mengikuti
bentuk fungsi Gaussian ataupun Rayleigh yang disyaratkan. Didapat kesimpulan sementara
bahwa sinyal radar yang diterima merupakan sinyal echo dari atmosfer. Hasil ini perlu
diverifikasi dengan menggunakan lebih banyak lagi sinyal radar dan analisis power spectrum.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Studi Sistem Pengolahan Data MF Radar
Dilakukan studi banding tentang MF radar (2,008MHz) di Pameungpeuk dan Pontianak
untuk mempelajari sistem pengolahan datanya, sebagai referensi bagi sistem pengolahan data
radar VHF LAPAN. Dilakukan kegiatan mempelajari configurasi format file dari MF Radar
Pontianak (Sequence database file dan Experiment file), mempelajari Parameter format file
(system parameter file format for acquisition program version 3 dan phase table file formats),
serta mempelajari tentang IDI (imaging doppler interferometry) display module. Diperoleh
contoh hasil pemrosesan data MF radar yang menunjukkan Zonal Velocity, Meridional Velocity,
Vertical Velocity, Power dan SNR (Signal to Noise Ratio) terhadap ketinggian.
3.2 Studi Sistem Pengolahan Data EAR Kototabang
Dari diagram blok EAR (Equatorial Atmosphere Radar) diperoleh informasi tentang
alur sinyal 47 MHz dan cara pengolahan datanya dengan menggunakan DSP (Digital Signal
Processing).
Gambar 6. Diagram Blok EAR
Gambar 7. Aliran Sinyal Pada Sistem Pengolahan Data EAR
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-164
Pemrosesan data pada EAR memberikan informasi daya diterima radar EAR dalam
bentuk plotting daya, angin zonal, angin meridional, angin vertikal, dan tabel daya terhadap
ketinggian. Digunakan ADC 14 bit dengan frekuensi pencuplikan maksimum 2MHz, sehingga
mampu memberikan data dengan range gate 1024, Coherent Integral number 1 – 128, FFT
(Fast Fourier Transform) 2n, dan Incoherent Integral 1 – 32 (Shoijuro et. al, 2003).
On-The Job Training (OJB) at the EAR site di Kototabang Bukittinggi pada pertengahan
Oktober 2008, memberikan informasi analisis data terhadap data EAR dengan menggunakan
Microsoft Excel. Dari training ini diperoleh masukkan cara untuk memplot data angin zonal,
meridional, dan vertikal dari data EAR, serta membandingkannya dengan data radiosonde untuk
mendapatkan informasi kondisi atmosfer pada berbagai ketinggian.
3.3 Studi Sistem Pengolahan Data Radar VHF Lainnya
Juga dilakukan studi tentang sistem pengolahan data radar VHF Jicamarca Peru dan
radar VHF Chung-Li Taiwan, namun saat ini masih dalam pengkajian.
3.4 Desain Sistem Pengolahan Data Radar VHF LAPAN
Dari hasil studi terhadap sistem pengolahan data berbagai sistem radar yang telah
dilakukan, dapat dibuat suatu desain sistem pengolahan data untuk radar VHF LAPAN, dimana
pengolahan sinyal echo atmosfer analog yang dihasilkan penerima radar diproses menjadi
informasi daya echo, pergeseran Doppler, lebar spektral, dan level noise, dilakukan pada sistem
DSP seperti yang terlihat pada Gambar 3.4. Dari Frequency Power Spectrum akan diketahui
besar turbulent echo yang mempunyai distribusi Gaussian (M. Yamamoto, 2008).
Digital signal processingDigital signal processing
A/D: Analog-to-Digital converter
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
-10 -5 0 5 10
Frequency [Hz]
Pow
er S
pect
ral D
ensi
ty [d
B]
Gambar 8. Diagram Blok Sistem DSP
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-165
3.5 Pembahasan
Pengolahan sinyal radar pada sistem DSP dimulai dengan proses pengubahan sinyal
analog I (In-phase) dan Q (Quadrature) yang merupakan sinyal echo dari atmosfer menjadi
sinyal digital pada unit ADC (Analog to Digital Converter). Selanjutnya dilakukan perhitungan
Coherent Integration terhadap sinyal digital tersebut. Sinyal I dan Q akan dirata-ratakan secara
terpisah. Waktu integrasi harus lebih pendek dari waktu korelasi sinyal-sinyal yang ada. Waktu
korelasi ditentukan dengan mengubah posisi target pada area pencuplikan dan skala waktu
fluktuasi indeks refraksi. Bila sinyal target tidak berubah selama waktu integrasi, merata-ratakan
N buah data coherent akan meningkatkan nilai SNR (Signal to Noise Ratio) dikali Ncoh.
Selanjutnya digunakan perhitungan FFT (Fast Fourier Transform) untuk menghitung
frequency power spectrum dari data digital yang diperoleh. Tersedia berbagai algoritma
perhitungan FFT seperti Cooley-Tukey algorithm dan Prime-factor algorithm).
Pada proses Incoherent Integration, data spektral dirata-ratakan untuk mengurangi
fluktuasi spektral, yang akan efektif untuk meningkatkan keakuratan estimasi parameter-
parameter spektral. Disarankan untuk menyimpan dulu data serial yang akan diintegrasi, karena
incoherent integration tidak perlu dihitung secara real-time dan memperbanyak data lebih
berguna untuk meningkatkan SNR (Yamamoto, 2008).
Karena radar VHF LAPAN menggunakan penerima 3 kanal dimana setiap kanal
menghasilkan sinyal analog I dan Q, maka diperlukan 6 buah ADC yang masing-masing
didedikasikan khusus untuk proses digitasi. Diperlukan ADC dengan kecepatan pencuplikan
minimum 2MHz seperti yang digunakan pada EAR Kototabang.
Saat ini untuk merealisasikan perhitungan Coherent Integration, FFT, Incoherent
Integration, dan Power Spectral Estimation tidak perlu lagi dengan perangkat keras, dapat
dilakukan perhitungan dengan perangkat lunak yang dioperasikan pada PC berkecepatan tinggi.
Perangkat lunak yang diperlukan akan diimplementasikan pada tahun 2009, sedangkan
pengadaan perangkat kerasnya akan dilakukan pada tahun 2010.
4. KESIMPULAN
Dari uraian yang telah dikemukakan di atas, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai
berikut:
a. Sistem pengolahan data radar VHF LAPAN saat ini menggunakan ADC berupa Meilhaus
ME-4660S DAQ Card 16 bit 500kHz dengan 8 kanal input A/D yang memungkinkan
digitasi 6 sinyal output penerima radar secara simultan. ADC ini pada awalnya digunakan
Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008
Universitas Lampung, 17-18 November 2008
ISBN : 978-979-1165-74-7 X-166
untuk pengujian sistem radar (sebagai generator sinyal pulsa kontrol radar) dan tidak
didedikasikan khusus sebagai konverter sinyal analog ke digital.
b. Desain sistem pengolahan data untuk radar VHF LAPAN yang sedang dibuat merupakan
suatu sistem DSP dimana dilakukan proses digitasi sinyal I dan Q, perhitungan Coherent
Integration, perhitungan FFT, perhitungan Incoherent Integration, dan Power Spectral
Estimation untuk memperoleh parameter-parameter spektral.
c. Implementasi perangkat lunak untuk sistem DSP akan dilaksanakan pada tahun 2010,
sedangkan pengadaan perangkat kerasnya akan dilakukan pada tahun 2010.
d. Diperlukan 6 buah ADC dengan kecepatan pencuplikan minimum 2MHz yang
didedikasikan khusus sebagai pengubah sinyal analog output dari penerima menjadi sinyal
digital.
DAFTAR PUSTAKA Meilhaus Editor, 2005. “Manual ME-4650/4660/4670/4680”, Meilhaus Electronic Manual Mohamad Sjarifudin, Aries Kurniawan, Adi Purwono, Peberlin Sitompul, 2006. Sistem
Instrumentasi dan Konfigurasi Perangkat Keras Radar VHF LAPAN, Seminar Nasional Sains Antariksa III, LAPAN, Bandung
M. Yamamoto, 2008. Radar Observation at the Atmosphere, A JSPS Asia-Africa Science
Platform Program: Elucidation of Ground-Based Atmosphere Observation Network in Equatorial Asia, Lecture Series 1: Cloud Science and Radar Observation of the Atmosphere, LAPAN, Bandung
S. Kaloka, M. Sjarifudin, E. Hermawan, J. Roettger, T. Weissenberg, C. Marcuse, M. Chandra,
C. Jacobi, G. Viswanathan, R. Ranga Rao, 2006. The LAPAN-TRAINERS VHF Radar for Tropical Atmosphere Research in Indonesia, Proceedings of MST-11, Gadanki India
Shoichiro Fukao, Hiroyuki Hashiguchi, Mamoru Yamamoto, Toshitaka Tsuda, Takuji
Nakamura, Mayasuki K. Yamamoto, 2003. Equatorial Atmosphere Radar (EAR): System Description and First Results, Radio Science, Vol. 38, No. 3, 1053