Halo kembali lagi dengan saya. Sekarang saya ingin lanjutkan tulisan sebelumnya tentang FMCW radar (klik untuk menuju tulisan sebelumnya). Kalau sebelumnya saya cerita tentang prinsip kerja, perhitungan, dan simulasinya, sekarang saya akan berbagi tentang proses pembuatan sistemnya. Disini akan banyak foto karena bagian dari dokumentasi kerjaan saya dan tim yang mengerjakan. Ditulisan sebelumnya, saya sudah memberikan diagram blok sistem yang akan dibuat. Sekarang saya akan berikan foto kerjaan satu per satu. Mari disimak ya
Ramp generator
Seperti yang sudah saya jelaskan sebelumnya, bagian ini terdiri atas arduino UNO dan modul DAC untuk menghasilkan gelombang ramp (sawtooth) untuk memodulasi VCO (Voltage Controlled Oscillator). Penampakannya seperti dibawah ini.
Modul DAC di atas dipasang pada Arduino UNO. Disini gelombang ramp (sawtooth) pertama kali dihasilkan oleh Arduino UNO dengan resolusi 8 bit. Karena resolusi 8 bit, maka gelombang yang dihasilkan terlihat patah-patah seperti 255 anak tangga. Amplitudo gelombang keluaran pin Arduino maksimum 5V. Gelombang ini yang kemudian diubah menjadi analog oleh DAC dengan amplitudo dan offset yang dapat diatur sesuai kebutuhan. Offset berfungsi untuk menetukan frekuensi awal (frekuensi batas bawah) yang dipancarkan oleh VCO, sedangkan amplitudo maksimal menentukan frekuensi akhir (frekuensi batas atas) yang dipancarkan oleh VCO. Nilai offset diatur oleh RA_OFFSET, sedangkan amplitudo ramp diatur oleh RA_GAIN1 dan RA_GAIN2 (Klik foto di atas untuk lebih jelas). Untuk mendapatkan amplitudo maksimal, atur multiturn RA_GAIN1 dan RA_GAIN2 sehingga amplitudo tidak naik lagi. Pada gambar di atas, ramp DAC yang ditunjukkan oleh tanda panah hijau harus dihubungkan dengan Vtune VCO. Selain penghasil ramp, Arduino UNO juga berfungsi sebagai trigger atau pemicu untuk mulai sampling ADC yang dilakukan oleh Arduino DUE yang akan saya jelaskan nanti. Gelombang ramp yang dihasilkan oleah Arduino UNO dan keluaran modul DAC seperti di bawah ini
Gambar di atas menunjukkan perbedaan antara gelombang keluaran Arduino dengan keluaran DAC. Ramp dari Arduino ini sebenarnya nilai bit-bit Arduino yang diubah menjadi tegangan analog, selanjutnya dikuatkan dan saya sebut ramp dari DAC. Untuk cara mengubah nilai bit menjadi tegangan analog akan saya tulis di lain kesempatan. Amplitudo ramp Arduino UNO harus dikuatkan karena maksimal hanya 5V. Untuk gelombang ini saya set pada frekuensi sekitar 100 Hz, tapi di osiloskop terbaca hanya sekitar 98 Hz. Anggap saja dibulatkan menjadi 100 Hz. Gelombang keluaran dari DAC ini lah yang akan dihubungkan oleh pin Vtune yang ada pada VCO. Ini foto waktu saya cek dengan osiloskop. Untuk rangkaian sistem secara keseluruhan saya tampilkan pada akhir tulisan ini.
Oh ya frekuensi gelombang ramp ini dapat diatur di Arduino UNO. Blok Arduino UNO dan DAC ini disebut juga blok baseband. Berikut ini saya lampirkan juga file source code Arduino UNO dan skema rangkaian DAC yang saya gunakan. Silahkan diunduh dan dimodifikasi untuk belajar. Jangan lupa baca catatan yang saya tulis format .txt dulu ya.
RF Section
Untuk blok ini terdiri atas komponen yang menangani frekuensi radio seperti VCO, amplifier, splitter, dan mixer. Blok ini seperti gambar di bawah ini.
Fungsi dari masing-masing komponen sudah saya jelaskan di tulisan berikutnya. Tampak ada VCO yang punya 3 pin pada gambar di atas, Vcc, GND, dan Vtune (klik foto di atas untuk lebih jelas). Catu daya VCO +12V sedangkan amplifier +5V. Pastikan catu daya yang dihubungkan ke komponen sudah benar, jika tidak komponen akan rusak. Hal itu sudah pernah terjadi dan harus mengganti komponen yang rusak. Gelombang ramp dari DAC dihubungkan ke Vtune untuk memodulasi frekuensinya. Untuk lebih jelasnya, di bawah ini gambar spektrum frekuensi keluaran VCO dengan Vtune yang terhubung dengan gelombang ramp dari DAC.
Pada tulisan sebelumnya saya sudah jelaskan fungsinya VCO (Voltage Controlled Oscillator). Frekuensi yang dihasilkan oleh VCO bergantung amplitudo gelombang ramp dari DAC yang terhubung pada Vtune. Ketika tegangannya rendah maka frekuensinya rendah, ketika tegangannya tinggi maka frekuensinya tinggi. Gambar di atas saya ambil ketika saya cek menggunakan spectrum analyzer. Jika semuanya terhubung dengan benar, maka kita akan dapatnya spektrum seperti foto di atas. Keluaran splitter ZX10-2-42-S+ dihubungkan dengan masukan spectrum analyzer. Sumbu x adalah frekuensi dan sumbu y adalah power spektrumnya. Puncak-puncak yang tampak merupakan spektrum frekuensi yang hasilkan oleh VCO. Semakin ke kanan semakin tinggi frekuensinya. Dari gambar di atas kita tahu bahwa VCO telah berfungsi dan memancarkan gelombang dari frekuensi rendah hingga tertinggi karena dikendalikan oleh gelombang ramp dari DAC. Berapa frekuensi terendah dan tertingginya? Sekali lagi, frekuensi terendah dan tertinggi yang dihasilkan oleh VCO ditentukan oleh offset dan amplitudo gelombang ramp. Disini gelombang ramp yang saya gunakan mulai dari 960mV hingga 8.32 V seperti gambar di bawah ini.
Dengan tegangan Vtune seperti pada gambar di osiloskop maka frekuensi terendah yang dipancarkan sekitar 2 GHz dan frekuensi tertingginya adalah sekitar 2.750 GHz. Sehingga bandwidth gelombang yang dipancarkan adalah 750 MHz, hampir sama dengan yang ditunjukkan pada spectrum analyzer. Atur gelombang ramp dengan memutar RA_OFFSET, RA_GAIN1, dan RA_GAIN2 sedemikian rupa sehingga gelombang tidak terpotong bagian atas atau bawahnya. Jika terpotong maka akan mempengaruhi frekuensi yang dipancarkan dan data yang didapatkan tidak baik. Gelombang ramp cacat seperti di bawah ini.
Bisa tidak kalau frekuensi awal yang dipancarkan diubah menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dan mengubah bandwidth frekuensinya? Bisa, cukup ubah saja offset dan amplitudo gelombang ramp maka frekuensi awal dan bandwidth otomatis akan ikut berubah. Blok RF disini hanya memiliki 3 komponen aktif yaitu VCO dan 2 amplifier. Sedangkan attenuator, mixer, dan splitter merupakan komponen pasif.
ADC (Arduino DUE)
Pada tulisan sebelumnya, saya sudah membahas tentang sinyal keluaran mixer. Sinyal yang dihasilkan oleh mixer adalah perkalian gelombang yang dipancarkan dengan gelombang yang dipantulkan. Hasilnya adalah sebuah chirp yang dimodulasi oleh frekuensi yang lebih rendah. Frekuensi yang memodulasi ini adalah frekuensi beat. Frekuensi ini lebih rendah dari frekuensi gelombang yang dipancarkan. Pada kasus ini, frekuensi beat berada pada rentang frekuensi audio sehingga dapat diproses menggunakan Arduino atau bahkan sound card. Tapi disini saya dan tim menggunakan Arduino DUE untuk sampling sinyal keluaran mixer. Menurut informasi dari forum, sampling rate Arduino DUE mencapai 100 kS/s, jadi lebih dari cukup untuk sampling sinyal frekuensi audio. Sebelum diubah dengan ADC, sinyal keluaran mixer melewati filter terlebih dahulu untuk melemahkan komponen frekuensi tinggi. Setelah itu level tegangan sinyal dikonversi menjadi 3.3 V. Hal ini karena Arduino DUE bekerja pada tegangan 3.3 V, sehingga tegangan maksimal yang masuk pada pin I/O adalah 3.3 V. Modul yang berisi filter dan voltage converter ini disebut dengan video amplifier. Di bawah ini gambar Arduino DUE dan modul video amplifier.
Tanda panah hijau di gambar merupakan input yang berasal dari mixer. Sinyal yang telah melewati filter dan dikonversi ke level 3.3 V akan masuk ke ADC Arduino DUE kemudian dikirim ke komputer. Tapi tunggu dulu, mulai sampling ADC pada sinyal yang masuk tidak dilakukan sembarangan. Mulai sampling ADC harus sinkron dengan awal gelombang ramp. Artinya sampling ADC dimulai sejak frekuensi awal dipancarkan. Untuk lebih jelasnya mari kita lihat gambar dibawah ini.
Tampak ada impuls yang saya beri tanda panah merah. Impuls terjadi pada awal ramp. Jika dilihat di gambar, amplitudo impuls hanya 2.56 V. Seperti yang saya katakan atas bagian ramp generator, impuls ini dihasilkan oleh Arduino UNO. Karena UNO bekerja pada tegangan 5V maka keluaran pin I/O UNO juga maksimal 5V. Impuls ini masuk ke salah satu pin Arduino DUE. Ketika ada impuls, maka DUE mulai samplin ADC sinyal yang masuk. Karena DUE bekerja pada tegangan 3.3V maka pin I/O DUE maksimal hanya menghasilkan atau menerima 3.3V juga. Oleh karena itu, amplitudo impuls dari UNO harus diturunkan menggunakan resistor pembagi tegangan dan dihubungkan ke salah satu pin Arduino DUE sebagai tanda mulai sampling ADC. Sinyal yang telah dikonversi menjadi data digital akan dikirimkan ke komputer. Selanjutnya dilakukan operasi FFT (Fast Fourier Transform) dari data tersebut untuk menghitung frekuensi beat nya. Dengan kata lain, operasi FFT dilakukan pada setiap segmen. Kemudian hasilnya dirata-rata dan kita dapatkan frekuensi bea rata-rata. Jika frekuensi beat sudah diketahui maka jarak objek dapat dihitung dan ditampilkan pada layar (silahkan kunjungin tulisan sebelumnya). Skema rangkaian video amplifier ini, source code Arduino DUE, dan MATLAB juga tersedia disini. Semua ilmu dan pengalaman yang dibagi di blog ini GRATIS 🙂
Perakitan
Sekarang kita sampai pada proses perakitan sistem. Disini saya akan melampirkan foto-foto kotak komponen hingga perakitan semuanya. Saya menggunakan akrilik untuk membuat kotak seperti dibawah ini.
Ini kotak masih belum saya kupas lapisan luarnya sehingga terlihat agak coklat begini. Beberapa lubang yang tampak itu untuk koneksi dengan perangkat luar seperti laptop/komputer, power supply, dan antena. Saya lampirkan lagi foto-foto yang lain.
Nah disini (menurut saya) mulai lebih jelas bagaimana Arduino dan modul-modul yang telah saya jelaskan dirakit menjadi satu sistem. Di gambar atas ada 2 Arduino dengan masing-masing shield. Sebelah kiri Arduino DUE dengan video amplifier di atasnya, sebelah kanan Arduino UNO dengan modul DAC di atasnya, sedangkan yang depan adalah modul RF (Radio Frequency). Di bawah ini gambar ketika modul di atas masuk dalam kotak.
Power supply yang dibutuhkan disini +12V dan +5V. Bagian yang membutuhkan catu daya +5V disini ada RF amplifier. Jadi sistemnya ditambah regulator catu daya +5V. Catu daya yang digunakan jenisnya switching. Untuk skematik rangkaian regulator +5V saya sediakan disini.
Setelah catu daya dipasang maka hasilnya seperti ini
Jack DC untuk input +12V dari catu daya eksternal, kemudian IC MC34063A meregulasi tegangan menjadi +5V untuk digunakan oleh RF amplifier. Sedangkan port USB untuk komunikasi Arduino DUE dengan komputer (kirim data ADC dan download source code). Setelah itu dirangkai semua dengan kabelnya akhirnya jadi seperti di bawah ini
Sekarang tinggal uji coba. Mau tau hasilnya? Tunggu tulisan saya berikutnya ya. Nggak cukup kalau ditulis disini semua. Tulisan berikutnya akan saya jelaskan tentang cara koneksi antar komponen yang digunakan dan jumper nya. Semua ilmu dan pengalaman disini GRATIS. Semoga bermanfaat 🙂
Sumber
Merrill I Skolnik. Radar Handbook Thrid Edition.2008. McGraw Hill
Merrill I.Skolnik. Introduction to Radar Systems.1980.McGraw Hill
Amateur physicist 
hehehe.. bener! judulnya heboh. 😀 isinya beraatt..
sukses selalu Tioo.. 🙂
Ini niru media jaman sekarang tus. Headline nya kan wah banget tapi isinya ya gitu gitu doang. Sekarang aku tiru, tapi isinya agak berbobot dikit hehe
Iyya.. setuju. itu tingkat sharenya tinggi kalau di FB. dan di share sama orang2 yang biasanya nggak perlu baca isinya. apalagi kalau ditambah, “ketik amin untuk masuk surga” 😀
Aha! Ide untuk tulisan selanjutnya.