Paper Semnas SNIKA06 Eko Marpanaji

Seminar Nasional Ilmu Komputer dan Aplikasinya – SNIKA 2006

09/11/2006

ARSITEKTUR SOFTWARE-DEFINED RADIO (SDR)
Eko Marpanaji, Bambang Riyanto T., Armein Z.R. Langi, Adit Kurniawan,
Andri Mahendra
Teknik Elektro STEI ITB
ekoaji332@students.itb.ac.id, briyanto@lskk.ee.itb.ac.id, langi@lss.ee.itb.ac.id
adit@ltrgm.ee.itb.ac.id

Abstrak
Software-Defined Radio (SDR) menawarkan sebuah sistem komunikasi nirkabel yang
fleksibel dan dapat dikonfigurasi ulang sehingga perubahan standar dapat dilakukan pada
perangkat lunaknya saja. Sistem ini sangat cocok untuk membangun sistem komunikasi yang
relatif murah untuk daerah pegunungan dan pedesaan yang sulit dijangkau oleh jaringan kabel.
SDR juga mendukung pengembangan komunikasi seluler dan bergerak untuk generasi
mendatang, Next Generation Networks (NGN), serta Rural Next Generation Networks (R-NGN).
Tingkat fleksibilitas SDR sangat ditentukan oleh arsitektur SDR. Makalah ini akan
menguraikan arsitektur dan perkembangan teknologi SDR serta hasil penelitian awal tentang
contoh-contoh aplikasi SDR untuk komunikasi. Harapannya, dengan menguasai teknologi SDR

diharapkan dapat menjadi sarana dalam pengembangan teknologi komunikasi nirkabel di tanah
air di masa datang.

Kata Kunci: software-defined radio, arsitektur, usrp, sinyal IF, modulasi, demodulasi, perangkat
lunak.

teknologi alternatif yang sangat diperlukan untuk

1. PENDAHULUAN

mengatasi masalah tersebut.

Perubahan standar komunikasi yang begitu

Software-Defined Radio (SDR) merupakan

cepat menjadi masalah yang serius bagi provider,
karena sebagian besar teknologi komunikasi yang

teknologi


dikembangkan diimplementasikan dalam bentuk

ditentukan

perangkat

menjalankan

keras[1].

Perubahan

standar

komunikasi
oleh

berbasis


perangkat

fungsinya.

nirkabel
lunak

SDR

yang
dalam

memiliki

sifat

komunikasi selalu mendorong investasi perangkat

fleksibel dan dapat dikonfigurasi ulang sehingga


keras yang

perubahan

baru dan akan mengakibatkan

standar

atau

fungsi

radio

dapat

mahalnya biaya langganan, sehingga masyarakat

dilakukan pada perangkat lunak tanpa harus


tingkat ekonomi menengah kebawah tidak mampu

mengganti perangkat kerasnya.
Kedepan,

menikmati layanan yang diberikan.

berbasis

Indonesia sebagian besar terdiri dari daerah

SDR

sistem

komunikasi

sangat

diperlukan


dalam

komunikasi

seluler

pedesaan (rural) dan pegunungan dengan kondisi

pengembangan

masyarakat

generasi ke-3 (3G) seperti WCDMA dan UMTS,

yang

memiliki

tingkat


ekonomi

sistem

nirkabel

menengah kebawah, dan sebagain besar belum

generasi

bisa

Sistem

Networks (NGN), serta Rural Next Generation

komumunikasi nirkabel yang murah merupakan

Networks (R-NGN). Teknologi SDR juga sangat


menikmati

layanan

komunikasi.

-1-

setelahnya

atau

Next

Generation

Seminar Nasional Ilmu Komputer dan Aplikasinya – SNIKA 2006

09/11/2006


cocok untuk pengembangan jaringan komunikasi

melakukan konversi analog ke dijital atau dijital ke

nirkabel di negara kita.

analog,

sehingga

membutuhkan

wideband

Makalah ini akan menjelaskan arsitektur

ADC/DAC. Fungsi radio akan dilakukan oleh

SDR, perkembangan teknologi SDR serta hasil


perangkat lunak yang dijalankan oleh prosesor,

penelitian awal tentang SDR yang menjawab

sehingga

pertanyaan

arsitektur

Namun

question):

demikian, keterbatasan teknologi dan mahalnya

SDR?

Dapatkah


wideband ADC/DAC mendorong untuk sedikit

menggunakan

komponen

mengubah arsitektur SDR dalam menempatkan

arsitektur

dibangun

fleksibel[2][4][5][6].

(research

penelitian

Bagaimanakah

lebih

komoditas?

ADC/DAC sehingga menjadi realistis seperti yang

Sistematika

makalah

ini

adalah:

ditunjukkan pada Gambar 2 berikut ini.

(1)

pendahuluan; (2) arsitektur SDR; (3) desain
Wideband
Antenna

arsitektur SDR; (4) implmentasi SDR; (5) aplikasi:

Wideband
Analog IF
Signal

radio penerima SDR menggunakan usrp; dan (6)

Wideband
ADC/DAC

RF Front End
(Up/Down
Converter, RF
Power Amp)

kesimpulan.

Data Out

ADC

Processor
and
Memory

DAC

Data In

2. ARSITEKTUR SDR
Gambar 2. Arsitektur SDR Realistis

Software-Defined Radio (SDR), ada yang
menyebut

juga

Software

Arsitektur

(SWR),

Radio

SDR

yang

lebih

realistis

diperkenalkan pertama kali pada tahun 1991 oleh

menempatkan wideband ADC/DAC setelah Down

Joseph Mitola[2][3]. Istilah SDR ini digunakan

Converter/Up Converter, sehingga konversi analog

untuk menunjuk sebuah kelas radio yang dapat

ke dijital atau sebaliknya berkaitan dengan sinyal

dikonfigurasi

ulang[4],

Intermediate Frequency (IF) yang lebih rendah

sehingga menghasilkan sebuah jenis perangkat

dibanding sinyal Radio Frequency (RF). Arsitektur

komunikasi nirkabel dengan mode dan band

ini saat ini banyak dikembangkan dan dalam

frekuensi ditentukan oleh fungsi perangkat lunak.

proses penelitian untuk implementasinya. Adapun

ulang

atau

diprogram

aturan-aturan

Secara ideal, SDR menawarkan fleksibilitas
(flexibility),

dapat

dikonfigurasi

yang

digunakan

dalam

proses

perancangan arsitektur SDR akan dijelaskan pada

ulang

bagian berikut ini.

(reconfiguribility), memungkinkan untuk perluasan
(scalability), dan bahkan memiliki mode sebanyak

3. DESAIN ARSITEKTUR SDR

mungkin (multi mode). Arsitektur SDR secara ideal
ditunjukkan pada Gambar 1 berikut ini.

Desain

arsitektur

SDR

meliputi

desain

perangkat keras dan perangkat lunak. Mitola
Wideband Antenna

(2000) menyatakan ada 7 (tujuh) tahapan yang

Wideband ADC/DAC

ADC

DAC

harus dilakukan dalam membangun SDR, yaitu:
Processor
and
Memory

Information
(Out)

(1) perancangan antena jalur lebar (wide band

Information
(In)

antenna); (2) rancangan frekuensi RF disesuaikan
dengan

RF Power
Amp

kemampuan

ADC-DAC

sehingga

diperoleh unjuk kerja yang baik; (3) pemilihan
Gambar 1. Arsitektur SDR Ideal

ADC/DAC untuk sinyal jalur lebar; (4) membangun

Arsitektur SDR ideal akan menempatkan

interkoneksi jalur lebar untuk menghubungkan

ADC/DAC sedekat mungkin dengan antena untuk

ADC/DAC dengan prosesor; (5) membangun

-2-

Seminar Nasional Ilmu Komputer dan Aplikasinya – SNIKA 2006

09/11/2006

prosesor untuk pengolahan sinyal dijital, termasuk

menggunakan bank filter polifase dalam pemilihan

proses modulasi dan demodulasi; (6) merancang

saluran sistem AMPS, komunikasi radio FM dan

perangkat lunak, diutamakan berbasis obyek

SSB[11].

termasuk message passing dan encapsulation; (7)

sebagai prosesor pemilihan saluran[12]. Pucker

merancang aplikasi.

(2002)

SDR memiliki keuntungan karena sifat
fleksibilitas

(flexibility),

lengkap

(2001)

menggunakan

membandingkan

tiga

model

FPGA

proses

pemilihan saluran yaitu Digital Down Converter

dapat

(DDC), Frequency Domain Filtering (FDF) dan

dikonfigurasi ulang secara mudah (complete and

Polyphase FFT Filter Bank (PFFB) dengan melihat

diskala

laju keselahan bit (bit error rate or BER). Hasil

(2004)

yang diperoleh bahwa BER tidak dipengaruhi oleh

menyatakan bahwa isu kunci utama sebuah

ketiga arsitektur. Untuk keperluan optimasi, DDC

platform SDR embedded adalah sifat fleksibilitas

paling tidak efisien untuk saluran yang sangat

(flexibility), dapat diperluas (expandability), dapat

banyak, PFFB cocok untuk struktur saluran yang

diskala (scalability), dapat dikonfigurasi ulang

memiliki

(reconfigurability), dan dapat diprogram ulang

kebutuhan fleksibilitas[13].

easy

reconfigurability),

(scalability)[2].

serta

dan

Dick

Sedangkan

dapat

Cristensen

(reprogrammability). Sifat-sifat ini harus muncul

kemampuan

Berdasarkan prinsip-prinsip desain tersebut,
pakar

melakukan

penelitian

dan

FDF

cocok

untuk

Isu penting dalam desain SDR adalah

dalam produk akhir dalam desain sebuah SDR[7].

banyak

redudansi

ADC/DAC

dan

kapasitas

atau

kecepatan komputasi prosesor untuk pengolahan

tentang

sinyal dijital. Kedua isu ini akan menentukan unjuk

arsitektur SDR. Gweon (2005) mengembangkan

kerja SDR. Unjuk kerja SDR dapat dilihat dari

arsitektur reconfigurable SDR berbasis W-CDMA

Quality of Service (QoS), yaitu bit rate, bit error

dan CDMA menggunakan DSP TMS320C6416-

rate (BER), packet loss rate (PLR), dan delay

600 MHz. Modulasi-demodulasi W-CDMA dan

spread[4]. Kapasitas komputasi prosesor biasanya

CDMA masih diimplementasikan dalam perangkat

dinyatakan dalam millions operations per second

keras, sehingga terbatas untuk dual-mode[8].

(MOPS) dan dihitung berdasarkan kebutuhan

Bose (1999) mengembangkan arsitektur SDR

komputasi untuk pengolahan sinyal dijital.

menggunakan komputer PC (general purpose
processor),yang kemudian disebut dengan “virtual

4. IMPLEMENTASI SDR

radio”[9]. Bose menyarankan untuk mengkaji lebih

Pengembangan

jauh lagi tentang rancangan filter untuk menangani

mempertimbangkan aspek

dijitasi sinyal RF jalur lebar (wideband) serta

dalam penelitian ini menggunakan arsitektur SDR

pemrosesan

realistik

sinyal

dijital

secara

paralel.

seperti

arsitektur

yang

SDR

ekonomi, sehingga

ditunjukkan

Gambar-2.

Corneloup (2002) mengimplementasikan arsitektur

Arsitektur ini menempatkan ADC/DAC setelah

SDR

pada

SHARC,

dengan

rangkaian

paralel

(sistem

sehingga pemrosesan dilakukan pada sinyal IF

multiprosesor) dibawah kendali sistem operasi

bukan sinyal RF. Cara ini akan menurunkan aspek

real-time[10].

komputasi. Kapasitas komputasi prosesor dapat

pendekatan

board

DSP

pemrosesan

Down

Converter/Up

Converter,

Proses pemilihan saluran (channelization)

diturunkan dari kebutuhan pemrosesan sinyal

juga mendapat perhatian khusus para peneliti

dijital untuk sistem penerima dan sistem pemancar

karena menentukan fitur multi-channel ataupun

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 berikut

multi-band

ini.

sebuah

SDR.

Harris

(2003)

-3-

Seminar Nasional Ilmu Komputer dan Aplikasinya – SNIKA 2006

09/11/2006

Tx
Sinyal informasi
dijital
(deretan bit)

Modulasi
(Misal GMSK atau
QAM)

Pemrosesan
Sinyal IF dijital
(I dan Q)

Up Converter
dan
DAC

Software

Pengembangan
Perangkat Lunak
Aplikasi

Eksplorasi
USRP

Hardware

Saluran AWGN

(Penelitian Sebelumnya)

Sistem
Komunikasi
Dijital Berbasis
SDR dengan
laju bit 256
kbps

USRP

Komputer
Computer

Hardware

Software
Sinyal informasi
dijital
(deretan bit)

Demodulasi
(Misal GMSK
atau QAM)

Pemilihan Saluran
dan Pengaturan
Gain sinyal IF

Computer

Down
Converter
dan ADC

PENGUJIAN

Rx

Gambar 3. Pemrosesan sinyal dijital

Gambar 4. Metodologi Penelitian Arsitektur
SDR

Kajian algoritma-algoritma perangkat lunak yang digunakan dalam SDR

SIMULASI MATLAB
Software
Perangkat Lunak Bantu (Pengujian
Unjuk Kerja)

Perangkat Lunak Software-Defined Radio untuk
Transmit

Perangkat Lunak Software-Defined Radio untuk
Receive

Hardware
Komputer/PC

GPP

FPGA

DAC

Komputer/PC

USRP

USRP
RF Front End
(Up
Converter, RF
Amp)

AWGN
Channel

RF Front End
(Down
Converter, RF
Amp)

FPGA

ADC

GPP

Noise

Gambar 5. Langkah-langkah dalam pembuatan prototype
Sebagai langkah awal penelitian, ujung depan
SDR

yang

dikembangkan

Gambar

sistem

yang
dalam

Universal Software Radio Peripheral (USRP) yang

pengembangan perangkat

lunak baik

proses

dikeluarkan oleh GNU Radio dengan komputer

coding maupun testing, serta banyak perangkat

pribadi

lunak

pemrosesan

sinyal

seperti

tulang

punggung

yang

ditunjukkan

-4-

open

ini

pemilihan

kemudahan

sebagai

dikembangkan

Alasan

adalah

(PC)

menggunakan

4.

source

untuk

pengembangan

Seminar Nasional Ilmu Komputer dan Aplikasinya – SNIKA 2006

09/11/2006

perangkat lunak. Perangkat lunak menggunakan
sistem operasi Linux.
Unjuk

kerja

dapat

diukur

berdasarkan

konsumsi daya, biaya relatif dan kemampuan
komputasi atau menggunakan profile QoS (Quality
of Service) seperti: BER < 10 − 3 , Packet Loss Rate
< 10 − 2 , Delay Spread < 100 ms dan GoS (Grade
of Service) > 95% (Mitola, 2000). Angka-angka
yang

digunakan

sebagai

patokan

tersebut

disesuaikan rancangan aplikasi sistem SDR yang
akan dikembangkan.
Gambar 6. Penerima FM berbasis SDR
(Stasiun FM 102.7 MHz)

Kegiatan dalam pengembangan arsitektur
SDR meliputi simulasi MATLAB pengembangan
perangkat

lunak

implementasi

aplikasi

dan

algoritma

pemrograman

pengujian,

dalam

(menggunakan

bahasa

python

dengan

sistem operasi Linux), dan pengujian. Secara
lengkap tahapan kegiatan tersebut ditunjukkan
pada Gambar 5.

5. APLIKASI: RADIO PENERIMA
MENGGUNAKAN USRP
Dalam

penelitian

ini,

SDR

Gambar 7. Penerima radio AM

SDR
dengan

menggunakan USRP dan PC digunakan untuk
menangkap siaran radio FM broadcast. Hasilnya
ditunjukkan pada Gambar 6, yang menampilkan
grafik data dijital yang dihasilkan oleh USRP dan
grafik

sinyal

deemphasis.

Gambar

tersebut

tampilan siaran stasiun radio FM 102.7 MHz.
SDR

juga

dapat

digunakan

untuk

menangkap radio AM, seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 7.
Berdasarkan contoh-contoh tersebut, sistem
SDR

dicoba

untuk

dikembangkan

menjadi

Gambar 8. Penerima FM 2m frekuensi 143.200
MHz tanpa carrier (tidak ada sinyal)

pesawat radio komunikasi 2m dengan jangkauan
frekuensi 140-150 MHz, meskipun masih terbatas

Gambar 8 menunjukkan tampilan sinyal dari

untuk sistem penerima. SDR digunakan untuk

USRP untuk frekuensi 143.200 MHz saat tidak ada

menangkap sinyal RF dari sebuah HT 2m dengan

sinyal pemancar. Sedangkan Gambar 9 menun-

frekuensi 143.2 MHz, seperti yang ditunjukkan

jukkan

pada Gambar 8 dan Gambar 9.

-5-

sinyal

USRP

pada

saat

ada

sinyal

Seminar Nasional Ilmu Komputer dan Aplikasinya – SNIKA 2006

09/11/2006

pemancar (transmit dari HT) pada frekuensi

7. DAFTAR PUSTAKA

143.200 MHz.

[1] Shah, Alok, “An Introduction to Software Radio”,
[Online]http://www.vanu.com/ publications/
SWRprimer.pdf, 2002.

Penelitian ini akan terus dikembangkan
untuk

sistem

komunikasi

nirkabel

lainnya,

[2] Reed, Jeffrey H, “Software Radio: A Modern
Approach to Radio Engineering”, New Jersey,
Prentice Hall, 2002.

termasuk jenis-jenis modulasi dijital yang akan
digunakan untuk membangun sistem komunikasi

[3] Steinheider, J., “Software-defined Radio Comes of
Age”, Mobile Radio Technology, Feb 1st, [Online]
http://www.vanu.com/resources/intro/softwaredefined_radio_comes_of_age.html, 2003.

data dijital seperti modulasi GMSK, QAM atau
yang lainnya.

[4] Mitola, Joseph III, “Software Radio Architecture.
Object-Orienred Approaches to Wireless Systems
Engineering”, Canada, John Eiley & Sons, Inc,
2000.
[5] Lehr, W., “Software Radio:Implication for Wireless
Services, Industry Structure, and Public Policy”,
[Online] http:// itc.mit.edu/itel/docs/2002/
Software_Radio_Lehr_Fuencis.pdf, 2002.
[6] Guttag, J., “Software Radio for Adaptive
Networking”, [Online] http://web.mit.edu/ deshpande
center/downloads/presos/ideastream2003_wireless.
pdf, 2003.
[7] Christensen, Flemming, “A scalable SoftwareDefined Radio Development System”. [On-line]
http://www.xilinx.com/publications/xcellonline/
xcell_51/xc_pdf/xc_es-sundance51.pdf, 2004.

Gambar 9. Penerima FM 2m frekuensi 143.200
MHz saat ada sinyal pemancar

[8] Gweon-Do JO, “A DSP-Based Reconfigurable SDR
Platform for 3G Systems”, IEICE Transaction on
Communication, Vol.E88-B No.2 Feb. 2005.
[9] Bose, Vanu G., “Design and Implementation of
Software Radios Using a General Purpose
Processors”, [Online] http://www.sigmobile.org/phd/
1999/theses/bose.pdf. 1999.

6. KESIMPULAN
Berasarkan

uraian diatas,

maka dapat

disimpulkan:


Komponen-komponen
membangun

arsitektur

rangkaian analog RF,

penting

untuk

SDR

adalah

[10] Corneloup, M., “Open Architecture for Software
Defined
Radio
Systems”,
[Online]
http://
www.csem.ch/slats/files/AmblesideCom-Final.pdf Similar pages, 2002.

ADC/DAC untuk
[11] Harris, F.J., Dick,
C., and Rice, M., “Digital
Receivers and Transmitter Using Polyphase Filter
Banks for Wireless Communications”, IEEE
Transaction on Microwave Theory and Techniques,
Vol. 51, No.4, 1395-1412, 2003.

sinyal IF atau RF, dan prosesor sebagai
perangkat kerasnya, serta perangkat lunak
untuk menjalankan fungsi radio.


Aspek komputasi dapat diturunkan dari

[12] Dick, C.H., “Design and Implementation of HighPerformance FPGA Signal Processing Datapath for
Software Define Radios”,
[Online] http://
www.eetasia.com/ARTICLES/2001AUG/
2001AUG09_ ICD_AMD_RFD_TAC01.PDF, 2001.

kompleksitas algoritma perangkat lunak
dan

akan

menentukan

kapasitas

komputasi prosesor yang digunakan


[13] Pucker, L., “Channelization Techniques for Software
Radio”,
[Online]
http://www.
spectrumsignal.com/channel_techniques/
Channelization_Paper_SDR_forum.pdf, 2002.

Fleksibilitas SDR sangat ditentukan oleh
partisi dalam desain perangkat keras dan
perangkat lunak arsitektur SDR

-6-