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-
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-