PEMBALIK KOMPLEKS 8-BIT BERBASIS PENGALI DAN PEMBAGI SEKUENSIAL MENGGUNAKAN FPGA XILINX SPARTAN 3E UNTUK PENYAMAAN KANAL OFDM

Transkripsi

1 Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi PEMBALIK KOMPLEKS 8-BIT BERBASIS PENGALI DAN PEMBAGI SEKUENSIAL MENGGUNAKAN FPGA XILINX SPARTAN 3E UNTUK PENYAMAAN KANAL OFDM Nicolas Arya Kuntawijaya 1, Budi Setiyanto 2, Addin Suwastono 3 Abstract OFDM receiver needs a channel equalizer (CE) to gain similarity between received signals and transmitted signals. CE multiplies received signal with a weighting factor which results a signal similar with transmitted signal. Weighting factor is reciprocal of the channel estimator output, which become the multiplier factor in CE. This research offered a reciprocal circuit to process the output from estimator and interpolator blocks yield OFDM CE weighting factor. There are two reciprocal circuit designs in this final assignment. They are reciprocal without internal bit scaling (system A), and reciprocal with internal bit scaling (system B). Reciprocal circuits in this research is four sub-channels circuit, with sequential multiplier and sequential divider. The circuits are designed with VHDL (Very high speed integrated circuit Hardware Description Language) and Xilinx ISE 12i sofware. Design result and simulation show that system A and system B work properly, although there are few errors as result of binary number and internal bit scaling used in both systems. Both systems successfully implemented on FPGA Xilinx Spartan 3E XCS3S500E. System B uses fewer resources than system A, but less accurate. Intisari Sistem penerima OFDM membutuhkan penyama kanal (channel equalizer, CE) agar memperoleh isyarat terima yang mirip dengan isyarat kirim. CE bekerja dengan cara mengalikan isyarat terima dengan suatu faktor pembobot yang menghasilkan isyarat mirip isyarat kirim. Faktor pembobot adalah kebalikan (resiprokal) keluaran estimator dan interpolator OFDM, yang menjadi faktor pengali pada CE. Dalam penelitian ini dirancang pembalik kompleks (blok resiprokal) untuk mengolah keluaran estimator dan interpolator, sehingga menghasilkan faktor pembobot pada CE OFDM. Terdapat dua jenis pembalik kompleks yang dirancang, yakni pembalik kompleks tanpa penyekala internal (sistem A) dan pembalik kompleks dengan penyekala internal (sistem B). Rangkaian yang dirancang merupakan rangkaian empat subkanal, dengan komponen penguadrat dan pembagi yang bekerja secara sekuensial. Perancangan pembalik kompleks menggunakan VHDL (Very high speed 1 Mahasiswa, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Dadapan, Godean, Sleman,Yogyakarta , 3 Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM. Jln Grafika No.2 Kampus UGM Yogyakarta integrated circuit Hardware Description Language), dengan perangkat lunak Xilinx ISE 12i. Hasil perancangan dan simulasi menunjukkan bahwa sistem A dan sistem B dapat bekerja dengan baik, walaupun terdapat sedikit galat perhitungan yang disebabkan penggunaan bilangan biner dan penggunaan penyekala internal. Kedua sistem rancangan dapat diimplementasi pada FPGA Xilinx Spartan 3E XC3S500E. Rancangan sistem B terbukti lebih hemat daripada sistem A, namun tidak lebih akurat daripada sistem A. Kata Kunci OFDM, Pembalik kompleks. I. PENDAHULUAN Kebutuhan manusia terhadap komunikasi yang bersifat pita luas (broadband) yang semakin meningkat menyebabkan munculnya teknologi komunikasi ganerasi keempat, yaitu WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) dan LTE (Long Term Evolution). Keduanya menggunakan teknologi OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) yang dalam aplikasinya unggul karena dapat menghemat penggunaan lebar pita frekuensi. Pada skripsi sebelumnya sudah dirancang pembalik kompleks, namun berupa untai kombinatorial [1]. Skripsi ini memaparkan hasil penelitian tentang perancangan untai pembalik (resiprokal) kompleks dengan komponen penguadrat dan pembagi berupa untai sekuensial. untai pembalik kompleks merupakan masukan dari CE, namun tentang CE tidak dibahas dalam skripsi ini. untai pembalik kompleks merupakan faktor pembobot (weighting factor, WF) untuk CE. II. DASAR TEORI Selain efisiensi penggunaan spektrum yang baik, OFDM juga memiliki keunggulan diantaranya tahan terhadap pudaran lintasan jamak (multipath fading) dan tahan terhadap interferensi pengguna jamak (multiuser interference) [2]. Ortogonalitas membuat transmisi dapat dipancarkan secara simultan pada subpembawa dalam jarak antar subkanal yang sangat rapat tanpa menimbulkan interferensi satu sama lain. Dengan kata lain aliran data yang besar dibagi-bagi 132

2 Artikel Reguler menjadi aliran data yang lebih rendah, kemudian aliran data ini memodulasi subpembawa yang saling ortogonal [3]. OFDM diimplementasikan menggunakan pemetaan Quadrature Amplitude Modulation (QAM) di setiap subkanal. Simbol QAM kemudian diubah menjadi simbol OFDM. Dalam proses pemetaan QAM, bit-bit dibagi menjadi dua bagian yaitu Inphase dan Quadrature. Isyarat pembawa untuk komponen I dan Q berbeda fase 90 o [1]. Isyarat yang diterima pada umumnya berbeda dengan isyarat yang dikirim, karena propagasi isyarat dari pengirim ke penerima melewati kanal yang memiliki watak yang tidak ideal. Oleh karena itu diperlukan penerapan CE untuk memulihkan isyarat terima. Penerapan CE juga dapat memulihkan isyarat yang terkena pudaran selektif frekuensi. Subkanal yang bersifat pita sempit memungkinkan hal ini, karena sub kanal pita sempit jika terkena pudaran selektif frekuensi hanya mengakibatkan pudaran yang bersifat datar (flat fading). Pudaran yang bersifat datar yang terjadi pada subkanal dapat diatasi dengan mengatur faktor pembobot pada CE. Pengaturan faktor pembobot dilakukan dengan proses estimasi kanal yang bersangkutan, lalu mencari nilai resiprokal dari nilai estimasi kanal. Nilai resiprokal dari keluaran estimator merupakan faktor pembobot pada CE. Berikut merupakan persamaan untuk menghitung nilai resiprokal. Terdapat dua buah sistem yang dirancang, yakni blok resiprokal tanpa penyekala internal (sistem A), dan blok resiprokal dengan penyekala internal. Penyekala internal adalah sebuah pemangkas bit keluaran blok penguadrat. Penggunaan penyekala internal bertujuan mengurangi jumlah bit yang harus diproses oleh sistem, dengan harapan dapat menghemat sumber daya yang digunakan dan mengurangi tunda waktu sistem. B. Blok Resiprokal tanpa Penyekala Internal (Sistem A) Blok resiprokal sistem A sebagai satu kesatuan merupakan blok resiprokal empat subkanal yang disajikan dalam diagram kotak Gambar 2, yang membutuhkan slice (1.544 flip flop dan LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda waktu disajikan pada Tabel 1. Satu siklus operasi dirancang membutuhkan 63 detak, sehingga tunda sekuensial yang dibutuhkan sebesar 63 9,476 ns = 596,988 ns. Sehingga, latensi satu siklus perhitungan adalah (596,988 ns ns + 4,283 ns) ns = 609,876 ns. Kecermatan hasil ditinjau dari perbandingan keluaran aktual (Akt) terhadap keluaran ideal (Idl), yang tersaji pada Tabel 2 dan Tabel 3. Gambar 1. Pembalik satu subkanal (1) FPGA yang dipakai adalah seri XCS500E yang terdapat pada modul Spartan 3E starter kit. Seri ini memiliki buah slice. Perancangan menggunakan bahasa VHDL dan menggunakan perangkat lunak Xilinx ISE 12i. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Prinsip Perancangan Blok pembalik kompleks 8-bit atau blok resiprokal dirancang secara modular berjenjang, sehingga blok resiprokal tersusun atas blok blok yang lebih kecil. Blok blok penyusun blok resiprokal diantaranya adalah penguadrat, penjumlah kuadrat, penegatif, dan pembagi. Jika semua blok ini dirangkai, maka akan terbentuk blok resiprokal satu subkanal. Blok resiprokal sebagai satu kesatuan tersusun atas blok resiprokal satu subkanal yang dirangkai secara paralel sehingga membentuk blok resiprokal empat subkanal. dan keluaran sistem merupakan bilangan real dan imajiner dengan format bilangan magnitude bertanda (sign magnitude). Sistem yang dirancang bekerja seperti sebuah konverter yang keluarannya sebanding dengan persamaan (1), yang secara numeris memungkinkan keluaran yang tidak sesuai dengan persamaan. Gambar 2. Diagram kotak blok resiprokal sistem A TABEL 1. A Gerbang 5.827ns 3.885ns 3.863ns - Rute 3.649ns 4.720ns 0.420ns - Total 9,476ns 8.605ns 4,283ns - TABEL 2. (REAL) Real Sub-knl 0 Sub-knl 1 Sub-knl 2 Sub-knl 3 # #2 2,64 2 3,18 3-2,29-2 0,1 1 #3 2,47 2 1,98 1-2, ,93 15 #4 127, ,98 3-3,54-3 7,5 7 # ,24 1-1,99-1 1,16 1 TABEL 3. (IMAJINER) Imaj Sub-knl 0 Sub-knl 1 Sub-knl 2 Sub-knl 3 # #2 0,16 1-1,59-1 5,59 5-5,14-5 #3 - -1,95-1 0,19 1 3, ,93-15 #4 127, ,98 3 1,24 1-1,87-1 # ,96-1 0,00 1-1,

3 Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi C. Sistem A Satu Subkanal Blok resiprokal sistem A satu subkanal memiliki diagram kotak seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3. Gambar 3. Diagram kotak sistem A satu subkanal Sistem A satu subkanal menggunakan 571 slice (386 flip flop dan LUT empat masukan). Rincian estimasi waktu tunda disajikan pada Tabel 4. Satu siklus operasi dirancang membutuhkan 63 detak, sehingga total tunda sekuensial yang dibutuhkan sebesar 63 9,476 ns = 596,988 ns. Sehingga, latensi satu siklus perhitungan adalah (596,988 ns ns + 4,283 ns) ns = 608,733 ns. Pembalik sistem A satu subkanal tersusun atas beberapa komponen penyusun seperti yang disajikan oleh Gambar 4. TABEL 5. Gerbang 3.750ns 4.663ns 3.863ns - Rute 2.767ns 2.341ns 0.420ns - Total 6.517ns 7.004ns 4.283ns - TABEL 6. Kombinasi Penguadrat Ideal Sebenarnya ) Blok penegatif: Blok penegatif memiliki diagram kotak yang disajikan oleh Gambar 6. Gambar 6. Diagram kotak penegatif Gambar 4. Komponen penyusun sistem A TABEL 4. Gerba ng 5.827ns 4.663ns 3.863ns - Rute 3.649ns 2.799ns 0.420ns - Total 9.476ns 7.462ns 4.283ns - 1) Blok Penguadrat: Blok penguadrat memiliki diagram kotak yang disajikan oleh Gambar 5. Gambar 5. Diagram kotak penguadrat real Blok penguadrat membutuhkan 90 slice (50 flip flop dan 168 LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda waktu disajikan pada Tabel 5. Satu siklus operasi dirancang membutuhkan 9 detak, sehingag total tunda sekuensial yang dibutuhkan sebesar ns = 58,653 ns. Sehingga, latensi satu siklus perhitungan adalah (58,653 ns + 7,004 ns + 4,283 ns) ns = 69,94 ns. Kecermatan ditinjau dari perbandingan keluaran aktual (sebenarnya) terhadap keluaran ideal (seharusnya), yang tersaji pada Tabel 6. Blok penegatif membutuhkan 1 slice (1 LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda waktu disajikan pada Tabel 7. Penegatif bekerja secara kombinatorial, sehingga tunda yang ditemukan merupakan tunda kombinatorial yakni sebesar 6,034 ns. TABEL 7. Gerbang ns Rute ns Total ns 3) Blok penjumlah kuadrat: Blok penegatif memiliki diagram kotak yang disajikan oleh Gambar 7. Gambar 7. Diagram kotak penjumlah kuadrat Blok penguadrat membutuhkan 22 slice (39 LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda waktu disajikan pada Tabel 8. Blok penjumlah kuadrat bekerja secara kombinatorial, sehingga tunda yang ditemukan merupakan tunda kombinatorial yakni sebesar 28,339 ns. Kecermatan hasil ditinjau dari keluaran ideal (seharusnya), yang tersaji pada Tabel 9. TABEL 8. Gerbang ns Rute ns Total ns 134

4 Artikel Reguler TABEL 9. x 2 y 2 Ideal Aktual ) Blok pembagi: Blok pembagi memiliki diagram kotak yang disajikan oleh Gambar 8. D. Blok Resiprokal dengan Penyekala Internal (Sistem B) Blok resiprokal sistem B sebagai satu kesatuan merupakan blok resiprokal empat subkanal yang disajikan dalam diagram kotak Gambar 11, yang membutuhkan slice (784 flip flop dan LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda waktu disajikan pada Tabel 12. Satu siklus operasi dirancang membutuhkan tunda 23 detak, sehingga total tunda sekuensial yang dibutuhkan sebesar 23 10,855 ns = 249,665 ns. Sehingga, latensi satu siklus perhitungan adalah (249,665 ns + 8,112 ns + 4,283 ns) ns = 262,06 ns. Kecermatan hasil ditinjau dari perbandingan keluaran aktual (sebenarnya) terhadap keluaran ideal (seharusnya), yang tersaji pada Tabel 13 dan Tabel 14. Gambar 8. Diagram kotak blok pembagi Blok pembagi membutuhkan 213 slice (147 flip flop dan 415 LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda waktu disajikan pada Tabel 10. Satu siklus operasi dirancang membutuhkan 36 detak, sehingga total tunda sekuensial yang dibutuhkan sebesar ns = 280,224 ns. Sehingga, latensi satu siklus perhitungan adalah (280,224 ns ns ns) ns = 290,297 ns. Kecermatan hasil ditinjau dari keluaran ideal (seharusnya), yang tersaji pada Tabel 11. TABEL 10. Gerbang 5.352ns 3.181ns 3.863ns - Rute 2.432ns 2.609ns 0.420ns - Total 7.784ns 5.790ns 4.283ns - TABEL 11. Pembilang Penyebut Ideal Aktual , , , , Diagram kotak penyusun blok pembagi yakni komponen pembagi dan penyekala pembagi ditunjukkan secara berurutan oleh Gambar 9 dan Gambar 10. Gambar 11. Diagram kotak blok resiprokal sistem B TABEL 12. B Gerbang 6,531ns 3,885ns 3,863ns - Rute 4,324ns 4,227ns 0,420ns - Total 10,855ns 8,112ns 4,283ns - TABEL 13. (REAL) Real Sub-knl 0 Sub-knl 1 Sub-knl 2 Sub-knl 3 #1 ~ 255 ~ ~ 255 #2 2,64 2 3,2 3-2,37-2 0,1 1 #3 2,49 2 1,98 1-2, #4 ~ ,60-3 7,52 7 # , ,16 1 TABEL 14. (IMAJINER) Imaj Sub-knl 0 Sub-knl 1 Sub-knl 2 Sub-knl 3 #1 ~ 255 ~ ~ -255 #2 0,16 1-1,6-1 5,77 5-5,21-5 #3-1,96-1 0,19 1 3, #4 ~ ,26 1-1,88-1 # ,96-1 0, ,81-1 E. Sistem B Satu Subkanal Blok resiprokal sistem B satu subkanal memiliki diagram kotak seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 12. Gambar 9. Diagram kotak komponen pembagi Gambar 10. Diagram kotak penyekala pembagi Gambar 12. Diagram kotak sistem B satu subkanal Sistem B satu subkanal menggunakan 287 slice (192 flip flop dan 539 LUT empat masukan). Rincian estimasi waktu tunda disajikan pada Tabel 15. Satu 135

5 Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi siklus operasi dirancang membutuhkan 23 detak, sehingga total tunda sekuensial yang dibutuhkan sebesar 23 10,748 ns = 247,204 ns. Sehingga, latensi satu siklus perhitungan adalah (247,204 ns + 7,515 ns + 4,283 ns) ns = 259,002 ns. Pembalik sistem B satu subkanal tersusun atas beberapa komponen penyusun seperti ayng disajikan oleh Gambar 13. Blok penguadrat tersusun atas blok pengali dan blok penyekala internal yang ditunjukkan oleh Gambar 15 dan 16 Penyekala internal bekerja dengan cara memangkas panjang bit dari 17 bit menjadi 9 bit, sehingga menyebabkan galat penyekalaan yang menghasilkan galat pada hasil akhir. Ketidakakuratan hasil akhir akibat galat penyekalaan ditunjukkan oleh Tabel 18. Gambar 15. Diagram kotak pengali Gambar 16. Diagram kotak penyekala kuadrat Gambar 13. Komponen penyusun sistem B TABEL 15. Gerbang 6.531ns 4.663ns 3.863ns - Rute 4.217ns 2.852ns 0.420ns - Total ns 7.515ns 4,283ns - 1) Blok Penguadrat: Blok penguadrat memiliki diagram kotak yang disajikan oleh Gambar 14. Gambar 14. Diagram kotak penguadrat real Blok penguadrat membutuhkan 100 slice (54 flip flop dan 185 LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda waktu disajikan pada Tabel 16. Satu siklus operasi dirancang membutuhkan 9 detak, sehingga total tunda sekuensial yang dibutuhkan sebesar ns = 68,841 ns. Sehingga, tunda satu siklus perhitungan adalah (68,841 ns ns ns) ns = 89,738 ns. Kecermatan hasil ditinjau dari keluaran ideal (seharusnya), yang tersaji pada Tabel 17. TABEL 16. Gerbang 4.419ns 4.663ns 9.565ns - Rute 3.230ns 2.041ns 4.628ns - Total 7.649ns 6.704ns ns - TABEL 17. Kombinasi Penguadrat Ideal Sebenarnya TABEL 18. GALAT HASIL AKHIR Akt (Sistem B) Akt (Sistem A) Real Imajiner Real Imajiner Real Imajiner ) Blok penegatif: Blok penegatif memiliki diagram kotak yang disajikan oleh Gambar 17. Gambar 17. Diagram kotak penegatif Blok penegatif membutuhkan 1 slice (1 LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda disajikan pada Tabel 19. Blok penegatif bekerja secara kombinatorial, sehingga tunda yang ditemukan merupakan tunda kombinatorial yakni sebesar 6,034 ns. TABEL 19. Gerbang ns Rute ns Total ns 3) Blok penjumlah kuadrat: Blok penegatif memiliki diagram kotak yang disajikan oleh Gambar 18. Gambar 18. Diagram kotak penjumlah kuadrat Blok penguadrat membutuhkan 9 slice (16 LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda waktu disajikan pada Tabel 20. Blok penjumlah kuadrat bekerja secara kombinatorial, sehingga tunda yang ditemukan merupakan tunda kombinatorial yakni sebesar 14,942 ns. Kecermatan hasil ditinjau dari keluaran ideal (seharusnya), yang tersaji pada Tabel

6 Artikel Reguler TABEL 20. Gerbang ns Rute ns Total ns TABEL 21. A B Ideal Aktual ) Blok pembagi: Blok pembagi memiliki diagram kotak yang disajikan oleh Gambar 19. Gambar 19. Diagram kotak blok pembagi Blok pembagi membutuhkan 46 slice (48 flip flop dan 75 LUT empat masukan). Rincian estimasi tunda waktu disajikan pada Tabel 22. Satu siklus operasi dirancang membutuhkan 11 detak, sehingga total tunda sekuensial yang dibutuhkan sebesar 11 5,428 ns = 59,708 ns. Sehingga, latensi satu siklus perhitungan adalah (59,708 ns + 7,163 ns + 4,283 ns) ns = 71,154 ns. Kecermatan hasil ditinjau dari keluaran ideal (seharusnya), yang tersaji pada Tabel23 TABEL 22. Gerbang 3.011ns 3.885ns 3.863ns - Rute 2.417ns 3.278ns 0.420ns - Total 5.428ns 7.163ns 4.283ns - ketidakmampuan bilangan biner dalam representasi bilangan pecahan, serta penggunaan penyekala internal yang menyebabkan hilangnya sebagian porsi bilangan. Rancangan pembalik kompleks sistem A dan sistem B menggunakan sumber daya FPGA yang lebih sedikit dari kapasitas sumber daya total FPGA Xilinx Spartan 3E XC3S500E, sehingga dapat diimplementasikan kedalam FPGA Xilinx Spartan 3E starter kit. Rancangan blok resiprokal dengan pengali dan pembagi yang bekerja secara sekuensial membutuhkan sumber daya yang lebih sedikit yakni slice, dibanding blok resiprokal yang seluruh komponennya bekerja secara kombinatorial milik Hendra sebesar slice [2]. Namun memiliki waktu tunda yang lebih lama yakni 609,876 ns yang tersusun atas tunda 63 clock, offset in dan offset out, dibanding rancangan Hendra yang hanya membutuhkan waktu tunda sebesar 83,430 ns yang tersusun atas tunda kombinatorial saja. Rancangan pembalik kompleks sistem B (blok resiprokal sistem B) berhasil mengurangi tunda waktu yang dimiliki oleh sistem A, menjadi hanya 240,350 ns. Sumber daya yang digunakan juga lebih sedikit dibanding yang digunakan oleh sistem A, yakni hanya slice. Penggunaan penyekala internal (penyekala keluaran penguadrat) mengakibatkan galat penyekalaan yang disebabkan karena proses pemotongan bit yang menyebabkan sebagian porsi bilangan hilang. REFERENSI [1] Hendra, F., 2012, Perancangan Untai Berbasis VHDL Dengan FPGA Xilinx Spartan-3E Atas Model Interpolasi Linear Untuk Estimasi Kanal OFDM. Skripsi S1, JTETI FT UGM. Tidak dipublikasikan. [2] Jiang, T., Song, L., Zhang, Y.,2010, Orthogonal Frequency Division Multiple Access Fundamentals and Applications, USA : CRC Press. [3] R. W. Chang, Synthesis of band-limited orthogonal signals for multichannel data transmission, Bell System Technical Journal, 45, , Kombinasi TABEL 23. Modifikasi Presisi Pembilang Penyebut Ideal Ideal Sebenarnya ,324 2, ,6 3, ,7647 7, ,5 1 1 IV. KESIMPULAN Tabel-tabel kecermatan sistem menunjukkan seluruh blok yang ada dalam blok resiprokal sistem A dan sistem B telah bekerja dengan baik. Perbedaan hasil perhitungan aktual dan ideal disebabkan oleh 137