KONVERTER ANALOG TO DIGITAL DELTA SIGMA RAHMAD FAUZI, ST, MT Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sejak tahun 1980, pemakaian sistem komunikasi bergerak mengalami perkembangan yang pesat. Hingga kini komunikasi bergerak menjadi bisnis besar di seluruh dunia. Perkembangan yang pesat tersebut mengakibatkan banyaknya standar sistem komunikasi bergerak, seperti PDC, AMPS, GSM, PHS, IS-95, DECT, GPS, EDGE, IMT2000, dan CDMA. Kenyataannya, hampir setiap negara memiliki standar sendiri. Banyaknya standar bukan hanya menghambat produsen, tetapi juga konsumen. Produsen harus mengembangkan pesawat telepon seluler yang baru untuk masing-masing standar. Hal ini akan menambah biaya pengembangan dan memperkecil keuntungan pemasaran. Bagi konsumen, mereka tidak dapat menggunakan telepon seluler mereka di luar negeri [1],[2]. Usaha untuk membuat standar internasional yang khusus harus dengan membuat standar tambahan yang baru. Namun hal ini sangat kurang ekonomis dilakukan sehingga kecil kemungkinan seluruh negara menerimanya, karena membutuhkan penanaman modal baru yang cukup besar untuk membangun infrastruktur berupa perangkat dan jaringan. Kemajuan teknologi yang cepat dapat menyebabkan infrastruktur tersebut harus digantikan dengan yang lain dalam waktu yang relatif singkat [1],[2]. Adanya kompetisi atau persaingan industri antara Asia, Eropa, dan Amerika, membuat standar baru tersebut menjadi sulit dilaksanakan walaupun membuat sebuah standar internasional yang khusus sangat bermanfaat. Hal inilah yang mendasari munculnya konsep radio yang didefenisikan sebagai software (Software-Defined-Radio, SDR) sebagai solusi yang lebih praktis. Implementasi software pada telepon seluler menjadikannya mampu untuk menyesuaikan jenis standar dimana telepon seluler tersebut berada [1],[2]. Salah satu parameter yang sangat penting dari penerima Software-Defined-Radio adalah Konverter Analog ke Digital (Analog to Digital Converter, ADC) [1],[2]. Perealisasian sistem penerima SDR yang baik membutuhkan konverter A/D (Analog ke Digital) yang handal untuk menghasilkan sinyal digital, karena pengolahan sinyal yang dilakukan oleh software merupakan pengolahan sinyal digital secara menyeluruh. 1.2 Tujuan Tujuan penulisan makalah ini adalah memaparkan kepada pembaca tentang adanya sebuah suatu teknologi di bidang telekomunikasi yang disebut Software-Defined-Radio (SDR). Teknologi SDR ini sedang dikembangkan dan akan diimplementasikan untuk sistem komunikasi bergerak selular generasi ketiga. 2003 Digitized by USU digital library 1
BAB II SOFTWARE DEFINED RADIO (SDR) 2.1 Umum Teknologi SDR mulai dikembangkan pada tahun 1992 oleh Badan Pertahanan Amerika, Departement of Defense (DoD) melalui program penelitian yang disebut dengan SPEAKeasy. Program penelitian tersebut menghasilkan kemajuan yang cukup berarti bagi pengembangan teknologi SDR. Diantaranya, adanya kemungkinan teknologi SDR dapat diimplementasikan dengan pengurangan yang berarti terhadap ukuran dan berat peralatan SDR, serta penambahan kapasitas dan kinerja sistem [3]. Pada tahun 1996, Pemerintah Amerika menyatukan industri-industri yang bergerak dalam bidang pertelekomunikasian kedalam sebuah forum yang disebut dengan forum MMITS (Modular Multifunction Information Transfer System). Forum ini berfungsi sebagai pengarah untuk menetapkan standar arsitektur terbuka dengan program SPEAKeasy bagi sistem komunikasi pemerintahan. Forum MMITS kemudian beralih dari pembahasan sistem komunikasi di pemerintahan menjadi pembahasan sistem komunikasi untuk komersial. Pada tahun 1999, Forum MMITS diganti namanya menjadi Forum SDR (Software Defined Radio). Forum SDR mengembangkan teknologi-teknologi SDR untuk aplikasi pada sistem komunikasi bergerak atau seluler, dan memunculkan pelayanan-pelayanan komunikasi seluler generasi ke-tiga (3G) dan generasi ke-empat (4G) [3]. 2.2 Definisi Software-Defined-Radio (SDR) atau dapat disebut juga dengan software-radio, umumnya didefenisikan sebagai berikut [1],[2] : Software-radio adalah sebuah teknologi yang muncul untuk membangun sistem radio yang fleksibel, multiservice, multistandard, multiband, reconfigurable, dan reprogrammable dengan menggunakan software. Multiband 800 900 2400... MHz MHz MHz Multiservis suara teks video... GSM DECT GPS... Multistandar Gambar (2-1). Ilustrasi Perangkat Terminal SDR [3] Fleksible : berarti perangkat radio tersebut dapat diubah-ubah / dimodifikasi karakteristiknya sesuai dengan sistem radio yang dikehendaki. Multiservice : radio yang dapat mengaplikasikan berbagai pelayanan atau servis berupa suara, teks, dan data. Multistandard : perangkat radio tersebut dapat dioperasikan / diaktifkan pada standar radio yang berbeda, seperti GSM, AMPS, GPRS, DECT,GPS, dan CDMA. 2003 Digitized by USU digital library 2
Multiband : berarti dapat digunakan pada frekuensi kerja yang berlainan, seperti 800 MHz, 900 MHz, 2400 MHz, VHF, dan UHF. Reconfigurable : perangkat radio tersebut mampu diubah-ubah konfigurasi sistem radionya sesuai dengan standar yang ada. Reprogrammable : perangkat radio tersebut dapat diprogram ulang sehingga memungkinkan untuk memuat (men-download) software yang baru, seperti untuk penambahan servis, daerah frekuensi, pengkodean dan lain-lain. 2.3 Konsep Dasar antna LPF Amp ADC BPF LNA LPF AGC Amp 90 VCO DAC Digital baseband LO LPF Amp ADC tingkat RF tingkat IF tingkat Baseband Gambar (2-2). Penerima Super-Heterodyne Konvensional BPF = Bandpass filter LNA = Low Noise Amplifier LO = Local Oscillator LPF = Lowpass filter AGC = Automatic Gain Control RF = Radio Frequency Amp = Amplifier 90 = pembalik phase 90 o VCO = Voltage Control Oscillator DAC = Digital to Analog Converter ADC = Analog to Digital Converter IF = Intermediate Frequency Gambar (2-2) menunjukkan arsitektur dari sebuah radio penerima superheterodyne yang konvensional. Pembuatan radio yang multiband dan multistandard dengan arsitektur tersebut akan membutuhkan rangkaian penerima yang tersendiri untuk setiap daerah frekuensi (band). Solusi ini tidak efektif karena akan menyebabkan ukurannya menjadi lebih besar, lebih rumit, dan lebih mahal. Begitu juga untuk setiap standar yang baru akan memerlukan penambahan rangkaian penerima. Hal tersebut sangatlah tidak praktis [1],[2]. antena BPF LNA ADC DSP Baseband Gambar (2-3). Penerima Software-Defined-Radio Ideal 2003 Digitized by USU digital library 3
BPF = Bandpass Filter LNA = Low Noise Amplifier ADC = Analog to Digital Converter DSP = Digital Signal Processor Gambar (2-3) menunjukkan ilustrasi dari penerima software-defined-radio (SDR) yang ideal. Pada ilustrasi tersebut tingkatan analog telah dikurangi. Komponen yang analog adalah hanya antena, bandpass-filter (BPF), dan Low Noise Amplifier (LNA). Konversi analog ke digital dilakukan oleh ADC (Analog to Digital Converter). Pengolahan sinyal secara digital dimulai dari sinyal digital yang dihasilkan oleh keluaran konverter A/D. Pengolahan tersebut dilakukan oleh software (perangkat lunak) yang diprogram di dalam peralatan Digital Signal Processor (DSP) yang reprogrammable. Selain peralatan DSP, peralatan yang reprogrammable seperti FPGA (Field Programmable Gate Arrays) dan prosessor-prosessor yang umum (Pentium dan lainnya) dapat juga digunakan sebagai peralatan mengolah sinyal digital [1],[2]. Pembuatan penerima SDR yang multiband dan multistandard dilakukan dengan mengaplikasikan sistem radio yang dikehendaki ke dalam software yang sesuai dan memuat (men-download) program software tersebut ke peralatan DSP. Hal ini selain tidak memerlukan peralatan tambahan juga memiliki sistem pemilihan yang dapat dilakukan dengan perubahan yang sederhana [2]. 2.4 Kelebihan SDR Adapun kelebihan aplikasi sistem SDR antara lain : Mampu beradaptasi Sistem SDR mampu untuk beradaptasi ke setiap jenis sistem radio yang ada dengan pemakaian multiband dan multistandar. Tidak memerlukan penambahan / perubahan hardware Untuk pembuatan sistem radio yang baru tidak perlu menambah ataupun mengganti hardware (perangkat keras), tetapi cukup dengan penambahan software saja yang dimuat ke dalam DSP. Mudah dan sederhana Pemilihan sistem radio yang dikehendaki dapat dilakukan dengan perubahan yang mudah dan sederhana yaitu cukup mengaktifkan sistem radio yang dikehendaki tersebut. Begitu juga pengembangan untuk jenis sistem radio dan servis yang baru mudah untuk diaplikasikan. Memperkecil ukuran Dengan aplikasi sistem SDR, memungkinkan ukuran hardware yang lebih praktis dengan kapasitas kemampuan yang cukup banyak. Mendukung pengembangan Sistem SDR mampu mendukung pengembangan sistem komunikasi radio yang lebih maju. 2.5 Tantangan Teknologi SDR Ada banyak permasalahan untuk merealisasikan sistem SDR yang ideal. Permasalahan tersebut lebih banyak berada pada perangkat terminal dibandingkan pada perangkat base-station. Hal itu disebabkan pada perangkat terminal diperlukan arsitektur yang praktis, kompleks, serta ukurannya yang kecil dan ringan. Adapun tantangan yang menyebabkan sulitnya merealisasikan sistem SDR yang ideal tersebut antara lain : 1. Memerlukan sistem antena dan tingkat RF yang sesuai untuk berbagai sistem radio Sistem radio yang ada memiliki frekuensi dan daya pancar yang berbeda. 2003 Digitized by USU digital library 4
2. Diperlukan sebuah arsitektur ADC yang memiliki : a. Laju pencuplikan (sampling rate) yang tinggi (diatas 100 MSampel/detik, MSPS) sehingga mampu mencuplik sinyal RF. b. Dynamic range yang mampu berubah-ubah dalam daerah yang cukup lebar sesuai dengan jenis sistem radio yang ada. Untuk GSM diperlukan dinamic range sekitar 91 db. c. Resolusi bit yang tinggi [1],[2], paling tidak 12 bit d. Error generator (seperti jitter, thermal noise dan error kuantisasi) yang sangat kecil 3. Diperlukan sistem pengolahan sinyal digital dengan pelaksanaan realtime, sehingga membutuhkan beberapa DSP (Digital Signal Processor) yang diparalel. Sedangkan DSP tersebut tidak cukup memadai untuk setiap fungsi pengolahan sinyal baseband dari jenis sistem radio yang berbeda. Hal ini menyebabkan pemakaian DSP yang cukup banyak. 4. Aplikasi SDR membutuhkan sistem pengolahan dan transmisi yang tanpa error, meskipun menggunakan teknik pengkodean (coding) yang baik untuk sistem pengolahannya, tetapi error transmisi tidak dapat dihindari. Karena permasalahan-permasalahan teknik tersebut, hingga kini arsitektur SDR yang ideal tidak dapat direalisasikan. 2.6 Implementasi dan Pengembangan SDR Karena teknologi yang belum memungkinkan untuk melaksanakan SDR yang ideal, maka dilakukan berbagai pendekatan terhadap sistem SDR yang mungkin dapat diimplementasikan. Salah satu pendekatan yang cukup memungkinkan untuk implementasi SDR pada saat sekarang ini adalah radio transceiver digital. antena BPF LNA BPF Amp ADC PDC baseband DSP LO tingkat RF tingkat IF tingkat BB Gambar (2-4). Penerima Radio Digital BPF = Bandpass Filter LNA = Low Noise Amplifier LO = Local Oscillator Amp = Amplifier RF = Radio Frequency ADC = Analog to Digital Converter PDC = Programmable Down Conversion DSP = Digital Signal Processor BB = Baseband IF = Intermediate Frequency Sebuah penerima radio digital seperti yang ditunjukkan pada Gambar (2-4), memerlukan sebuah downcorversion yaitu penurun sinyal RF (radio frequency) menjadi sinyal IF (intermediate frequency). Dengan demikian proses pengubahan sinyal analog 2003 Digitized by USU digital library 5
menjadi sinyal digital dilaksanakan pada tingkat IF. Hal ini dikarenakan belum adanya konverter A/D yang mampu untuk bekerja pada tingkat RF. Proses pengubahan sinyal analog menjadi sinyal digital pada tingkat RF memerlukan laju pencuplikan yang tinggi. Sinyal keluaran konverter A/D (ADC) dimasukkan ke PDC (programmable downconversion) yang menyediakan fungsi-fungsi pelaksanaan demodulasi, pemilihan sistem radio (channelization), serta sistem penyaringan (filtering). Setelah PDC kemudian sinyal akan diolah berupa baseband oleh perangkat DSP (digital signal processor) [1],[2]. Berbagai pendekatan dan pengembangan aplikasi SDR akan menyebabkan proses evolusi teknologi radio seperti yang diilustrasikan pada Gambar (2-5) [3]. Evolusi teknologi radio dimulai dengan hardware radio. Sedangkan antara tahun 2002 hingga perkiraan tahun 2008, teknologi SDR akan mulai dapat direalisasikan. Di masa yang akan datang, SDR akan dikembangkan dengan penawaran yang lebih fleksibel dan kemampuan lebih meningkat lagi dengan tercapainya peralatan SDR yang ideal [3]. Increasing Flexibility and Reconfigurability Hardware Radio Increasing Software Capability Software Controlled Radio Software Defined Radio Ideal Software Defined Radio 1955 2005 2030 Gambar (2-5). Evolusi Teknologi SDR Hardware Radio merupakan radio yang seluruh komponennya berupa perangkat keras yang berat dan terpisah, tetapi cukup tahan lama. Setiap jenis radio memiliki perangkat yang berbeda-beda sehingga setiap perubahan frekuensi kerja diperlukan penukaran peralatan fisik yang sesuai [3]. Software Controlled Radio merupakan radio yang telah mengaplikasikan sistem software sebagai alat kontrol. Radio ini menggunakan teknologi semikonduktor digital modern berupa integrated circuit (IC) digital. Di dalam IC tersebut terdapat software yang memiliki fungsi-fungsi kontrol radio seperti pemograman frekuensi dan pemograman sistem pemilihan dan penombolan serta penggunaan kunci-kunci rahasia untuk sistem proteksi. Tetapi tidak dapat mengubah jenis modulasi atau lebar frekuensi kerja radio [3]. Software Defined Radio (SDR) merupakan radio yang sebahagian besar komponennya berupa software. SDR memiliki chip DSP (Digital Signal Processor) yang mampu digunakan untuk menghasilkan jenis-jenis modulasi, filter, dan lebar frekuensi kerja yang bervariasi. Akan tetapi untuk tingkat RF, SDR masih menggunakan rangkaian analog dengan rancangan yang besar, pemakaian beberapa jenis antena dan arsitekturnya yang kompleks [3]. SDR ideal merupakan radio yang seluruh komponennya akan diimplementasikan oleh software, termasuk juga untuk tingkat RF. SDR yang ideal diharapkan mampu 2003 Digitized by USU digital library 6
menyempurnakan generasi SDR secara menyeluruh. Karena keterbatasan teknologi, SDR ideal tidak dapat dicapai pada sekarang ini, dan mungkin akan dapat direalisasikan pada masa yang akan datang [3]. BAB III KONVERTER A/D DELTA-SIGMA 3.1 Umum Teknik konversi -Σ (delta-sigma) atau Σ- (sigma-delta) telah ada sejak pertengahan abad XX [12]. Teknik ini merupakan pengembangan dari sistem modulatordelta sehingga konverter A/D -Σ disebut juga dengan Modulator Delta-Sigma. Istilah -Σ berasal dari modulatornya yang memiliki differentiator ( ) dan integrator (Σ). Kemampuan modulator -Σ yang dapat mengurangi noise kuantisasi dengan teknik oversampling dan rangkaian umpan-balik (feedback) menjadikan modulator ini dikenal juga sebagai konverter A/D noise shaping (pembentuk noise). Konverter -Σ banyak diaplikasikan untuk pengolahan sinyal pada sistem komunikasi dan audio digital [12],[13]. Hal yang menarik dari konverter -Σ ini adalah dengan hanya metode atau teknik konversi yang sederhana dan murah dapat dicapai resolusi bit yang cukup tinggi (diatas 12 bit). 3.2 Konsep Dasar Secara umum, konverter A/D delta-sigma ( -Σ) memiliki sebuah pencuplik berupa S/H (sample and hold) dan modulator -Σ. Sedangkan modulator -Σ terdiri atas sejumlah differentiator (penyelisih) dan integrator (penjumlah) serta sebuah pengkuantisasi 1-bit (komparator) dan konverter digital ke analog (DAC) 1-bit, seperti ilustrasikan pada Gambar (2-14). x(t) Sinyal analog S/H x(n) Differentiator + - Integrator (1) Integrator Differentiator (L) + - s L (n) Komparator y(n) 1 0 Sinyal Digital (aliran bit serial) y a (n) +V ref -V ref Modulator DAC 1-bit Gambar (3-1). Arsitektur Umum ADC -Σ Sinyal masukan analog x(t) dicuplik sehingga menghasilkan sinyal x(n) waktu diskrit. Masukan pada integrator pertama merupakan selisih antara sinyal x(n) dan sinyal analog 1-bit, y a (n). Sedangkan masukan integrator-integrator berikutnya berupa selisih antara sinyal keluaran dari integrator sebelumnya dan sinyal y a (n). Kemudian sinyal keluaran integrator ke-l, s L (n), dikuantisasi oleh pengkuantisasi 1-bit yang identik dengan sebuah komparator (pembanding). Jika s L (n) > 0, maka dihasilkan sinyal keluaran y(n) 2003 Digitized by USU digital library 7
sebagai bit 1, dan untuk selainnya sebagai bit 0. Sinyal y(n) dikirimkan kembali ke setiap differentiator melalui sebuah DAC 1-bit. Konverter A/D -Σ umumnya hanya memiliki sebuah pengkuantisasi 1-bit. Sehingga sinyal keluaran digital yang dihasilkan berupa aliran bit serial (1-bit) dengan laju yang tinggi. Meskipun demikian, sinyal digital (aliran bit serial) tersebut telah dapat diproses oleh rangkaian digital. Untuk menyusun atau mengubah aliran bit serial menjadi N-bit, dimana N menyatakan jumlah bit (resolusi bit), dapat digunakan filter decimator digital atau filter digital FIR (Finite Impulse Response). 3.3 Parameter Utama Beberapa parameter utama yang cukup penting pada konverter A/D -Σ adalah sebagai berikut : a. Oversampling Ratio (OSR) Konverter A/D -Σ bekerja pada laju oversampling, yaitu laju pencuplikannya lebih besar dari laju Nyquist (f N ). Laju oversampling tersebut umumnya dituliskan sebagai perbandingan antara laju pencuplikan (f s ) dan laju Nyquist, yaitu : ) fs OSR = = 2 f m f f s N Dimana : OSR = oversampling ratio f s = laju pencuplikan f m = frekuensi maksimum sinyal masukan analog f N = laju Nyquist (2.10 b. Dynamic Range (DR) Dynamic Range dari sebuah konverter A/D -Σ (ideal) identik dengan nilai SNR (signal-to-noise ratio), yaitu perbandingan antara daya sinyal dan daya noise kuantisasi. DR P sin yal = SNRmaks = ( 2.11 ) Pq Dimana : DR = dynamic range SNR maks = SNR maksimum (ADC ideal) P sinyal = daya sinyal keluaran (ouput) P q = daya noise Pada kondisi yang ideal, dynamic range konverter A/D -Σ secara umum dapat dituliskan sebagai: 2003 Digitized by USU digital library 8
DR Σ 3 (2L + 1) = 10 log G 2 2 L π 2 OSR (2L+ 1) (2 b 1) 2 db ( 2.12 ) Dimana : DR Σ = dynamic range konverter A/D -Σ L = jumlah integrator (tingkat konverter A/D -Σ) G = penguatan total (gain) pada integrator OSR = oversampling ratio b = bit kuantisasi konverter A/D -Σ Dari Persamaan (2.12) di atas dapat dilihat bahwa untuk memperbaiki DR konverter A/D -Σ adalah dengan penambahan jumlah integrator (L), oversampling ratio (OSR) dan bit kuantisasi (b). c. Resolusi Bit Efektif (N eff ) Resolusi bit efektif atau ENOB (effective number of bits) menyatakan jumlah bit (resolusi) efektif yang dapat dicapai dari penyusunan aliran bit serial keluaran konverter A/D -Σ oleh filter digital. N eff = ENOB = DR 1,76 6,02 ( 2.13 ) Dimana : N eff = resolusi bit efektif ENOB = effective number of bits DR = dynamic range BAB IV DAFTAR PUSTAKA 1. Enrico Buracchini, CSELT, The Software Radio Concept, IEEE Comm.Magazine, hal. 138-143, September 2000. http:/www.mprg.org/people/buehrer/research/docs/the%20sofware%20 Radio%20Concept.pdf (download:10 Januari 2003) 2. Dusko Zgonjanin, Kiril Mitrevsi, Ljubomir Zelenbaba, Software Radio: Principles and Overview, http:/www.telfor.org.yu/telfor2001/radovi/11-15.pdf (download: 10 Januari 2003) 3. Safety Wireless Network (PSWN) Program, Software Enabled Wireless Interoperability Assessment Report-SDR Subscriber Equipment, Maret 2002. http:/www.pswn.gov./admin/librarydocs9/software_defined_radio_report_final.pdf (download: 3 Februari 2003) 2003 Digitized by USU digital library 9