perancangan dan pengkajian uhf spread spectrum ethernet radio

PERANCANGAN DAN PENGKAJIAN UHF SPREAD SPECTRUM ETHERNET RADIO

UNTUK PEMBANGUNAN INFRASTRUKTUR KOMUNIKASI

Tunggul Arif Nugroho1), Suhardi2)

1) Departemen Teknik Elektro dan Sistem

Komputer Institut Teknologi Harapan Bangsa

Jl. Dipati Ukur 80-84 Bandung [email protected]

2) Laboratorium Sinyal dan Sistem Departemen Teknik Elektro Institut Teknologi Bandung

[email protected]

ABSTRAK

Telekomunikasi sudah merupakan kebutuhan dasar dan hak warga negara untuk mendapatkan layanannya. Sementara kondisi di Indonesia masih banyak daerah yang belum mendapatkan layanan komunikasi. Hal ini bisa disebabkan alasan geografis atau alasan ekonomis. Teknik Spread Spectrum yang terdapat pada WLAN dan beroperasi pada frekuensi 2.4 GHz sudah banyak digunakan di perkotaan untuk akses Internet. Karena pengaturan dan kerja sama yang kurang baik maka sekarang ini banyak WarNet yang tidak bisa beroperasi atau terganggu karena saling Interferensi. Hal ini juga disebabkan karena penggunaan Kode Penebar yang tetap dan tidak bisa dirubah pada perangkat WLAN tersebut. Dengan menggunakan teknik yang sama akan tetapi dengan disain yang dilakukan sendiri banyak hal yang bisa dikembangkan atau disesuaikan dengan kondisi. Penggunaan frekuensi UHF yang lebih rendah dari 2.4 GHz akan menambah jangkauan. Dan pemakaian kode penebar ( spreading code ) yang berbeda dari WLAN standar, akan menambah tingkat multiple access utnuk pembagian kanal. Interface yang didisain menggunkan Ethernet Bridge sehingga dengan demikian perangkat ini bisa fleksible untuk menangani berbagai layanan ( multimedia). Kata kunci : spread spectrum, UHF, kode penebar 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Teknologi Spread Spectrum adalah sistem komunikasi yang menggunakan lebar pita transmisi yang lebih lebar dari kebutuhan minimum lebar pita yang dibutuhkan untuk mengirimkan informasi. Dan lebar pita yang ditransmisikan ditentukan oleh suatu fungsi atu kode tertentu ( spreading code ) yang independent dengan sinyal informasi dan yang hanya bisa diketahui/dideteksi oleh Penerima yang mempunyai fungsi atau kode yang sama. Sistem Spektral Tersebar mempunyai beberapa kelebihan antara lain : 1. Anti Jamming

2. Bisa menekan interferensi 3. Memungkinkan untuk dilakukan

pembagian kanal berdasarkan Kode sehingga dapat digunakan dalam sistem mutiple access

4. Komunikasi yang anti sadap ( secure communications )

Terdapat beberapa jenis Teknik Modulasi yang digunakan pada sistem Spektral Tersebar, yaitu :

1. Direct Sequence 2. Frequency Hopping 3. Time Hopping 4. Hybrid

Pada penelitian ini telah dilakukan

perancangan, pembuatan, pengukuran dan analisa kinerja Sistem Spread Spectrum Direct Sequence. Dan Pengkajian sistem tersebut untuk aplikasi sistem komunikasi. Perancangan dilakukan berdasarkan teori kemudian dilakukan sistem disain berdasarkan teori dan komponen yang digunakan. Pembuatan dilakukan dengan menggunakan komponen ASICs yang tersedia di pasaran. Realisasi perangkat keras dilakukan dengan PCB dan perangkat lunak dengan bahasa mesin pada Microcontroller. Hasil model diuji coba dengan fokus pada kinerja sistem yang terdapat interferensi. Ukuran kinerja yang digunakan adalah: Sensitivitas sistem terhadap nominal BER, Pengaruh interferensi antar Kode, BER vs Eb/No dan BER pada saat terjadi Interferensi.

1.2 Topologi Jaringan

Aplikasi sistem Radio Ethernet ini sebagai infrastruktur jaringan komunikasi, maka topologi yang diusulkan adalah “multiple star”. Bagan jaringan yang diusulkan adalah sebagai berikut :

408Prosiding Konferensi Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi IndonesiaITB, 3-4 Mei 2005

Gambar 1.1 Topologi Jaringan

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

UHF 70 km

SWITCH

IP Phone

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

IP UHF 70 km

WIRELESS BRIDGE

1 2 34 5 67 8 9

* 8 #

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

iMac

IP UHF 70 km

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

iMac

Eth

erne

t

Dengan konfigurasi “multiple star” tersebut maka diharapkan semua titik yang secara geografis tersebar seperti umumnya kondisi di Indonesia bisa terhubung. Dan apabila terdapat sebuah jalur link yang terputus maka data dapat mengalir melalui jalur link lainnya. Ini sebuah kelebihan yang disebut “self healing”. 1.3 Konfigurasi Sistem

Dalam penggunaannya untuk infrastruktur telekomunikasi, maka sistem yang lengkap mempunyai konfigurasi sbb:

Gambar 1.2 Konfigurasi sistem

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

UHF 70 km

Ethernet

RADIO BRIDGE RADIO BRIDGE

1 2 3

4 5 67 8 9

* 8 #

Ethernet

RADIO BRIDGE RADIO BRIDGE

Sistem tersebut terdiri dari perangkat Radio Spread Spectrum, Ethernet Bridge, Tower dan Antenna.

Dari konfigurasi sistem tersebut , maka blok diagram dari perangkat Radio Bridge nya adalah sbb:

Gambar 1.3 Blok diagram sistem

ETHERNET BRIDGESPREAD

SPECTRUMMODEM

TRANSCEIVER

Eth

erne

t

ANTENNA

SERVER

Fungsi dari masing-masing blok tersebut adalah:

1. Spread Spectrum Modem : adalah modem

untuk men-convert sinyal-sinyal data digital dalam bentuk sinkronous NRZ menjadi sinyal IF yang sudah termodulasi spread spectrum

2. Transceiver : Adalah untuk merubah frekuensi IF menjadi frekeunsi kerja atau frekeunsi yang akan dipancarkan ke udara. Dalam hal ini digunakan frekuensi kerja 350 MHz.

3. Ethernet Bridge : sebagai interface antara Modem Spread Spectrum yang mempunyai interface NRZ ke LAN 802.3 / 10 Base T.

1.4 Spesifikasi

Spesifikasi perangkat adalah sbb:

Tabel 1.1 Spesifikasi perangkat

No Parameter Spesifikasi Alasan 1 Data Rate 256-512

kbps Akses internet cukup memadai

2 Mode Operasi

Continuous Fleksible dan Bisa dipakai untuk voice

3 BER < 10-5 Memadai untuk data maupun voice

5 Jenis Kode PN

Code Baker, Walsh

mempunyai tingkat autokorelasi yang tinggi

6 Modulasi QPSK Efisien dalam penggunaan lebar pita.

7 Power Output

+30 dBm (min)

Untuk mencapai jarak minimal 30 km

8 Frekuensi RF

350 MHz Mudah diimplementasikan dan mempunyai jangkauan yang lebih jauh.

9 Interface RJ45 Ethernet 10 BaseT

Fleksible

2 SISTEM DISAIN 2.1 Arsitektur Perangkat Keras

Data input/informasi akan yang berupa deretan NRZ serial yang akan diubah menjadi pararel (I dan Q) dan masing-masingnya dikalikan/di”xor”kan dengan suatu Kode PN yang dibangkitkan dari Generator Kode PN. Selanjutnya data I dan Q diumpankan pada suatu Modulator QPSK untuk dimodulasi dengan frekuensi pembawa yang dibangkitkan dari Osilator Lokal sebesar 350 MHz.


Pada bagian Penerima sinyal RF akan dikuatkan terlebih dulu oleh suatu penguat dengan noise figure yang rendah. Selanjutnya sinyal di-demodulasi dengan suatu QPSK demodulator. Output nya yang berupa deretan I dan Q akan di filter dan disinkronkan dengan Kode PN lokal dan diubah kembali menjadi serial NRZ. Blok diagram dapat digambarkan sbb:

Gambar 2.1 Blok diagram Modem

2.2 Modem DSSS Dari spesifikasi dan data sheet maka disain blok dari sistem yang akan dibuat dengan kedua komponen ini adalah sbb:

Gambar 3.3 Blok diagram sistem DSSS

Fungsi masing-masing Blok adalah sbb:

1. DSSS Base Band Processor (Direct Sequence Spread Spectrum ) Adalah merupakan jantung (core) dari Sistem Komunikasi Spektral Tersebar. Didalam blok ini terdapat dua bagian utama yaitu : Pemancar dan Penerima. Blok ini akan diimplementasikan dengan komponen HFA3824AIV.

2. BPSK/QPSK Modulator Demodulator (Modem) Digunakan untuk memodulasi sinyal pita-dasar keluaran DSSS menjadi sinyal RF dengan frekuensi pembawa yang dibangkitkan oleh Osilator Lokal Blok ini akan dimplementasikan dengan komponen RF2938

3. Microcontroller Didalam komponen HFA3824AIV terdiri dari banyak register yang harus diisi untuk parameter kerjanya. Untuk melakukan pengisian tersebut diperlukan microcontroller. Fungsi microcontroller adalah:

a. melakukakan download parameter ke komponen DSSS

b. sebagai penghubung antara Komputer dan DSSS

Blok ini menggunakan komponen Microcontroller dari Atmel : AT89C51 yang merupakan keluarga mircocontroller MCS51.

4. Lokal Osilator atau Signal Generator Untuk membangkitkan Frekuensi Carrier yang digunakan untuk Modulasi dan Demodulasi. Blok ini dimplementasikan dengan Signal generator

5. Data Interface Untuk menghubungkan antara DSSS dengan user/pemakai.

Keluaran dari DSSS masih berupa sinyal NRZ untuk Data Input, Data Output, Clock input dan clock output. Sehingga supaya sinyal-sinyal tersebut sesuai dengan kebutuhan pemakai perlu dilakukan interfacing. 2.3 RF Transceiver 1. PA = Power Amplifier Sinyal RF keluaran dari Modem masih terlalu lemah, sehingga untuk mencapai daya output sekitar 0 dBm diperlukan penguat (power amplifier). 2. Amplifier = AMP Sinyal yang diterima dari antenna mempunyai daya yang sangat lemah karena sudah melewati udara. Sehingga diperlukan penguat yang mempunyai noise figure yang rendah untuk menguatkan sinyal. 3 PROTOYPING 3.1 Skematik Diagram

Dari Blok Diagram dan Spesifikasi hasil dari proses Perancangan maka langkah selanjutnya adalah menuangkan hasil tersebut kedalam skematik diagram. Penggambaran skematik menggunakan perangkat lunak dari Protel. Skematik ini dibuat berdasarkan data dan manual komponen tersebut. Daftar komponen lengkap terdapat pada lampiran 2.


A. Skema DSSS dan Microcontroller

Gambar 3.9 Skema DSSS Penjelasan:

Untuk memprogram/mengisi register HFA3824 dengan microcontroller AT89C51 menggunakan PIN control SD, SCLK, AS, CS dan R/W.

Magnitude Autokorelasi dari hasil proses Matched Filter terdapat pada TEST7~TEST0 dan diubah menjadi sinyal analog oleh DAC0808.

Isi register HFA3824 bisa secara manual diprogram/diubah dengan menggunakan PC melewati AT89C51 Pin 11 (TXD) dan Pin 10 (RXD) B. Skema IQ Modem

Gambar 3.10 Skema IQ Modem Penjelasan:

-Output/Input RF dan Lokal Osilator menggunakan konektor SMA

-Komponen pasif ( Inductor, Capacitor dan Resistor ) menggunakan jenis SMD ( Surface Mount Devices )

-Perlu dipasang de-coupling capasitor setiap input VCC

-Tegangan yang digunakan adalah 3.3 Volt 3.2 Perancangan Software di Microcontroller

Untuk merubah parameter-parameter yang terdapat pada Base band Processor maka diperlukan Software. Perangkat lunak ini diimplementasikan pada Microcontroller AT89C51 keluaran Atmel yang sangat popular.

Tugas utama dari Microcontroller ini untuk melakukan pengisian register dalam HFA3824 sesuai dengan hasil rancangan dan berkomunikasi dengan PC. 3.3 Realisasi Model/Prototipe Proses selanjutnya setelah Desain skematik selesai adalah membuat PCB ( Printed Circuit Board ) yaitu suatu papan tercetak untuk

meletakkan seluruh komponen. Proses pembuatan dipermudah dengan bantuan CAD Protel. Dengan memasukkan skematik file secara semi automatis PCB akan terbentuk. Dibawah ini adalah hasil rancangan PCB (top layer) untuk DSSS.

Gambar 3.13 PCB DSSS

PCB menggunakan double layer dengan bahan FR4 ( Woven glass, Flameretardant epoxy resin ) yang mempunyai konstanta dielektrik bahan ( εr ) = 4 dan tebal h =1.6 mm. Untuk PCB IQ Modem karena sudah melibatkan frekuensi tinggi ( 350 MHz ) maka perlu dilakukan penentuan lebar jalur PCB supaya didapatkan kondisi impedansi yang match untuk frekuensi 350 MHz. Impedansi saluran pada bagian frekuensi tinggi diusahakan 50 ohm. Hal ini mengingat bahwa konektor, kabel dan Antenna mempunyai impedansi 50 Ohm. Dibawah ini hasil rancangan PCB IQ Modem :

Gambar 3.14 PCB IQ Modem

File PCB tersebut kemudian dikirimkan ke pembuat PCB. Hasilnya adalah PCB double layer yang langkah selanjutnya melakukan penyolderan komponen. Proses penyolderan dilakukan dengan hati-hati karena kebanyakan komponen adalah sensitive terhadap listrik statis. Hasil pembuatan model dapat dilihat di gambar berikut:


4 UJI COBA Pada tahap ini akan dilakukan pengujian dan analisa kinerja sistem dari perangkat yang diimplementasikan. Penekanan pada pengukuran ini adalah kinerja sistem yang diukur dalam besaran BER ( bit error rate ) terhadap beberapa kondisi. Dalam bab ini akan dibahas mengenai metoda pengukuran, hasil pengukuran dan analisa dari hasil pengukuran. 4.1 Alat ukur yang digunakan Sebelum digunakan seluruh alat ukur sudah dikalibrasi terlebih dahulu. Dalam proses pengujian ini diperlukan alat ukur dan alat bantu sbb:

1. Digital Osiloskop 100 MHz, tipe:54601B

2. Spectrum Analyzer, Anvantest, tipe R3365

3. BER meter, HP, tipe : 3784A 4. Noise Source 5. Attenuator : 10-50 dB 6. Printer / Plotter XY 7. Personal Computer (PC)

4.2 Metoda Pengukuran dan Perhitungan

4.1.1 Autokorelasi ( Output Matched Filter ) Output Matched Filter menunjukkan

besarnya autokorelasi yang terjadi antara Kode PN ( pnt ) yang diterima dengan Kode PN lokal ( pnr). Besarnya autokorelasi dua deret PN bisa ditunjukkan dari persamaan 2.12.

Dalam bagian ini akan dilakukan pengukuran secara fisik dari besarnya autokorelasi dua deret Kode Barker yang identik yang berasal dari Pemancar dan Penerima. Dari bab 3 sudah dijelaskan bahwa output Matched

Filter yang berupa sinyal dengan kuantisasi 8 bit akan dirubah menjadi sinyal analog dengan suatu Digital to Analog Converter 8 bit. 4.1.1.1 Konfigurasi Pengukuran Autokorelasi

Gambar 4.1 Konfigurasi pengukuran Autokorelasi

4.1.2 Sensitivitas dan BER vs Eb/No Sensitivitas dalam Penerima Spektral Tersebar adalah daya minimum yang dibutuhkan oleh Penerima untuk mendapatkan minimum S/N untuk mendapatkan BER tertentu. Misalnya kita definisikan bahwa BER yang masih bisa diterima adalah 10-5, maka kebutuhan daya minimum untuk BER 10-5 adalah sensitivitas dari penerima. BER vs Eb/No dalam Penerima merupakan besaran yang penting dan selalu menjadi ukuran kinerja dari suatu perangkat transmisi radio. Untuk mengukur BER digunakan BER Meter, sedangkan untuk mengukur Eb/No digunakan Spectrum Analyzer dengan metoda khusus. Secara langsung Spectrum Analyzer hanya bisa mengukur (Co+No)/No yaitu rapat spektral sinyal dan derau berbanding dengan rapat spektral derau. Untuk mendapatkan Eb/No dari (Co+No)/No terukur dengan menggunakan metoda sesuai dengan Annex 6 dan Annex 7 dari SSOG(13). Langkah-langkahnya adalah sbb: 1. Ukur (Co+No)/No sesuai dengan display pada Spectrum Analyzer 2. Koreksi (Co+No)/No ke Co/No dengan rumus sbb:

o

o

NC = 10 log (10((Co+No/No)/10) – 1)

[dB] (4.1 ) 3. Hitung C/No (perbandingan antara carrier dengan rapat spektral derau ) untuk QPSK dengan rumus :

oNC =

NoCo - 3 + 10 log (R) [dB-Hz]

(4.2) dimana R = kecepatan transmisi (bits/detik) 4. Hitung Eb/No dengan

o

b

NE =

oNC - 10 log ( R ) [dB]

(4.3)


4.1.2 Konfigurasi Pengukuran Sensitivitas dan

BER vs Eb/No

Gambar 4.2 Konfigurasi pengukuran Sensitivitas dan BER

vs Eb/No

5 KESIMPULAN

Dari hasil pengukuran dan analisa pada Bab 4 maka dapat diambil kesimpulan sbb:

1. Terdapat perbedaan dari teori terhadap pengukuran BER vs Eb/No sebesar 3 dB. Analisa hal ini disebabkan oleh : Phase Noise Lokal Osilator, phase and amplitude offset dari Modem dan sistem shielding dan pentanahan yang kurang baik.

2. Sistem masih bekerja dengan normal pada kondisi terdapat Interferensi Pita sempit dengan J/S sampai dengan 7 dB. Penambahan daya interferensi sampai dengan J/S = 22 dB mengakibatkan sistem menurun kinerjanya.

3. Pada interferensi pita lebar ( dengan Kode PN yang berbeda ) dengan J/S= 0 dB ( atau daya sinyal interferensi sama besar dengan sinyal DSSS ) dengan offset 4 MHz sistem bekerja dengan normal BER < 10-5 .Sedangkan pada offset 0 MHz ( atau kedua sinyal berhimpit ) dengan J/S = - 5 dB sistem masih bekerja dengan cukup baik.

4. Sehingga disimpulkan bahwa bila terdapat Interferensi dari pemakai sistem DSSS lain dengan Kode PN yang berbeda sistem masih bekerja dengan cukup baik dengan BER < 10-4

6 REFERENSI [1] Dixon, Robert C, Spread Spectrum System with Commercial Application, John Wiley and Son 1994

[2] Peterson, Roger L, Ziemer, Rodger E, Introduction to Spread Spectrum Communications, Prentice Hall 1995 [3] Sklar, Bernard, Digital Communication Fundamentals and Applications, Prentice Hall, New Jersey, 1988. [4] Cooper, George R, McGillem, Clare D, Modern Communication and Spread Spectrum, McGraw-Hill, 1986 [5] Torrieri D.J, Principles of Secure Communication System, ed.2, Artech House, 1992 [6] Freeman, Roger L, Radio System Design for telecommunications (1-100 GHz), John Wiley&Sons,1987 [7] RF Micro Devices, Designer Handbook, RF Micro Devices 1998 [8] Harris Semiconductor, Wireless Communication Design Seminar, Harris Semiconductor, 1996 [9] Harris Semiconductor, Technical Information, Harris Semiconductor, 1997


perancangan dan pengkajian uhf spread spectrum ethernet radio

Education