SOFTWARE DEFINED RADIO (SDR)

Teknologi Software Defined Radio (SDR) mulai dikembangkan pada tahun 1992 oleh Badan Pertahanan Amerika, Department of Defence (DoD) melalui program penelitian yang disebut 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 peralatan SDR, serta penambahan kapasitas dan kinerja sistem.

Pada tahun 1996, pemerintah Amerika menyatukan industri-industri yang bergerak dalam bidang telekomunikasi ke dalam sebuah forum yang disebut dengan forum MMTIS (Modular Multifunction Information Transfer System). Forum ini berfungsi sebagai pengarah untuk menetapkan standar arsitektur terbuka dengan program SPEAKeasy bagi sistem komunikasi pemerintah. Forum MMITS kemudian beralih dari pembahasan sistem komunikasi untuk komersial. Pada tahun 1999, forum MMITS diganti namanya menjadi forum SDR. Forum SDR mengembangkan teknologi-teknologi SDR untuk aplikasi pada sistem komunikasi bergerak seluler, dan memunculkan pelayanan-pelayanan komunikasi seluler generasi ketiga (3G) dan generasi keempat (4G).

 

Software Defined Radio (SDR) adalah teknologi yang berkembang pesat dan selalu menarik untuk industri telekomunikasi. Beberapa tahun terakhir, sistem radio analog telah digantikan dengan sistem radio digital untuk berbagai aplikasi radio, yaitu pada militer, sipil, dan untuk komersial. Selain itu, modul programmable hardware makin banyak digunakan untuk radio digital untuk fungsi yang berbeda-beda. Teknologi SDR bertujuan untuk memaksimalkan programmable hardware untuk membangun sebuah radio yang berbasis software.

 

Teknologi SDR diimplementasikan di beberapa fungsi pada sistem radio, seperti modulasi/demodulasi, pengolahan sinyal, pemrograman dan link-layer protocol pada software. Hal ini sangat membantu pada saat mendesain ulang sistem software radio dimana parameter-parameternya sering diubah-ubah untuk mendapatkan kualitas yang sesuai dengan yang diharapkan. Pada sistem radio yang menggunakan full hardware, ini akan susah dilakukan karena parameter-parameter yang digunakan sudah fix, dan jika ingin mengubah suatu parameter, maka hardware-nya juga harus diganti. Sistem radio yang dibangun menggunakan teknologi SDR, dapat dikembangkan untuk berbagai aplikasi yang menggunakan link-layer yang berbeda protocol dan teknik modulasi/demodulasi.

 

Industri komersial wireless communication saat ini menghadapi masalah karena standar link-layer protocol (2,5G, 3G, 4G) yang selalu berubah, dimana teknologi wireless network pada negara yang berbeda akan menghambat fasilitas global roaming dan ada masalah pada rolling-out servis / layanan baru karena keterbatasan handset.

 

Teknologi SDR mengatasi masalah ini dengan mengimplementasikan fungsi radio sebagai sebuah software yang dijalankan pada suatu platform hardware. Selanjutnya, beberapa software mengimplementasikan standar yang berbeda pada sistem radio. Sistem ini dapat diaplikasikan untuk keperluan yang berbeda-beda, sesuai dengan software yang digunakan. Selain itu, software dapat mengimplementasikan layanan baru dengan cara di-download langsung dari udara ke handset. Fleksibilitas ini dapat diperoleh dari sistem SDR.

Fleksibilitas ini ditawarkan oleh sistem SDR dengan memecahkan masalah yang berkaitan dengan penyebaran layanan.

Definisi SDR
Software Defined Radio (SDR) forum mendefinisikan SDR sebagai radio yang menggunakan software untuk bagian teknik modulasi, wide-band atau narrow-band operation, fungsi keamanan komunikasi (seperti hopping), dan waveform requirement untuk standar saat ini dan yang akan datang pada daerah frekuensi broad band.

Singkatnya, Software Defined Radio (SDR) adalah suatu teknologi dimana software dijalankan pada platform hardware, yaitu pada Digital Signal Processing (DSP) processor, dan Field Programmable Gate Array (FPGA), untuk mengimplementasikan fungsi-fungsi radio seperti proses modulasi pada transmitter dan proses demodulasi pada receiver.

 

Teknologi SDR dapat diimplementasikan pada militer dan radio komersial. Aplikasi yang lebih luas lagi dari teknologi SDR adalah untuk Bluetooth, WLAN, GPS, Radar, WCDMA, GPRS, CDMA, GSM, dll.

 

Berikut ini adalah kunci dari teknologi SDR :
Fleksible : berarti perangkat radio tersebut dapat diubah-ubah/dimodifikasi karateristiknya sesuai dengan sistem radio yang dikehendaki.
Multiservice : artinya, radio yang dapat mengaplikasikan berbagai layanan 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, WCDMA, CDMA, dan WiMax. Multiband : berarti dapat digunakan pada frekuensi kerja yang berlainan, seperti 800 MHz, 900 MHz, VHF, dan UHF.
Reconfigurable : perangkat radio tersebut mampu diubah-ubah konfigurasi sistem radionya sesuai dengan standar yang sudah ada.
Reprogrammable : perangkat radio tersebut dapat diprogram ulang sehingga memungkinkan untuk memuat (men-download) software yang baru, seperti untuk penambahan layanan, daerah frekuensi, pengkodean, dan lain-lain.

 

Kelebihan SDR
Adapun kelebihan SDR antara lain sebagai berikut :

 

>> Mampu beradaptasi
Sistem SDR mampu untuk beradaptasi ke setiap jenis sistem radio yang ada dengan pemakaian multiband dan multistandard. Standar commercial wireless network yang selalu berkembang, mulai dari 2G ke 2.5G/3G, dan kemudian ke 4G. Setiap generasi network memiliki standar link-layer protocol yang sangat berbeda, yang menyebabkan masalah pada pelanggan, wireless network operator, dan peralatan vendor.

>> 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. Pelanggan dipaksa untuk membeli handset baru ketika telah dikembangkan generasi baru dari suatu standar network. Network operator juga memerlukan biaya peralatan yang tinggi ketika melakukan migrasi dari generasi lama ke generasi yang baru, karena jika standar berbeda maka hardware yang digunakan oleh vendor juga sangat berbeda.

>> 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.

>> Sistem SDR mampu mendukung pengembangan sistem komunikasi radio yang lebih maju. Air-interface dan link-layer protocol yang berbeda dari berbagai tempat (contohnya, European Wireless Networks didominasi oleh GSM/TDMA sedangkan di USA wireless network didominasi oleh IS95/CDMA based). Masalah ini akan mempengaruhi pelanggan yang sering bepergian dari satu negara ke negara lain.

>> Wireless network operator akan menemui masalah apabila melakukan launching layanan baru, karena harus melakukan customization pada semua handset pelanggannya.

Teknologi SDR dapat diimplementasikan di radio untuk menjalankan fungsi networking infrastructure equipment dan subscriber terminals sebagai software yang dijalankan pada platform hardware tertentu. Hal ini akan memudahkan migrasi jaringan dari satu generasi ke generasi lainnya karena hanya meng-upgrade software-nya saja. Selanjutnya, karena fungsi radio diimplementasikan sebagai software, maka beberapa software yang berbeda dapat digunakan pada satu handset yang sama. Sebuah software dapat diimplementasikan (baik itu oleh pelanggan ataupun operator) tergantung jaringan yang diinginkan. Ini akan mendukung multi-mode handset dan dapat selalu melakukan koneksi dimanapun berada, sesuai dengan layanan jaringan yang tersedia di tempat tersebut.

Teknologi SDR mendukung over-the-air upload software untuk handset pelanggan. Hal ini akan membantu network operator bertindak seperti vendor handset. Network operator dapat melakukan kustomisasi massal pada handset pelanggan hanya dengan meng-upload software terbarunya, sehingga mempercepat penyebaran layanan baru. Produsen dapat meningkatkan performansi dengan me-remote dan memperbaiki kekurangannya dengan meng-upload versi software yang terbaru ke handset pelanggan serta infrastruktur jaringan.

Kekurangan SDR
Namun, teknologi SDR juga memiliki beberapa kekurangan, antara lain sebagai berikut :
>> Memerlukan sistem antena dan tingkat RF yang sesuai untuk berbagai sistem radio. Sistem radio yang ada memiliki frekuensi dan daya pancar yang berbeda.
>> 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
>> Diperlukan sistem pengolahan sinyal digital dengan pelaksanaan “real-time”, 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.

 

>> 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.

Gambar di bawah menunjukkan arsitektur dari sebuah radio penerima superheterodyne yang konvensional. Pembuatan radio yang ultiband 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 idak praktis.

BPF  = Bandpass filter        Amp       = Amplifier
LNA  = Low Noise         Amplifier  90  = pembalik phase 90o
LO    = Local Oscillator        VCO  = Voltage Control Oscillator
LPF  = Lowpass filter        DAC  = Digital to Analog Converter
AGC = Automatic Gain Control     ADC  = Analog to Digital Converter
RF    = Radio Frequency    IF      = Intermediate Frequency

 

RF (Radio Frequency) yang juga disebut RF front-end, berfungsi sebagai transmitter / receiver sinyal radio frequency dari antenna melalui coupler dan mengubah sinyal RD menjadi IF (Intermediate Frequency). RF front-end pada bagian receiver akan menerima sinyal dan dikuatkan menggunakan low noise amplifier, kemudian dilakukan down conversion dari frekuensi RF ke IF. Sedangkan pada transmitter, RF front-end akan melakukan up conversion dari frekuensi IF ke RF kemudian melakukan penguatan sinyal RF menggunakan High Power Amplifier (HPA).

 

Blok ADC (Analog to Digital Converter) berada di sisi transmitter berfungsi untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital, sedangkan DAC (Digital to Analog Converter) berada di sisi receiver berfungsi untuk mengubah sinyal digital menjadi sinyal analog ntuk kemudian dikeluarkan melalui speaker. ADC dan DAC adalah interface antara bagian analog dan digital pada suatu sistem radio. Blok DDC (Digital Down Converter) berfungsi sebagai digital down converter para receiver, sedangkan DUC (Digital Up Converter) berfungsi sebagai digital up converter pada sisi transmitter. DDC/DUC memproses modulasi & demodulasi digital pada level IF, dan sering juga disebut dengan digital tuning.

 

Sebuah sistem SDR didefinisikan sebagai sebuah sistem radio dimana baseband processing dan DDC/DUC diproses secara software. Ketersediaan smart antenna, wideband RF front-end, teknologi wideband ADC/DAC dan selalu meningkatnya kapasitas pemrosesan (MIPS / Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) dari DSP dan penggunaan microprocessor untuk mengembangkan multi-band, multistandard, multim-mode radio menggunakan teknologi SDR. Pada sistem SDR, link-layer protocol  dan proses modulasi/ demodulasi dilakukan menggunakan software.

 

SDR ideal merupakan radio yang seluruh komponennya akan diimplementasikan oleh software, termasuk juga untuk tingkat RF. SDR yang ideal diharapkan mampu 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.

 

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.

Gambar tersebut menunjukkan arsitektur software yang ada pada sebuah sistem SDR. Sistem menggunakan platform hardware dengan modul yang bisa diprogram (DSP, FPGA, microprocessor) dan modul analog RF. Operating Environment melakukan fungsi hardware resource management activity seperti mengalokasikan hardware resource untuk aplikasi yang berbeda-beda, memory management, interrupt servicing dan menyediakan interface yang konsisten untuk hardware yang digunakan untuk aplikasi tertentu. Pada sistem SDR, software yang mengimplementasikan link-layer protocol dan modulasi/demodulasi disebut dengan aplikasi radio dan aplikasi ini menyediakan service link-layer untuk layer communication protocol yang lebih tinggi tinggi seperti WAP dan TCP/IP.Berbagai pendekatan dan pengembangan aplikasi SDR akan menyebabkan proses evolusi teknologi radio seperti yang diilustrasikan pada gambar di bawah ini. 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.

 

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.

 

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 radiasi.

 

Software Defined Radio (SDR) merupakan radio yang sebagian 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.

 

SDR ideal merupakan radio yang seluruh komponennya akan diimplementasikan oleh software, termasuk juga untuk tingkat RF. SDR yang ideal diharapkan mampu 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.

Pengembangan SDR PT Len Industri (Persero)
Sebagai salah satu BUMN Industri Strategis, PT Len Industri (Persero) juga mengembangkan teknologi SDR. Saat ini, telah dikembangkan radio taktikal untuk TNI, yaitu radio HF dan VHF. Untuk radio HF, sebagian besar sistemnya masih menggunakan hardware, tetapi ke depan akan dikembangkan teknologi SDR untuk radio ini.Sedangkan produk yang telah menggunakan SDR, saat ini sedang dikembangkan radio VHF FM. Dimulai dari tahun 2008, pengembangan radio VHF mulai disimulasikan dan dimodelkan dengan menggunakan tools matlab/simulink. Setelah simulasi berjalan benar, sebuah sistem kemudian akan dimodelkan. Setelah dimodelkan, sistem tersebut akan diimplementasikan menggunakan prosesor DSP.Fungsi pertama yang berhasil diimplementasikan oleh Tim SDR Len adalah filter digital. Jika menggunakan filter analog, untuk membuat satu filter saja harus dibuat rangkaiannya terlebih dahulu. Tetapi dengan menggunakan teknologi SDR, untuk membuat filter ini pertama ditentukan terlebih dahulu spesifikasi tekniknya, kemudian dibuat modelnya menggunakan matlab. Dari matlab akan diperoleh koefisien filter, yang kemudian koefisien tersebut diimplementasikan pada prosesor DSP.

 

Untuk radio VHF yang sudah berhasil dikembangkan adalah baseband processing yang sudah menggunakan prosesor DSP secara penuh, dimana baseband processing adalah proses pengolahan sinyal informasi. Sinyal suara analog diproses secara digital. Sedangkan untuk IF,masih menggunakan hardware. Untuk versi selanjutnya, akan dikembangkan radio VHF dengan baseband processing dan IF processing menggunakan software, sehingga dapat dilahirkan produk dengan full SDR.