## DESAIN LOW NOISE TRANSCEIVER 7 MHZ
BERBASIS SOFTWARE DEFINED RADIO (SDR)
Sotyohadi 1 , Irrine Budi Sulistiawati 2
1,2) Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Nasional Malang sotyohadi@lecturer.itn.ac.id

## ABSTRAK
Software  defined  radio  (SDR) adalah  paradigma  baru  dalam  desain  perangkat  komunikasi wireless . Teknologi SDR  saat  ini  digunakan  secara  luas  pada  bidang  telekomunikasi  komersil  seperti  satelit  komunikasi,  telepon bergerak dan banyak digunakan pada kalangan komunitas radio amatir. SDR adalah suatu sistem radio dimana komponen-komponennya yang biasanya di bangun oleh perangkat keras ( mixer , filter , modulator , demodulator dll)  digantikan  fungsinya  oleh  perangkat  lunak. Software  defined  radio saat  ini  sangat  dikenal  dikalangan komunitas radio amatir di seluruh dunia. Berbagai desain transceiver berbasis SDR yang bekerja pada band high frequency (HF)  telah  banyak diaplikasikan,  dan  berbagai perangkat lunak aplikasi SDR telah dikembangkan. Perangkat transceiver berbasis SDR digemari oleh komunitas radio amatir dikarenakan rangkaian elektroniknya yang sederhana. Namun dari kelebihan tersebut muncul permasalahan  yang  sering dijumpai  adalah noise pada penerima yang tinggi dan sensitivitas rendah. Dengan latar belakang permasalahan tersebut, maka pada penelitian ini  dirancanglah  suatu low  noise  transceiver 7  MHz  berbasis software  defined  radio (SDR).  Metode  yang digunakan    dalam  mengurangi noise adalah  dengan  pemisahan grounding dari  rangkaian  digital,  analog  dan penguat RF serta pemilihan chip Tayloe detector yang memiliki nilai resistansi switch yang rendah yaitu 4 ohm. Berdasarkan hasil pengujian dengan menggunakan integrated circuit (IC) yang memiliki nilai resistansi switching yang  rendah  4  ohm  didapatkan  kinerja transceiver yang  lebih  baik,  dimana  penerimaan  lebih sensitive dan memiliki noise yang lebih rendah .
Keyword : Sotfware Defined Radio, Tayloe Detector, Transceiver, Low Noise

## 1. PENDAHULUAN
Pada saat ini perkembangan bidang komputasi digital mengalami peningkatan secara berkelanjutan. Ditunjang dengan tersedianya komponen  ADC  ( analog  to  digital  converter )  dan DAC  ( digital  to  analog  converter )  berkecepatan tinggi, memungkinkan untuk melakukan pemrosesan sinyal digital untuk sistem di frekuensi radio.  Salah  satu  pengembangan  ini  menggunakan teknologi  SDR  ( software  defined  radio )  yang  saat ini  digunakan  secara  luas  dalam  bidang  komersil seperti  satelit  komunikasi  sampai  dengan  telepon bergerak.  Teknologi  SDR  juga  sangat  dikenal  di lingkungan operator dan kalangan komunitas radio amatir [1].
Software defined radio adalah paradigma baru desain  perangkat  komunikasi wireless .  Konsep software  radio digagas  pertama  kali  oleh  Joseph Mitola  pada  awal  tahun  1990  [2].  Joseph  Mitola menggambarkan  bahwa  sebuah  SDR  ideal  terdiri dari  komponen  fisik  yaitu  berupa antena dan sebuah ADC pada sisi penerima dan sebaliknya pada sisi pemancar ada DAC dan antena transmisi. Fungsi selebihnya akan ditangani oleh prosesor yang telah diprogram [3].
Software  defined  radio saat  ini  banyak dikembangkan  dikalangan  komunitas  radio  amatir. Berbagai  desain transceiver berbasis SDR  yang bekerja pada band high frequency (HF) telah banyak diaplikasikan, dan berbagai perangkat lunak dengan mengaplikasikan SDR telah banyak dikembangkan.
Perangkat transceiver berbasis  SDR  cenderung digemari  oleh  komunitas  radio  amatir  dikarenakan kesederhanaan  dari  rangkaian  elektroniknya  dan kualitas kinerjanya yang baik. Namun permasalahan  yang  sering  dijumpai  adalah noise yang tinggi dan rendahnya sensitivitas dari receiver berbasis  SDR.  Dari  permasalahan  tersebut,  maka pada  penelitian  ini  diusulkan  sebuah  metode perancangan  yang  menggunakan  perangkat  keras berbasis  SDR  yang  mampu  meningkatkan  kinerja transceiver .
Metode  yang  diterapkan  adalah  dengan menggunakan  grounding  yang  terpisah  antara rangkaian  analog  dan  digital  serta  pemilihan rangkaian  IC  yang  memiliki  nilai  resistansi switching yang rendah, sehingga diharapkan mampu mengatasi  kelemahan  yang  selama  ini  terjadi  pada perangkat transceiver berbasis SDR.

## 2. T INJAUAN P USTAKA
2.1. Teknologi Software Define Radio Teknologi Software  defined  radio (SDR) diperkenalkan oleh Joseph Mitola pertama kali pada tahun  1991  [4].  Konsep  SDR  adalah  sebuah  radio yang  dapat  dikonfigurasi  ulang  atau  diprogram ulang [2], sehingga menghasilkan sebuah perangkat komunikasi  nirkabel  dengan  mode  dan band frekuensi  ditentukan  oleh  fungsi  perangkat  lunak. Teknologi  SDR  memiliki  beberapa  keuntungan karena memiliki sifat yang fleksibel, sehingga dapat dikonfigurasi  ulang  secara mudah sesuai  dengan
Copyright (c) 2019 Jurnal Mnemonic
perangkat komunikasi, selain hal itu teknologi SDR dapat diprogram ulang dan dapat diperluas [5].
Arsitektur SDR yang ideal akan menempatkan ADC  dan  DAC  sedekat  mungkin  dengan  antena, sehingga membutuhkan ADC dan DAC band lebar. Fungsi  radio  akan  dilakukan  oleh  perangkat  lunak yang dijalankan oleh prosesor di komputer, sehingga menjadikan teknologi SDR lebih fleksibel [2].
Gambar 1. Arsitektur SDR yang Realistis.
Karena  keterbatasan  teknologi  dan  mahalnya ADC  dan  DAC band lebar,  maka  arsitektur  SDR sedikit diubah dengan menempatkan ADC dan DAC setelah rangkaian RF front end , sehingga rangkaian yang realistis dapat diperlihatkan pada Gambar 1.
Arsitektur  SDR  yang  realistis  meletakkan posisi  ADC  dan  DAC band lebar  setelah up/down converter ,  sehingga  proses  konversi analog ke digital atau  sebaliknya  dilakukan  terhadap  sinyal intermediate frequency yang  memiliki  frekuensi lebih  rendah  dibandingkan  dengan  sinyal radio frequency (RF).  Arsitektur  SDR  dilihat  dari  segi perangkat  keras  dan  perangkat  lunak  yang diperlukan  dengan  mengacu  pada  arsitektur  SDR realistis dapat ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Arsitektur Transceiver SDR
Kesulitan  dalam  proses  digitasi  sinyal  RF adalah  keterbatasan  kecepatan pencuplikan dari ADC. Sesuai dengan teori sampling Nyquist, bahwa sinyal baseband dengan  frekuensi  maksimum f a harus dicuplik dengan frekuensi sampling f s ≥ 2 f a . Proses digitasi sinyal RF atau IF dalam orde ratusan MHz sampai dengan GHz  jika  mengacu pada teori sampling  tersebut,  maka  membutuhkan  frekuensi
pencuplikan  dua  kali  frekuensi  yang  dicuplik sehingga  harga  dari  komponennya  sangat  mahal. Untuk  menghemat  biaya  sistem  yang  diakibatkan mahalnya  ADC  frekuensi  tinggi  maka  diterapkan undersampling dalam proses digitasi. Kaidah yang digunakan  yaitu  sinyal bandpass yang  terletak antara  frekuensi  bawah f L ,  frekuensi  tengah f C dan frekuensi  atas f U atau bandwidth B  =  f U -  f L dapat disampling dengan frekuensi sampling f s ≥ 2B atau dengan  frekuensi sampling yang  besarnya  dapat dipilih berdasarkan persamaan [6].
2𝑓 𝑈 𝑛 ≤ 𝑓 𝑆 ≤
2𝑓 𝐿 𝑛−1 (1)
Dengan  nilai n adalah  bilangan  integer  yang memenuhi syarat :
1 ≤ 𝑛 ≤ | 𝑓 𝑈 𝑓 𝑈 −𝑓 𝐿 | (2)
Pemilihan frekuensi dapat diuraikan sebagai berikut:
 Pilih  frekuensi  sampling  sedemikian  rupa sehingga  kelipatan  frekuensi  samplingnya memenuhi :
(𝑛−1)𝑓 𝑆 2 ≤ 𝑓 𝐿 𝑑𝑎𝑛 𝑛𝑓 𝑆
2 ≥ 𝑓 𝑈 (3)
Sehingga menjamin seluruh komponen spektrum bandpass sinyal jatuh pada daerah baseband [0, f S /2] hasil undersampling .
 Persamaan tersebut dapat dinyatakan :
𝑓 𝑆 ≤ 2𝑓 𝐿 (𝑛−1) 𝑑𝑎𝑛 𝑓 𝑆 ≥ 2𝑓 𝑈 𝑛 (4)
Dari  persamaan  (4)  dapat  ditulis  dalam  bentuk persamaan:
2𝑓 𝑈 𝑛 ≤ 𝑓 𝑆 ≤
2𝑓 𝐿 𝑛−1 (5)
Dengan batasan n ε N sedemikian rupa sehingga 1 ≤ 𝑛 ≤ | 𝑓 𝑈 𝑓 𝑈 −𝑓 𝐿 |  Untuk n ganjil maka spektrum hasil sampling tidak terbalik aksisnya dan n genap maka spektrum hasil sampling akan terbalik aksisnya. 2.2. Perkembangan Aplikasi Software Defined Radio Teknologi SDR menawarkan beberapa keuntungan dalam memberikan solusi yang spesifik. Konsep SDR  tidak  hanya  memiliki  kemampun memperbaiki error secara real time tetapi dari studi dapat  diidentifikasi  beberapa  aplikasi  yang  telah dikembangkan  secara  pesat  seperti Dynamic Spectrum Positioning, Opportunity Driven Multiple Access  (ODMA),  Spectrum  Regulation  and  Cost Reduction (implementasi SDR  lebih murah) [6].
Filosofi  SDR  mulai  berdampak  tinggi  pada bidang  telekomunikasi. Beberapa penelitian  yang
menggunakan  teknologi  SDR  seperti Driver Assistance [7], GPS  signals  Reception [8], HF Propagation Analysis [9], Interpretation of Cellular Technology  Emission  terutama  modulasi  OFDM [10]  dan Identification  of  Radio  Frequency Emissions [11],  telah  menunjukkan  keandalan  dan kemudahan  teknologi  ini  dalam  implementasinya untuk berbagai aplikasi telekomunikasi.

## 2.3. Sistem Transceiver Berbasis SDR
SDR  adalah  suatu  sistem  radio  dimana komponen-komponennya  yang  biasanya  di  bangun oleh  perangkat  keras  ( mixer , filter , modulator , demodulator dll)  digantikan  fungsinya  oleh perangkat  lunak.  Penerapan  SDR  bisa  dilakukan dengan  banyak  cara  dan  berbagai  kombinasi,  yang blok  diagramnya  diperlihatkan  pada  Gambar  3 berikut:

## Gambar 3. Desain Transceiver SDR
Dari Gambar 3 blok diagram desain transceiver SDR dapat dijelaskan sebagai berikut:
 Pada  proses  penerimaan  sinyal  radio,  frekuensi pembawa fc yang berasal dari antena diteruskan melalui band  pass  filter (BPF)  dan  kemudian diumpankan  ke parallel  mixer ( quadrature mixer ).  Pada mixer sebelah bawah sinyal sinus dari lokal osilator direct digital synthesis (DDS) dicampurkan dengan fc .
 Sinyal  hasil mixer dilewatkan low  pass  filter (LPF) sebelum dikonversi oleh analog to digital converter (ADC).
 Keluaran mixer sebelah  atas  menghasilkan in- phase I(t) .
 Keluaran mixer sebelah  bawah  menghasilkan quadrature Q(t) .  Sinyal I dan Q diteruskan  ke sound  card personal  computer (PC)  untuk  diproses  lebih lanjut  secara digital menggunakan  perangkat lunak  SDR.
 Sinyal  hasil  olahan  akan  dikeluarkan  melalui audio out sound card PC.
 Untuk  proses  pengiriman  sinyal  ( transmitter ) akan berlaku kebalikannya.

## 3. D ESAIN S ISTEM
Desain dari transceiver SDR dapat dijelaskan seperti  yang  diperlihatkan  pada  blok  diagram Gambar 4 berikut:
Gambar 4. Blok Diagram Sistem
Blok diagram sistem pada Gambar 4 pada saat posisi  menerima  ( receiver )  terdiri  dari band  pass filter (BPF)  yang  berfungsi  untuk  menekan  sinyal yang  tidak  diinginkan  dan  meloloskan  frekuensi tengah yang diinginkan, low noise amplifier (LNA) adalah penguat dengan gain yang menguatkan sinyal dari  BPF,  kemudian  rangkaian frequency  selective attenuator yang melemahkan kuat sinyal dari LNA untuk dilakukan pemilihan frekuensi yang diterima dan sebuah
quadrature down-converter konvensional. Pada bagian pemancar SDR menggunakan sebuah Quadrature up-converter dan menggunakan band pass filter yang sama yaitu yang digunakan pada penerima, sebuah penguat daya dan sebuah low  pass  filter. Untuk  menggeser  frekuensi kerja  pada  sistem  menggunakan local  oscillator (LO)  berbasis chip DDS  Silicon  Labs  Si5351, dimana chip ini  dapat  menghasilkan  3  buah frekuensi  keluaran,  sinyal  LO  untuk up atau down converter, sebuah sinyal untuk kalibrasi I dan Q dan sebuah sinyal eksternal. Chip DDS Si5351 dikontrol oleh mikrokontroler Arduino Nano .
Desain rangkaian low noise SDR menggunakan  tiga ground DC  yang  terpisah,  yaitu RF chassis ground , baseband atau audio ground dan digital  ground .  Disain  ini  memungkinkan  untuk menghubungkan audio  in atau out dan  USB  port pada  PC  yang  sama  dengan noise yang  rendah. Pemisahan ground pada desain transceiver SDR ini menggunakan isolation yaitu  sebuah  transformator sebagai  kopling  untuk  menghubungkan  antara rangkaian yang didepan dengan rangkaian berikutnya.
Proses  dari  modulasi  dan  demodulasi  pada transceiver SDR menggunakan tayloe detector yang merupakan komponen IC yang membagi sinyal yang diterima  menjadi  empat  derajat  sudut  fasa  yang berbeda.  Pembagian  ini  dilakukan  pada  rangkaian switching yang terdapat di IC tersebut. Untuk dapat menekan noise pada  proses switching maka dipilihlah  IC  untuk Tayloe  detector yang  memiliki
nilai resistansi switch yang rendah. Resistansi switch merupakan  tahanan  penghubung  antara input dan output  Tayloe  detector .  Dengan  resistansi switch yang rendah maka Tayloe detector dapat menghubungkan input dan output tanpa  ada delay propagasi  atau  tanpa  ada  pembangkitan ground bounce noise . Rancangan tayloe detector diperlihatkan pada Gambar 5 berikut ini.
Gambar 5. Rancangan Tayloe Detector
4. Hasil Dan Analisis
4.1. Perbandingan IC Tayloe Detector Analisis dari perbandingan tiga jenis IC tayloe detector dengan tipe FST3253, 4052 dan 4066 untuk nilai resistansi switching diperlihatkan seperti pada Tabel 1 berikut:
Tabel 1. Perbandingan Tipe Tayloe Detector
No. Tipe IC Resistansi Switching (Ω) 1. FST3253 4 2. 4052 25 3. 4066 15
Dari  hasil  perbandingan  ketiga  IC  untuk tayloe detector yang bersumber data sheet, didapatkan nilai resistansi switching yang  terendah  adalah  4  ohm dengan jenis chip atau IC FST3253.

## 4.2. Pengujian Sistem SDR
Pengujian sistem untuk low noise transceiver 7 MHz  yang  berbasiskan  SDR  membutuhkan perangkat  pendukung  antara  lain  satu  unit  PC  atau notebook yang  memiliki  koneksi  eksternal  untuk microphone , speaker dan port USB. Diagram dari susunan pengujian untuk sistem SDR ini diperlihatkan pada Gambar 6 berikut:
USB Sound Card Line IN Line OUT Port USB Port USB Port USB Antena SDR Transceiver Laptop dengan Aplikasi SDR Microphone USB Spectrum Analyzer Gambar 6. Diagram Pengujian
Pengujian sistem dilakukan dengan menghubungkan  rangkaian transceiver SDR    ke antena  kemudian  USB  port  dari  microcontroller arduino nano terhubung  dengan  port  USB  di komputer.  Selanjutnya line  out dan in dari transceiver SDR terbubung dengan USB sound card eksternal  pertama  dan microphone terhubung dengan USB sound card kedua.
Setelah  hubungan  perkabelan  dan  perangkat telah  terhubung  secara  lengkap  dan  benar,  maka langkah  selanjutnya  ada  mempersiapkan  perangkat lunak SDR di komputer yang menggunakan aplikasi HDSDR. Pengujian sistem serta hubungan perkabelan dengan perangkat pendukung diperlihatkan pada Gambar 7 berikut ini.

## Gambar 7. Pengujian Sistem SDR
Perangkat  lunak HDSDR  yang telah terinstall di  komputer  dijalankan  untuk  melihat  apakah perangkat  keras  SDR  telah  dikenali  dan  sudah terhubung dengan perangkat lunak yang digunakan, Gambar  8  memperlihatkan  aplikasi  HRSDR  yang telah beroperasi dengan perangkat SDR.

## Gambar 8. Aplikasi HDSDR

## 4.3. Pengukuran Receiver SDR
Pengujian transceiver low noise SDR dilakukan  pada  frekuensi  7MHz.  langkah  awal adalah  melakukan  pengujian  untuk  kualitas penerimaan  ( receive )  terhadap noise yang  muncul. Pengukuran  dilakukan  sebanyak  dua  kali,  untuk membandingkan  antara  dua  chip  IC  yang  berbeda jenisnya.  Pertama  adalah  mengukur  chip  IC  4052 yang hasilnya dapat diperlihatkan pada Gambar 9.
Gambar 9. Pengukuran Noise dengan IC 4052
Garis  merah  pada  Gambar  9  memperlihatkan level noise pada -50 dB. Selanjutnya melakukan pengukuran pada chip FST3253  dan ground terpisah  yang  hasilnya  dapat diperlihatkan pada Gambar 10 berikut ini.
Gambar 10. Pengukuran Noise dengan IC FST3253
Garis  merah  pada  Gambar  10  diatas merupakan  hasil pengukuran  level noise pada -100 dB.
4.4. Pengukuran Transmit SDR Pengukuran transmit untuk SDR menggunakan alat ukur spectrum analyzer . Gambar
11  memperlihatkan  pengukuran  yang  dilakukan untuk pemancar SDR.
Gambar 11. Pengukuran Transmit pada Frekuensi 7,035 MHz Pengukuran dilakukan untuk menguji
kestabilan  dari  perangkat  penguat  RF,  karena perangkat  pemancar  yang  baik  akan  menghasilkan penguatan di frekuensi kerja dengan nilai harmonisa yang  kecil.  Perangkat  SDR  dioperasikan  untuk memancar  pada  frekuensi  7,035  MHz,  yang kemudian diukur dengan spectrum analyzer dengan hasil -2dB, serta harmonisa yang rendah. Pengujian pancaran  dari  transceicer  SDR  dapat  diperlihatkan pada aplikasi HDSDR pada Gambar 12.
Gambar 12. Pengukuran Transmit HDSDR pada Frekuensi 7,035 MHz

## 5. K ESIMPULAN
Dalam penelitian ini telah berhasil melakukan desain low  noise  transceiver 7  MHz  dengan menggunakan SDR. Berdasarkan desain yang telah dibuat  serta  telah  dilakukan  pengujian  serta pengukuran  maka  dapat  disimpulkan,  bahwa pemilihan  jenis chip  tayloe  detector sangat berpengaruh terhadap kualitas noise yang dihasilkan oleh transceiver SDR.  Dari  hasil  pengukuran
-50dB
-100dB
didapatkan  bahwa chip yang  memiliki  nilai resistansi switching yang  terendah  menghasilkan nilai noise yang  lebih  kecil.  Jenis chip  tayloe detector dengan  nilai noise yang  rendah  adalah FST3253  dengan  resistansi switching 4  ohm. Dengan resistansi switch yang rendah maka Tayloe detector dapat  menghubungkan input dan output tanpa  ada delay propagasi  atau  tanpa  ada pembangkitan ground  bounce  noise .  Selain  itu implementasi dari ground terpisah antara rangkaian analog dan digital juga  menyumbang  hasil noise yang rendah pada batas -100 dB.
Penguatan untuk transmit dari transceiver SDR juga  menunjukkan  hasil  dengan  nilai  harmonisa yang  sangat  kecil,  hal  ini  dapat  dilihat  dari  hasil pengukuran dimana nilai sinyal harmonisa dibawah -70  dB  jika  dibandingkan  dengan  nilai  sinyal pembawa yang mencapai puncaknya di -2 dB.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. A. Retzler, “ OpenWebRX:SDR Web Application  for  the  Masses ” , 34th  ARRL  and TAPR  Digital  Communications  Conference , 2015.
[2]. J.  Mitola,  “Software  Radio  Survey,  Critical Evaluation  And  Future  Directions”, Ieee National  Telesystems  Conference, Pp. 13-15, 1992.
[3]. J. R. Machado, “Software Define Radio: Basic Principles and Applications”, Revista Facultad de Ingenieria , Vol. 24 No.38 pp.79-96, 2015.
[4]. J.  H.  Reed,  “Software  Radio:  A  Modern Approach to Radio Engineering”, New Jersey, Prentice Hall, 2002.
[5]. F. Christensen, “A Scalable Software Defined Radio  Development  System”,  [On-line] http://www.xilinx.com/publications/xcellonlin e/xcell_51/xc_es-sundance51.pdf, 2004.
[6]. S. Gultchev, K. Moessner, and D. Thilakawardana,  Evaluation  of  Software Defined  Radio  Technology,  Center  for Communication  System  Research,  University of Surrey, 2005.
[7]. N. Haziza, M. Kassab, and R. Knoopp, “Multi technology vehicular cooperative system based on Software defined Radio (SDR)”, Communication Technologies for Vehicles, pp 84-95, Springer, 2012.
[8]. J. Seo, Y.H. Chen, and D.S. De Lorenzo, “A Real-Time Capable Software Defined
Receiver  Using  GPU  for  Adaptive  Anti-Jam GPS Sensors”, Sensor Journal , 2011.
[9]. P.B. Nagaraju, E. Koski, And T. Melodia, “A
Software Defined Radio Ionospheric
Chirpsounder  for  HF  Propagation  Analysis”, 2009.
[10]. H. S. Yoo, B. Park, and S. H. Kim, ”Seamless Vertical Handover in Software Defined Radio Terminal”,  International  Journal  of  Control and Automation, vol. 2, 2009.
[11]. M. Islam, M.A. Hannan, S. A. Samad, and A. Hussain,  “Software  Defined  Radio  for  RFID Application”, Proceedings  of  the  World Congress  on  Engineering  and  Computer Science , vol. 1, 2009.