KONVERTER ANALOG TO DIGITAL DELTA SIGMA

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 2
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.



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.
Multiband
Multistandar
Multiservis
suara
teks
video
...
GSM
DECT
GPS
...
800 900 ...
MHz
2400
MHz MHz

©2003 Digitized by USU digital library 3
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
LO
BPF LNA AGC Amp
90
VCO
LPF
LPF
DAC
Amp
Amp
ADC
ADC
LPF
Digital
baseband
tingkat RF tingkat IF tingkat Baseband
antna

Gambar (2-2). Penerima Super-Heterodyne Konvensional

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

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].
BPF LNA ADC
DSP
Baseband
antena

Gambar (2-3). Penerima Software-Defined-Radio Ideal


©2003 Digitized by USU digital library 4
BPF = Bandpass Filter ADC = Analog to Digital Converter
LNA = Low Noise Amplifier 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 5
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.

LO
BPF LNA BPF Amp ADC
baseband
DSP
tingkat RF tingkat IF tingkat BB
antena
PDC

Gambar (2-4). Penerima Radio Digital

BPF = Bandpass Filter ADC = Analog to Digital Converter
LNA = Low Noise Amplifier PDC = Programmable Down Conversion
LO = Local Oscillator DSP = Digital Signal Processor
Amp = Amplifier BB = Baseband
RF = Radio Frequency 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 6
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].

1955 2005 2030
Hardware Radio
Software Defined Radio
Software Controlled
Radio
Ideal Software
Defined Radio
Increasing Flexibility and Reconfigurability
Increasing Software Capability

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 7
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 Δ-Σ (delta-sigma) atau Σ-Δ (sigma-delta) telah ada sejak
pertengahan abad XX [12]. Teknik ini merupakan pengembangan dari sistem modulatordelta
sehingga konverter A/D Δ-Σ disebut juga dengan Modulator Delta-Sigma. Istilah Δ-Σ
berasal dari modulatornya yang memiliki differentiator (Δ) dan integrator (Σ). Kemampuan
modulator Δ-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 Δ-Σ banyak diaplikasikan untuk pengolahan sinyal pada sistem komunikasi
dan audio digital [12],[13]. Hal yang menarik dari konverter Δ-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 (Δ-Σ) memiliki sebuah pencuplik berupa
S/H (sample and hold) dan modulator Δ-Σ. Sedangkan modulator Δ-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).
ya(n)
S/H
+Vref
-Vref
+
-
+
-
Differentiator
Integrator
(1) Integrator
(L) Komparator
x(t) x(n)
y(n)
Differentiator
DAC 1-bit
Sinyal Digital
(aliran bit serial)
1
0
Sinyal analog
Modulator
sL(n)

Gambar (3-1). Arsitektur Umum ADC Δ-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, ya(n). Sedangkan masukan integrator-integrator berikutnya berupa selisih
antara sinyal keluaran dari integrator sebelumnya dan sinyal ya(n). Kemudian sinyal
keluaran integrator ke-L, sL(n), dikuantisasi oleh pengkuantisasi 1-bit yang identik dengan
sebuah komparator (pembanding). Jika sL(n) > 0, maka dihasilkan sinyal keluaran y(n)

©2003 Digitized by USU digital library 8
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 Δ-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 Δ-Σ adalah
sebagai berikut :
a. Oversampling Ratio (OSR)
Konverter A/D Δ-Σ bekerja pada laju oversampling, yaitu laju pencuplikannya lebih
besar dari laju Nyquist (fN). Laju oversampling tersebut umumnya dituliskan sebagai
perbandingan antara laju pencuplikan (fs) dan laju Nyquist, yaitu :
N
s
m
s
f
f
f
OSR f =
⋅
=
2 (2.10
)
Dimana :
OSR = oversampling ratio
fs = laju pencuplikan
fm = frekuensi maksimum sinyal masukan analog
fN = laju Nyquist
b. Dynamic Range (DR)
Dynamic Range dari sebuah konverter A/D Δ-Σ (ideal) identik dengan nilai SNR
(signal-to-noise ratio), yaitu perbandingan antara daya sinyal dan daya noise kuantisasi.


q
yal
maks P
P
DR= SNR = sin ( 2.11 )
Dimana :
DR = dynamic range
SNRmaks = SNR maksimum (ADC ideal)
Psinyal = daya sinyal keluaran (ouput)
Pq = daya noise
Pada kondisi yang ideal, dynamic range konverter A/D Δ-Σ secara umum dapat dituliskan
sebagai:

©2003 Digitized by USU digital library 9



= ⋅  ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ −
ΔΣ
2 (2 1) 2
2 (2 1) (2 1)
2
10 log 3 L b
L DR L G OSR
π
dB ( 2.12 )
Dimana :
DRΔΣ = dynamic range konverter A/D Δ-Σ
L = jumlah integrator (tingkat konverter A/D Δ-Σ)
G = penguatan total (gain) pada integrator
OSR = oversampling ratio
b = bit kuantisasi konverter A/D Δ-Σ

Dari Persamaan (2.12) di atas dapat dilihat bahwa untuk memperbaiki DR konverter
A/D Δ-Σ adalah dengan penambahan jumlah integrator (L), oversampling ratio (OSR) dan
bit kuantisasi (b).
c. Resolusi Bit Efektif (Neff)
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 Δ-Σ oleh filter digital.
Neff = ENOB =
6,02
DR −1,76 ( 2.13 )
Dimana :
Neff = 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)