Modul LoRa SX1268 untuk Amatir Radio

Frekuensi untuk amatir radio untuk pita 70 cm (UHF) adalah 430-440MHz. Di Indonesia, frekuensi 430 MHz sampai 431 MHz dapat dipakai untuk komunikasi data. Rentang frekuensi ini dapat dipakai untuk mengembangkan perangkat amatir radio berbasis radio UHF menggunakan modul LoRa. Semtech adalah perusahaan manufaktur yang membuat chip transceiver LoRa, tahun lalu Semtech mengeluarkan seri SX126x. Jika dibandingkan dengan seri SX127x, seri SX126x mempunyai performa RF yang lebih baik, dan support penggunaan TCXO.

Semtech memiliki referensi desain untuk SX1268, referensi ini dipakai oleh perusahaan manufaktur China seperti Dorji atau Ebyte untuk membuat modul berbasis SX1268. SX1268 memiliki tiga I/O digital, pada referensi ini dua I/O dipakai untuk rangkaian internal dalam modul, yaitu RF Switch dan TCXO supply yaitu DIO2 dan DIO3. Modul berbasis SX1268 ini hanya dapat memiliki 1 I/O untuk fungsi deteksi carrier yang diperlukan untuk implementasi CSMA.

semtech.PNG
Gambar 1. Rangkaian modul berbasis SX1268

SX1268 lebih baik dari sisi RF dibandingkan SX1278, sensitivitas yang lebih tinggi, deteksi carrier yang dapat mendeteksi keseluruhan dari transmisi LoRa dan kemampuan menggunakan TCXO (temperature compensated oscillator) yang dapat memperbaiki tingkat presisi dari frekuensi dari modul LoRa. Namun perubahan ini juga mengakibatkan berubahnya implementasi komunikasi SPI dengan modul SX1268 dibandingkan dengan modul SX1278, sehingga program untuk SX1278 tidak dapat dipakai untuk SX1268.  Setelah adanya pengembangan library SX1268 oleh Jan Gromes (http://github.com/jgromes/RadioLib), kelebihan modul SX1268 dapat diintegrasi dengan Arduino untuk membuat perangkat LoRa performa tinggi.

Langkah selanjutnya dari artikel ini adalah integrasi dengan Arduino Pro Mini atau standalone ATmega328P untuk pembaharuan desain LoRa APRS TNC.

Prinsip Spread Spectrum dan Contoh Aplikasinya: LoRa

Pendahuluan

Spread Spectrum adalah prinsip yang mendasari banyak teknologi yang menjadi penting di dunia elektronika. Mungkin istilah Spread Spectrum terdengar asing, namun jika kita membahas Bluetooth (802.15.1) dan WiFi (IEEE 802.11) mungkin Anda lebih familiar. Saya ingin membawa Anda kembali ke sejarah penemuan Spread Spectrum. Spread Spectrum awalnya dikembangkan oleh seorang aktris Hedy Lamarr, ya, Anda tidak salah dengar, Hedy Lamarr adalah seorang aktris, seorang ikon yang menjadi lambang seksualitas di jamannya.

HedyLamarr
Gambar 1. Hedy Lamarr penemu Spread Spectrum

Spread Spectrum dipatenkan oleh Hedy Lamarr sebagai radio yang tidak dapat di-kacaukan atau dipasukan musuh, karena dikembangkan pada zaman perang. Memang ini adalah kelebihan dari Spread Spectrum, karena menggunakan bandwidth yang lebar dan sinyal ini terlihat sebagai noise dengan radio FM biasa, bahkan pengiriman sinyal ini umumnya lebih rendah dari sinyal noise floor. Sistem ini dipatenkan sebagai komunikasi untuk militer di mana diperlukan komunikasi radio yang tidak dapat diterima oleh musuh ataupun diganggu oleh musuh.

Cara Kerja Spread Spectrum

Spread Spectrum menggunakan level transmisi daya yang serupa dengan sebuah sinyal narrow-band. Namun, perbedaannya adalah sinyal spread spectrum akan memiliki power spectral density yang lebih rendah untuk masing-masing frekuensi sehingga sinyal Spread Spectrum dapat beroperasi bersama dengan Narrow Band pada frekuensi yang sama tanpa interferensi.

Pada Spread Spectrum, terdapat istilah Pseudo Noise code yang membungkus sebuah sinyal transmisi spread-spectrum sehingga sinyal tersebut terlihat wide-band dan seperti noise. Karakteristik ini yang menyebabkan Spread Spectrum memiliki probabilitas rendah untuk di intercept, akibat Spread Spectrum sulit dideteksi oleh peralatan narrow band dan hanya dapat dibaca oleh peralatan Spread Spectrum yang memiliki kode pseudo noise yang sama.

psd.gif
Gambar 2. Spread Spectrum Signal vs Narrow Band Signal

Gambar 2 di atas menunjukkan representasi sebuah sinyal Spread Spectrum dibandingkan sinyal Narrow Band. Kedua nya dapat memiliki daya yang sama, hal ini terlihat jika kita melakukan integral terhadap frequency (sesuai teorema Parseval, integral dari kuadrat sebuah fungsi dalam domain waktu sama dengan integral dari kuadrat sebuah fungsi dalam domain frekuensi).

LoRa Radio Berbasis Spread Spectrum

Mereferensikan kembali teorema Shannon-Hartley, yang mendefinisikan kapasitas kanal maksimum dari sebuah kanal komunikasi yang memiliki bandwidth tertentu yang terdapat noise. Sesuai dengan turunan persamaan Shannon-Hartley:

\displaystyle \frac{N}{S} \approx \frac{B}{C}

Dari persamaan di atas dapat diketahui bahwa untuk nilai perbandingan Noise-to-Signal yang tetap, untuk menaikkan kemampuan mengirim data kecepatan tinggi tanpa error, dibutuhkan bandwidth yang lebih besar. Teknologi LoRa yang menggunakan spread spectrum ini adalah teknologi wide band, sehingga memakan bandwidth yang cukup besar. Pemakaian bandwidth yang besar ini juga mempersulit izin frekuensi untuk keperluan LoRa di Indonesia.

Informasi teknis lebih lanjut tentang LoRa dapat melihat artikel saya yang lain: LoRa Modulation Basics

Referensi

  1. https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1271899
  2. https://www.semtech.com/uploads/documents/an1200.22.pdf

Spreading Factor, Bandwidth, Coding Rate and Bit Rate in LoRa

Pada artikel sebelumnya saya membahas beberapa konsep dasar pada Spread Spectrum dan secara khusus saya membahas modulasi LoRa dan menyinggung beberapa parameter yang ada pada LoRa. Beberapa parameter tersebut adalah Spreading Factor, Bandwidth, dan Coding Rate. Ketiga parameter tersebut yang akan menentukan seberapa sensitif performa receiver LoRa dan seberapa cepat bit rate dari data yang dikirimkan. Parameter tersebut akan saya bahas secara singkat dalam artikel ini, dengan harapan pembaca dapat memahami konsep dan dapat mengimplementasikannya dalam merancang sistem berbasis LoRa.

DecodingLora_Project.jpg
Gambar 1. Spektrogram sinyal LoRa hasil pembacaan melalui SDR (source: DecodingLora)

Symbol

Seperti yang dibahas sebelumnya, LoRa adalah modulasi chirp spread spectrum. Sinyal data yang dikirim direpresentasikan dengan sinyal chirp dari f_{min} sampai dengan f_{max} yang dapat dilihat pada Gambar 1. Dalam modulasi LoRa, symbol yang dikirim dapat divariasikan menggunakan parameter Spreading Factor dan Bandwidth. Sesuai Application Note Semtech AN1200.22, satu simbol memakan waktu transmit sebesar T_S yang dapat dilihat pada persamaan:

T_S = \frac{2^{SF}}{BW}

Bandwidth

Bandwidth adalah lebar frekuensi yang dipakai untuk memodulasi data sinyal. Pada Gambar 1, nilai Bandwidth ini dapat dilihat dari lebar penggunaan frekuensi dari f_{min} dengan f_{max} . Selain itu, Bandwidth juga merepresentasikan chip rate dari modulasi sinyal LoRa.

R_C = BW

Spreading Factor

Nilai Spreading Factor (SF) menunjukkan seberapa banyak chip yang dipakai untuk merepresentasikan satu simbol. Semakin banyak chip yang digunakan untuk merepresentasikan satu simbol, maka semakin besar processing gain dari sistem receiver. Semakin besar nilai SF, semakin besar processing gain, hal ini memungkinkan receiver untuk dapat menerima sinyal data yang memiliki SNR negatif.

R_S = \frac{BW}{2^{SF}}

Spreading Factor menunjukkan banyaknya chip yang digunakan untuk merepresentasikan 1 simbol, dengan faktor eksponensial 2. Sehingga 1 simbol dapat terdiri dari N chip dimana N = 2^{SF} , untuk merepresentasikan bit dilakukan cyclic shift untuk merepresentasikan simbol yang dikirim. Mengetahui terdapat N chip, maka dapat dihasilkan nilai simbol antara 0 sampai N-1, atau berarti 1 simbol dapat merepresentasikan SF bits.

R_b = SF * \frac{BW}{2^{SF}}

Coding Rate

Implementasi modulasi LoRa juga menambahkan forward error correction (FEC), implementasi ini dilakukan dengan melakukan enkode 4 bit data dengan redundansi menjadi 5 bit, 6 bit,  7 bit, ataupun 8 bit. Menggunakan redundansi ini membuat sinyal LoRa lebih tahan terhadap interferensi singkat, nilai Coding Rate (CR) perlu diatur sesuai dengan kondisi kanal yang dipakai, jika terdapat banyak interferensi sebaiknya nilai CR ditingkatkan. Namun perlu diperhatikan bahwa kenaikan nilai CR juga meningkatkan waktu transmisi.

R_b = SF \frac{\big[\frac{4}{4+CR}\big]}{\big[\frac{2^{SF}}{BW}\big]}

LoRa Modulation Basics

LoRa adalah teknologi modulasi spread spectrum yang dipatenkan oleh Semtech. LoRa merupakan turunan dari Chirp Spread Spectrum (CSS) yang menurunkan data rate untuk meningkatkan sensitivitas. Jika Anda ingin menaruh LoRa dalam model OSI layer, implementasi modulasi LoRa berada pada Physical layer dan tidak terikat dengan implementasi layer atas tertentu. Hal ini memungkinkan LoRa untuk diadaptasi dengan berbagai jaringan yang sudah matang. Artikel ini dibuat untuk membantu menjelaskan beberapa konsep dasar LoRa sebagai referensi pengembangan sistem berbasis LoRa.

Spread Spectrum Technology

Bagi seseorang yang familiar dengan ilmu Telekomunikasi, pasti tidak asing lagi dengan teorema Shannon-Hartley. Teorema ini menjelaskan kapasitas kanal dari sebuah link komunikasi menggunakan bandwidth tertentu dengan adanya noise dalam kanal tersebut. Saya tidak akan menulis dengan detail penurunan rumus Shannon-Hartley, namun dari penurunan rumusnya, dapat diketahui bahwa dengan menaikkan bandwidth, performa link komunikasi dengan noise-to-signal ratio tertentu akan lebih baik. Pada teknologi Spread Spectrum, umumnya Anda mendengar Noise-to-Signal ratio dibandingkan dengan Signal-to-Noise ratio karena sejatinya daya sinyal umumnya berada di bawah noise floor. 

Sesuai dengan teorema Shannon-Hartley, bandwidth yang lebih besar dapat mengompensasi degradasi dari SNR pada kanal radio. Pada sistem Spread Spectrum, data yang ingin dikirim dikalikan dengan spreading code, atau dikenal juga dengan chip sequence. Chip sequence ini umumnya memiliki frekuensi yang jauh lebih tinggi, sehingga jika kedua sinyal dikalikan, bandwidth dari keluaran sinyal akan lebih lebar dari bandwidth data asli. Pada sisi penerima, sinyal yang diterima akan dikalikan kembali dengan sinyal chip sequence yang sama untuk mendapatkan data awal kembali.

psd
Gambar 1. Ilustrasi Spread Spectrum

LoRa Spread Spectrum

Modulasi LoRa menyediakan alternatif komunikasi Spread Spectrum yang rendah daya, rendah biaya dari teknik spread spectrum konvensional. Modulasi LoRa menggunakan sinyal chirp, yaitu sinyal yang frekuensinya terus berubah. Penggunaan metode ini mengurangi kompleksitas pada desain penerima. Sinyal hasil keluaran dari modulasi ini sesuai dengan bandwidth dari sinyal chirp yang digunakan

Saya sekali lagi tidak akan mendalami detail penurunan rumus, pada modulasi LoRa, data dengan bit rate yang kita inginkan akan ditransmisi akan dikalikan dengan sinyal chirp dengan chip rate tertentu, chip rate ini jauh lebih besar dari sinyal data yang ingin dikirim, besarnya chip rate ini adalah Bandwidth dari hasil sinyal LoRa yang telah dimodulasi.

Selain Bandwidth, terdapat juga Spreading Factor, jika Bandwidth menunjukkan chip rate, Spreading Factor menunjukkan seberapa banyak chip yang digunakan untuk merepresentasikan satu simbol. Selain itu, Spreading Factor juga menunjukkan seberapa banyak bit yang terkandung dalam satu simbol.

Selain itu, LoRa juga memiliki mekanisme Forward Error Correction, pengaturan FEC dapat dilakukan melalui parameter Coding Rate. Layaknya komunikasi radio pada umumnya, pengaruh noise dapat merusak performa sistem, dengan menambahkan redudansi menggunakan FEC, perancang sistem berbasis LoRa dapat mengurangkan bit rate untuk menaikkan kehandalan sistem.

Untuk membuat desain sistem berbasis LoRa, Anda harus perhatikan ketiga parameter ini untuk mendapatkan bit rate yang sesuai, range yang mumpuni dan kehandalan sistem yang cukup baik.

Edit Aug 05/2018: Terminologi pada parameter spread spectrum telah dikoreksi sehingga akurat