Categories
1.0-Pendidikan

Kit Pengembangan dan Pendidikan Konektivitas Cloud berbasis FPGA dari Terasic

Kit Pengembangan dan Pendidikan Konektivitas Cloud FPGA dari Terasic.inc

Ulasan Singkat

FPGA Cloud Connectivity Kit memadukan kekayaan fleksibilitas Intel® Cyclone® V SoC FPGA dengan berbagai manfaat konektivitas cloud.

Saat ini, mudah untuk mengembangkan aplikasi berbasis FPGA Anda sendiri yang dapat mengumpulkan, menganalisis, dan merespons data dari perangkat IoT. Kit pengembangan ini telah disertifikasi oleh penyedia layanan cloud (CSP) terkemuka seperti Microsoft Azure dan dilengkapi dengan contoh desain sumber terbuka yang akan memandu pengguna baru dalam proses menghubungkan perangkat edge berbasis FPGA ke cloud untuk pertama kalinya.

Kit ini didasarkan pada Terasic DE10-Nano Kit yang sangat populer dan menambahkan komunikasi nirkabel Wi-Fi dan Bluetooth serta berbagai sensor seperti cahaya sekitar, sensor suhu dan kelembapan, akselerometer, dan giroskop.

Kit Konektivitas Cloud FPGA akan memungkinkan pengguna untuk menempatkan FPGA yang fleksibel dan dapat dikonfigurasi ulang di inti desain tepi IoT pintar mereka berikutnya.

Spesifikasi:

FCC (Standard Version)

  • DE10-Nano Cyclone V SoC FPGA Board  
  • Wi-Fi, using ESP-WROOM-02 module, up to 100 meter range
  • 9-axis sensor: accelerometer,gyroscope,
    magnetometer
  • Ambient light sensor
  • Humidity and temperature sensor
  • UART to USB
  • 2×6 TMD GPIO Header
  • Bluetooth SPP, using HC-05 module, up to 10 meter range

FCC-Wifi (from InnovateFPGA)

  • DE10-Nano Cyclone V SoC FPGA Board  
  • Wi-Fi, using ESP-WROOM-02 module, up to 100 meter range
  • 9-axis sensor: accelerometer,gyroscope,
    magnetometer
  • Ambient light sensor
  • Humidity and temperature sensor
  • UART to USB
  • 2×6 TMD GPIO Header

Tata Letak:

Isi Kit:

  1. Panduan Cepat untuk Memulai
  2. Papan DE10-Nano
  3. Papan Kartu RFS
  4. Kabel IDC Ke Box Header 40-Pin
  5. Kabel USB Type A ke Mini-B
  6. Kabel USB Type A ke Micro-B
  7. Adaptor Power DC (5V)
  8. kartu microSD (terpasang)
  9. Kaki-kaki Silikon

Documents

TitleVersionSizeDateDownload
Product Brief1.0.0575(KB)2023-09-18https://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=English&CategoryNo=205&No=993&PartNo=4#heading

CD-ROM

TitleVersionSizeDateDownload
FPGA Cloud Connectivity Kit CD-ROM1.0.0 2020-12-15https://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=English&CategoryNo=205&No=993&PartNo=4#heading

Mohon dicatat bahwa semua kode sumber disediakan “apa adanya”. Untuk dukungan lebih lanjut atau modifikasi silahkan hubungi Terasic Support dan permintaan anda akan dikirimkan ke Terasic Design Service.

Sumber lainnya terkait IP dan Dev. Kit tersedia di Intel User Forums.

Categories
1.0-Pendidikan

Terasic DE10-Nano

Pendahuluan

Selamat datang di materi pengenalan FPGA menggunakan Terasic DE10-Nano

Papan pengembangan Terasic DE10-Nano

Papan pengembangan DE10-Nano dari Terasic, yang menggunakan SoC FPGA dari Intel, menyediakan platform perancangan perangkat keras yang dapat dikonfigurasi ulang bagi pengoprek, pengembang IoT dan pendidik. Papan ini dilengkapi dengan dua header ekspansi GPIO, header Arduino, memori DDR3 kecepatan tinggi, sebuah port HDMI dan jaringan ethernet, sehingga papan ini menyediakan platform yang handal dan kaya fitur untuk menciptakan berbagai aplikasi IoT yang seru.

Para pengembang dan pengoprek dipersilahkan untuk menemukan performa prosesor tertanam berdaya rendah yang terintegrasi dengan fleksibilitas perangkat logika terprogram. Dibagi menjadi dua bagian terpisah, perangkat SoC Intel FPGA terdiri dari sebuah sistem prosesor keras (HPS) dan Susunan Lautan Gerbang yang dapat diProgram (FPGA). Sementara HPS merupakan sebuah prosesor tujuan umum (berbasis prosesor ARM Cortex-M9 dwi-inti), FPGAnya merupakan mesin pemroses paralel yang anda data gunakan untuk membuat Perangkat keras custom untuk mengakselerasi algoritma yang berfungsi tetap atau untuk memperpanjang kemampuan I/O suatu perangkat.

Apakah anda merupakan pengembang FPGA, pengembang perangkat lunak, pengoprek, pengembang IoT musiman, orang yang baru belajar koding, ataupun hanya tertarik dengan FPGA, kami berharap pengalaman anda dengan kit DE10-Nano dari Terasic bisa cukup informatif dan menyenangkan.

Daftar perangkat dalam Kit DE10-Nano dari Terasic

Sebelum kita mulai, pastikan isi dari kit yang kita miliki adalah sebagai berikut:

Contents of the kit

Isi

  1. Terasic DE10-Nano Board
  2. Quick Start Guide (paper pamphlet)
  3. Type A to Micro-B USB Cable
    • For USB* OTG port
  4. Type A to Mini-B USB Cable
    • Two functions: UART and USB Blaster
  5. 5V (2A) DC power supply
  6. microSD* card
  7. Bag of four rubber (silicon) foot stands

Kebutuhan Host System

  • Sistem Operasi yang kompatibel: Linux atau Windows®
  • USB 2.0 Port (untuk USB OTG Cable)

Catatan: The Intel® Quartus® Prime Software Suite mendukung Windows* 7, 8.1, dan Windows® 10.

Spesifikasi

Hard Processor System (HPS)

Processor

Dual-core ARM Cortex*-A9 MPCore processor at 800 MHz

neon™ framework media-processing engine with double-precision floating point unit (FPU)

32 KB L1 instruction cache

32 KB L1 data cache

512 KB shared L2 cache

Memory

64 KB on-chip SRAM

1 GB DDR3 SDRAM (32-bit data)

8 GB microSD* flash memory card

Processor I/O

1 gigabit Ethernet PHY with RJ45 connector

1 USB 2.0 On-The-Go (OTG) port, USB Micro-AB connector

microSD card interface and socket

Accelerometer (I2C interface plus interrupt)

UART to USB, USB Mini-B connector

Warm reset button, cold reset button

One user button and one user LED

Expansion header for use with Linear Technology* DC934A dual 16-bit digital-to-analog converter daughter card

Embedded Software

Linux kernel 4.1.33 LTSI

Angstrom 2016.12

Field Programmable Gate Array (FPGA)

Programmable Logic

Logic elements (LE): 110 K LE

5,570 kilobits memory

224 18 x 19 multipliers

112 variable precision DSP blocks

6 phased-locked loops (PLL)

145 user-defined I/O

Configuration Sources

Embedded USB-Blaster* II (JTAG) cable

Serial configuration flash – EPCS128

ARM Cortex*-A9 hard processor system (HPS)

I/O Interfaces

2 push buttons

4 slide switches

8 LEDs

3 clock sources (50 MHz) from the clock generator

2 expansion headers (40-pin) with diode protection

1 Arduino* expansion header compatible with Arduino UNO* R3 (can connect with Arduino shields)

1 analog input expansion header (10-pin) shared with Arduino analog input

8-channel, 12-bit A/D converter, 500 ksps, 4-pin serial peripheral interface (SPI)

Hardware Design

32-bit fast Fourier transform (FFT) engine

HDMI* output (video pipeline)

GPIO for LEDs, push buttons, and slide switches

I/F to Arduino shield headers (digital I/O, serial I/O, A/D converter)

Compatible Accessory Boards

FPGA Cloud Connectivity Kit

Digital Camera Kit (8 MP)

Wireless Connectivity Board

Servo Motor Kit

Multitouch LCD Module

LCD Touch Module (2.4 in.)

Sumber:

  • https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/guide/terasic-de10-nano-get-started-guide.html,
  • https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/topic-technology/edge-5g/hardware/fpga-de10-nano.html
Categories
1.0-Pendidikan

Telkom University Open Course Ware

Internet 0f Things – Bagian 2

Categories
1.0-Pendidikan

Telkom University Open Course Ware

Internet of Things – Bagian 1

Categories
1.0-Pendidikan

Modul Ultrasonik – HCSR04

Pendahuluan

Sensor ultrasonik bekerja dengan prinsip sistem SONAR dan RADAR yang digunakan untuk menentukan jarak sebuah obyek.

Spesifikasi Modul HCSR04:

  • Tegangan kerja: 5V DC
  • Arus kerja: 15mA
  • Jangkauan Maksimum: 4 m
  • Jangkauan Minimum: 2 cm
  • Sudut pengukuran: 15 derajat
  • Sinyal masukan pemicu: pulsa TTL 10 us
  • Resolusi: 1 cm
  • Frekuensi Ultrasonik: 40 kHz
  • Dimensi: 45 * 20 * 15 mm
Ultra-Sonic-dimen.JPG

Sensor ultrasonik membangkitkan gelombang suara frekuensi-tinggi (ultrasound). Ketika ultrasound menumbuk sebuah obyek, maka gelombang tersebut akan terpantul dalam bentuk gaung (echo) yang kemudian dirasakan oleh penerima seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah ini.

Ultrasonic Working Principle
Gambar 1. Prinsip kerja Ultrasonik

Dengan mengukur waktu yang diperlukan gaung dalam mencapai penerima, kita bisa menghitung jaraknya. Hal ini adalah dasar prinsip kerja modul Ultrasonik untuk mengukur jarak.

Modul Ultrasonik HC-SR04

Ultrasonic Module
Gambar 2. Modul Ultrasonik HC-SR04

Komponen utama modul HC-SR04:

  • STC11F (single-chip microcontroller, based on 1T architecture 80C51 CPU)
  • MAX232 (dual EIA-232 driver/receiver)
  • TL074 (low-noise JFET-input operational amplifier)
  • 40-KHz ultrasonic transmitter and receiver pair (40T/R-B/W)
This image has an empty alt attribute; its file name is 3-us-sensor-schematic.jpg
Skematik modul HC-SR04

HC-SR04 memiliki sebuah pengirim, penerima dan rangkaian pengendali ultrasonik.

Pada modul ultrasonik HC-SR04, kita harus memberikan pulsa pemicu (trigger), sehingga modul ini akan membangkitkan ultrasound dengan frekuensi 40 kHz. Setelah membangkitkan ultrasound yakni 8 pulsa 40kHz, modul ini akan membuat pin echo berlogika tinggi (high). Pin echo akan tetap tinggi sampai dengan tidak ada lagi gaung balik yang diterima. Sehingga lebar pulsa pin echo akan menjadi waktu yang dibutuhkan suara untuk sampai ke obyek dan balik lagi. Begitu kita mendapatkan waktunya kita bisa menghitung jarak, begitu kita mengetahui kecepatan suara.

HC-SR04 bisa mengukur jangkauan dari 2 cm hingga 400 cm.

Deskripsi Pin HC-SR04

Ultrasonic Module Pin Description
Gambar 3. HC-SR04

VCC – catu daya +5 V

TRIG – masukan pemicu (Trigger) untuk sensor. Mikrokontroler perlu memberikan pulsa trigger selama 10 us ke modul ultrasonik HC-SR04.

ECHO – Keluaran Echo dari sensor. Mikrokontroler akan membaca/memantau pin ini untuk mendeteksi halangan atau mencari jarak.

GND – Ground

Prinsip Kerja HC-SR04

HC-SR04 Ultrasonic Module Timing Diagram
Gambar 4. Diagram pewaktuan Modul Ultrasonik HC-SR04
  1. Kita perlu mengirimkan pulsa pemicu paling sedikit 10 us ke pin Trig HC-SR04.
  2. Kemudian secara otomatis HC-SR04 mengirimkan Delapan gelombang suara 40 kHz dan menunggu keluaran sisi naik di pin Echo.
  3. Apabila pengambilan sisi naik muncul di pin Echo, kita mulai Timer dan menunggu sisi turun di pin Echo.
  4. Begitu sisi turun diambil dari pin Echo, kita baca hitungan Timer. Perhitungan waktu ini merupakan waktu yang dibutuhkan sensor untuk mendeteksi sebuah obyek dan kembali dari obyek tersebut.

Sekarang bagaimana caranya menghitung jarak?

Kita ketahui bahwa,

Jarak = Kecepatan x Waktu

Kecepatan gelombang suara adalah 343 m/dtk.

Sehingga,

Jarak Total = (343 x Waktu Pulsa Tinggi (Echo)) / 2

Jarak totalnya dibagi 2 karena sinyalnya merambat dari HC-SR04 ke obyek dan kembali lagi ke modul HC-SR04.DatasheetDownload

Categories
1.0-Pendidikan

Sensor PIR

Pendahuluan

PIR Sensor
Gambar 1 Modul Sensor PIR

Sensor PIR (Passive Infra Red) merupakan sensor yang secara spesifik dirancang untuk mendeteksi sinyal berupa radiasi thermal pada panjang gelombang inframerah, yang dihasilkan oleh setiap makhluk hidup. Radiasi yang dimaksud berupa suhu tubuh yang lebih dari 0°C. Energi radiasinya tidak bisa dilihat oleh mata telanjang manusia. Kata pasif pada sensor PIR berarti sensor ini tidak membangkitkan atau meradiasikan energi apapun saat melakukan pendeteksian.

Sensor PIR tidak mengukur “KALOR”. Sensor ini hanya mendeteksi radiasi inframerah yang dipancarkan atau dipantulkan dari sebuah benda hidup.

Cara kerja Sensor PIR

PIR Sensor Block Diagram
Gambar 2 Blok Sensor PIR
PIR Element
Gambar 3 Bentuk Fisik Elemen PIR
  • Sensor PIR pada dasarnya dibuat menggunakan sensor pyroelectric, yang dapat mendeteksi tingkat radiasi inframerah
  • Pada gambar 3 di atas, komponen berupa kaleng logam bulat yang berisi kristal kotak di bagian tengahnya merupakan sensor PIR yang dimaksud.
  • Setiap benda hidup akan memancarkan radiasi inframerah tingkat rendah, namun benda yang lebih panas akan memancarkan radiasi lebih banyak.
PIR Sensing
Gambar 4 Dua slot sensor PIR
  • Sensornya sendiri sebenarnya terbagi menjadi dua slot, yang dihubungkan dengan kabel agar bisa saling menghilangkan satu sama lain.
  • Jika salah satu slot mendeteksi radiasi IR yang lebih banyak atau lebih sedikit dibanding yang lainnya, keluarannya akan menghasilkan tegangan yang mengayun tinggi atau rendah.
  • Sinyal masukan dari kedua terminal elemen PIR kemudian diperkuat menggunakan rangkaian penguat dan dibandingkan menggunakan rangkaian pembanding.
  • Elemen PIR diselubungi dengan sebuah lensa untuk meningkatkan jangkauan kerjanya.

Dalam kondisi diam

  • Sensor gerak PIR menggunakan elemen RE200B untuk mendeteksi inframerah. Kedua slot sensor ini terhubung ke penguat diferensial.
  • Ketika sensor dalam kondisi diam, kedua slot akan mendeteksi sejumlah radiasi IR yang sama.
  • Sehingga tidak ada sinyal galat di antara masukan diferensialnya. Akibatnya keluaran rangkaian pembandingnya adalah nol.

Dalam kondisi ada benda bergerak

  • Ketika suatu benda hidup lewat di depan sensor, kondisi ini akan mengganggu salah satu slot sensor PIR. Hal ini mengakibatkan perubahan diferensial positif di antara kedua slot. Perubahan tersebut ditunjukkan oleh bagian A pada gambar 5 di bawah ini.
  • Ketika sebuah benda hidup meninggalkan daerah penginderaan, sensor akan membangkitkan perubahan diferensial negatif. Perubahan ini ditunjukkan oleh bagian B pada gambar 5 di bawah ini.
PIR Sensor Slots Output
Gambar 5 Perubahan diferensial di antara kedua slot
  • Kedua perubahan pulsa ini merupakan proses pendeteksian tubuh yang meradiasikan sinyal inframerah.

Deskripsi Pin

PIR Sensor Pin Description
Gambar 6 Diagram pin modul sensor PIR

Pin 1 – GND : Kita harus menghubungkan pin ini ke Ground.

Pin 2 – Output : Pin ini menghasilkan keluaran (3.5V) ketika gerak terdeteksi

Pin 3 – VCC : Pin ini menyediakan catu daya (+5V) bagi elemen PIR dan rangkaian internal modul.

Bagian-Bagian Sensor PIR

Gambar berikut menunjukkan bagian-bagian dari sensor PIR yang perlu untuk diketahui

Bagian Sensor PIR
Bagian Sensor PIR
  1. Pengatur Waktu Jeda : Digunakan untuk mengatur lama pulsa high setelah terdeteksi terjadi gerakan dan gerakan telah berahir. *
  2. Pengatur Sensitivitas : Pengatur tingkat sensitivitas sensor PIR *
  3. Regulator 3VDC : Penstabil tegangan menjadi 3V DC
  4. Dioda Pengaman : Mengamankan sensor jika terjadi salah pengkabelan VCC dengan GND
  5. DC Power : Input tegangan dengan range (3 – 12) VDC (direkekomendasikan menggunakan input 5VDC).
  6. Output Digital : Output digital sensor
  7. Ground : Hubungkan dengan ground (GND)
  8. BISS0001 : IC Sensor PIR
  9. Pengatur Jumper : Untuk mengatur output dari pin digital.

(*) Catatan: Pin nomor 1 dan 2 digunakan untuk melakukan kalibrasi sensor PIR dengan mengatur posisi potentiometer pada posisi label MIN atau MAX.

Mode operasi

Modul sensor PIR memiliki dua mode operasi, yaitu:

  1. Mode Picu Tunggal (Single Trigger Mode)
PIR Single Trigger Mode
Gambar 7 Diagram pewaktuan mode picu tunggal
  • Untuk memilih mode Picu Tunggal, jumper pada sensor PIR haruslah dijadikan rendah (LOW)
  • Pada kasus mode Picu Tunggal, keluarannya akan tinggi (HIGH) apabila gerakan terdeteksi
  • Setelah waktu jeda tertentu (tsel), keluarannya akan menjadi rendah (LOW) walaupun benda masih bergerak.
  • Keluaran akan menjadi LOW beberapa waktu dan kembali menjadi HIGH jika benda tetap bergerak.
  • Waktu jeda ini (tsel) diatur menggunakan potensiometer yang ada di modul sensor PIR.
  • Pada kondisi ini, sensor PIR memberikan pulsa HIGH/LOW jika benda terus menerus bergerak
  1. Mode Picu Berulang (Repeat Trigger Mode)
PIR Repeat Trigger Mode
Gambar 8 Diagram pewaktuan mode picu berulang
  • Untuk memilih mode Picu Berulang, jumper pada sensor PIR haruslah dijadikan tinggi (HIGH)
  • Pada kasus mode Picu Berulang, keluarannya akan tinggi (HIGH) apabila gerakan terdeteksi
  • Keluaran sensor PIR akan menjadi HIGH selama benda bergerak.
  • Ketika benda berhenti bergerak, atau menghilang dari daerah sensor, PIR akan melanjutkan kondisi HIGH selama waktu jeda (tsel) yang telah ditentukan.
  • Kita bisa menentukan waktu jeda ini (tsel) dengan mengatur potensiometer yang ada pada modul sensor PIR.
  • Pada kondisi ini, sensor PIR akan memberikan pulsa HIGH jika benda berada dalam kondisi bergerak.

Mengubah Sensitivitas dan Waktu Jeda

  • Terdapat dua buah potensiometer di modul sensor PIR yang digunakan untuk: Pengaturan Sensitivitas dan Pengaturan Waktu Jeda.
  • Kita bisa membuat sensor PIR menjadi lebih sensitif atau tidak cukup sensitif. Sensitivitas maksimum yang bisa dicapai adalah hingga 6 meter.
  • Potensiometer Pengatur Waktu Jeda digunakan untuk mengatur waktu tsel pada gambar diagram pewaktuan di atas
  • Pemutaran searah jarum jam membuat sensor PIR menjadi lebih sensitif.
PIR Detector With Lens
  • Ada dua hal penting dalam pembuatan sensor PIR, yaitu: biaya rendah dan sensitivitas tinggi.
  • Kedua hal ini bisa dicapai secara ajaib menggunakan tutup lensa.
  • Lensa meningkatkan jangkauan kerja, meningkatkan sensitivitas dan mengubah pola penginderaan dengan mudah.

Pengujian sensor PIR

PIR Sensor Testing
Gambar 9 Cara sederhana menguji sensor PIR

Kini, kapanpun sensor PIR mendeteksi gerakan, lampu LED akan menyala. Pada kondisi selain itu LED akan tetap mati seperti terlihat pada video singkat di bawah ini.

Motion detection By PIR Sensor
Gambar 10 Video pengujian sensor PIR
Categories
2.0-Penelitian

Apa bedanya VLC dan LiFi?

Visible Light Communication (VLC) atau Komunikasi Cahaya Tampak adalah sebuah istilah untuk teknologi komunikasi optik nirkabel point-to-point  – yang secara esensial digunakan sebagai pengganti kabel – yang menggunakan gelombang elektromagnetik pada spektrum cahaya tampak sebagai media transmisinya. VLC menggunakan piranti LED untuk mengirimkan data di bagian pengirimnya dengan teknik Intensity Modulation (IM) serta piranti fotodiode untuk menerima data di bagian penerimanya menggunakan prinsip direct detection (DD). VLC biasanya diimplementasikan mengacu pada standar yang telah dibuat yakni IEEE.802.15.7. Namun tidak menutup kemungkinan mengacu standar lainnya. VLC dapat diimplementasilkan pada sistem terestrial, ruangan dan dalam air. Sehingga pada masing-masing sistem, masalah kanal yang harus dihadapi berbeda-beda.

Gambar 1. Blok pembangun dasar dari LiFi dan bidang penerapannya

Sumber : Haas, H; Yin, Liang; Wang, Yunlu; Chen, Cheng; “What is LiFi?“, Journal of Lightwave Technology. 2015

Sementara itu, LiFi adalah sebuah sistem lengkap jaringan nirkabel optik dalam ruangan berbasis VLC yang menyediakan sistem komunikasi bi-directional multiuser atau komunikasi pengguna jamak dan dwi-arah, yakni komunikasi point-to-multipoint dan multipoint-to-multipoint. Sementara ini, standarnya sedang diupayakan untuk masuk menjadi bagian dari standar VLC yang sudah ada. LiFi diajukan sejajar dengan WiFi sebagai standar jaringan komunikasi nirkabel lainnya, seperti Free-Space Optic yang menggunakan LASER, sebagai pelengkap akibat dari keterbatasan penggunaan spektrum frekuensi radio di dalam ruangan. Jaringan LiFi juga melibatkan beberapa access point yang membentuk jaringan nirkabel optik yang menawarkan konsep attocell yang memberikan seamless handover karena menghasilkan cakupan jaringan yang lebih kecil daripada femtocell di teknologi RF. Artinya, LiFi juga harus dapat menangani mobilitas pengguna, sehingga membentuk lapisan jaringan baru di antara jaringan nirkabel yang heterogen.

 

Categories
2.0-Penelitian

Komunikasi Cahaya Tampak: Potensi dan Tantangannya – bagian 4

3.1.2 Rugi-rugi Jalur dan Daya Terima

Berdasarkan luminous flux yang dihitung di atas, kita akan turunkan nilai dari path loss sekarang. Telah dibuktikan pada [24] bahwa path loss pada ranah photometrik (dirujuk sebagai luminous path loss LL) sama dengan path loss pada ranah radiometrik (dirujuk sebagai path loss daya optik LP). Hal ini disebabkan oleh kenyataan bahwa pada propagasi udara bebas line-of-sight, path loss dapat diasumsikan tidak tergantung pada panjang gelombang. Kemudian, kita bisa hitung LL menggunakan luminous flux yang diturunkan pada bagian sebelumnya. Khususnya, LL adalah perbandingan luminous flux penerima ( FR) dan pengirim (FT). FT dapat dihitung seperti persamaan (4).

Untuk menghitung FR, perlu ditentukan posisi relatif pengirim dan penerima. Penentuan posisi relatif ini ditunjukkan pada Gambar 6. Di sini, jarak antara penerima dan pengirim adalah D, dan jari-jari permukaan penerima adalah r. Sudut antara normal penerima dan garis pengirim-penerima adalah is a (dirujuk juga sebagai sudut datang). Jika sudut pandang pengirim adalah b (dirujuk juga sebagai sudut pancar). Sudut penerima jika dilihat dari pengirim adalah Wr dan daerah penerima adalah Ar sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6, maka

Dari Gambar 6, flux penerima  dapat dihitung sebagai

Path loss optik  dapat dihitung menggunakan persamaan (4), (5) dan (6) sebagai

Kebanyakan sumber LED memiliki distribusi berkas Lambertial yang artinya intensitas luminous spasialnya adalah fungsi kosinus

dimana m adalah orde dari emisi Lambertial. Nilai m tergantung pada sudut LED pada setengah pancaran

Dengan mensubsitusi persamaan (8) dan qmax pada persamaan (7), kita dapatkan nilai path loss untuk sumber LED Lambertian sebagai berikut

Jika pancaran LED tidak dapat dimodelkan menggunakan fungsi kosinus Lambertian, maka perlu dilakukan pengukuran  untuk LED yang diberikan, dan menggunakannya untuk menghitung  dari persamaan (7).

Daya terima optik sekarang dapat dihitung menggunakan path loss. Biasanya fotodetektor penerima dilengkapi dengan filter optik.  menyatakan respon spektral dari sebuah filter optik. Gambar 7 menunjukkan  dari sebuah fotodetektor tertentu.Dengan menggunakan , daya terima optik  untuk link optik line-of-sight dapat dihitung sebagai

dimana  dan  serta  masing-masing adalah nilai cut-off panjang gelombang bawah dan atas dari filter optik.

Dengan mempertimbangkan persamaan (10) dan (11), daya terima tergantung pada tiga faktor – jarak pengirim-penerima (D), sudut datang (a) dan sudut pancar (b). Ketiga faktor ini tidak bergantung pada perangkat keras pengirim dan penerima, dan bergantung pada pergerakan dan orientasi penerima. Sebagai contoh, jika penerima merupakan telepon pintar yang dilengkapi dengan fotodioda, ketiga faktor tersebut akan berubah tergantung pada pergerakan pengguna dan orientasi perangkat. Adalah penting untuk memahami akibat fator-faktor ini terhadap daya terima untuk  mengevaluasi kapasitas yang dapat dicapai. Penulis pada [26] mengamati akibat penggunaan fotodioda telepon pintar sebagai penerima. Gambar 8 menunjukkan bagaimana daya terima ternormalisasi (yang diukur sebagai intensitas cahaya pada fotodioda telepon pintar) bervariasi terhadap perubahan D, a dan b. Gambar 8a, menunjukkan bagaimana daya terima teredam oleh D sebagai fungsi kuadrat terbalik (persamaan (10)). Sudut datang mengukur perubahan pada orientasi telepon pintar (0o artinya fotodioda menghadap langsung pada LED). Begitu sudut datang (a) membesar, energi dimana foton menumbuk fotodioda akan mengecil, yang selanjutnya mengakibatkan penurunan daya terima. Begitu pula, daya terima menurun dengan kenaikan sudut pancar (b) yang mengkonfirmasi pola pancar Lambertian dari LED. Akibat dari ketiga faktor ini memiliki implikasi penting terhadap penjaminan SNR tinggi pada jaringan akses VLC dan pengaturan interferensi inter-sel yang akan kita bahas pada bagian 4.2.

Categories
2.0-Penelitian

Komunikasi Cahaya Tampak: Potensi dan Tantangannya – bagian 3

3. Lapisan Fisik

Kita mulai dengan ulasan komprehensif mengenai lapisan fisik VLC dengan membahas (1) model dan karakteristik kanal, (2) metode modulasi dan (3) teknik MIMO untuk VLC

3.1  Model Kanal dan Karakteristik Propagasi

Pada bagian ini, kita paparkan model kanal untuk propagasi cahaya tampak. Berdasarkan model kanal, dimungkinkan untuk memilih sebuah LED dengan spesifikasi yang sesuai dan memperkirakan kinerja link komunikasinya.

3.1.1 Daya kirim sebuah LED – Luminous Flux

Sebuah pengirim LED melayani dwifungsi penerangan dan komunikasi. Oleh karena itu, perlu kiranya untuk pertama-tama membangun pengertian parameter fotometrik dan radiometrik yang relevan. Dengan parameter ini, kita akan mampu menghitung Luminous Flux yakni daya kirim sebuah pengirim LED. Pertama-tama, kita akan menghitung daya kirim, rugi-rugi jalur dan daya terima dari suatu link Line-of-Sight dan kemudian menganalisa pengaruh multijalur untuk jalur pantulannya.

Parameter fotometrik mengkuantifikasi karakteristik cahaya (seperti kecerahan, warna, dsb) sebagaimana diterima oleh mata manusia. Hal ini berguna dalam memahami aspek penerangan dari LED. Parameter radiometrik mengukur karakteristik energi elektromagnetik radian dari cahaya. Hal ini berguna dalam menentukan komunikasi yang berhubungan dengan sifat LED. Ada dua cara perhitungan Luminous Flux – menggunakan integral spektral atau integral spasial. Tergantung pada parameter yang diberikan pada sebuah pengirim LED, salah satu dari kedua metode tersebut dapat dipilih untuk menghitung luminous flux.

Integral spektral : Metode integral spektral menggunakan fungsi luminosity mata manusia dan distribusi spektral daya sebuah LED untuk menurunkan luminous flux.

Fungsi luminosity V(λ): penglihatan fotopik mata manusia membolehkan manusia bisa membedakan warna, membuatnya menjadi faktor krusial dalam merancang teknologi penerangan [17]. Ditunjukkan pada [18] bahwa penglihatan fotopik manusia mengalami tingkat sensitifitas yang berbeda-beda terhadap spektrum panjang gelombang cahaya tampak yang berbeda. Aspek ini ditunjukkan pada Gambar 3 menggunakan fungsi luminosity V(λ). Fungsi tersebut menunjukkan bahwa mata manusia dapat melihat warna yang berada pada jangkauan 380 nm hingga 750 nm dengan sensitifitas maksimum pada panjang gelombang 555 nm (daerah kuning-hijau).

Distribusi Daya Spektral ST(λ): ST(λ) sebuah LED merupakan fungsi yang merepresentasikan daya LED pada semua panjang gelombang pada spektrum cahaya tampak. Para pembuat LED biasanya mempublikasikan distribusi tersebut untuk menjelaskan bagaimana warna yang berbeda akan dirender dengan keberadaan LED. Fungsi ini merupakan parameter radiometrik yang diukur dalamWatt/nm. Distribusi daya spektral tiga LED yang berbeda warna ditunjukkan pada Gambar 4. Dapat diamati bahwa ketiga LED memiliki daya radian yang tinggi pada dua panjang gelombang – biru dan kuning. Seperti telah dijelaskan pada bagian 2.1, kebanyakan LED saat ini menghasilkan warna putih dengan menggabungkan cahaya biru yang dipancarkan oleh LED biru dengan pelapis phosphor warna kuning. Tergantung pada warna putih yang diinginkan (hangat, alami atau adem), cahaya warna biru dan kuning yang dipancarkan dikendalikan menggunakan pelapis phosphor. Contohnya, cahaya kuning yang lebih banyak akan diberikan pada cahaya putih hangat dan alami dibanding LED putih adem.

Luminous Flux: Luminous flux menggabungkan fungsi luminosity dan distribusi daya spectral untuk menghitung daya pancar LED “yang bisa diterima”. Parameter ini memberikan bobot V(λ) (sensitifitas mata manusia terhadap panjang gelombang yang berbeda) pada fungsi ST(λ) karena kita mengetahui dari Gambar 3 bahwa mata manusia tidak memberikan tanggapan yang sama terhadap semua panjang gelombang. Luminous flux LED pengirim (FT) diukur dalam satuan lumen dan dapat dihitung dengan cara

Konstanta 683 lumens/watt adalah efisiensi luminous maksimum. Efisiensi luminous adalah perbandingan antara luminous flux dengan radian flux, yang mengukur seberapa baik energi elektromagnetik yang dipancarkan dan listrik yang diperlukan LED ditransformasikan untuk menyediakan penerangan cahaya tampak. Kita ketahui dari Gambar 3 bahwa mata manusia paling sensitif untuk mendeteksi panjang gelombang 555 nm (hijau). Daya listrik yang diperlukan untuk menghasilkan satu lumen cahaya pada panjang gelombang 555 nm diturunkan menjadi 1/683 watt [20]. Hal ini berarti bahwa untuk sumber warna apapun, daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan satu lumen cahaya selalu lebih besar dari 1/683 watt. Sehingga, efisiensi luminous maksimum adalah 683 lumen/watt yang muncul di panjang gelombang 555 nm.

Integral spasial: Cara lain untuk menghitung luminous flux adalah dengan memanfaatkan sifat emisi spasial dari LED. Untuk itu, kita akan menggunakan intensitas luminous dan aksial seperti yang akan dipaparkan selanjutnya.

Intensitas Luminous gt(θ): Sementara flux luminous mengukur jumlah total cahaya yang dipancarkan oleh sebuah LED, luminous intensity mengukur seberapa terang LED pada arah tertentu. Hal ini diukur dalam Candela yang merupakan luminous flux per satuan sudut (1 steradian). Hal ini membuat kita memahami ke mana LED mengarahkan cahayanya. Gambar 5 menunjukkan distribusi intensitas luminous tiga jenis LED. Pada Gambar 5a, kedua LED memancarkan cahaya dengan sudut yang lebih luas dengan membolehkan pencahayaan yang lebih baik ke semua arah, sementara Gambar 5b, dapat diamati bahwa LED memancarkan cahaya dengan sudut yang lebih sempit (lebih seperti lampu spot). Kebanyakan sumber LED memiliki distribusi sinar Lambertial[23] yang artinya intensitasnya akan turun mengikuti kosinus sudut datang.

Terdapat dua parameter penting yang perlu diturunkan dari distribusi intensitas.

Intensitas Aksial (I0) yang didefinisikan sebagai intensitas luminous dalam candela pada sudut 0o. Untuk LED pada Gambar 5b, intensitas aksialnya adalah 987 candela. Umumnya, distribusi intensitas luminous yang disediakan oleh pembuatnya dinormalisasi dengan intensitas aksial yang ditunjukkan pada Gambar 5a.

Sudut Setengah Pancar (θmax) adalah sudut di mana intensitas cahaya menurun setengah dari intensitas aksialnya. Untuk LED pada Gambar 5b, sudut setengah pancarnya adalah 47o. Untuk sumber Lambertian seperti LED, sudut setengah pancar dihitung dari seluruh sudut pancar (Ωmax) berikut ini :

Flux luminous dapat dihitung dengan mengintegralkan fungsi intensitas luminous di seluruh sudut pancar Ωmax. Berbeda dari persamaan (1) yang merupakan integral spektral, di sini flux dihitung menggunakan integral spasial seperti berikut

dimana  adalah distribusi intensitas luminous spasial ternormalisasi. Dengan menggabungkan persamaan (2) dan (3), kita dapatkan

Categories
2.0-Penelitian

Komunikasi Cahaya Tampak: Potensi dan Tantangannya – bagian 2

2. SEKILAS SISTEM VLC

Pada bagian ini, kami berikan sebuah ulasan sistem komunikasi cahaya tampak dan komponen pengirim serta penerimanya. Kemudian kami bahas berbagai jenis VLC.

    1. Pengirim VLC

Pengirim pada sistem komunikasi cahaya tampak adalah sebuah pencahayaan LED. Sebuah pencahayaan LED merupakan sebuah unit penerangan lengkap yang terdiri dari lampu LED, ballast, rumah lampu dan komponen lainnya. Lampu LED (juga merujuk ke bola lampu LED dalam istilah sederhana) bisa berisi satu atau lebih LED. Lampu ini juga mencakup sebuah rangkaian driver yang mengendalikan arus yang mengalir melalui LED untuk mengatur terang gelapnya. Ketika pencahayaan LED digunakan untuk komunikasi, rangkaian driver dimodifikasi (detil lebih lanjut di Bagian 5) untuk memodulasi data melalui pancaran cahaya. Sebagai contoh, pada suatu modulasi On-Off Keying sederhana, bit data “0” dan “1” dapat dikirimkan dengan memilih dua tingkat intensitas cahaya yang terpisah.

Kebutuhan perancangan yang krusial untuk sistem VLC adalah penerangan, yang merupakan tujuan utama pencahayaan LED, yang seharusnya tidak terpengaruh kerena penggunaan komunikasi. Sehingga, kinerja sistem VLC juga dipengaruhi tergantung bagaimana pencahayaan LED dirancang. Cahaya putih sejauh ini merupakan bentuk yang selama ini paling banyak digunakan untuk penerangan baik di dalam ruangan maupun penerapan di luar ruangan. Hal ini disebabkan oleh warna obyek (yang disebut juga color rendering) sebagaimana terlihat di bawah cahaya putih mendekati warna obyek yang sama di bawah cahaya alami. Pada lampu solid-state, cahaya putih dihasilkan dengan beberapa cara –

  1. LED Biru dengan Phosphor: Pada metode ini, cahaya putih dibangkitkan menggunakan LED biru yang memiliki pelapis phosphor warna kuning. Ketika cahaya biru merambat melalui pelapis warna kuning, kombinasinya menghasilkan cahaya putih. Perbedaan jenis cahaya putih (suhu warna) dihasilkan dengan memodifikasi ketebalan lapisan phosphor.

  2. Kombinasi RGB: Cahaya putih juga dapat dihasilkan dari perpaduan tepat cahaya merah, hijau dan biru. Pada metode ini, tiga buah LED terpisah digunakan sehingga memperbesar biaya pencahayaan LED dibandingkan dengan menggunakan LED biru dengan phosphor.

Untuk kemudahan implementasi dan biaya murah, metode pertama dengan LED biru dan phosphor lebih banyak digunakan untuk merancang LED putih. Namun, untuk komunikasi, pelapis phosphor membatasi kecepatan sehingga LED hanya dapat disaklar hingga beberapa MHz. Sebagaimana akan kita bahas pada Bagian 3.2, berbagai solusi telah diajukan untuk menangani keterbatasan ini. Di sisi lain, kombinasi RGB lebih dipilih untuk komunikasi karena memberikan peluang juga untuk penggunaan Color Shift Keying dalam memodulasi data menggunakan tiga LED berwarna dengan panjang gelombang yang berbeda.

    1. Penerima VLC

Terdapat dua jenis penerima VLC yang bisa digunakan untuk menerima sinyal yang dikirim oleh pencahayaan LED

  1. Fotodetektor – juga merujuk pada fotodioda atau penerima non-imaging,

  2. Sensor gambar – disebut juga sensor kamera

Fotodetektor adalah sebuah piranti semikonduktor yang mengubah cahaya yang diterima menjadi arus. Fotodetektor yang ada sekarang dapat dengan mudah mengambil sampel cahaya tampak yang diterima dengan kecepatan hingga puluhan MHz.

Sebuah sensor gambar atau sensor kamera dapat juga digunakan untuk menerima sinyal cahaya tampak yang dikirimkan. Karena sensor kamera tersedia pada hampir semua perangkat bergerak hari ini seperti telepon pintar untuk menangkap video dan gambar, piranti ini memiliki potensi untuk mengubah perangkat bergerak sebagai penerima VLC yang siap pakai. Sebuah sensor gambar terdiri dari banyak fotodetektor yang disusun dalam bentuk matriks pada sebuah rangkaian terpadu. Namun, keterbatasan sensor gambar adalah karena digunakan untuk fotografi dengan resolusi tinggi, jumlah fotodetektornya bisa sangat banyak. Hal ini secara signifikan mengurangi jumlah frame per sekon (fps) yang dapat ditangkap oleh sensor kamera. Contohnya, fps yang umumnya digunakan oleh sensor kamera pada telepon pintar tidak lebih dari 40. Hal ini berarti penggunaan langsung sensor kamera untuk menerima komunikasi cahaya tampak bisa memberikan kecepatan data yang sangat rendah.

Sifat “rolling shutter” dari sensor kamera dapar digunakan untuk menerima data dengan lebih cepat. Karena jumlah fotodetektor yang tersedia banyak pada sensor kamera, tidak mungkin membaca keluarannya setiap piksel secara parallel. Bahkan sensor kamera modern menggunakan scanning baris dimana fotodetektor dari satu baris matriks dibaca setiap waktu. Prosedur pembacaan keluaran fotodetektor baris per baris (atau kolom-per-kolom) ini mengacu pada rolling shutter. Gambar 2 menunjukkan bagaimana proses rolling shutter dapat digunakan untuk meningkatkan kecepatan data. Sebagai ilustrasi, kita asumsikan pengirim menggunakan modulasi ON-OFF. Pengirim bisa mengubah keadaannya (mengirimkan simbol berikutnya) dengan waktu yang lebih pendek daripada waktu yang dibutuhkan untuk memindai sebaris piksel. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2a, pengirim berada pada keadaan ON pertama kali yang menghasilkan intensitas yang lebih tinggi untuk piksel pada kolom pertama. Pada waktu berikutnya, pengirim mengubah keadaannya dengan mensaklar ke keadaan OFF. Hal ini dapat direkam sebagai keluaran intensitas rendah untuk piksel dari kolom kedua. Begitu semua kolom dipindai, semua kolom dari penggabungan gambar dapat diubah ke data biner. Hal ini ditunjukkan pada [16] bahwa throughput dengan kelipatan kbps dapat dicapai dengan menggunakan proses rolling shutter dari sensor kamera.

Gambar 2. Efek rolling shutter dan skenario penggunaan secara umum jaringan VLC dalam ruangan

Perlu diperhatikan bahwa sensor gambar bisa membuat perangkat bergerak apapun yang memiliki kamera untuk menerima komunikasi cahaya tampak. Namun, dalam bentuk yang ada sekarang, hanya bisa memberikan throughput yang terbatas (beberapa kbps) karena kecepatan samplingnya yang rendah. Di sisi lain, fotodetektor yang berdiri sendiri telah menunjukkan pencapaian signifikan untuk mencapai throughput yang lebih tinggi (ratusan mbps). Pada survei ini, kami asumsikan penerimanya adalah fotodetektor kecuali disebutkan secara khusus.

    1. Mode Komunikasi VLC

Komunikasi cahaya tampak dapat diklasifikasikan ke dalam dua mode: (1) komunikasi infrastruktur-ke-perangkat dan (2) komunikasi perangkat-ke-perangkat. Skenario dalam ruangnan dimana pencahayaan LED digunakan untuk menerangi ruangan ditunjukkan pada Gambar 2b. Pada kasus ini, penerangan dapat mengirimkan data ke berbagai perangkat di dalam ruangan. LED dapat juga berkoordinasi di antara mereka sendiri untuk mengurangi interferensi dan bahkan memperbolehkan pengiriman multi-titik terkoordinasi ke perangkat penerima. Pengiriman uplink dari perangkat cukup sulit dilakukan karena penggunaan LED pada perangkat akhir pengguna dapat menyebabkan gangguan ke pengguna. Dalam beberapa kasus, komunikasi RF atau inframerah dapat digunakan untuk pengiriman uplink. Seperti halnya pada kasus dalam ruangan, LED yang digunakan pada lampu jalan begitu pula lampu lalu lintas dapat digunakan untuk menyediakan akses internet ke pengguna di dalam mobil dan pejalan kaki. Kita akan bahas beberapa penerapan di kendaraan pada Bagian 6.3.

Karena telah terpasangnya sensor kamera di hampir semua perangkat bergerak, komunikasi cahaya tampak juga dapat digunakan untuk komunikasi perangkat-ke-perangkat jarak dekat. Di sini, piksel-piksel LED pada layar sebuah telepon pintar dapat digunakan untuk mengirimkan data ke sensor kamera di telepon pintar lainnya. Dengan rancangan terkini kode yang efisien, suatu rentetan layar-ke-kamera telah dipertunjukkan mencapai throughput yang sangat tinggi. Kita akan bahasa teknik ini pada bagian 6.2. Dalam bentuk lain komunikasi perangkat-ke-perangkat, mobil dan kendaraan lainnya di jalan dapat berkomunikasi satu sama lain untuk membentuk sebuah jaringan ad-hoc menggunakan VLC.

Walaupun kita membahas jaringan kendaraan dan komunikasi layar-kamera, fokus utama kami pada survei ini adalah rancangan dan analisis jaringan infrastruktur-ke-perangkat dalam ruangan menggunakan cahaya tampak.

Secret Link