Spread spectrum

De eerste vonkzenders zoals gebruikt in telegraafsystemen gebruikten eigenlijk al spread spectrum, gezien de bandbreedte van hun uitgezonden signaal veel groter was dan die van de informatie die het signaal bevat.

Het concept van frequentieverspringing werd voor het eerst onderzocht door Nikola Tesla in 1900. Hij zocht naar manieren om signalen te sturen naar een radiografisch bestuurbare onderzeeër. Deze signalen moesten bestand zijn tegen onderschepping, storing en andere vormen van interferentie. Zijn twee patenten[1][2] die ingediend zijn in juli 1903, beschrijven twee verschillende systemen om draadloze communicatie bestand te maken tegen interferenties. Dit werd bereikt door de frequentie van de draaggolf of een andere eigenschap van het signaal te laten variëren.

Tijdens WOII werkte het Amerikaanse leger aan een geheim communicatiesysteem met behulp van spread spectrum genaamd SIGSALY. Het bestaan van dit systeem is pas laat bekend geworden omwille van het staatsgeheim.

De bekendste ontwikkelingen op gebied van frequentieverspringing zijn die van actrice Hedy Lamarr en componist George Antheil. Ze ontwikkelden een systeem waarbij een pianorol gebruikt werd om een signaal te laten verspringen over 88 frequenties. Dit systeem was bedoeld om de communicatie van radio gestuurde torpedo's bestand te maken tegen stoorzenders.[3] Het patent op dit systeem werd verleend in 1942 maar de details van het systeem werden strikt geheimgehouden door het Amerikaanse leger. Hierdoor was commercieel gebruik onmogelijk tot dit patent verlopen was.

Het grootste gedeelte van het werk op gebied van spread spectrum doorheen de jaren 50, 60 en 70 was topgeheim. De eerste commerciële toepassing van spread spectrum was in de jaren 1980 toen het bedrijf Equatorial Communications System's op de proppen kwam met het VSAT systeem voor satellietcommunicatie. De populariteit van spread spectrum steeg enorm in 1985, toen in Amerika de FCC de ISM banden vrij maakten voor communicatie zonder zendvergunning.

Zoals reeds gezegd gebruikt spread spectrum breedbandige, ruisachtige signalen. Om de te verzenden informatie te verspreiden over een breed spectrum, wordt gebruikgemaakt van zogenaamde "spreading" codes. Dit zijn pseudo-willekeurige codes of pseudo-ruis codes. Het woord pseudo komt doordat het ruispatroon geen echte witte ruis is. De gebruikte code moet bekend zijn zowel in de zender als in de ontvanger.

Het is mogelijk om meerdere spread spectrum communicaties in hetzelfde frequentiebereik te voeren, zolang ze maar een andere spreading code gebruiken zullen ze elkaar niet storen. Hoe dit komt wordt hieronder verklaard.

Spread spectrum bestaat in twee vormen: Direct Sequence, of Frequency Hopping. Het is echter ook mogelijk deze twee te combineren.

Bij FHSS springt het informatiesignaal eenvoudigweg van de ene frequentie naar de andere over een brede band. De volgorde waarin het signaal verspringt wordt bepaald door een pseudo-ruis code en de snelheid van de sprongen wordt bepaald door de snelheid van het informatiesignaal. De tijd dat het systeem op een bepaalde frequentie blijft wordt de "dwell time" genoemd en is gewoonlijk kleiner dan 10ms.

Een spread systeem is complexer ten opzichte van een gewoon smalband communicatiesysteem (FM, AM, SSB,...) omdat de ontvanger zich moet synchroniseren met de zender. Gezien de zender constant van frequentie wijzigt moet de ontvanger op elk moment weten op welke frequentie het signaal zich bevindt. Dit wordt afgehandeld door het synchronisatiesysteem in de ontvanger. Hierdoor is een frequency hopping signaal ook niet te onderscheppen door conventionele ontvangers. En als er zich op een frequentie die gebruikt wordt door het systeem een stoorzender bevindt is dit niet zo erg aangezien het signaal maar een fractie van de tijd op deze frequentie aanwezig is, er zal dus maar weinig informatie verloren gaan.

DSSS wordt vaak gebruikt in digitale transmissies. De informatie stroomt binnen in bits, terwijl de pseudo-ruis generator veel sneller werkt en een snellere serie bits produceert. Deze worden chips genoemd. De informatie bits worden dan gemoduleerd met het signaal uit de generator en zo ontstaan voor elke informatie bit, meerdere chips die deze informatie bit bevatten.

Aan de ontvangerzijde worden alle chips ontvangen en aangezien dezelfde pseudo-ruis code gebruikt wordt als in de zender, kent de ontvanger het chipsignaal. Hierdoor weet de ontvanger welke informatiebit in welke reeks chips zit en kan de informatie uit de chips gedemoduleerd worden. Als er tijdens de transmissie hier en daar een chip verloren zou gaan door ruis of andere invloeden is dit niet zo erg omdat dezelfde informatie ook nog in andere chips vervat zit.

Bij digitale communicatie is chirp spread spectrum (CSS) een spread spectrum techniek, die breedbandig lineair frequentiegemoduleerde "chirp" pulsen gebruikt om informatie te coderen.[4] Een chirp is een sinusvormig signaal waarvan de frequentie toeneemt of afneemt met de tijd (vaak wordt een polynomiale uitdrukking voor het verband tussen tijd en frequentie gebruikt).

De voordelen van spread spectrum communicatie zijn:

• Goed bestand tegen storing
• Niet te onderscheppen door andere partijen
• Meerdere transmissies in hetzelfde frequentiegebied mogelijk

Het grote nadeel van spread spectrum is vooral de complexiteit van het systeem waardoor de zenders en ontvangers duurder zijn dan die van conventionele smalband oplossingen.

Enkele voorbeelden van toepassingen zijn:

• Gps, Glonass en Galileo navigatiesystemen;
• De 802.11- en 802.11b-standaarden voor draadloze netwerken;
• ZigBee;
• Bluetooth;
• LoRaWAN.