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Spread spectrum

Breites Spektrum ist eine Form der drahtlosen Kommunikation, bei der die Energie des übertragenen Signals bewusst über einen bestimmten Frequenzbereich verteilt wird. Solche Streusignale haben eine viel größere Bandbreite als die darin enthaltenen Informationen, wodurch ein rauschähnliches Signal erzeugt wird, das schwer zu erkennen oder abzufangen ist. Außerdem ist es auch sehr schwierig, ein Spreizspektrumsignal mit einem anderen Signal zu stören. Diese Eigenschaften machen das Spread-Spektrum ideal für militärische Anwendungen und andere Umgebungen, in denen eine hohe Signalzuverlässigkeit erwünscht ist.

Geschichte

Die ersten Funkensender, die in Telegrafensystemen eingesetzt wurden, nutzten tatsächlich bereits Spreizspektrum, da die Bandbreite ihres Sendesignals viel größer war als die der im Signal enthaltenen Informationen.

Das Konzept des Frequenzsprungs wurde erstmals erforscht von Nikola Tesla im Jahr 1900. Er suchte nach Möglichkeiten, Signale an ein funkgesteuertes U-Boot zu senden. Diese Signale mussten resistent gegen Abhören, Stören und andere Arten von Störungen sein. Seine beiden Patente[1][2] im Juli 1903 eingereicht, beschreiben zwei unterschiedliche Systeme, um drahtlose Kommunikation störungsresistent zu machen. Dies wurde durch Variieren der Frequenz des Trägers oder einer anderen Eigenschaft des Signals erreicht.

Während des Zweiten Weltkriegs arbeitete das US-Militär an einem geheimen Kommunikationssystem namens SIGSALY, das ein Streuspektrum verwendet. Die Existenz dieses Systems ist aufgrund des Staatsgeheimnisses erst spät bekannt geworden.

Die bekanntesten Entwicklungen im Bereich Frequency Hopping sind die der Schauspielerin Hedy Lamarr und Komponist George Antheil. Sie entwickelten ein System, das eine Notenrolle verwendet, um ein Signal über 88 Frequenzen zu springen. Dieses System sollte die Kommunikation von funkgesteuerten Torpedos störsicher machen.[3] Dieses System wurde 1942 patentiert, aber die Details des Systems wurden vom US-Militär streng geheim gehalten. Dies machte eine kommerzielle Nutzung bis zum Ablauf dieses Patents unmöglich.

Der größte Teil der Spread-Spektrum-Arbeit in den 50er, 60er und 70er Jahren war streng geheim. Die erste kommerzielle Anwendung von Spread Spectrum war in den 1980er Jahren, als das Unternehmen von Equatorial Communications System das VSAT Satellitenkommunikationssystem. Die Popularität von Spread Spectrum wuchs 1985, als die FCC in Amerika die ISM-Bänder für unlizenzierte Kommunikation freigab.

Operation

Wie bereits erwähnt, verwendet das Spreizspektrum breitbandige, rauschähnliche Signale. Um die zu sendenden Informationen über ein breites Spektrum zu verteilen, werden sogenannte „Spreading“-Codes verwendet. Dies sind Pseudozufallscodes oder Pseudorauschcodes. Das Wort Pseudo ist, weil das Rauschmuster kein echtes weißes Rauschen ist. Der verwendete Code muss sowohl beim Sender als auch beim Empfänger bekannt sein.

Es ist möglich, mehrere Spreizspektrum-Kommunikationen im gleichen Frequenzbereich auszuführen, solange sie einen anderen Spreizcode verwenden, werden sie sich nicht gegenseitig stören. Wie dies zustande kommt, wird im Folgenden erläutert.

Spread Spectrum gibt es in zwei Formen: Direct Sequence oder Frequency Hopping. Es ist jedoch auch möglich, diese beiden zu kombinieren.

Frequenzsprung-Spreizspektrum (FHSS)

Bei FHSS springt das Informationssignal einfach über ein breites Band von einer Frequenz zur anderen. Die Reihenfolge, in der das Signal springt, wird durch einen Pseudo-Noise-Code bestimmt und die Geschwindigkeit der Sprünge wird durch die Geschwindigkeit des Informationssignals bestimmt. Die Zeit, die das System auf einer bestimmten Frequenz verweilt, wird als "Verweilzeit" bezeichnet und beträgt normalerweise weniger als 10 ms.

Ein Spreizsystem ist komplexer als ein gewöhnliches Schmalband-Kommunikationssystem (FM, AM, SSB,...), da sich der Empfänger mit dem Sender synchronisieren muss. Da der Sender ständig die Frequenz ändert, muss der Empfänger immer wissen, auf welcher Frequenz sich das Signal befindet. Dies übernimmt das Synchronisationssystem im Empfänger. Als Ergebnis kann ein Frequenzsprungsignal von herkömmlichen Empfängern nicht abgefangen werden. Und wenn auf einer vom System verwendeten Frequenz ein Störsender auftritt, ist dies nicht so schlimm, da das Signal nur für einen Bruchteil der Zeit auf dieser Frequenz vorhanden ist, sodass nur sehr wenige Informationen verloren gehen.

Direktsequenz-Spreizspektrum (DSSS)

DSSS wird häufig bei digitalen Übertragungen verwendet. Die Informationen fließen bitweise ein, während der Pseudo-Noise-Generator viel schneller arbeitet und eine schnellere Folge von Bits erzeugt. Diese werden Chips genannt. Die Informationsbits werden dann mit dem Signal vom Generator moduliert, was zu mehreren Chips führt, die dieses Informationsbit für jedes Informationsbit enthalten.

Auf der Empfängerseite werden alle Chips empfangen und da der gleiche Pseudo-Noise-Code wie im Sender verwendet wird, kennt der Empfänger das Chipsignal. Dadurch weiß der Empfänger, welches Informationsbit in welcher Chipserie enthalten ist und die Information kann von den Chips demoduliert werden. Geht hier und da ein Chip während der Übertragung durch Rauschen oder andere Einflüsse verloren, ist das nicht weiter schlimm, denn die gleichen Informationen sind auch in anderen Chips enthalten.

Chirp-Spreizspektrum (CSS)

In der digitalen Kommunikation, Chirp-Spreizspektrum (CSS) eine Spreizspektrumtechnik, die breitbandige lineare frequenzmodulierte "Chirp"-Impulse verwendet, um Informationen zu codieren.[4] Ein Zirpen ist ein is sinusförmig Signal, dessen Frequenz mit der Zeit zu- oder abnimmt (oft wird ein polynomischer Ausdruck für die Beziehung zwischen Zeit und Frequenz verwendet).

Vor-und Nachteile

Die Vorteile der Spread-Spectrum-Kommunikation sind:

  • Gute Störfestigkeit
  • Nicht von anderen Parteien abgefangen werden
  • Mehrfachübertragungen im gleichen Frequenzbereich möglich

Der Hauptnachteil von Spread Spectrum ist die Komplexität des Systems, wodurch Sender und Empfänger teurer sind als bei herkömmlichen Schmalbandlösungen.

Anwendungen

Einige Anwendungsbeispiele sind: