SPREAD SPECTRUM

Materi ini menjelaskan tentang Spread Spectrum, Frequency Hoping Spread Spectrum, dan Direct Sequence Spread Spectrum

Gambar 0, spread spectrum signal

Apa itu spread spectrum?

Spread spectrum adalah sebuah metode komunikasi dimana semua sinyal komunikasi disebar di seluruh spektrum frekuensi yang tersedia. Pada awalnya dikembangkan untuk kepentingan militer dan intelejen. Ide dasarnya adalah untuk menyebarkan sinyal informasi melalui bandwidth yang lebih luas untuk mencegah dilakukannya pencegatan informasi dan gangguan-gangguan lainnya.

Istilah spread spectrum digunakan karena pada sistem ini sinyal yang ditransmisikan memiliki bandwidth yang jauh lebih lebar dari bandwidth sinyal informasi (mencapai ribuan kali). Proses penebaran bandwidth sinyal informasi ini disebut spreading.

Spread spectrum jenis pertama yang dikembangkan dikenal dengan nama frequency hopping atau lompatan frekuensi. Versi yang terbaru adalah direct squence spread spectrum. Kedua teknik ini dipergunakan dalam berbagai produk jaringan nirkabel. Selain itu juga untuk berbagai aplikasi lainnya, seperti telepon nirkabel (cordless telephone).

Sebuah sistem dapat disebut spread spectrum, harus memenuhi kriteria sebagai berikut:

1. Sinyal yang dikirimkan menduduki bandwidth yang jauh lebih lebar daripada bandwidth minimum yang diperlukan untuk mengirimkan sinyal informasi.
2. Pada pengirim terjadi proses spreading yang menebarkan sinyal informasi dengan bantuan sinyal kode yang bersifat independen terhadap informasi.
3. Pada penerima terjadi proses despreading yang melibatkan korelasi antara sinyal yang diterima dan replika sinyal kode yang dibangkitkan sendiri oleh suatu generator lokal.

Note: Dalam komunikasi spread spectrum semakin lebar bandwidth akan semakin tahan terhadap jamming dan akan semakin terjamin tingkat kerahasiaannya dan semakin banyak kanal yang bisa dipakai.

Konsep Sistem Spread Spectrum

Gambar 1, Diagram Sistem Spread Spectrum

Gambar diatas menyajikan gambaran tentang karakteristik kunci beberapa sistem spektum penyebaran.

1. Input dimasukkan ke dalam suatau channel enkoder yang menghasilkan sebuah sinyal analog dengan bandwidth sempit relatif di seputar beberapa frekuensi pusat.
2. Sinyal ini kemudian dimodulasikan menggunakan deretan digit-digit tidak beraturan yang disebut pseudorandom sequence. Efek dari modulasi ini adalah untuk meningkatkan secara signifikan bandwith (yang menyebarkan spektrum) sinyal yang ditransmisikan.
3. Pada ujung penerima, deretan digit yang sama di gunakan untuk mendemodulasikan sinyal spektrum penyebaran.
4. Terakhir sinyal dimasukkan ke dalam sebuah channel dekoder untuk melindungi data

Keuntungan Sistem Spread Spectrum

1. Imunitas/kekebalan dari berbagai noise dan multipath distortion dan termasuk gangguan jamming
2. Mampu mengacak sinyal. Dimana hanya receiver yang mengetahui pengacakan kode dapat kembali menjadi sinyal
3. Beberapa user dapat mengunakan bandwidth yang lebih besar dengan sedikit interferensi. Contoh user:
   1. Telepon seluler
   2. Code division multiplexing (CDM)
   3. Code division multple access (CDMA)

Sifat-sifat Sinyal Pseudorandom

Pertanyaan, apakah sifat sinyal pseudorandom akan mampu mewakili suatu sinyal yang benar-benar random?

Ada 3 sifat dasar untuk mengetahui apakah sekuen biner dapat memenuhi kriteria random:

1. Balanced property
   Kondisi balance (seimbang) untuk sekuen biner yang bagus mensyaratkan jumlah bit 1 dan jumlah bit 0 yang muncul sama. Beda yang diijinkan maksimum adalah 1 digit.
2. Run Property
   Suatu run didefinisikan sebagai suatu sekuen tipe single pada bit-bit (binary digit). Kemunculan digit yang berlawanan dalam suatu sekuen akan memenuhi run yang baru. Panjang run adalah jumlah digit -digit didalam run. Pada suatu periode yang tersusun dari 1 dan 0, diketahui bahwa 0.5 run masing — masing tipe 1, sepanjang sekitar 1/4 panjang 2, dan 1/8 pada panjang 3,dst
3. Correlation Property
   Jika suatu periode pada sekuen dibandingkan secara term by term dengan suatu siklus yang digeser terhadap dirinya sendiri, akan didapat periode dimana sinyal itu akan memiliki perulangan. Pada dua sinyal dengan periode yang sama, to s/d tn, maka keduanya benar-benar mirip. Kondisi ini dalam bentuk ternormalisasi memiliki nilai korelasi 1. Untuk suatu kondisi dimana bentuk sinyal pertama bertolak belakang dengan sinyal kedua, maka dinyatakan memiliki korelasi –1. Gambaran korelasi dua sinyal secara sederhana seperti Gambar berikut ini. Gambar a dan b memiliki korelasi 1, sedangkan gambar a dengan c memiliki korelasi –1.

Gambar 2, Sifat-sifat sinyal random

Jenis-jenis Spread Spectrum

• Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)

Gambar 3, Penggunaan channel pada FHSS

Dalam skema Frequency Hopping Spread Spectrum, sinyal disiarkan sepanjang rangkaian frekuensi radio yang kelihatannya acak, melompat dari frekuensi ke frekuensi pada titik pisah (split-socond intervals).

Sebuah receiver, melompat di antara frekuensi secara sinkron dengan transmitter, lalu menangkap pesan. Sehingga orang-orang yang berusaha mendengarkan secara diam diam hanya akana mendengar bunyi titik titik yang tidak jelas. Upaya untuk mengganggu sinyal hanya akan berhasil dengan cara menghantam sedikit bitnya.

Berikut pemaparan mengenai sistem frekuensi hopping spread spectrum disisi transmitter dan receiver:

Gambar 4, Sistem Frequency Hopping Spread Spectrum pada Transmitter

1. Untuk transmisi data biner dimasukkan ke dalam sebuah modulator dengan menggunakan beberapa skema pengkodean digital-ke-analog, semacam Frequency-shift keying(FSK) atau Binary Phase-Shift Keying(BPSK).
2. Sinyal yang dihasilkan dipusatkan disekitar beberapa frekuensi dasar. Sumber jumlah pseudorandom menyajikan apa yang dilampirkan dalam indeks didalam tabel frekuensi.
3. Pada masing masing interval yang berurutan, dipilih sebuah frekuensi baru dari tabel. Frekuensi ini kemudian dimodulasikan melalui sinyal yang dihasilkan dari modulator awal agar menghasilkan sinyal yang baru dengan bentuk yang sama namun sekarang dipusatkan di tengah tengah frekuensi yang dipilih dari tabel.

Gambar 5, Sistem Frequency Hopping Spread Spectrum pada Receiver

1. Sedangkan pada penerima, sinyal spektrum penyebaran didemodulasikan menggunakan sejumlah frekuensi yang sama yang didapatkan dari tabel kemudian didemoduasikan agar menghasilkan data output.
2. Sebagai contoh, bila FSK digunakan, modulator memilih salah satu dari dua frekuensi, katakanlah f0 atau f1, berkaitan dengan transmisi biner 1 atau biner 0.Sinyal FSK biner yang dihasilkan diartikan ke dalam frekuensi melalui suatu jumlah yang ditentukan melalui urutan output dari generator sumber pseudorandom. Sehingga, bila frekuensi yang dipilih pada waktu I adalah f1 maka sinyal pada waktu I adalah baik fi + fo maupun fi + f1.

Sinyal ditransfer secara bergantian dengan menggunakan 1MHz atau lebih dalam rentang sebuah pita frekuensi tertentu yang tetap. Prinsip dari metoda frequency hopping adalah menggunakan pita yang sempit yang bergantian dalam memancarkan sinyal radio. Secara periodik antara 20 sampai dengan 400ms (milidetik) sinyal berpindah dari channel frekuensi satu ke channel frekuensi lainnya.

Pita 2.4GHz dibagi-bagi ke dalam beberapa sub bagian yang disebut channel/kanal. Salah satu standar pembagian channel ini adalah sistem ETSI (European Telecommunication Standard Institute) dengan membagi channel, dimulai dengan channel 1 pada frekuensi 2.412MHz, channel 2 pada frekuensi 2.417MHz, channel 3 pada frekuensi 2.422MHz dan seterusnya setiap 5MHz bertambah sampai channel 13.

• Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

DSSS adalah salah satu teknik spread spectrum (spektral tersebar), yaitu suatu jenis modulasi dimana lebar bidang frekuensi (band width) transmisi yang digunakan jauh lebih besar dari pada lebar bidang frekuensi minimum yang dibutuhkan untuk mentransmisikan informasi, sementara tidak ada kaitan langsung antara lebar bidang frekuensi keluaran dengan modulasi oleh sinyal informasinya.

Dengan adanya pemodulasian secara Direct Sequence Spread Spectrum, sinyal informasi (termodulasi digital) yang mempunyai lebar bidang frekuensi terbatas akan ditebarkan pada daerah frekuensi yang jauh lebih lebar, serta akan dapat bekerja pada rapat spektral daya yang rendah.

Gambar 6, Direct Sequence Spread Spectrum pada Transmitter

Pada Direct Sequence Spread Spectrum, proses penebaran dilakukan dengan melakukan perkalian langsung (direct) antara sinyal informasi (yang dimodulasikan secara digital) dengan suatu urutan spreading code (kode penebar). Lebar bidang frekuensi daerah sinyal informasi ditebarkan tergantung pada chip rate (laju chip) dari kode penebar, dimana kode penebar ini dihasilkan oleh suatu PN (pseudo noise) generator dengan panjang urutan tertentu yang dapat diprogram.

Gambar 7, Direct Sequence Spread Spectrum pada Receiver

Proses demodulasi ( despreading) sinyal Direct Sequence Spread Spectrum di penerima, dilakukan menggunakan proses korelasi antara sinyal Direct Sequence Spread Spectrum diterima dengan replika kode penebar yang dibangkitkan di penerima dengan bantuan rangkaian akuisisi dan tracking.

Karena sinyal informasi ditebarkan pada daerah frekuensi yang cukup lebar dengan teknik Direct Sequence Spread Spectrum, sinyal informasi akan tahan terhadap sinyal interferensi (gangguan) dari luar dan sinyal jamming ( pemacetan) yang sengaja dilakukan oleh perangkat komunikasi lain.

Prinsip dasar Direct Sequence Spread Spectrum

Gambar 8, Prinsip dasar Direct Sequence Spread Spectrum :

Dalam sistem ini digunakan kode penebar (spreading code) sedemikian rupa sehingga proses deteksinya mudah dilakukan, tanpa gangguan yang berarti dari sinyal-sinyal lain yang menempati pita frekuensi yang sama. Sinyal keluaran modulator digital dapat dituliskan sebagai berikut :

Sd(t) = 2P cos [ω Ot + θd(t)]

dimana θd(t) berharga 0 atau π karena mengunakan modulasi BPSK. Perubahan fasa θd(t) dapat terjadi setiap perioda bit = Tb = 1/(laju bit).

Untuk menebarkan sinyal tersebut diatas, maka Sd(t) dikalikan dengan kode penebar c(t), yang dalam realisasinya merupakan sinyal NRZ-polar dengan amplitude = 1 dan mempunyai lebar satuan = TC lebar “chip”.

Laju “chip” atau “chip rate” adalah jumlah chip perdetik atau = 1/ TC . Format c(t) dibuat sedemikian rupa sehingga dapat disebut sebagai “sinyal acak semu”. Dengan demikian, sinyal keluaran St(t) dapat dituliskan sebagai berikut:

St(t) = √2P . c(t).cos [ω Ot + θd(t)]

Sinyal St(t) inilah yang dinamakan Direct Sequence Spread Spectrum, selanjutnya dapat oleh RFPA (radio frequency power amplifier ) diperkuat sebelum dikirimkan ke penerima.

Rapat daya sinyal DS-SS

Rapat Spektral Daya Sinyal BPSK Sd(t) :

Sd (f ) = ½ PTS { sinc2 [ (f — f0 ) TS ] + sinc2 [ (f + f0 ) TS ] }

Rapat Spektral Daya kode penebar c(t)

Rapat daya dari kode penebar c(t) adalah transformasi Fourier dari fungsi otokorelasinya :

F (Rc(τ )) = Sc(f) = ∫ ∞ ∞ Rc(τ ) e − j2πfτ dτ
___________ Sc(f) = Tc sinc 2 (Ftc)

Rapat daya sinyal DS-SS St(t)

Berikut adalah gambaran penebaran sinyal BPSK dengan teknik DSSS, dimana besarnya perbandingan nilai Tc = Tb/2, atau nilai chip rate Rc dua kali nilai bit rate Rb.

Dalam pengiriman sinyal menggunakan sistem DSSS tidak menutup kemungkinan akan mengalami gangguan. misal terkena sinyal jamming. Berikut contoh kasus, apabila sinyal DSSS terkena sinyal jamming J, maka gambarannya adalah seperti berikut:

Gambar 9, Spektrum sinyal DSSS + sinyal jamming J (warna merah)

Terlihat dari gambar 9, sinyal DSSS terkena sinyal jamming ( single tone) dengan amplitudo sebesar J watt, yang nilainya lebih besar dari amplitudo sinyal DSSS.

Dengan digunakannya teknik DSSS, maka di penerima akan terjadi proses despreading, sehingga amplitudo (energi) dan bandwidth sinyal BPSK kembali seperti semula. Amplitudo (energi) menjadi A watt dan bandwidth menjadi B hertz. Sedangkan amplitudo (energi) sinyal jamming menjadi 1/2J dan bandwidth-nya menjadi ½ nya, seperti gambar 10.

Gambar 10, Spektrum sinyal informasi (BPSK) + jamming setelah despreading

Dengan amplitudo (energi) sinyal jamming ditekan menjadi 1/2J dan bandwidthnya menjadi 2 kalinya, maka tidak akan mengganggu sinyal informasi BPSK. Semakin besar perbandingan antara Tb dan Tc, maka amplitudo (energi) sinyal jamming akan semakin kecil, sehingga tingkat efektivitas gangguan sinyal jamming pada sinyal informasi BPSK semakin rendah, atau dikatakan rasio perbandingan sinyal terhadap noise ( S/N) di penerima membesar.

Demikian pemaparan mengenai Spread Spectrum serta berbagai sistemnya. Semoga blog ini dapat memberikan manfaat untuk semua

Kurang lebihnya mohon maaf dan terima kasih telah membaca ^_^