9-2015

GrundlagenBild 3: Beispiel für ein FH-SignalSpread Spectrum einen schlechtenBandbreiten-Nutzungsgrad.Direct sequenceSpread SpectrumDirect sequence Spread Spectrum,kurz DS genannt, ist die fürWLAN und ZigBee verwendeteModulations-Methode.SenderDas Informationssignal wirdzunächst einer primären Modulationmit PSK, FSK oder eineranderen Schmalbandmodulationunterzogen und anschließendeiner zweiten Modulation mitSpread spectrum. GespreizteSpektren erhält man durch Multiplikationdes primär moduliertenSignals mit einer Rechteckfolge,die als PN-Sequenz bezeichnetwird. In manchen Fällen erfolgtauch erst die Spread-Spectrum-Modulation und anschließenddie Schmalbandmodulation mitz.B. PSK oder FSK. Bild 1 istein Beispiel für Spread-spectrum-Modulationund Demodulationmit PSK als primärerModulation.ReceiverWenn die Entspreizung der empfangenendiffusen Welle ausgeführtwird, wandelt sie sichdabei zurück in eine PSK- oderFSK-modulierte Welle, wie sieaus der primären Modulationresultierte. Bei der „Entspreizung“werden das empfangeneSignal und das lokale Signalmiteinander multipliziert undpassend durch Tiefpässe gefiltert,um das Informationssignalzurück zu gewinnen. Entspreizung(Despreading) schließt dieMultiplikation mit dem gleichenPN-Code ein, der im Sender fürdie gesendete Welle verwendetwurde. Zu diesem Zeitpunktmüssen die empfangene Welleund der PN-Code synchronisiertwerden.DespreadingDas Signal, das von der Antennedes Empfängers aufgenommenwird, enthält auch Interferenzsignalevon außen, sowieRauschen. Wenn dieses Signalentspreizt wird, wandeln sich dieSignalkomponenten wieder ineine Welle mit Schmalbandmodulationum. Die unerwünschtenInterferenzkomponenten dagegenwerden zerstreut, so dassihr Spektrum unendlich ausgedehntwird und seine Leistungsdichtestark abfällt. Wenn daherdas mit Hilfe eines Bandpassesbandbegrenzte Signal eingegebenwird, fällt die Leistung derInterferenzkomponente, die indas Demodulationsfrequenzbandfällt, deutlich ab. Das Auftretenvon Fehlern wird mit einem stochastischenProzess berechnet.Letztendlich führt die Verwendungvon Spread spectrum zuweniger Übertragungsfehlern,und das ist der Grund warumSpread-Spectrum-Kommunikationso unempfindlich gegenüberInterferenzen ist.DemodulationBei der Demodulation handelt essich um normale Schmalband-Demodulation. Das lokale Signalwird aus der empfangenen Welleerzeugt. Nach der Multiplikationmit der empfangenen Welle werdenunnötige Komponenten miteinem Tiefpass beseitigt, Wenndie primäre Modulation PSKverwendet, ist synchrone Detektionerforderlich.PN-SequenzDie PN-Sequenz wird mit einerwesentlich höheren Geschwindigkeitgetaktet, als die Symbolratedes Informationssignals, sodass ihr Spektrum ein breitesBand in Anspruch nimmt. Ausdiesem Grund belegt das Spektrumder modulierten Welle nachder primären Modulation ebenfallsein weites Band.Frequency hoppingFH ist eine Kurzbezeichnungfür Frequenz-Hopping oderFrequenzsprung. Das Informationssignaldurchläuft auch hierwieder einen primären Modulatormit PSK, FSK oder eineranderen Schmalbandmodulationund einen sekundären mitSpread-Spectrum-Modulation.Diese zweite Modulation verwendeteinen Frequenz-Synthesizer(hopping synthesizer), derdie Frequenz nach einem zufälligenSprungmuster ändert. DasSprung-Spektrum wird dadurchinsgesamt zwar über einegewisse Bandbreite gespreizt,aber im Moment des Sprungssind Modulation und Demodulationschmalbandig.Die Empfangsseite eines FH-Systems synchronsiert sich mitdem Sprungmuster der Senderseite,um Demodulation durchführenzu können. Das Sprungmusterist zufällig, und auchwenn andere Geräte im gleichenBereich betrieben werden,wird die Kommunikation nichtunterbrochen, trotz momentanerSignalkollision. Da jedocheine hohe Wahrscheinlichkeitdafür besteht, dass eine Kollisionirgendwo in dem Sprungmusterauftritt, sind Fehlerkorrekturfunktionenein wichtigerBestandteil von FH-Systemen.Die Sicherheit wird jedoch miteinem längeren, mehr zufälligeremSprungmuster nochdeutlich erhöht. Zu den speziellverwendeten Sequenzen gehören„extended M sequence code“und die „Reed-Solomon codesequence“.FH wird im Bluetooth-Systemverwendet. In einer gesamtenBandbreite von 79 MHz hat dasFrequenzband eines einzelnenSignals eine Breite von 1 MHz.Die Frequenz-Umsetzung erfolgtmit einem Sprungmuster das sich1600 mal pro Sekunde ändert(625 μs). Die primäre Modulationsmethodeist GFSK.■ Circuit Designhttp://www.circuitdesign.de/hf-praxis 9/2015 19