BAB 1

Teknologi Spread Spectrum

Spectrum Selubung spektrum

- 1/T 1/TT

t

Ranah Waktu Ranah Frekwensi

f

Selubung spektrum

- 1/T 1/TTt

Ranah Waktu Ranah Frekwensi

ft f

Teknologi Spread Spectrum

Konsep Sistem Spread Spectrum

Rumusan kapasitas kanal komunikasi menurut teori Shannon;

dengan : BW = bandwidth dalam Hertz, C = kapasitas kanal dalam bit per detik S = daya sinyal N = daya derau

Rumus Shannon berlaku pada kanal baseband, dan dapat diterapkan pada kanal RF (radio frequency) dengan menganggap filter IF (intermediate frequency) memiliki respons bandpass yang ideal (flat) dengan bandwidth ≤ 2 BW (BW : bandwidth sinyal informasi). Batasan tersebut menganggap derau kanal berupa Additive White Gaussion Noise (AWGN).

Teknologi Spread Spectrum

N

S1logBC 2W

Pada sebuah sistem selular analog besarnya S/N yang diijinkan sebesar 17 dB atau lebih. Sistem Spread Spectrum dapat dirancang untuk bekerja pada harga S/N yang lebih rendah.

Rumusan Shannon dapat ditulis seperti,

N

S1log.44,1

B

Ce

W

karena

432

4

1

3

1

2

1

N

S1log

N

S

N

S

N

S

N

Se

menganggap S/N ratio kecil (yaitu S/N < 0,01), maka

Teknologi Spread Spectrum

S

NCBW

44,1

Untuk sembarang nilai S/N, dapat diperoleh sebuah information error rate yang tinggi dengan menaikkan bandwidth.

Contoh, dengan information rate sebesar 10 kbps dan S/N ratio sebesar 0,01, maka diperlukan sebuah bandwidth kanal sebesar,

63

1069,001,0

1

44,1

1010

WB Hz atau 690 kHz.

Teknologi Spread Spectrum

Salah satu keunggulan utama sistem Spread Spectrum adalah

kekebalan terhadap interferensi. Nilai processing gain sistem GP menyatakan derajat rejeksi terhadap

interferensi. Processing gain merupakan nilai perbandingan antara bandwidth RF

dengan information rate, seperti rumusan berikut,

Secara khusus processing gain sebuah sistem Spread Spectrum

berada pada nilai 20 – 60 dB dan sinyal-sinyal interferensi diproses

seperti derau panas.

Teknologi Spread Spectrum

b

RFP R

BWG

Relasi antara S/N ratio input dan output sistem Spread Spectrum dirumuskan seperti,

ip

o N

SG

N

S

Kaitan antara S/N ratio dengan Eb/N0 ratio, Eb menyatakan energi tiap bit

dan N0 adalah kerapatan spektral daya derau (noise power spectral

density) seperti,

po

b

RFo

bb

i G

1

N

E

BWN

RE

N

S

oip

o

b

N

S

N

SG

N

E

dan

Teknologi Spread Spectrum

GPoN

S

iN

S

Teknologi Spread Spectrum

S/P

M-PSK

Modulasi

PN Code

dt

pnt

RF

txI

Q

Spreading

baseband bandpass

Teknologi Spread Spectrum

Sistem komunikasi spread spectrum sebagai salah satu sistem

komunikasi digital, memiliki beberapa kelebihan dibandingkan sistem

komunikasi analog yaitu: Lebih kebal terhadap jamming (bersifat resistan) Mampu menekan interferensi Dapat dioperasikan pada level daya yang rendah Kemampuan multiple access secara CDMA (Code Division Multiple

Access) Sulit untuk disadap sehingga kerahasiaan lebih terjamin.

Teknologi Spread Spectrum

Ada dua jenis teknologi Spread Spectrum :1. Frequency Hoping Spread Spectrum 2. Direct Sequence Spread Spectrum

Frequency Hoping Spread Spectrum Sinyal dipancarkan nampak seperti dalam deretan frekwensi yang acak

- Sejumlah kanal diperuntukkan untuk sinyal frequency hoping (FH

signal)

- Lebar band setiap kanal disesuaikan dengan bandwidth sinyal input Sinyal melompat2 (hops) diantara frekwensi2 dengan interval tetap

- Pemancar bekerja dalam satu kanal pada satu waktu

- Bit-bit dikirimkan setelah proses pengkodean

- Pada setiap interval yang berurutan, dilakukan pemilihan sebuah \

frekwensi pembawa baru.

Teknologi Spread Spectrum

Frequency Hoping Spread Spectrum Deretal kanal diatur oleh spreading code Penerima, melompat diantara frekwensi secara sinkron dengan yang pemancar untuk mengambil informasi Keuntungannya; - Hanya mendengar/menerima titik-titik (blips) suara yang tak terpahami - Usaha untuk mengganggu sinyal pada satu frekwensi pengganti hanya dengan mematikan beberapa bit

Teknologi Spread Spectrum

Teknologi Spread Spectrum

Contoh Frequency Hopping

Teknologi Spread Spectrum

Pemancar

Frequency Hoping Spread Spectrum

Teknologi Spread Spectrum

Frequency Hoping Spread Spectrum

Sistem Frequency Hopping Spread Spectrum

Penerima

Teknologi Spread Spectrum

Modulator

dt

RF

tx

PN Code

pnt

De-Modulator

dr

RF

rx

PN Code

pnr

kanal

baseband basebandbandpass

spreading de-spreading

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

Teknologi Spread Spectrum

|dt(f)|

Sinyal data

f- Rb Rb

PeriodeTb

tdt

f- Rc Rc

t

TC

NC.TC

pnt

f- Rc Rc

t

TC

NC.TC

tx

Proses Spreading

Teknologi Spread Spectrum

Proses De-Spreading

Teknologi Spread Spectrum

t

TC

NC.TC

rx

f

- Rc Rc

|rx(f)|

f

f

- Rc Rcf

PeriodeTb

tdr

Sinyal data

|dt(f)|

f- Rb Rb

f

t

TC

NC.TC

pnt

Contoh Direct Sequence Spread Spectrum

Teknologi Spread Spectrum

tx rx

Interferensi band sempit

Data input

bt

PN Code

pnt

spreadingbr

PN Code

pnr = pnt

de-spreading

Data output

kanal

i

|bt(f)|

Sinyal data

f - Rb Rb

|rx(f)|

Sinyal interferensi

f- Rc Rc

Sinyal SS

|br(f)|

Sinyal interferensi

f- Rc Rc

Sinyal data

- Rb Rb

Teknologi Spread Spectrum

tx rx

Interferensi band lebar

Data input

bt

PN Code

pnt

spreadingbr

PN Code

pnr = pnt

de-spreading

Data output

kanal

i

|bt(f)|

Sinyal data

f - Rb Rb

|rx(f)|

Sinyal interferensi

f - Rc Rc

Sinyal SS

|br(f)|

Sinyal interferensi

f- Rc Rc

Sinyal data

- Rb Rb

Teknologi Spread Spectrum

Pseudo-Noise Code atau Pseudo Random code adalah deretan dari

chip-chip bernilai biner 1 atau 0 Distribusinya tidak acak murni sebab bersifat periodik. Panjang PN Code dapat dikelompokkan menjadi : short code dan

long code. Short code bila panjang PN Code selalu sama untuk

setiap simbol data (NC.TC = Tb), dan berbentuk long code bila

periode deretan PN Code lebih panjang dibanding simbol data

(NC.TC > Tb). Sebuah PN code dibangkitkan oleh sebuah susunan shift register

pembangkit berisi n buah shift register yang bekerja sesuai dengan

prinsip logika tertentu.

Pembangkitan PN Code atau PN Sequence

Teknologi Spread Spectrum

Contoh susunan shift register pembangkit untuk n buah shift register ditunjukkan seperti gambar dibawah.

Contoh sebuah pembangkit PN code.

Adder modulo 2

output

clock

1 2 3 N. . . . .

Pembangkitan PN Code atau PN Sequence

Teknologi Spread Spectrum

1 2 3 4

Adder modulo 2

output

clock

Contoh susunan shift register pembangkit untuk 4 buah shift register.

Cara bekerjanya 4 shist register diatur oleh sederetan pulsa-pulsa clock. Setiap satu pulsa clock akan menggeser isi setiap shift register ke kanan, isi shift register tahap 3 dan 4 dijumlahkan (modulo 2) dan hasilnya diberikan ke shift register tahap 1.

Teknologi Spread Spectrum

Output dibaca dari isi shift register tahap 4 dan proses itu dilakukan terus.

Anggap kondisi awal masing-masing shift register 0, 0, 0 1. Hasilnya dapat dilihat pada tabel dibawah.

PergeseranKe

Tahap1

Tahap 2

Tahap3

Tahap4

Deretan output

012345678910111213141516

01001101011110001

00100110101111000

00010011010111100

10001001101011110

10001001101011110

Teknologi Spread Spectrum

Dapat diperhatikan bahwa isi keempat register akan berulang

setelah bergeser 24 – 1 = 15 kali, dan Deretan output sebagai deretan PN clode yang dihasilkan adalah

0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1. Dari deretan nilai biner dapat dihitung bahwa jumlah nilai biner 1

sebanyak 8 buah dan jumlah biner 0 sebanyak 7 buah. Deretan output dapat dibedakan sebagai panjang maksimal

(maximal length) dan panjang tak maksimal (nonmaximal length). Panjang maksimal adalah deretan terpanjang yang dapat

dibangkitkan oleh sebuah susunan shift register tertentu dengan

panjang yang tertentu pula.

Pembangkitan PN Code atau PN Sequence

Teknologi Spread Spectrum

Untuk sebuah pembangkit PN code, panjang maksimalnya sebanyak

2n – 1 dengan n menyatakan jumlah tahap shift register. Deretan dengan panjang maksimal memiliki sifat, bahwa untuk

sebuah

susunan shift register pembangkit PN code dengan n tahap maka

periode (siklus) pengulangan atau pergeseran oleh pulsa-pulsa clock

terjadi sebanyak T0 = 2n – 1 pulsa. Sebuah deretan panjang maksimal mengandung 2n-1 – 1 buah biner 0

dan 2n-1 biner 1 pada setiap periodenya.

Pembangkitan PN Code atau PN Sequence

Teknologi Spread Spectrum

Tabel Susunan umpan balik pada pembangkit PN code

Jumlah tahap, n

Jumlah chip2n – 1

Letak umpan balik

2 3 [2,1]

3 7 [3,1]

4 15 [4,1]

5 31 [5,3] [5,4,3,2] [5,4,2,1]

6 63 [6,1] [6,5,2,1] [6,5,3,2]

7 127 [7,1] [7,3] [7,3,2,1] [7,4,3,2] [7,6,4,2] [7,6,3,1] [7,6,5,2] [7,6,5,4,2,1] [7,5,4,3,2,1]

8 255 [8,4,3,2] [8,6,5,3] [8,6,5,2] [8,5,3,1] [8,6,5,1] [8,7,6,1] [8,7,6,5,2,1] [8,6,4,3,2,1]

9 511 [9,4] [9,6,4,3] [9,8,5,4] [9,8,4,1] [9,5,3,2] [9,8,6,5][9,8,7,2] [9,6,5,4,2,1] [9,7,6,4,3,1] [9,8,7,6,5,3]

Teknologi Spread Spectrum

Generator Polynomial:

P(x)= 1 + c1x1 + c2x2 +….+ cn-1 xn-1 + xn

Bila terdapat bentuk polynomial seperti berikut ,

P(x) = 1 + x3 + x5 dituliskan 1 0 0 1 0 1 atau [5, 3]

P(x) = 1 + x2 + x3 + x4 + x5 , dituliskan 1 0 1 1 1 1 atau [5, 4, 3, 2]

Susunan shift registernya seperti berikut,

[5,3]

x1 x3 x4 x5x2 x1 x5x4x3x2

[5,4,3,2]

c3 c2 c3 c4

Teknologi Spread Spectrum

Autocorrelation dari sebuah kode linier maksimal adalah – 1 untuk semua nilai dari pergeseran phase chip τ. Korelasi berubah secara linier dari nilai – 1 sampai 2n – 1 (panjang deretan). Nilai puncak auto-correlation naik sesuai kenaikan panjang dari m sequence. Fungsi autocorrelation untuk deretan PN code yang periodik didefinisikan sebagai jumlah agreement dikurangi jumlah disagreement dalam pembandingan digit per digit dari sebuah periode penuh deretan PN Code dengan sebuah pergeseran (posisi τ) deretannya sendiri, seperti ditunjukkan seperti contoh

berikut.

Teknologi Spread Spectrum

Misal untuk NC = 7,

pn (0) = +1 +1 +1 -1 +1 -1 -1

pn (0) = +1 +1 +1 -1 +1 -1 -1

pn (0) = +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 = Σ = 7 = Ra(τ = 0)

(ada 7 buah agreement dan 0 buah disagreement)

pn (0) = +1 +1 +1 -1 +1 -1 -1

pn (1) = +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1

pn (0) = +1 +1 -1 -1 -1 +1 -1 = Σ = 3 – 4 = – 1 = Ra(τ = 1)

(ada 3 buah agreement dan 4 buah disagreement)

pn (0) = +1 +1 +1 -1 +1 -1 -1

pn (2) = +1 -1 +1 -1 -1 +1 +1

pn (0) = +1 -1 -1 +1 -1 -1 -1 = Σ = 3 – 4 = – 1 = Ra(τ = 2)(ada 3 buah agreement dan 4 buah disagreement)

Teknologi Spread Spectrum

τ)dtpn(t).pn(tτR2TN

2TN

a

CC

CC

Rumus autocorrelation

Contoh untuk NC = 31, grafik autocorrelation seperti berikut.

30 –

25 –

20 –

15 –

10 –

5 –

0

– 15 –10 - 5 0 5 10 15–1

NC = 31

τ/TC

Ra (τ)

Teknologi Spread Spectrum

Crosscorrelation adalah ukuran dari agreement atau similaritas diantara dua deretan PN code yang berbeda. Misal, crosscorrelation dari PN code untuk susunan m-sequence [5,3] dan [5,2].

Susunan [5,3] 111100011011101010000100101100 Susunan [5,2] 111100110100100001010111011000

Dari dua deretan PN code diatas dapat diperoleh nilai-nilai untuk mengukur dan menggambarkan kurva crosscorrelation seperti tabel

berikut; Jika nilai crosscorrelation Ra(τ) sama dengan nol untuk semua

harga τ maka kode-kode tersebut dinamakan orthogonal.

Teknologi Spread Spectrum

Tabel Perbandingan Autocorrelation dan Crosscorrelation

Geser ke Agreement (A) Disagreement (D) A -D

0 171 182 193 204 215 226 237 248 259 2610 2711 2812 2913 3014 311516

17 15 18 13 17 12 11 17 17 17 19 17 11 11 19 19 19 15 21 17 15 13 15 11 17 12 15 17 13 17 17 11

14 16 13 18 14 19 20 14 14 14 12 14 20 20 12 12 12 16 10 14 16 18 16 20 14 19 16 14 18 14 14 20

3 - 1 5 - 5 3 - 7 - 9 3 3 3 7 3 - 9 - 9 7 7 7 - 1 11 3 - 1 - 5 - 1 - 9 3 - 7 - 1 3 - 5 3 3 - 9

Teknologi Spread Spectrum

Pembangkit Gold Code

Sistem CDMA dengan banyak pengguna membutuhkan sekumpulan kode-kode dengan panjang sama tetapi memiliki sifat crosscorrelation yang baik. Pembangkit Gold Code mampu untuk membangkitkan sejumlah besar kode-kode dengan panjang sama tetapi sifat crosscorrelation dapat diatur. Pembangkit Gold Code merupakan susunan dua pembangkit m-sequence atau deretan panjang maksimal yang masing-masing outputnya ditambahkan (adder modulo 2) untuk menghasilkan sebuah deretan chip seperti ditunjukkan pada gambar dibawah,

Teknologi Spread Spectrum

m-sequence 1

m-sequence 2

clock deretan Gold Code

Kedua output dari m-sequence ditambahkan (XOR) secara chip-per-

chip dengan menggunakan pulsa-pulsa clock yang sinkron. Karena kedua m-sequence memiliki panjang kode yang sama

maka

panjang kode Gold Code yang dihasilkan akan sama dengan

panjang kode masing-masing m-sequence.

Teknologi Spread Spectrum

Setiap perubahan posisi diantara dua m-sequensce menghasilkan

sebuah deretan chip baru. Sembarang posisi dari dua m-sequence dengan panjang n dapat

menghasilkan deretan Gold Code dengan panjang 2n – 1 ditambah

dua hasil m-sequence dasar menghasilkan total deretan chip

sebanyak 2n + 1. Bila m-sequence khusus yang dipilih atau yang dinamakan

preferred m-sequence, maka deretan Gold Code yang dibangkitkan

memiliki 3 nilai crosscorrelation. Preferred m-sequence tersebut

adalah seperti tabel berikut,

Teknologi Spread Spectrum

Tabel Preferred m-sequence penting

Panjang n Jumlah chip2n – 1

Pasangan preferred m-sequence

Nilai crosscorrelation

5 31 [5,3] [5,4,3,2] 7 - 1 - 9

6 63 [6,1] [6,5,2,1] 15 - 1 - 17

7 127 [7,3] [7,3,2,1] [7,3,2,1] [7,5,4,3,2,1]

15 - 1 - 17

8 255 [8,7,6,5,2,1] [8,7,6,1] 31 - 1 - 17

9 511 [9,4] [9,6,4,3] [9,6,4,3] [9,8,4,1]

31 - 1 - 33

Teknologi Spread Spectrum