SPREAD SPECTRUM

I. PENDAHULUAN

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 nirkabelt (cordless telephone). Sebuah sistem 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.

Dalam komunikasi spread spectrum semakin lebar bandwidth akan semakin tahan terhadap jamming dan akan semakin terjamin tingkat kerahasiaannya. Disamping itu akan semakin banyak kanal yang bisa dipakai. Seperti yang di terangkan oleh Shanon , salah seorang ahli statistik telekomunikasi, dalam ilmu komunikasi dinyatakan bahwa kapasitas kanal akan sebanding dengan bandwidth transmisi dan logaritmik dari S/N-nya. Jadi agar sistem komunikasi dapat bekerja dengan kapasitas kanal yang tetap pada level daya noise yang tinggi (S/N yang rendah), dapat dilakukan dengan jalan memperbesar bandwidth transmisi W. Disamping itu Shannon juga mengemukakan bahwa sebuah kanal dapat mentransmisikan informasi dengan probabilitas salah yang kecil apabila terhadap infromasi tersebut dilakukan pengkodean yang tepat dan rate infromasi yang tidak melebihi kapasitas kanal meskipun kanal tersebut memuat interferensi acak.

II. Konsep dari Sistem Spread Spectrum

Gambar 1, Diagram Sistem Spread Spectrum

Gambar diatas menyajikan gambaran tentang karakteristik kunci beberapa sistem spektum penyebaran. Input dimasukkan ke dalam suatau channel enkoder yang menghasilkan sebuah sinyal analog dengan bandwidth sempit relatif di seputar beberapa frekuensi pusat. 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. Pada ujung penerima, deretan digit yang sama di gunakan untuk mendemodulasikan sinyal spektrum penyebaran. Terakhir sinyal dimasukkan ke dalam sebuah channel dekoder untuk melindungi data.

III Keuntungan

• Imunitas dari berbagai noise dan multipath distortion
  • Termasuk gangguan (Jamming)
• Dapat mengacak sinyal
  • Hanya receiver yang mengetahui pengacakan kode dapat mendapat kembali sinyal
• Beberapa user dapat mengunakan bandwidth yang lebih besar dengan sedikit interferency
  • Telepon seluler
  • Code division multiplexing (CDM)
  • Code division multiple access (CDMA)

IV. Jumlah Pseudorandom

Komentar mengenai jumlah pseudorandom adalah ordenya. Jumlah ini didapat melalui suatu algoritma menggunakan beberapa nilai awal yang disebut seed. Algoritma tersebut dapat ditentukan dan karenanya menghasilkan deretan bilangan yang tidak acak secara statistik. Bagaimanapun juga, bila algoritmanya baik, deretan yang dihasilkan akan melalui beberapa ujian yang memeriksa kecakapannya. Jumlah – jumlah semacam itu ditunjukkan sebagai pseudorandom number. Poin terpenting dari hal ini adalah walaupun mengetahui tentang algoritma dan seed, sangatlah sulit untuk memprediksikan deretan tersebut. Oleh sebab itu, hanya receiver, yang membagi informasi ini dengan sebuah transmitterlah yang mampu mengkodekan sinyal dengan sukses.

V. Sifat – Sifat Random

Apakah sifat sinyal pseudo random akan mampu mewakili suatu sinyal yang benar – benar random? Ada 3 sifat dasar untuk mengetahui apakah sekuen biner dapat memenuhi kriteria random.

• 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.
• Run Property
  • Suatu run didefinasikan 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.
• 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

VI. Jenis Spread Spectrum

A. 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 bit-nya.

Gambar 4, Sistem Frequency Hopping Spread Spectrum pada Transmitter

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). Sinyal yang dihasilkan dipusatkan disekitar beberapa frekuensi dasar. Sumber jumlah pseudorandom menyajikan apa yang dilampirkan dalam indeks didalam tabel frekuensi. 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

Sedangkan pada penerima, sinyal spektrum penyebaran didemodulasikan menggunakan sejumlah frekuensi yang sama yang didapatkan dari tabel kemudian didemoduasikan agar menghasilkan data output. 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.

Dengan teknologi DSSS maka untuk satu perangkat akan bekerja menggunakan 4 channel (menghabiskan 20MHz, tepatnya 17MHz). Dalam implementasinya secara normal pada lokasi dan arah yang sama hanya 3 dari 13 kanal DSSS yang bisa dipakai. Parameter lain yang memungkinkan penggunaan lebih dari 3 channel ini adalah penggunaan antena (directional antenna) dan polarisasi antena itu sendiri (horisontal/vertikal).

Slow and Fast FHSS

• Frekwensi bergeser tiap-tiap Tc Detik
• Durasi dari signal element adalah Ts detik
• Ts³Slow FHSS memiliki Tc
• Fast FHSS memiliki Tc < Ts
• Biasanya fast FHSS memberikan improved performance dalam noise (or jamming)

Slow Frequency Hop Spread Spectrum menggunakan MFSK (M=4, k=2)

Fast Frequency Hop Spread Spectrum menggunakan MFSK (M=4, k=2)

B. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)

Direct Sequence Spread Spectrum dipilih karena adanya kemudahan dalam mengacak data yang akan dispreading. Dalam DSSS spreading hanya menggunakan sebuah generator noise yang periodik yang di sebut Pseudo Noise Generator. Kode yang digunakan pada sistem spread spectrum memiliki sifat acak tetapi periodik sehingga disebut sinyal acak semu (pseudo random). Kode tersebut bersifat sebagai noise tapi deterministik sehingga disebut juga noise semu (pseudo noise). Pembangkit sinyal kode ini disebut Pseudo Random Generator (PRG) atau pseudo noise generator (PNG). PRG inilah yang akan melebarkan dan sekaligus mengacak sinyal data yang akan dikirimkan. Dalam skema ini, masing masing bit pada sinyal yang asli ditampilkan oleh bit- bit multipel pada sinyal yang ditransmisikan, yang disebut kode tipis(chipping). Kode tipis yang menyebarkan secara langsung sepanjang band frekuensi yang lebih luas sebanding dengan jumlah bit yang dipergunakan. Oleh karena itu, kode tipis 10-bit menyebarkan sinyal sepanjang band frekuensi yang 10 kali lebih besar dibandingkan kode tipis 1-bit.

Satu teknik dengan spektrum penyebaran deretan langsung adalah dengan mengkombinasikan stream informasi digital dengan bit stream pseudorandom menggunakan OR-eksklusif contoh pada gambar 6.

Gambar 6.Contoh Direct Sequence Spread Spectrum

Patut dicatat bahwa bit informasi dari satu membalikan bit-bit pseudorandom dalam kombinasi tersebut, sementara bit informasi 0 menyebabkan bit-bit pseudorandom ditransmisikan tanpa mengalami inversi. Kombinasi bit stream memiliki data rate yang sama dengan deretan pseudorandom yang asli, sehingga memiliki bandwidth yang lebih lebar dibandingkan dengan stream informasi. Pada contoh ini, bit stream lebih besar 4 kali lipat rate informasi.

Gambar 7a.Direct Sequence Spread Spectrum pada Transmitter

Gambar 7b.Direct Sequence Spread Spectrum pada Receiver

Gambar 7 menunjukkan implementasi deretan langsung yang khusus. Dalam hal ini, stream informasi dan stream pseudorandom bahkan dikonversi ke sinyal-sinyal analog lalu dikombinasikan, bukannya menunjukkan OR-eksklusif dari dua stream dan kemudian memodulasikannya. Penyebaran spektrum dapat dicapai melalui teknik deretan langsung yang ditentukan dengan mudah. Sebagai contoh, anggap saja sinyal informasi memiliki lebar bit sebesar tb yang ekuivalen terhadap rate data = 1/tb. Dalam hal ini, bandwidth sinyal tergantung pada teknik pengkodean, kira-kira 2/tb. Hampir sama dengan itu, bandwidth sinyal pseudorandom asalah 2/Tc dimana Tc adalah lebar bit pseudorandom input. Bandwidth sinyal yang dikombinasikan kira-kira sebesar jumlah dari 2 bandwidth tersebut. Jumlah penyebaran yang dicapai adalah hasil langsung dari rate data pseudorandom. Semakin besar data rate pseudorandom input, semakin besar jumlah penyebarannya.

Contoh Direct Sequence Spread Spectrum Menggunakan BPSK

Gambar 8, Contoh DSSS menggunakan BPSK

Approximate spectrum sinyal DSSS

Gambar 9, Approximate spectrum sinyal DSSS