spektrum tersebar_kul2

Pertemuan 1

Spektrum Tersebar

1

Sebuah teknik transmisi dimana kode pseudo noise, independent dari data informasi, yang digunakan sebagai gelombang modulasi untuk “menyebarkan” energi sinyal melalui sebuah bandwith jauh lebih besar dari pada bandwith sinyal informasi. Pada penerima, sinyal di-“kumpulkan” menggunakan replika kode psudo-noise yang telah disinkronisasikan.

2

Positive: Kerapatan daya yang rendah, seperti noise, tidak

interferensi dengan sistem konvensional dan sistem SS yang lain.

Komunikasi yang aman Multiple Akses : CDMA – yang akan menjadi fokus /topik

kiuta selanjutnya…. Proteksi dari jamming Tahan terhadap narrowband interference Low Probability of detection and interception (LPI) Tersedianya pita frekuensi bebas lisensi untuk Industri,

sains, dan kesehatan

Negative: Bandwidth yang besar Sistem yang komplek dan beban komputasi yang besar. 3

Spread Spectrum Principle(cont’d)

4

Classifications of Spread Spectrum:Direct Sequence (DS) DS-CDMAFrequency Hopping (FH) FH-CDMAHybrid Spread SpectrumTime HoppingChirp

In Mobile Cellular Systems, the most popular areDS-CDMA

Kenapa spektrum bisa menjadi tersebar…..???

5

Untuk kasus Direct SequenceRemember Fourier Series and Fourier

Transform….!!

Gambar 1 Mengubah dari spektrum Fourier Transform sehubungan dengan lebar pulsa: (a) pulsa lebar (b)Transformasi Fourier pulsa di (a); (c) pulsa sempit (d) Transformasi Fourirer pulsa di (c)6

mempertimbangkan Gambar 1 (a) yang berisi pulsa. Transformasi Fourier spektrum pulsa ini ditunjukkan pada 1 (b)

Sekarang anggaplah kita mengurangi lebar pulsa seperti dalam gambar 1 (c); maka spektrum Transformasi Fourier yang sesuai akan melebar, seperti yang ditunjukkan pada 1 (d).

Jika lebar pulsa berkurang, Transformasi Fourier spektrum tersebar.

Apa pentingnya ini menyebar? sinyal sekarang mengandung lebih banyak komponen-

komponen frekuensi. Setidaknya ada dua keuntungan dari penyebaran spectrun ini:Ketika bandwith dari spektrum yang melebar, dimana relatif

lebih sulit bagi penyusup untuk memahami sinyal, di mana harus memiliki penerima yang dapat mendeteksi sinyal spektrum luas.

Jika bandwidth spektrum sempit, setiap suara akan signifikan. Dengan demikian sinyal akan dengan mudah terganggu oleh kebisingan. 7

PRINSIP DASAR DARI DIRECT SEQUENCE SPREAD SPECTRUM (DSSS)

8

Untuk modulasi BPSK, building block dari sistem DSSS sebagai berikut:

9

Input: Binary data dt dengan symbol rate Rs = 1/Ts (=

bitrate Rb untuk BPSK) Pseudo-noise code pnt dengan chip rate Rc =

1/Tc (sebuah integer dari Rs)

Spreading: Pada transmitter, binary data dt (untuk BPSK, I

dan Q untuk QPSK) adalah “secara langsung” dikalikan dengan PN sequence pnt yang terpisah dari baseband yang binary data, untuk memproduksi sinyal baseband yang ditransmisikan txb. txb=dt . Pnr

Efek dari perkalian dt dengan PN sequence adalah untuk menyebarkan baseband bandwith Rb dari dt ke baseband bandwith Rc.

10

Despreading: Sinyal Spread Spectrum tidak bisa dideteksi dengan

penerima narrowband konvensional. Pada receiver, sinyal baseband rxb yang diterima dikalikan dengan PN sequence pnt.

Jika pnr = pnt dan disinkronisasi ke PN sequence pada data yang diterima, kemudian binary data yang dipulihkan diproduksi pada dr. akibat perkalian dari sinyal spread spectrum rxb dengan PN sequence pnt digunakan pada transmitter adalah untuk despread bandwith rxb ke Rs.

Jika pnr ≠ pnt, kemudian tidak terjadi despread. Sinyal dr memiliki spread spectrum. Penerima tidak mengetahui PN sequence dari transmitter sehingga tidak bisa memproduksi kembali data yang telah dikirim.

11

Contoh :pada sebuah sift register seperti gambar dibawah mendapat masukan kode awal 1000, tentukan :a. PN sequence yang terbentukb. Sinyal yang ditransmisikan (spreading) jika jika sinyal informasi (asli) 1 0c. Tentukan kembali sinyal hasil despreading

12

Solusi Jika kode awal yang dimasukan adalah 1000, maka untuk setiap langkah pergeseran: 1. 0100 isi register 3 dan 4 di XOR( 0 XOR 0 = 0) hasilnya mengisi X1 2. 0010, 1 XOR 0 = 1, hasilya mengisi X1 3. 1001 4. 1100 5. 0110 6. 1011 7. 0101 8. 1010 9. 1101 10.1110 11.1111 12.0111 13.0011 14.0001 15.1000

Untuk memperoleh kode PN-Sequence yangdigunakan, maka diambil dari isi dari shift register 4 untuk setiap langkahnya,maka akan diperoleh :0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1

13

Pada transmitter Untuk menspread dan menyembunyikan sinyal informasi yang

akan dikirimkan, maka setiap bit dari sinyal informasi di-XOR dengan kode PN-Sequence.

Misal sinyal informasi bitnya 10:Sinyal asli : 1 0Kode PN : 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1Sinyal transmisi: 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0

1 1 1 1

Pada receiver sinyal yang diterima akan di-XOR lagi dengan kode

PNSequence sehingga diperoleh sinyal aslinya:Sinyal diterima : 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1

1 1Kode PN : 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1XOR : 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0Recovery : 1 014

Kenapa spektrum bisa menjadi tersebar…..???Untuk kasus FHSS

15

Pada pengoperasian FHSS, frekuensi berubah scr periodic sehingga frekuensi pembawa hanya sesaat saja mempunyai satu nilai tertentu

Contoh: Bandwitdh total = 100 MHz Bandwitdh ini akan dipartisi sehingga frekuensi pembawa

terpisah sejauh 25 KHz. Maka akan terdapat 100 MHz : 25 KHz = 4000 frekuensi pembawa dimana sebuah sinyal dapat “melompat” atau “hoping” utk berganti-ganti pada nilai-nilai yg berbeda.

16

17

Spread Soectrum for Multiple Access

(CDMA = SSMA)

18

The spreading sequence (code) is used at both the transmitter and receiver.

The code must have good correlation property (low crosscorrelation, orthogonal, regenerative, easy to synchronize).

There are many types of code (Gold, m-sequence, Walsh-Hadamard, etc)

User 1 1 1 1 -1 -1 1 -1 -1

–1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 1

transmitted symbol

user’s spreading sequence

1 1 1 -1 -1 1 -1 -1

–8

user’s spreading sequence

recovered symbol

-1 -1 -1 1 1 -1 1 1

User 2

channel

User 1

User lain (bukan CDMA)

Spread Soectrum for Multiple Access

(CDMA = SSMA)

19

The desired user despread the received signal Spread and despread with the matched code results in

detectionr Spread and despread with the wrong code results in

interference Despread only at the receiver results in supressed

interference

transmitted symbol

spreading despreading

recovered symbol

Communication Channel

Spread symbol

User 1 User 1

User 2

User lain (bukan CDMA)

20

Direct Sequence Spread Spectrum

21

a. All users operate at the same frequency.b. All users occupy the entire bandwidth of the allocated frequency.c. All users may transmitt simultaneously.

•Characteristics of DS-CDMA

• Spreading sequence (Code) is generated to distinguish between different users.

• Spreading sequence is used to spread (at the transmitter) and to despread (at the receiver) the user’s data symbol.

• Depending on the spreading code used, and the channel conditions (multipath) multiple access interference (MAI) is the limiting factor that determine the capacity

• The user can be detected when ratio of signal-to-interference (SIR) is sufficient.

Output SINR of the model

Here M = processing gain2

n = AWGN variancePk = received signal power of the kth userK = number of user

2)()()(

njkj

kk nP

nMPnSINR

22

Number of active users with EQUAL powers

The number of users for this case is -

WPKRP

IE

n

b

/])1([/

20

SNRIERWK

b

1])/(

1[10

If K = 1 (Eb/I0) = SNR = [2n/P]-1

23

Example 11. Spread spectrum is used to transmit a single channel

military data at a bit rate of R = 64 kbps. If a wide band spreading sequence is used in which the number of chips per data symbol is 3.6864 Mcps and the BPSK receiver operates at Eb/I0 = 7 dB to achieve the minimum required bit error rate of 10-3 . Receiver thermal noise contributes to the SNR after despreading of 10 dB. Calculate the anti jamming margin of this system.

Spektral tersebar dipergunakan untuk transmisi satu kanal data militer pada bit rate 64 kbps. Jika menggunakan deretan kode dengan jumlah chips per symbol data 3,6864 Mcps dan penerima BPSK bekerja pada Eb/I0 = 7 dB untuk mencapai keperluan BER minimum 10-3. Penerima berkontribusi derau thermal stelah proses despreading sehingga SNR = 10 dB. Hitung margin untuk anti jamming.

24

Solution for example 11.

Only one user plus one jamming user with Pj

WPKRP

IE

n

b

/])1([/

20

][4691.110254.14

1254.14101.0

][5.11}1.0log{.10

][6.11][][6.17}1.0log{.10

][}1.0log{.10][6.17

11)6.57(

/][/

15.1

0

0

220

dBPPjPPj

dBPPj

dBdBIEdB

PP

dBIE

PP

dB

SNRPPP

PRW

WPRP

IE

bj

bj

jjnjn

b

25

Example 21. Let the information bit rate is R = 8.2 kbps and the spread

bandwidth is W = 1.25 MHz. If the receiver contribute thermal noise so that the output SNR = 10 dB and the demodulator requires Eb/I0 = 7 dB to achieve a bit error rate BER = 10-3. How many user can be served by this system.

Bit rate informasi adalah R = 8.2 kbps dan lebar pita tersebar adalah W = 1.25 MHz. Jika penerima menimbulkan derau thermal sehingga SNR = 10 dB dan demodulator membutuhkan Eb/I0 = 7 dB untuk mencapai BER = 10-3. Berapa jumlah user yang dapat dilayani oleh sistem ini.

26

Answer

Number of user is K = 16

}]1)/(

1{[10 SNRIER

WKb

2.16}]101

)5(1{

102.81025.1[1 3

6

xxK

27

Number of active users with UNEQUAL powers

The received power from the i-th transmitter may be represented as

Here Po = received power at unit distance

di = distance from the i-th transmitter to j-th transmitter

α = propagation constantThe ratio of the power received from the i-th transmitter to that received from

the j-th transmitter can be represented by

i

oi dPP

ij

ij p

ddP

28

...(Continued)...

])(

1/1[

0 ibij i

j

SNRIERW

dd

ijj

i

jn

ii

b

PddPRW

IE

20

)/()(

The equation can be solved if the distance term is obtained, here,

29

… (Continued) Near-far effect...The distance term gives the near-far effect.

If di is less than dj, then fewer terms can be added until the sum becomes equal to the right-hand side.

This results in smaller number of effective users

30

… (Continued) Example...Assume, all transmitters are at the same distance from the receiver except

for user 1, that is di =d1 where i is the user 1

d1=0.5 dj.

α=3.5 (propagation loss exponent)This gives us the number of users (for situation in example 2) as -

jj

jn

ii

b

Pdd

PK

PRWIE

5.3

1

20 )2(

)/()(

31

Observations

The number of users has been reduced by a factor of 3 (only 5 users) simply by virtue of one of the transmitters being 2 times closer than all of the others.

The system would eventually fail as multiple access system since only one user could be supported and none of the others would be able to be received with the desired output SNR, if

78.21jdd

86.5}]101

)5(1{

102.81025.1[2 3

65.3

1

xx

dd

K j

32

BW & Power Limitations

Reason for Bandwidth LimitationsBy virtue of physical considerationsBy regulatory considerations

Reasons for Power LimitationsFinite power resources

33

Bandwidth-Limited ChannelsThe number of active users was shown to be

If the SNR of a single user is allowed to be arbitrary large, the results becomes

}]1/1{[1

0 SNRIERWK

b

]//[1lim

0IERWK

bSNR

34

…Continued...If more than one user is to be supported by the channel, the maximum

Eb/I0 limited by

This is not a very serious limitation, unless the constraint on the bandwidth is quite severe or the message bit rate is quite serious.

RWIEMax b )/( 0

35

Power-Limited Channels

Fixing the power of the channel and allowing the BW to become arbitrary large, the user number equation becomes

provided that SNR>Eb/I0

This suggests that the number of users can be made arbitrary large if the bandwidth is arbitrary large even when there is a limitation on power per user.

K

Wlim

36

…Continued...A more meaningful measure of the number of users might be

the number of users per unit bandwidth. In this case,

The number of users per unit bandwidth remains finite even as the bandwidth becomes infinite.

]1/1[1lim

0 SNRIERWK

bW

37