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3. Spread Spectrum

Uma importante característica da Modulação por Espalhamento de Espectro é que esta provê uma proteção contra interferência externa com potência finita. O sinal causador de interferência  pode consistir de um ruído de banda larga bastante poderoso ou de uma forma de onda de múltiplas freqüências que são dirigidas ao receptor de forma a degradar a comunicação. A proteção contra estas interferências é obtida fazendo com que o sinal contendo a informação ocupe propositadamente uma largura de banda maior do que a necessária para transmiti-lo. Isto faz com que o sinal transmitido tenha uma aparência semelhante ao ruído. O sinal pode então propagar-se através do canal sem ser impropriamente detectado. 

Existem várias técnicas para gerar sinais spread spectrum [Dino]. 

3.1. Direct Sequence

O padrão IS-95 é baseado na modulação DS-CDMA. Nos protocolos DS-CDMA a informação do sinal é multiplicada diretamente por um código PN ±1 na transmissão. Para se obter o espalhamento do sinal desejado, a taxa do sinal PN deve ser maior que a taxa do sinal de informação.

Figura 3.1. Geração da DS no transmissor

O espalhamento toma lugar em relação a qualquer modulação, totalmente no domínio binário, e o sinais transmitidos são cuidadosamente limitados em banda. 

Após a transmissão, o receptor usa uma demodulação coerente para juntar o sinal, usando uma seqüência de código gerada localmente. O sincronismo deve ser perfeito no ínicio da recepção e mantido até que todo o sinal seja recebido. Uma segunda multiplicação por uma réplica da mesma seqüência ±1 no receptor recupera o sinal original.  

Figura 3.2. Demodulação da DS no receptor 

O ruído e a interferência, sendo descorrelacionados com a seqüência PN, tornam-se como ruído unicamente e apresentam um aumento em largura de banda quando atingem o detetor. A relação sinal/ruído (SNR) pode ser aumentada por filtragem em banda estreita que rejeita a maioria da potência de interferência. A SNR é aumentada pelo ganho de processamento denominado W/R, onde W é a largura de banda de espalhamento e R é a taxa de dados.

Tabela 3.1. Direct Sequence

O espalhamento do CDMA comercial (DS-CDMA) é em quadratura em ambos os canais direto e reverso. A razão para o espalhamento em quadratura é realmente assegurar que a interferência mútua entre os usuários e entre as ERBs seja distribuída uniformimente em fase. Ao contrário, isso não contribuiria em nada para a performance do sistema [2, Motorola]. 

No canal direto, o efeito da ortogonalização dos canais é reduzir a interferência mútua entre os usuários. Enquanto o cancelamento não é perfeito em um sistema real devido a multivias indesejáveis, ele ajuda e contribui para a capacidade do link direto. 

No canal reverso, o resultado primário é que o efeito da interferência mútua e jamming é o mesmo de um nível de ruído efetivo

  (3.1)

onde N₀ é o nível de ruído térmico do receptor, e P _interf é a potência de interferência total na banda (dentro da banda de espalhamento de largura W = 1.25 MHz).

3.2. Frequency Hopping

Nos protocolos FH-CDMA, a freqüência da portadora do sinal modulado não é constante, mas muda periodicamente. Durante intervalos de tempo T, a portadora se mantêm em uma determinada freqüência, mas a cada intervalo a portadora muda para outra, ou talvez a mesma, freqüência. O salto em freqüência (frequency hopping) é tipicamente acompanhado por rápido chaveamento entre sintetizadores de freqüência de rápido-ajuste em um padrão pseudo-aleatório. 

O sistema DS ocupa toda a banda de freqüência quando transmite, enquanto o sistema FH usa somente uma pequena parte da banda, mas a localização desta difere no tempo. Se o número de saltos (hops) é maior que a taxa de dados, chama-se F-FH (fast frequency hopping), assim a freqüência da portadora muda várias vezes durante a transmissão de um bit, e um bit é transmitido em diferentes freqüências. Se o número de hops é menor que a taxa de dados, chama-se S-FH (slow frequency hopping) e múltiplos bits são transmitidos em uma mesma freqüência. 

A largura de banda do sinal FH depende não só da largura de banda do sinal a ser transmitido, mas também da forma do sinal de hopping e da freqüência de hopping.

Tabela 3.2. Frequency Hopping

3.3. Time Hopping

Nos protocolos TH-CDMA, os sinais de dados são transmitidos em rápidas rajadas (bursts) em intervalos de tempo determinados pelo código designado ao usuário. 

O eixo de tempo é dividido em quadros (frames) e cada quadro é dividido em M slots de tempo. Durante cada quadro o usuário transmitirá em um dos M slots. O slot de tempo será determinado pelo código do usuário. Dado que um usuário transmite os seus dados em 1, ao invés de M slots, a freqüência que este precisa para a sua transmissão aumenta em um fator de M.

Tabela 3.3. Frequency Hopping

3.4. Outros

Existem ainda outras formas de spread spectrum como o Chirp spread spectrum, que se baseia no espalhamento da largura de banda através de uma modulação linear da portadora, e os sistemas híbridos. 

A utilização de sistema híbridos busca combinar as vantagens específicas de cada uma das técnicas de modulação apresentadas. Por exemplo, um sistema híbrido DS/FH-CDMA tem as vantagens da propriedade de caminhos múltiplos do Direct Sequence combinadas com a maior facilidade do sistema Frequency Hopping para operação com o problema near-far. O sinal é primeiramente espalhado usando o código DS e posteriormente modulado em uma portadora com outro código de espalhamento. 

A desvantagem de utilizar sistemas híbridos se localiza na complexidade de implementação dos transmissores e receptores.