Spread Spectrum

Mit Frequenzspreizung bezeichnet man in der Informationsübertragung per Funk ein Verfahren, bei dem ein schmalbandiges Signal in ein Signal mit einer größeren Bandbreite als für die Informationsübertragung nötig umgewandelt wird. Die Sendeenergie, die zuvor in einem kleineren Frequenzbereich konzentriert war, wird dabei auf einen größeren Frequenzbereich verteilt.

Eine weitere neuere Bedeutung hat der Begriff Frequenzspreizung in der Digitaltechnik erhalten. Hier geht es darum, die spektrale Dichte der Taktsignale zu verringern. Dadurch wird zwar die Einhaltung von Normen der elektromagnetische Verträglichkeit für Störsignale bei diskreten Frequenzen erreicht, andererseits wird aber die störende Energie über einen ganzen Frequenzbereich verschmiert (vgl. englischer Artikel).

Vorteile/Nachteile

Vorteile:

• größere Robustheit gegenüber schmalbandigen Störungen
• Sicherheit: ein Mithörer kann nicht unbefugt Nachrichteninhalte erlauschen; er kann nur schwer erkennen, dass überhaupt eine Übertragung stattfindet

Nachteile:

• höhere Komplexität beim Empfang

Einsatz

Frequenzspreizung wird einerseits zur Nachrichtenübertragung verwendet. Beispiele sind die militärischer Nachrichtentechnik, aber auch im zivilen Bereich bei der Datenübertragung über Wireless LAN oder Bluetooth. Die zweite und dritte Generation des Mobilfunks UMTS verwendet ebenfalls die in CDMA enthaltene Frequenzspreizung.

Ein weiterer Einsatzbereich ist die Störminimierung. So werden zur Reduzierung von elekromagnetischen Störungen bei Taktsignalen in digitalen Schaltungen das so genannte Spread Spectrum Clocking (SSC) eingesetzt. Bei einer Gruppe von Klasse-D-Verstärker, den Spread Spectrum-Klasse-D-Verstärkern, erlaubt die Frequenzspreizung ohne einer aufwendigen Filterung der Schaltfrequenz nach der Verstärkerstufe auszukommen.

Verfahren

Direct Sequence Spread Spectrum

Beim Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) genannten Verfahren werden die Nutzdaten in direkter Folge (direct sequence) per Exklusiv-Oder (XOR) mit einem Spreizcode verknüpft und anschließend auf einen Träger aufmoduliert. Ohne Kenntnis des Spreizcodes ist eine Rückgewinnung der Nutzinformation auf der Empfängerseite nicht möglich. Der Spreizcode hat dadurch bei geschickter Wahl die Funktion eines Kryptoschlüssels.

Das Direktsequenz-Spreizspektrumverfahren wird allgemein in Kombination mit der CDMA-Technik verwendet. Es kommt unter anderem bei Wireless LANs nach dem IEEE 802.11 Standard und UMTS zum Einsatz, sowie auch im RC-Modellbau bei Fernsteueranlagen im 2,4GHz-Band (Spektrum DSM,DSM2)

Frequency Hopping Spread Spectrum

Beim Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) wird die zu übertragende Information nacheinander auf viele Kanäle verteilt; zu einem Zeitpunkt wird immer nur ein Frequenzkanal genutzt. Dadurch ergibt sich, obwohl jeder Kanal eine kleinere Bandbreite besitzt, für das Gesamtsignal eine größere Bandbreite. Der Empfänger muss synchron mit dem Sender dieselben Kanäle anspringen. Bei geschickter Wahl der Sprungsequenz erscheint diese als pseudozufällig und hat die Funktion eines Kryptoschlüssels. Das Patent für dieses Verfahren wurde im Jahr 1942 Hedy Lamarr und George Antheil erteilt; es sollte zur Steuerung von Torpedos verwendet werden.

Der Unterschied von FHSS zum klassischen Frequenzmultiplex besteht darin, dass beim FHSS die Kanalbelegung sequentiell erfolgt, und beim klassischen Frequenzmultiplex die Signalanteile in den Einzelkanälen gleichzeitig vorhanden sind.

Dieses Verfahren wurde unter anderem bei Bluetooth eingesetzt, sowie auch im RC-Modellbau bei Fernsteueranlagen im 2,4GHz-Band (Sanwa FHSS, Futaba FASST)

Adaptive Frequency Hopping Spread Spectrum

Das adaptive Frequenzsprungverfahren, das z. B. seit Bluetooth 1.2 dort zum Einsatz kommt, bietet einen besseren Schutz gegen Störungen, indem bereits genutzte oder gestörte Frequenzkanäle in der Sprungsequenz (vorübergehend) vermieden werden.

Time Hopping Spread Spectrum

Das Zeitsprungverfahren setzt das Vorhandensein von Zeitschlitzen voraus. Die zeitliche Lage des ausgesendeten und meist mit DSSS modulierten Trägersignals springt innerhalb der Zeitschlitze pseudozufällig. Nachteil dieser Technik ist die schwierige Synchronisierung.

Spread Spectrum in der EMV

Spread Spectrum eines Schaltnetzteils in der Aufwärmphase inkl. Wasserfalldarstellung des zeitlichen Verlaufs

Um störende, hohe Peaks eines reinen Taktsignals in der Digitaltechnik zu vermeiden, wird der Takt über einen kleinen Frequenzbereich leicht variiert (Spread Spectrum Clocking). So wird ein einzelnes, sehr hohes Störsignal vermieden. Vielmehr werden jetzt eine Vielzahl von vergleichsweise schwachen Störsignalen erzeugt. Die Einhaltung von Normen der elektromagnetische Verträglichkeit kann so sichergestellt werden.