Técnicas de Espalhamento Espectral

A maneira pela qual o espectro é espalhado é muito importante e define a técnica de espalhamento espectral. Existem várias técnicas utilizadas com este mesmo objetivo, cada uma delas com suas vantagens e desvantagens em relação ao tipo de emprego que terá o sistema. As técnicas mais utilizadas são as seguintes:

Seqüência Direta
É a técnica de espalhamento espectral na qual uma portadora modulada em fase por um sinal digital é modulada uma segunda vez por uma seqüência binária pseudo-aleatória. Essa seqüência de código pseudo aleatório, cuja taxa de transmissão é muito maior que a banda do sinal a ser transmitido (ou seja, a duração de um pulso desta seqüência, chamado "chip", é muito menor que a duração de um pulso do sinal a ser modulado), define o código de espalhamento utilizado pelo sistema, que deverá ser do conhecimento do receptor para que este recupere o sinal com a sua banda original.


Exemplo de espalhamento espectral em seqüência direta

A segunda modulação imposta ao sinal a ser transmitido é chamada de modulação de espalhamento, sendo os dois tipos mais utilizados a BPSK (Binary Phase Shift Keying) e a QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Após esta modulação, cada bit de informação, seja ele zero ou um, aparecerá como uma seqüência de bits codificados pela seqüência pseudo aleatória. O zero será representado, por exemplo, por uma seqüência de 32 bits, e o um por outra seqüência diferente de 32 bits. Na detecção, o receptor de posse do mesmo gerador de código, e conseqüentemente, da mesma seqüência de bits que caracteriza o código utilizado no espalhamento, e utilizando o critério da máxima correlação deste código com as seqüências recebidas, obtém então os zeros e uns do sinal original a partir da seqüência codificada.

As seqüências pseudo-aleatórias utilizadas, correspondentes a cada unidade da informação, constituem o código de espalhamento, e devem ser projetadas tanto quanto possível para serem ortogonais (produto interno nulo), possuindo autocorrelação máxima quando coincidentes e praticamente nula quando defasadas. Um tipo de seqüência que possui estas características e que tem sido largamente utilizada na determinação do código em sistemas de espalhamento espectral é o de seqüências máximas geradas por registradores de deslocamento realimentados por um somador módulo 2.

Devido a considerações de ordem prática e principalmente pela dificuldade de se obter o sincronismo no receptor com precisão melhor do que alguns nanossegundos, os sistemas de espalhamento espectral atuais empregam a seqüência direta, trabalham tipicamente com geradores de código cuja taxa é menor ou igual a 100 Mbits/seg, implicando numa banda de espalhamento de freqüências limitadas a algumas dezenas de MHz.

Salto em Freqüência
Nesta técnica, a seqüência pseudo-aleatória (código de espalhamento), alimenta o sintetizador de freqüências que gera a portadora do sinal a ser transmitido, fazendo com que esta varie aleatoriamente dentro da banda de espalhamento. A cada instante a portadora assume um dos 2k valores possíveis de freqüências, onde k é o tamanho da seqüência de código utilizada. O código de espalhamento neste caso, não modula diretamente a portadora (f0) que contém a informação, sendo utilizado na determinação das freqüências que serão geradas pelo sintetizador.

Em contraste com o sistema de seqüência direta, onde a seqüência de espalhamento é utilizada seqüencialmente (um bit de cada vez), aqui ela é utilizada em paralelo (k bits de cada vez), fornecendo ao sintetizador a cada instante, um número pseudo-aleatório de 0 a 2k -1, correspondente à freqüência que será gerada.

O sinal a ser transmitido consistirá da freqüência da portadora f0 modulada inicialmente pelos dados a serem transmitidos e transladada para a freqüência f0 + fN (através de uma modulação MFSK - modulação por chaveamento de freqüência M-ário, que é a mais empregada), onde fn é a freqüência gerada pelo sintetizador a cada salto. Em um dado salto, a faixa de freqüência ocupada pelo sinal é idêntica a de um sinal MFSK convencional, que é tipicamente muito menor do que a banda de espalhamento. Entretanto, numa média realizada ao longo de muitos saltos, o espectro do sinal resultante ocupará toda a banda de espalhamento.

Diz-se que o sistema realiza um salto em freqüência rápido (FFH - Fast Frequency Hopping), quando ele executa vários saltos durante um bit de informação e um salto em freqüência lento (SFH - Slow Frequency Hopping) quando são transmitidos vários bits de informação em cada salto.

A tecnologia atual permite bandas de salto em freqüência da ordem de vários GHz, que é um valor maior do que aqueles possíveis de serem obtidos para bandas de espalhamento por seqüência direta. Com relação à taxa de salto, já encontramos hoje sistemas capazes de realizar centenas de Ksalto/seg, e outros, em desenvolvimento, já realizam testes com taxas de salto maiores do que 1 Msalto/seg.

Cabe aqui ressaltar a distinção entre os termos salto em freqüência (frequency hopping) utilizado nos sistemas de espalhamento espectral que trabalham na faixa de comunicações (VHF/UHF) e agilidade em freqüência (frequency agility), comumente utilizado nos sistemas de radar que utilizam técnicas de medidas de proteção eletrônicas (MPE). Embora o resultado final obtido seja o mesmo, ou seja, a cada instante o sinal de interesse é transmitido por uma portadora diferente cuja freqüência varia no tempo segundo a seqüência de espalhamento, nas altas freqüências torna-se crítico o projeto de sintetizadores que cubram uma larga faixa de freqüências, e neste caso, os saltos (agilidade em freqüências) são realizados em um número reduzido de freqüências pré-selecionadas e escolhidas por um algoritmo próprio por ocasião da transmissão. Portanto, quanto maior o número de freqüências utilizadas na agilidade, mais complexo e caro torna-se o sistema de espalhamento de espectro em altas freqüências. Uma outra limitação na banda de espalhamento em sistemas radar é devida ao fato de que, o espalhamento em um número maior de freqüências imporia ao sistema um maior tempo de retardo necessário para o sincronismo inicial, retardo este indesejável nos sistemas radar, que se caracteriazam pela detecção de pulsos rápidos e estreitos.

Salto no tempo
Esta técnica também é conhecida como transmissão por salva (burst), consiste na transmissão da informação por blocos de dados (salvas) de mesma duração, que são inicializadas em tempos pseudo-aleatórios, segundo um gerador de código. Em outras palavras, a cada intervalo de tempo T é transmitida uma salva de duração T/n, em uma das n janelas de tempo existentes neste período. A cada janela de tempo corresponde uma seqüência ortogonal do código de espalhamento, que deverá ser do conhecimento do receptor para que este, através da correlação da seqüências de código com o sinal recebido no período T, identifique a posição exata da salva e assim possa recompor a informação original.

Técnicas híbridas
O espalhamento espectral hoje em dia, não é visto apenas como uma maneira de se tornar as comunicações mais seguras com relação à interceptação e à interferência, mas também como uma maneira de melhorar a qualidade e a confiabilidade do enlace. Embora o Espalhamento Espectral tenha surgido basicamente do emprego militar, suas vantagens têm despertado o interesse de pesquisadores em inúmeras áreas, e a cada dia que passa é maior o emprego desta técnica, principalmente em redes rádio móveis (telefonia, rádio amador, etc.), sistemas de posicionamento geográfico, comunicações por satélite, sistemas que transmitem referências precisas de tempo, etc.

O fato de cada transmissão ocupar uma larga faixa de freqüência no espectro, é compensado pela capacidade inerente do sistema de espalhamento espectral de reduzir a interferência entre sinais que utilizem códigos diferentes, permitindo assim que vários usuários utilizem a mesma faixa de freqüência.

Existem alguns pontos críticos no desenvolvimento de sistemas de espalhamento espectral, dentre os quais podem-se citar:

a) Velocidade de processamento: à medida em que são desenvolvidos códigos mais eficientes, os processadores precisam ser mais rápidos, a fim de que a correlação com seqüências longas possa ser realizada em tempo real;

b) O sincronismo entre o transmissor e o receptor, que passa pelas fases de aquisição (no início da transmissão) e rastreio (durante a comunicação), precisa ser estabelecido no menor intervalo de tempo possível, principalmente nas comunicações militares em nível tático, que se caracterizam pela transmissão de mensagens de curta duração.

Deve-se buscar um ponto de equilíbrio entre o comprimento da seqüência de espalhamento e o tempo de sincronismo, de acordo com o emprego do sistema de espalhamento espectral, pois ao mesmo tempo em que seqüências maiores (longo período) são desejáveis, estas acarretam um maior tempo para que se obtenha o sincronismo inicial do sistema.

As técnicas de espalhamento espectral mais utilizadas hoje em dia, tanto em equipamentos de emprego militar como civil, são a seqüência direta e o salto em freqüência, por serem as que proporcionam melhores desempenhos e maiores ganhos de processamento.