Chirp Spread Spectrum
Der Begriff Chirp Spread Spectrum (CSS) bzw. Zirpenfrequenzspreizung bezeichnet eine Modulationstechnik welche zur Frequenzspreizung (engl. Spread Spectrum) Chirp-Impulse (= Zirpen) verwendet. Dieses Modulationsverfahren wird zur drahtlosen Datenübertragungen auf kurzen Distanzen wie den Wireless Personal Area Network eingesetzt und ist in dem Standard IEEE 802.15.4 normiert [1] .
Allgemeines
Ein Chirp-Impuls stellt einen sinusförmigen Signalverlauf dar, welcher über die Zeit in der Frequenz kontinuierlich ansteigt bzw. abfällt. Dieser Signalverlauf wird im Rahmen von CSS als ein elementarer Sendeimpuls verwendet, welcher ein Symbol darstellt. Die Datenübertragung erfolgt durch eine zeitliche Aneinandereihung einer Folge von auf- und absteigender Chirp-Impulse welche in der Norm als „Sub-Chirp" bezeichnet werden.
Analog zu anderen Frequenzspreizverfahren wie Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) nutzt auch CSS ein große Bandbreite, welche direkt durch den Chirp-Impuls bedingt ist. Im Gegensatz zu DSSS basiert das Verfahren nicht auf Pseudozufall. Als wesentliche Eigenschaft ist dieses Verfahren robust gegen Störungen zufolge des Dopplereffektes, da nur die Frequenzänderung über die Zeit eines Chirp-Impulses von Bedeutung ist, und die absolute Frequenz in gewissen Grenzen keine Rolle spielt.
Verfahren
Die im Rahmen von IEEE 802.15.4a mit CSS zu übertragenen Nutzdaten werden bei der Modulation zunächst mit einer differentiellen Quadraturphasenumtastung (DQPSK) in ein komplexes Signal umgesetzt, welches anschließend mit konstanter Amplitude die Phasenlage des Sub-Chip-Impulses verändert, welcher in Folge ausgesendet wird. Das so gebildete Sendesignal wird im Rahmen der Norm auch als DQCSK für Differential Quadrature Chirp Shift Keying bezeichnet.
Zur Kanalauswahl existieren verschiedene, fix definierte Sub-Chirp-Sequenzen, wie in nebenstehender Abbildung am Beispiel von zwei Sub-Chirp-Sequenzen dargestellt. Dabei ist die Frequenz ω über die Zeit abgebildet, welche ständig variiert wird: Eine ansteigende Gerade bedeutet einen in der Frequenz ansteigenden Sub-Chirp bzw. eine fallende Gerade einen absteigenden Sub-Chirp. Die sprunghaften Übergänge zwischen zwei Chirp-Impulsen werden durch einen Gauß-Filter geglättet.
Der Empfänger, welche auf einen bestimmten Kanal eingestellt sind, werten durch Korrelation nur die ausgewählte Sub-Chirp-Sequenz für die weitere Datenverarbeitung aus. CSS stellt damit eine Art von Codemultiplexverfahren dar.