Big Bang HTL 3, Schulbuch

94 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 10.3 Erste bis vierte Generation Das Handy Dein Smartphone ist eine eierlegende Wollmilchsau, ein Computer im Taschenformat. Hier geht es aber nicht darum, was dein Handy inzwischen alles kann, sondern wie es Daten sendet und empfängt. Vor allem bei Handys bewahrheitet sich: Was gestern noch hoch innovativ war, ist morgen hoffnungslos veraltet. Dazu musst du dir nur das Mordstrum in Abb. 10.1 (S. 89) ansehen. Seit 1980 gibt es nun schon die 4. Handygeneration (Stand 2017). Während die erste Generation tatsächlich nur zum Telefoniere da war, ist es über die Jahrzehnte aber immer wichtiger geworden, auch große Datenmengen zu über- tragen, wie du in Tab. 10.2 beeindruckend sehen kannst. Generation Bezeichnung max. Datenüber- tragungsrate Frequenzbereiche 1G ab 1981 AMPS – 0,88–0, 96 GHz 1,7–1,88 GHz 2G ab 1991 GSM, GPRS und Edge 2,2 · 10 5 bit/s (220 kbit/s) 3G ab 2001 UMTS, HSDPA, HSPA+ 1,44·10 7 bit/s (14,4 Mbit/s) 1,9–2,2 GHz 4G ab 2009 LTE, LTE-A 10 9 bit/s (1 Gbit/s) Bänder um 0,8GHz, 1,8GHz, 2GHz und 2,6GHz Tab. 10.2: Vergleichsdaten der verschiedenen Mobilfunkgenerationen: Welche Methode gerade verwendet wird, zeigt dein Handy oben an ( F13 ). E steht für Edge, also für 2G. Diese Technik wird nur mehr bei sehr schlechtem Empfang eingesetzt. Wie ist es möglich, die einzelnen Gespräche zu trennen ( F11 )? Mit Hilfe sogenannter Multiplex -Verfahren (lat. multiplex = vielfältig). Hier gibt es eine verwirrende Vielfalt von Methoden, die ständig weiterentwickelt werden. Wir sehen uns exemplarisch ein paar davon an. Das Zeitmulti- plexverfahren wird bei 2G verwendet. Dabei senden bis zu 8 Handys auf einer Frequenz, aber jedes bekommt nur 1/8 der Sendezeit. Dazu wird jedes Gespräch in kleine Daten- pakete zerlegt (Abb. 10.17). Wie ist es möglich, dass viele tausende Menschen gleichzeitig miteinander per Handy sprechen, ohne dass die Gespräche einander stören und überlagern? Eine größere Anzahl an Sendemasten bedeutet eine höhere Strahlenbelastung für uns Menschen. Richtig oder falsch? Und kannst du deine Antwort begründen? Auf deinem Handy kannst du in der Kopfzeile oben 3G, 4G oder manchmal auch E lesen (Abb. 10.15). Was bedeutet das? F11 A2 F12 A2 F13 A1 Abb. 10.15 Das Codemultiplexverfahren wird bei 3G eingesetzt. Auch hier senden die Handys auf einer Frequenz, aber jedem wird ein eigener Code zugewiesen (Abb. 10.18). Durch gefinkelte Techniken ist es möglich, dass die Mobilfunkanlage trotz Überlagerung vieler Signale jedes wieder dem richtigen Handy zuordnen kann. Bei 4G wird ein Frequenzmultiplex- verfahren angewendet. Dabei werden die Datenströme auf viele verschiedene Frequenzen verteilt, die teilwiese sehr nahe beieinander liegen. Info: XOR und Spreizcode XOR und Spreizcode Das Codemultiplexverfahren ist wirklich sehr trickreich. Man braucht dazu die logische XOR-Verknüpfung, die man am besten mit „entweder – oder“ übersetzt. Die XOR-Ver- knüpfung zweier Bits sieht so aus: 0 XOR 0 = 0; 0 XOR 1 = 1; 1 XOR 0 = 1; 1 XOR 1 = 0 Sind beide Bits gleich, ergibt sich 0, sonst 1. Der Vorteil die- ser Verknüpfung ist ihre Umkehrbarkeit. Im Beispiel unten wird die Information ( gelb ) durch den Code ( rot ) verschlüs- selt und wieder entschlüsselt. z. B. 101 XOR 011 = 110 → 110 XOR 011 = 101 Nach diesem Prinzip funktioniert auch das Codemultiplex- verfahren (Abb. 10.16). Das Ausgangssignal (a) eines Handys wird durch XOR mit dem sogenannten Spreizcode (b) verknüpft (c). Dieser heißt so, weil auf 1 Bit des Ausgangs- signals 8 Bit des Codes kommen – das Signal wird „gespreizt“. Nun überlagern sich Signale mehrerer Handys (d). Das Ge- samtsignal wird beim Empfän- ger wieder mit dem Code des ursprünglichen Handys verknüpft (e). Das rekonstruierte Signal (f) wird integriert (d. h. die Fläche unter der Kurve wird ermittelt) und die Werte gemittelt. Das er- gibt in diesem Beispiel in der ersten Hälfte +8/8 = 1 und in der zweiten –8/8 = –1, und das ent- spricht genau dem Ausgangs- signal. i Abb. 10.16: Codemultiplexverfahren: Binäres 1 ist hier auf der x-Achse als +1 dargestellt und 0 als –1. a) Ausgangssignal 10 b) Spreizcode 2 x 00100011 c) Verknüpfung d) Überlagerung mehrerer Signale e) Spreizcode 2 x 00100011 f) rekonstruiertes Signal 10 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv