Big Bang 7, Schulbuch

38 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektromagnetische Wellen Natürlich gibt es keine Technik, mit der man beliebig viele Gespräche auf einer Frequenz übertragen kann. Deshalb arbeiten alle Systeme zusätzlich in verschiedenen Frequenz- bereichen (Tab. 31.2). Wenn also zu lesen ist, dass 2G auf 1,8GHz sendet oder 3G auf 2GHz, dann ist das als Richtwert zu sehen. Frequenzen sind bei Handys eine knappe Ressour- ce. Neben dem erwähnten Zeit-, Code- und Frequenzmulti- plexen gibt es auch noch das räumliche Multiplexen. Weil jeder Sender nur eine gewisse Reichweite hat, kann man Frequenzen in bestimmtem Abstand mehrfach vergeben, ohne dass sie einander beeinflussen. Das ergibt im Idealfall bienenwabenartige, ineinandergeschachtelte Zellstrukturen (Abb. 31.18). 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-Verknüp- fung 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 durch den Code verschlüsselt und wieder entschlüsselt. Zum Beispiel: 101 XOR 011 = 110 → 110 XOR 011 = 101 Nach diesem Prinzip funktioniert auch das Codemultiplex- verfahren (Abb. 31.17). Das Ausgangssignal (a) eines Handys wird durch XOR mit dem sogenannten Spreizcode (b) ver- knüpft (c). Dieser heißt so, weil auf 1 Bit des Ausgangs- signals 8 Bit des Codes kommen – das Signal wird „ge- spreizt“. Nun überlagern sich Signale mehrerer Handys (d). Das Gesamtsignal wird beim Empfänger wieder mit dem Code des ursprünglichen Han- dys verknüpft (e). Das rekonst- ruierte Signal (f) wird integriert (d. h. die Fläche unter der Kurve wird ermittelt) und die Werte gemittelt. Das ergibt in diesem Beispiel in der ersten Hälfte +8/8 = 1 und in der zweiten –8/8 = –1, und das entspricht genau dem Ausgangssignal. i Abb. 31.17: Codemultiplexverfahren. Binäres 1 ist hier auf der x-Achse als +1 dargestellt und 0 als –1. a) Ausgangssignal 10 b) Spreizcode 2 × 00100011 c) Verknüpfung d) Überlagerung mehrerer Signale e) Spreizcode 2 × 00100011 f) rekonstruiertes Signal 10 Telefonieren da war, ist es über die Jahrzehnte aber immer wichtiger geworden, auch große Datenmengen zu übertra- gen. Von Generation zu Generation wurde also auch die Datenübertragungsrate immer wichtiger, wie du in Tab. 31.2 beeindruckend sehen kannst. Generation Bezeichnung max. Datenüber- tragungsrate Frequenzbereiche 1G ab 1981 AMPS – 0,88–0,96GHz 1,7–1,88GHz 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) 1,9–2,200GHz 4G ab 2009 LTE, LTE-A 10 9 bit/s (1 Gbit/s) Bänder um 0,8GHz, 1,8GHz, 2GHz und 2,6GHz Tab. 31.2: Vergleichsdaten der verschiedenen Mobilfunkgenerationen: Welche Methode gerade verwendet wird, zeigt dein Handy links 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 sogenannten 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 wurde bei 2G (Edge) verwendet. Dabei sen- den bis zu 8 Handys auf einer Frequenz, aber jedes be- kommt nur 1/8 der Sendezeit. Dazu wurde jedes Gespräch in kleine Datenpakete zerlegt (Abb. 31.15). Das Codemultiplexverfahren wird bei 3G eingesetzt. Auch hier senden die Handys auf einer Frequenz, aber jedem wird ein eigener Code zugewiesen (Abb. 31.16). 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, die teilweise sehr nahe bei- einander liegen, verteilt. Info: XOR und Spreizcode Abb. 31.15: Das Zeitmultiplexverfahren wurde bei 2G verwendet. Die einzelnen Impulse (farbig dargestellt) dauern 5,8 · 10 –4 s und wer- den 217-mal pro Sekunde gesendet. Das entspricht in Summe 1/8 Sekunde. Daher haben auf einer Frequenz 8 Gespräche Platz. Abb. 31.16: Das Codemultiplexverfahren wird bei 3G verwendet. Jedes Handy hat seinen eigenen Code und daher die gesamte Über- tragungszeit zur Verfügung. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv