Gespreiztes Spektrum
Funkechos können beim Empfänger für Bitsalat sorgen, Interferenzen drohen Informationen auszulöschen. Auch digitale Funkverfahren sind davor nicht gefeit, besitzen aber eine Reihe von Gegenstrategien.
- Oliver Bartels
Eigentlich genügt es beim Datenfunk, einen Datenstrom ähnlich dem Radiosignal einfach einem Träger aufzumodulieren und diesen im Empfänger zu demodulieren. Doch durch Reflexionen, etwa an Gebäuden, treffen die Signale praktisch nie ausschließlich über den Hauptweg beim Empfänger ein, sondern über Umwege auch als abgeschwächte Signale. Solche Echos, die das menschliche Ohr beim Rundfunk noch als schlechten Klang hinnimmt, führen beim Datenfunk zu Bitsalat.
Auch können Reflexionen zum Auslöschen von Signalen führen. Je nach Wellenlänge füllt die Signalstrecke eine ganz bestimmte Zahl von Wellen, und wenn zwischen dem Hauptsignal und einem Nebensignal eine halbe Wellenlänge Laufzeitunterschied entsteht, löschen sich die Wellen aus (Interferenz). Echos sind im Spektrum daher als Bereiche erhöhter Dämpfung erkennbar (Multipath-Fading). Diese Bereiche sind untauglich für Datenübertragungen und man bekämpft sie etwa mittels Echokompensation. Ein adaptiver Filter (Equalizer) erzeugt ein künstliches Echo des empfangenen Signals und subtrahiert es vom empfangenen Signal.
Der Equalizer ist freilich bei extremen Frequenzeinbrüchen oder anderen Störungen auf dem Funkweg wirkungslos. Man kann sie kompensieren, etwa indem man das Signal gleichmäßig auf einen größeren Frequenzbereich verteilt (Bandspreizung, Spread Spectrum). Die Wahrscheinlichkeit, dass die Störungen Informationen zerstören, sinkt dadurch.
Das geht am einfachsten durch ständiges Ändern der Frequenz, wie es als Frequency Hopping etwa bei Bluetooth wirkungsvoll implementiert ist. Hohen Datenraten, wie sie bei WLAN wünschenswert sind, steht das aber entgegen, denn Störungen in breiten Signalen treffen gleich ein Bündel von Bits, und erst wenn ein Sprung eine brauchbare Frequenz beschert, kommen beim Gegenüber Daten an.
Stattdessen benutzt man gern Direct Sequence Spread Spectrum, bei dem man den Datenstrom mit einem Pseudo-Rauschsignal höherer Datenrate auf das breite Frequenzband auffächert. Der Empfänger multipliziert dieses Gemisch mit dem Code, den der Sender benutzt, und extrahiert so das Nutzsignal. Das Rauschen bleibt danach im Spektrum verschmiert und daher gegenüber dem Nutzsignal schwächer.
Bei schlechter Funk-Qualität kann der Empfänger viele Übertragungsfehler mit seinen Rekonstruktionsmitteln korrigieren. Nur bei sehr schwachen Signalen kommt es zu Bitfehlern. Wenn allerdings bei hoher Datenrate der Symbolabstand den Bereich der Echolaufzeiten erreicht, also Intersymbolinterferenz droht, sollte ein Equalizer eingesetzt werden. Genau an dieser Stelle trennt sich bei Spread-Spectrum-Systemen die Spreu vom Weizen: Insbesondere UMTS-Entwickler mussten sich einiges einfallen lassen, bis die Echounterdrückung schnell genug adaptierte.
Ebenfalls verbreitet ist das Orthogonal Frequency Division Multiplex, ein Verfahren, das viele schmale Subträger verwendet und zum Beispiel im Digitalfernsehen DVB-T, Digital Audio Broadcasting (DAB) oder auch in den 5-GHz-WLANs zum Einsatz kommt. Der Datenstrom wird in parallele Bitströme geteilt und je einem Subträger aufmoduliert. Damit trotz der Überlappung der einzelnen Subträger-Spektren gegenseitige Störungen klein bleiben, versetzt man ihre Mittenfrequenzen orthogonal, so dass die Frequenzen der Subträger jeweils über den Nullstellen ihrer Nachbarn liegen. Weil OFDM vielfach parallel ausgelegt ist, verkraftet es Beeinträchtigungen und sogar den Ausfall einzelner Subträger. Zudem minimiert das Verfahren die Intersymbol-Interferenz, die durch Laufzeitunterschiede des Mehrwegeempfangs verursacht wird. (dz) (ssu)
