ISM-Band oder 2,4 Giga Herz - die universelle Trägerfrequenz

Letztmalig dran rumgefummelt: 29.08.12 06:50:53

	Ob WiFi, Modellflug, Bluetooth oder Mikrowellenherde - wir alle benutzen täglich und ohne großes Nachdenken technische Geräte, welche vorzugsweise im 2,4 GHz-Band arbeiten. Im folgenden ein kurzer Überblick über die verschiedenen Technologien sowie die die Frequenzspreizung.
	1. Anwendungsmöglichkeiten des ISM-Bandes 2. Signalspreizung 3. Biologische Probleme 4. Eigene Anwendungsgebiete 5. Verwandte Themen
	Signale   2,4 Gigaherz-Band inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-) Wissen für Fortgeschrittene der Informatik

1. Anwendungsmöglichkeiten des ISM-Bandes

	Die 2,4-GHz-Frequenz gehört zu einem Frequenzband, das in Industrie, Wissenschaft und Medizin (Industrial, Scientific and Medical Band) genutzt wird und sich wie in Tabelle 1 zusammengefasst aufteilt. Ein weithin bekanntes Beispiel für ein Gerät, welches im ISM-Band arbeitet, ist der Mikrowellenherd. Weniger bekannt sind medizinische Geräte für die Diathermie, welche menschliches Gewebe durch Emission elektromagnetischer Wellen erwärmen und so z.B. Muskelverspannungen lösen können. Alleine das 2,4-GHz-Band kann ohne Einschränkungen auf der ganzen Welt eingesetzt werden. Dies erklärt die weite Verbreitung von Kommunikationsgeräten, die in diesem Frequenzband arbeiten. Es finden sich Anwendungen in den verschiedensten Bereichen.
	Anwendungsmöglichkeiten für 2,4 GHz
	Wi-Fi (Wireless Fidelity): dies ist, neben Bluetooth, die bekannteste und am weitesten verbreitete 2,4-GHzTechnologie. Heute üblicherweise eingesetzt für drahtlosen Internetzugang tragbarer Rechner und Tablet-PCs erschien Wi-Fi Ende der 90er-Jahre auf Apple-Computern. Lokale Drahtlosnetze werden WLAN genannt, für Wireless Local-Area Network.
	RFID (Radio FrequencyIDentification): tagtäglich eingesetzt z.B. von Nutzern des ÖPNV, unter anderem als passe Navigo in der Region Paris. Diese Transponder können ohne direkten Kontakt ausgelesen und beschrieben werden. Die notwendige Energie wird meist über die vom Lesegerät ausgesandten Radiowellen geliefert.
	Bluetooth: Der Mobiltelefonhersteller Ericsson hat diesen Standard drahtloser Kommunikation entwickelt, um Kabel zwischen Elektronikgeräten auf kurzer Distanz zu eliminieren, besonders in Haushaltsanwendungen. Die von den meisten Herstellern verwendeten Module haben eine Sendeleistung von 2,5 mW, was die Reichweite auf 20 m begrenzt. Dieser geringen Leistung der Bluetooth-Geräte steht eine Batteriestandzeit von mehreren Monaten gegenüber.
	Zigbee: Diese kleinen Module erlauben den Aufbau persönlicher Drahtlosnetze (Wireless Personal Area Networks, WPAN) bei geringen Kosten und geringstem Verbrauch, der eine Nutzungsdauer von mehreren Jahren zulässt. Auch die Domotik mit ihren vielen Sensoren und Fernbedienungen verwendet mehr und mehr dieses Protokoll. Man findet ZigBee auch in medizinischen Geräten, Rauch- bzw. Einbruchsmeldern oder bei freebox-Fernbedienungen der letzten Generation (eine französische Set-Top-Box).
	WDECT (Wideband Digital Enhanced Cordless Telecommunication): Technologie für Drahtlostelefone, Weiterentwicklung von DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication), vorgesehen für Heim- oder Büroanwendungen. WDECT verwendet das FHSS-Verfahren (weiter unten erläutert)
	Mikrowellenherd: Diese für viele unverzichtbar gewordene Einrichtung wurde in den 50er-Jahren erfunden. Die Möglichkeit, Lebensmittel durch Mikrowellen (1 GHz bis 300 GHz) zu erhitzen, wurde durch den Ingenieur Percy Spencer zufällig entdeckt, als er in der Nähe eines sendenden Radars arbeitete. Die Frequenz von 2,45 GHz regt die Wassermoleküle zum Schwingen an und erhitzt so die Speisen.
	Flugmodellbau: Auf dem Flugfeld angekommen prüft ein Modellpilot normalerweise zunächst, ob „seine" Frequenz auch von anderen Piloten genutzt wird. Ein Absturz kann nur vermieden werden, wenn man sich mit mehreren Piloten die verfügbare Flugzeit teilt; dieses Problem kennt der Autor dieser Zeilen nur zu gut. In diesem Zusammenhang ist die 2,4-GHz-Technologie interessant, weil man sich dadurch der Frequenzprobleme entledigen kann. Die bekanntesten Hersteller (Futaba, Graupner, Spektrum, Multiplex...) haben die Vorteile digitaler Übertragung erkannt und bieten eine Vielzahl von Sendern und Empfängern für 2,4 GHz an. Auch Telemetrie-Funktionen sind möglich, für Flugparameter wie Höhe oder Batteriezustand. Diese Technik wird im Artikel „LiPo Akkuwächter mit ZigBee" aus dem Aprilheft 2012 von Elektor genutzt [1].
	Videoüberwachung: Elektronikhändler bieten verschiedene Modelle von Überwachungskameras im 2,4-GHz-Band an.
	das ISM-Frequenzband

2. Signalspreizung

	Wie man es erwarten könnte, handelt es sich bei Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee und anderen um Handelsnamen oder Marken. Die Kommunikationsprotokolle werden durch Normen mit weniger einprägsamen Bezeichnungen spezifiziert: IEEE 802.11 für Wi-Fi, IEEE 802.15 für Bluetooth und Zigbee. Diese definieren das Datenübertragungsprotokoll, die Übertragungsrate, die Reichweite in Innenräumen und im Freien, die Sendeleistung und vieles mehr. Für bessere Marktchancen bevorzugt man jedoch anschaulichere und attraktivere Bezeichnungen.
	Die Ursprünge des 2,4-GHz-Bandes gehen übrigens auf das Jahr 1947 und die Erfindung des Mikrowellenherdes (s.o.) zurück: Damals entschied die Federal Communications Commission, das 2,4-GHz-Band drahtlosen Kommunikationsgeräten zuzuweisen. Das ist die US-amerikanische Behörde, die sämtliche Geräte zertifiziert und freigibt, die elektromagnetische Wellen aussenden.
	Amplitudenmodulation - das Prinzip     amplitudenmoduliertes Signal auf einer gegebenen Trägerfrequenz
	Betrachtet man die Vorteile der 2,4-GHz-Technologie, so kommt direkt die Frage auf, wie es gelingt, bei mehreren Sendern auf einer Frequenz gegenseitige Störungen auszuschließen. Die Antwort ist (recht) einfach: man arbeitet mit Frequenzspreizung (Spread Spectrum), bei dem - wie der Name schon sagt - ein enger Frequenzbereich frei in einem größeren Frequenzbereich verteilt wird. Man unterscheidet zwei Typen von Frequenzspreizung: Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) oder Frequenzspreizung mit direkter Folge - Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) oder Frequenzsprungverfahren.
	Die Technik wurde anfänglich entwickelt, um ein feindliches Abhören von Nachrichten zu verhindern. Die zu übertragende Nutzinformation sollte wie Rauschen erscheinen. Entwickelt zur Steuerung von Torpedos ist die Technik seit dem Zweiten Weltkrieg bekannt. Sie wurde aber in größerem Maße erst seit den 60er-Jahren eingesetzt, und zwar von den Amerikanern seit der Kuba-Krise im Oktober 1962. Diese schwere internationale Krise, ausgelöst durch die Stationierung sowjetischer Nuklearraketen auf der Insel Kuba, also wenige Hundert Kilometer vor der Küste Floridas, gipfelte in der Blockade der Insel durch die Vereinigten Staaten und in Machtdemonstrationen, die nicht weit davon entfernt waren, den Kalten Krieg in einen „heißen Krieg" zu verwandeln. Obwohl es heute nur mehr anekdotisch ist, ist es doch interessant festzuhalten, dass FHSS von einer bemerkenswerten Person erdacht und patentiert wurde. Es war der Pianist und Komponist (und Autor, Kritiker, selbstproklamierter Endokrinologe...) George Antheil, in enger Zusammenarbeit mit seiner Weggenossin, der Hollywood-Schauspielerin Hedy Lamarr (und geschiedenen Ehefrau eines österreichischen Rüstungsindustriellen). Bis heute wird diese Technik eingesetzt, um das Risiko von Interferenzen mit anderen Signalen zu vermindern.
	Für eine bessere Vorstellung von DSSS und FHSS bietet sich ein kurzer Exkurs zur Modulation an. Um unter guten Bedingungen ein Sinussignal s der Frequenz f (in unserem Beispiel f = 4 kHz) zu übertragen, wird dieses in Amplitude oder Frequenz auf ein weiteres Sinussignal P der Frequenz F (hier F= 25 kHz), den sogenannten Träger, aufmoduliert. Analysiert man nun das aus einer klassischen Amplitudenmodulation resultierende Spektrum (Bild 2) (welches ein Graph der Amplitude jeder Sinuskomponente des Signals ist), dann erscheint das Signal s verschoben und zentriert um den Träger P (Bild oben). Des Weiteren erkennt man unschwer, dass das übertragene Signal ein Frequenzband (genannt Kanal) belegt, und dass die Breite hier gleich 8 kHz ist. Bei der Übertragung numerischer Signale wird zur Modulation PSK benutzt, welches an anderer Stelle in diesem Artikel besprochen wird. Beim DSSS-Verfahren zur Frequenzspreizung wird jedes Bit des zu übertragenden numerischen Signals durch eine Folge (direct sequence) von n Bits ersetzt (Bild 4). Die Folge wird festgelegt durch Mischen des numerischen Nutzsignals mit einer binären Folge, dem Spreizcode. Diese Pseudozufallsfolge ist zwischen Sender und Empfänger verabredet. Bei dieser Technik ist die Bandbreite des übertragenen Signals n-mal so groß. In unserem Beispiel hat der Spreizcode eine acht Mal höhere Datenrate als das Nutzsignal: das Spektrum wird also auf das Achtfache gespreizt. Das Sendesignal wird per Funk unter Verwendung des Modulationsverfahrens PSK (s.u.) ausgestrahlt.
	XOR-verknüpftes Code-Signal Spektrum des Übertragungssignals Spektrum des Spreizsignales Spektrum des Sendesignales nach der Spreizung
	Wir untersuchen die Auswirkungen von DSSS auf das Signalspektrum mit einem Simulator (z.B. Proteus von LabcenterElectronics). Das zu übertragende Signal ist ein Rechtecksignal der Frequenz 1 kHz und der Spreizcode ist die willkürlich gewählte Binärfolge 0100101101. Bild 5 zeigt den einfachen Aufbau, mit welchem wir DSSS erzeugen und Bild 6 zeigt das Ergebnis der Simulation. Das Spektrum des Originalsignals wird in Bild 7 wiedergegeben. Man erkennt unschwer, dass die Harmonischen, aus denen dieses Signal besteht, sich oberhalb 50 kHz stark abschwächen. Bild 8 zeigt das Spektrum des Spreizcodes. Man sieht deutlich, dass sich dieses bis auf Frequenzen über 200 kHz erstreckt. Das Spektrum des Sendesignals nach Spreizung erscheint in Bild 9: Auch dieses erstreckt sich bis über 200 kHz. Das Spektrum ist weit gespreizt und erinnert sehr an ein Signal mit Rauschen. Beim Frequenzsprungverfahren, FHSS, wechselt die Trägerfrequenz periodisch nach einem pseudozufälligen Muster und belegt einen gegebenen Kanal nur zu gegebener Zeit (dwell time, 300 ms nach IEEE 802.11). Die Reihenfolge der Frequenzen ist dem Sender und Empfänger bekannt. Einen Überblick gibt Bild 10. FHSS benutzt 79 Kanäle von 1 MHz Breite. Bei dieserTechnik ist die Kollisionswahrscheinlichkeit, d.h. dass zwei Sender zu einem gegebenen Zeitpunkt auf demselben Kanal arbeiten, sehr gering. Bei der Frequenzspreizung wird üblicherweise ein unter Elektronikern wohl bekanntes Verfahren eingesetzt: die Phasenumtastung oder -modulation (PSK, Phase Shi ft Keying). Bei dieser Art der Modulation ändert man die Phase am Punkt e des Sinussignals (gegeben durch die Gleichung U (r)= z3 - sin (z - n - f - r + o) ), je nachdem, ob man eine l oder eine 0 übertragen will. Legt man willkürlich 0 = 0 fest, während eine 1 übertragen wird, und 0 = n, während eine 0 übertragen wird, dann ergibt sich der Graph in Bild 11.
	Spektrum des Übertragungssignals Spektrum des Spreizsignales Spektrum des Sendesignales nach der Spreizung
	Doch wie überträgt man eine hohe Frequenz von 2,4 GHz, wenn die Bandbreite üblicher Bauteile etwa bei einigen Hundert MHz liegt? Diese Leistung ist erst seit dem Erscheinen von Hochfrequenz-ICs möglich, sog. MMIC (ausgesprochen: Mimic, für Monolithic MicroWave Integrated Circuits). Diese Schaltkreise auf der Grundlage von Galliumarsenid (GaAs), einem Halbleitermaterial mit wesentlich besseren Eigenschaften als es das übliche Silizium hat, arbeiten bei Frequenzen zwischen 300 MHz und 300 GHz. Sie bieten alle Funktionen, die für eine Funkübertragungskette benötigt werden (Frequenzmischer, Leistungsverstärker, Low-Noise-Verstärker...). MMICs werden auch auf Basis von Indiumphosphid (InP) hergestellt. Dieser Halbleiter hat noch bessere Eigenschaften als Galliumarsenid und erlaubt es, Komponenten mit noch größeren Bandbreiten - und höherem Preis - herzustellen.
	Seit den 40er-Jahren befindet sich die Elektronikindustrie in einem Wettlauf um hohe Frequenzen. Zunächst wurden Röhren eingesetzt (Magnetrons, Wanderfeldröhren...), die Frequenzen bis rund 2 GHz erreichten. Diese Geräte werden auch heutzutage noch verwendet, insbesondere für Anwendungen hoher Leistung wie Mikrowellenherde, Radar oder Satellitensendeanlagen. Mit dem Erscheinen von integrierten Schaltkreisen begann in den 70er-Jahren eine stürmische Entwicklung, die so unterschiedliche Bereiche betrifft, wie das Militär (Radarleitsysteme, Stör- und Abwehrmaßnahmen...), die Telekommunikation (Satellitenempfang, schnurloses Telefonieren...), die Industrie (Materialforschung), das Gesundheitswesen (Behandlung von Tumoren...), die Weltraumforschung (Weltraumradar wie bei den SPOT-Satelliten...) oder das Automobil (Radar Anti-Kollision, Geschwindigkeitssensoren zur Auslösung von Airbags oder ABS...) und das Verkehrswesen (GPS, Verkehrsradar...).

3. Biologische Probleme

Trotz des massiven Einsatzes von Mikrowellen in der Telekommunikation sind die langfristigen Auswirkungen von elektromagnetischen Feldern hoher Frequenz auf den menschlichen Körper nicht hinreichend bekannt. Verschiedene jüngere Studien scheinen deren Schädlichkeit zu beweisen (welche sich äußert in Schlafstörungen, starker Müdigkeit, Kopfschmerzen, Schwindelanfällen, Übelkeit, Hörproblemen, Gedächtnisstörungen, Konzentrationsschwierigkeiten ... ). In einer vielbeachteten Pressemitteilung der Association Sante Environnement de France (www.asef-asso.fr) wird ein Zusammenhang zwischen den oben genannten Auswirkungen bei den Bewohnern mehrerer Wohnanlagen und der Anwesenheit einer Vielzahl von dort installierten Sendeantennen bestätigt. Andere Studien versichern das Gegenteil: das Scientific Committee an Emerging and Newly Identified Health Risks (http://ec.europa.eulhealthiscientific_ committees/emerging/index en.htm) hat noch im März 2007 bestätigt: „Seit 2001 wurden ... eingehende Forschungen, epidemiologisch in vivo und in vitro durchgeführt. Hier wurde kein gesundheitlicher Effekt förmlich nachgewiesen."

Nationale Behörden wie die Agence Francaise de Securite Sanitaire de I'Environnement et du Travail (Afsset) geben Vorsichtsratschläge heraus und erstellen Listen möglicher gesundheitlicher Gefahren. Leider ist es schwierig festzustellen, inwieweit die Telekommunikationsbranche in diese Studien involviert ist, insbesondere mit einer direkten und indirekten Finanzierung, und wie weit ihr Einfluss reicht. Das einzige Prinzip, welches hier greift, ist das Prinzip der Vorsicht. Doch genügt es, das Telefon, den Rechner, die Headsets und den WLAN-Router auszuschalten, wenn sie nicht benötigt werden? Die Debatte ist noch lange nicht beendet.

4. Eigene Anwendungsgebiete

5. Verwandte Themen

	Die Nachfahren von Heinrich Herz und Alexander Poppow müssen sich schon Gedanken machen, wie alle benötigten Mittel (in der Praxis sprich: Kanäle) sauber voneinander getrennt werden und eine gesicherte sowie geschützte Verbindung von Geräten untereinander noch möglich ist.
	Heinrich Hertz Alexander Stepanowitsch Popow Guglielmo Marconi
	der Klassiker: die RS 323-Schnitttstelle ZigBee-Protokoll
	Zeit Positionsbestimmung Greenwich-Mean-Time Astronomische Zeiten und Kalender Zeitzonen GPS-Systeme

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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha

© Frank Rost am 23. August 2012 um 7.09 Uhr