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    Categories: Technik

Telefonieren mit GSM- & UMTS-Handys: der Analog-Digital-Wandler

Analoge Schallwellen der Stimme werden beim Senden durch den A/D-Wandler (ADC) in digitale Daten umgewandelt, beim Empfangen wandelt der D/A-Wandler um.

„Ich denke, also bin ich“: Liest man als stolzer Apple-iPad-Besitzer in öffentlichen Verkehrsmitteln hochkonzentriert den philosophischen Grundsatz von René Descartes als digitale Text-Datei, kann man beim Nachdenken über den radikal-philosophischen Zweifel durch analoge Lärmkulissen-Verapplung zur Verzweiflung getrieben werden.

Stimme und Musik sind als Schallwellen analoge Datenquellen

„Ich spreche, also bin ich“, kann sich die Quasselstrippe eine Sitzreihe vor einem mit ihrem neuen iPhone 4 denken und gegen den neumodisch schwachen Antennenempfang mit altmodisch analogen Schallwellen anschreien; „Ich höre ja noch ein bisschen, also bin ich“, kann sich der Headbanger eine Sitzreihe hinter einem denken und sich in Presslufthammerlautstärke mit der Knallerbse iPod touch total analog mit digitalen MP3s zudröhnen. Total entnervt kann man nun zu seinem Handy greifen, den geschlossenen Headset mit Noise-Cancelation aufsetzen, um mit einer verständnisvollen Person darüber zu quasseln, was man über das soeben Gehörte gerade so denkt – dabei müssen die analogen Schallwellen der Stimme durch den Analog-Digital-Wandler des Handys in digitale Daten umgewandelt werden.

Analoge Daten-Übertragung ist störanfällig

In der modernen digitalen Nachrichtentechnik gilt die analoge Informationsübertragung als störanfällig: Zwar kann man mit der analogen menschlichen Stimme in Nahdistanz eine Quasselstrippe auffordern, sie solle endlich die Klappe halten, oder per Machtwort an die letzten verbleibenden Haarsinneszellen im Innenohr eines Headbangers appellieren, dass er sein Gedudel leiser stelle, doch selbst die Machtwörter von Regierungsoberhäuptern interessiert die meisten nicht die Bohne und verhallen oft ungehört – meist werden sie nur vom sklavisch untertänigen Parteipöstchenvolk erhört. Dabei ist eine moderne demokratische Partei gewissermaßen eine Analogie zur digitalen Daten-Übertragung, sie besteht nur aus Nullen und Einsen. Gerade im digitalen Massenmobilfunk lassen sich viele Machtwörter als binäre Nullen und Einsen via digitaler Datenübermittlung wesentlich besser bündeln und komprimieren.

Das Mikrofon des Handys wandelt Machtwörter in analoge elektrische Signale um

Beim Telefonieren wird der Schalldruck eines Machtworts zuerst vom Mikrofon des Handys zu einer analogen elektrischen Spannungsänderung namens Mikrofonsignal umgewandelt, die Schallwechseldruckschwingungen der Machtwörter erscheinen als Amplitude des Mikrofonsignals (siehe Graphik). Der Analog-Digital-Wandler (ADC: Analog-to-Digital-Converter oder Analog-Digital-Umsetzer: ADU) wandelt nun die analogen elektrischen Signale in einen digitalen Datenstrom aus Nullen und Einsen um, dabei muss seine Abtastfrequenz mindestens das Doppelte der maximalen Eingangsfrequenz betragen (Nyquist-Frequenz).

Sampling – der Analog-Digital-Wandler des Handys tastet Machtwörter ab und quantisiert sie mit 8 Bit

Der ADC misst bei der Abtastung zu definierten Zeiten einfach die Amplitude des Signals und quantisiert diese – er wandelt die Amplitude des analogen Signals in diskrete Folgen von Werten um, welche einer Binärzahl zugeordnet werden. Beim Telefonieren wird als Grenzfrequenz oder Eingangsfrequenz etwa 3400 Hertz (Hz) verwendet, die Abtastfrequenz liegt oft bei 8000 Hz (8 KHz). Die Quantisierung erfolgt dann mit 256 Intervallen, dies entspricht 8-Bit pro Signalwert oder einem Datenstrom von 64 Kilo-Bit pro Sekunde (KBit/s).

Das Handy moduliert Machtwörter vor dem Senden

Hat das Handy in einer Funkzelle eine Verbindung mit der Basisstation des Mobilfunknetzes aufgebaut, dann wird der binäre Machtwörterstrom vor dem Senden noch weiterverarbeitet. Im GSM-Netz nennt man die Basisstationen oder „Funkmasten“ auch Base Transceiver Station (BTS), im UMTS-Netz bezeichnet man sie als Node B (siehe Grafiken; GSM (2G): Global System for Mobile Communications; UMTS (3G): Universal Mobile Telecommunications System). Abhängig vom verwendeten Netz wird der Machtwörterstrom noch codiert und als Datensignal auf die hochfrequente Trägerfrequenz der Mobilfunk-Strahlung moduliert, verstärkt und gefiltert sowie an die Basisstation versendet. Kommen Machtwörter oder andere Wortkombinationen bei der verständnisvollen Person am Bestimmungsort an, läuft der Prozess umgekehrt, wobei der Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) den digitalen Datenstrom für den Lautsprecher des Empfangs-Handys zu analogen elektrischen Signalen umwandelt.