Hvorfor blandes signaler fra radio, telefon, internet og GPS ikke sammen i luften?

Et spørgsmål har fundet vej til computerskærmene på Videnskab.dk. Det er der i sig selv ikke noget usædvanligt i – det sker jo mange gange hver eneste dag. Denne gang får spørgsmålet dog redaktionen til at studse. Hvorfor kan vi overhovedet sidde på det trådløse netværk og kommunikere med læserne og hinanden?

»Når nu luften er fyldt med signaler fra radio, tv, mobil, GPS etc., hvorfor bliver de så ikke blandet sammen? De kan vel ikke alle sammen have hver deres bølgelængde, så hvordan bliver f.eks to telefonsamtaler holdt adskilt fra hinanden?« Sådan lyder Susanne Jørgensens spørgsmål, der har fået os til at spekulere. Når så meget elektronik udstyr kommunikerer, må vi da bevæge os rundt i et uoverskueligt virvar af signaler i luften. Hvordan er der plads til al den information? Og hvorfor forstyrrer signalerne ikke hinanden?

Spørg Videnskaben går på jagt efter et svar.

Det handler om frekvenser

Vi spæder til strålingshavet ved at gribe mobilen og ringe til Preben Mogensen, der er professor ved Institut for Elektroniske Systemer ved Aalborg Universitet. Han fastslår, at svaret på spørgsmålet langt hen ad vejen netop ligger i, at information sendes med forskellige bølgelængder. I stedet for at tale om bølgers længde beskriver man dog som regel bølger ved deres frekvens. Frekvensen er udtryk for, hvor mange bølger der afsendes pr. sekund.

»Båndet af frekvenser, man kan sende inden for, er opbygget på samme måde som lysets spektrum,« forklarer han. »Hver frekvens kan siges at have sin egen farve, og nuancerne er meget specifikke. Ligesom lys er signaler fra mobil, tv etc. også elektromagnetiske bølger, men disse bølger er ikke synlige for os, da bølgelængderne er meget længere end for synligt lys.«

Signalerne skal adskilles

Så langt, så godt. Hver signaltype – fra radio, telefoni osv. – har altså sit eget afsnit inden for det elektromagnetiske spektrum. På den måde er de adskilt til en vis grad. Men det forklarer ikke, hvordan vi på redaktionen kan sidde og tale i hver vores mobiltelefon, uden at vores samtaler blandes sammen. I et område, hvor de fleste har en mobiltelefon, kan der ikke være en unik frekvens til alle – til trods for at nuancerne i det elektromagnetiske spektrum er meget specifikke.

Michael Stübert Berger, der er professor i fotonik ved DTU, bekræfter, at der er andre metoder til at holde bølgerne adskilt: »Signaler kan separeres på flere måder. Det kan som sagt ske ved, at de sendes ved forskellige frekvenser, men signaler kan også adskilles i tid eller ved kodning. Ved tidsdeling deler forskellige telefoner en frekvens, men der er en forsinkelse i tid.«

Mobilen får lov at bruge netværket i få millisekunder ad gangen

I praksis foregår tidsdeling ved, at et sekund opdeles i en række smådele – såkaldte 'timeslots'. Hver timeslot består af nogle få tusindedele af et sekund. Disse små tidsintervaller kan uafhængigt af hinanden tildeles forskellige telefoner på linjen. Hver telefon får på den måde kun et udpluk af realtiden til at sende sit signal. Det er dog nok til, at en besked kan gå igennem – selv om de fleste nok kender til, at der kan opstå mindre forsinkelser eller udfald i mobilnettet.

Men der er en grænse for, hvor mange timeslots en given frekvens kan opdeles i. Når mange mennesker er stimlet sammen på meget lidt plads, og deres mobiltelefoner alle forsøger at få signal, opbruges indimellem alle de timeslots, der er til rådighed. Det kender man eksempelvis fra en vis midtsjællandsk musikfestival, hvor 50.000 mennesker kan have overordentlig svært ved at trænge igennem til hinandens telefoner under en koncert på Orange Scene.

Ikke et problem i byerne

Men det er ikke altid et problem, at mange mennesker befinder sig på det samme område. Det kræver blot, at netværket er gearet til at understøtte de mange signaler, forklarer Michael Stübert Berger: »Der er reserveret et frekvensbånd til en bestemt sendemast. Nabomaster sender derfor inden for forskellige frekvensområder. På den måde forstyrrer de ikke hinanden. Når en mobiltelefon bevæger sig fra signalet fra én mast til en anden, ændrer den altså modtageområde.«

Det betyder, at man f.eks. i tætbefolkede byer kan have mange sendemaster, der alle sender med forskellige frekvenser og over kortere rækkevidder. På den måde undgår man, at signalerne overlapper. Desuden kan man forskellige steder i landet have master, der sender ved samme frekvens. Så længe de er uden for hinandens rækkevidde, forstyrrer de ikke hinanden.

Det er dog dyrt at opstille sendemaster. Derfor er det kun i områder, hvor der altid færdes mange mennesker, at det kan betale sig at sikre et meget stærkt mobilnetværk med mange sendemaster.

Kodning forhindrer dig i at opsnappe naboens samtale

Selv om to signalers frekvenser ikke overlapper, kan de ligge så tæt op ad hinanden, at de ikke kan adskilles af modtagerapparatet. Det kender man eksempelvis fra radioen. Her er kanalerne udelukkende adskilt fra hinanden i kraft af de frekvenser, de sendes ved. Derfor kan man ved overlappende frekvenser høre musik fra flere radiokanaler på en gang.

Det ville hurtigt blive et problem, hvis det samme gjorde sig gældende ved mobiltelefoni. Derfor blev signalerne på det oprindelige mobilsystem adskilt med såkaldte filtre. Det var kontrolfrekvenser, der sikrede, at et signal nu også var henvendt til det apparat, der opfangede det.

Sådan foregår det dog ikke længere, forklarer Preben Mogensen: »I dag er mobilsystemet digitalt, og information sendes udelukkende som nuller og ettaller. Modtager telefonen det forkerte digitale signal, kan det ikke omdannes til et talesignal. Der bruges koder, der sikrer, at kun det rette signal kan nå frem til modtageren.«

Frekvenser er licenspligtige

Frekvensspektret er altså præget af stor organisering. Ellers ville du - med Michael Stübert Bergers ord - ikke vide, hvor på frekvensspektret du skulle finde "Giro 413". Din telefon, dit tv og din GPS ville heller ikke vide, hvor de skulle lede efter signaler henvendt til dem. Derfor må man kun sende ved en given frekvens, hvis man har den rette tilladelse. Michael Stübert Berger understreger da også, at frekvenser er en begrænset ressource, som det koster licenspenge at besidde.

Det gav eksempelvis luft i frekvensspektret, at tv-signalet i 2009 overgik fra at være analogt til at være digitalt. Før i tiden optog en analog tv-kanal et helt frekvensbånd, men digitaliseringen betyder, at flere tv-kanaler nu kan deles om et frekvensbånd. De frekvenser, der i den forbindelse blev frigjort, bruges nu i vid udstrækning til mobilt bredbånd.

2,4 gigahertz: Din kanal

Heldigvis behøver du ikke at sidde på spring og vente på, at der opstår en ledig plads i frekvensbåndet, hvis du gerne vil lege med din fjernstyrede helikopter ude i haven – eller for den sags skyld bare gerne vil have trådløst internet derhjemme.

»Frekvensbåndet 2,4 gigahertz er eksempelvis ureguleret,« forklarer Michael Stübert Berger. »Her må alle sende, og det er her, trådløst internet og trådløs elektronik opererer. De må så kun have en meget begrænset rækkevidde, men der kan stadig opstå forstyrrende overlap, når der er meget trådløst udstyr samlet på samme sted. Derfor kan naboers wi-fi godt forstyrre hinanden. Andre frekvenser er licenspligtige, og man kan få en bøde for at bruge dem uden at have lov.«

Vi sender Susanne en T-shirt med endnu ikke licenspligtige Post Danmark som tak for det gode spørgsmål. Også tak til Preben Mogensen og Michael Stübert Berger for de grundige svar.

Hvis du også har et spørgsmål til Videnskaben, så send det til os på redaktion@videnskab.dk.

Du kan også læse andre spørgsmål og svar i Spørg Videnskaben eller købe én af vores to bøger – Hvorfor lugter mine egne prutter bedst? og Hvad gør mest ondt – en fødsel eller et spark i skridtet? med en række af de bedste spørgsmål og svar fra Spørg Videnskaben.