Funktechnik zur Übertragung von Nachrichten auf vielen Frequenzen

Funktechnik zur Übertragung von Nachrichten auf vielen Frequenzen
Technische Nachrichtenübertragung kann leitungsgebunden oder über Funk erfolgen,
unsichtbare Funkwellen verbinden Sender und Empfänger
Von Prof. Dr. Mintken
Informationen werden in großem Umfang weltweit zwischen verschiedenen Sendern und
Empfängern unter Nutzung spezifischer Elektrogeräte und elektrotechnischer Anlagen hinund hergeschickt. Zur Übertragung der Nachrichten dienen Kabelleitungen, Freileitungen und
Funkverbindungen. In den Kabelleitungen werden Glasfasern oder Kupferleiter genutzt, für
die Freileitungen Bronzedrähte oder auch oberirdisch an Masten befestigte Kabel mit
Kupferdrähten oder Glasfasern. Funkverbindungen sind unsichtbar, zwischen den Sende- und
Empfangsanlagen erfolgt die Nachrichtenübertragung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen.
Elektromagnetische Wellen benötigen zur Ausbreitung kein Medium, sie bewegen sich im
leeren Raum mit Lichtgeschwindigkeit. Auch in der Luft entspricht die
Ausbreitungsgeschwindigkeit
der
elektromagnetischen
Wellen
praktisch
der
Lichtgeschwindigkeit, also annähernd 300000 Kilometer pro Sekunde.
Funkwellen sind regelmäßige Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder
Elektromagnetische Wellen bestehen aus einem elektrischen Feld und einem dazu
rechtwinklig wirkenden magnetischen Feld. Die Felder können mit den menschlichen
Sinnesorganen nicht wahrgenommen werden. Absichtlich erzeugt werden elektromagnetische
Wellen in Sendeanlagen und über zugehörige Sendeantennen abgestrahlt. Es werden dabei
Gesetzmäßigkeiten genutzt, nach denen elektrische Ströme ein Magnetfeld um ihren Leiter
aufbauen und zwischen unterschiedlichen elektrischen Ladungen ein elektrisches Feld
entsteht. Wechseln die Stärke und die Richtung des Stromes, ändert sich das Magnetfeld in
gleicher Weise. Das sich ändernde Magnetfeld ruft in einem Leiter eine wechselnde Spannung
hervor, die zu einem sich entsprechend ändernden elektrischen Feld führt. Bei diesen
Änderungen entsteht ein wellenförmiges Schwingen der zugeführten Energie, diese Energie
kann über eine Antenne abgestrahlt werden.
Zur Erzeugung von Funkwellen ist also ein Schwingungserzeuger notwendig. Die zunächst
noch leitungsgebundene Welle in der Sendeanlage wird ab einer bestimmten
Schwingungsfrequenz durch die Sendeantenne in eine Freiraumwelle umgewandelt. Dadurch
nimmt die elektromagnetische Welle die Form einer zeitlichen und räumlichen Änderung des
elektrischen und des magnetischen Feldes im Raum an. Die Änderungen des elektrischen und
des magnetischen Feldes im Freiraum erfolgen periodisch und zeitlich synchron. Für die
gesamte Wirkung der elektromagnetischen Welle kommt es vorwiegend auf die Stärke des
elektrischen Feldes an, jedoch ist das Magnetfeld unverzichtbar. Mit einer Empfangsantenne
wird die Freiraumwelle wieder in eine leitungsgebundene Welle umgewandelt, die im
Empfänger weiter verarbeitet werden kann.
Hertz als Pionier der Funktechnik
Bereits 1873 formulierte der englische Wissenschaftler Maxwell in mathematischer Form in
den nach ihm benannten Maxwellschen Gleichungen den physikalischen Zusammenhang
zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Der deutsche Wissenschaftler Hertz hat die
praktische Anwendung dieses Zusammenhangs erstmals 1887 in seinem „Funkenexperiment“
nachgewiesen. Als Sender diente dabei eine Induktionsspule, die elektrisch leitend mit 2 sich
in kleinem Abstand gegenüber stehenden längs gestreckten leitfähigen Drähten verbunden
war. Die beiden zusammen 3 Meter langen Drähte waren an ihren äußeren Enden jeweils mit
einer Metall-Kugel abgeschlossen. Wurde in der Induktionsspule eine elektrische Spannung
aufgebaut, führte dies zu Entladungen an den inneren Drahtenden, so dass der kleine
Zwischenraum zwischen den beiden Drähten durch sichtbare Funken überbrückt wurde.
Einige Meter von diesem Sender entfernt wurde ein Drahtring mit einem ebenfalls kleinen
offenen Spalt als Empfänger aufgebaut. Wenn der Sender „funkte“, traten im Empfänger zur
Überbrückung des dortigen kleinen Drahtspaltes gleichzeitig ebenfalls Funken auf. Hertz
bezeichnete seine Sendeanlage als „Oszillator“, seinen Empfänger als „Resonator“. Diese
Grundform der Sendeantenne wurde später als „Hertzscher Dipol“ bezeichnet, wegen der
beobachtbaren Funken wurde das Übertragungsverfahren als „Funk“ bezeichnet. Die
Bezeichnung wurde beibehalten, obwohl in modernen Sendern keine Funken mehr erzeugt
werden wie in dem historischen Experiment von Hertz. Zu Ehren von Hertz wurde 1935 auf
Vorschlag Deutschlands international die Einheit „Hertz“ mit der Abkürzung „Hz“ für die
Frequenz eines periodischen Vorgangs eingeführt: 1 Hz bedeutet 1 Schwingung pro Sekunde.
Während bei den Experimenten von Hertz der Nachweis der elektromagnetischen Wellen im
Vordergrund stand, prüften andere Forscher in jener Zeit die Anwendbarkeit der neuen
Erkenntnisse. Insbesondere der Italiener Marconi kombinierte die vorliegenden Erkenntnisse
verschiedener Forscher und entwickelte mit seiner 1897 gegründeten Marconi Wireless
Telegraph Company erste kommerzielle Anwendungen für die Funkübertragung
telegrafischer Signale über größere Entfernungen und im Verkehr mit Schiffen.
Nachrichten werden mit Trägerfrequenzen transportiert
Für die Nachrichtenübertragung über eine Funkverbindung wird die Nachricht in geeigneter
Weise mit einer sie als Trägerfrequenz tragenden Funkfrequenz verknüpft. Unterschiedliche
Trägerfrequenzen werden durch unterschiedlich dimensionierte Schwingkreise erzeugt.
Dadurch können verschiedene Funknachrichten an die jeweils vorgesehenen Empfänger
übermittelt werden. Diese auf der Sendeseite erforderliche Verknüpfung wird als Modulation
bezeichnet, die empfängerseitige Trennung zwischen Nachricht und Trägerfrequenz wird
Demodulation genannt.
Für die Aussendung elektromagnetischer Wellen werden Frequenzen zwischen 3 kHz und
3000 GHz als Trägerfrequenz genutzt, ab einer Frequenz von 16 kHz erfolgt eine Abstrahlung
als elektromagnetische Welle in den freien Raum. Da die Ausbreitung der Funkwellen im
leeren Raum und in der Luft mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt, ergeben sich für das
Frequenzspektrum Wellenlängen zwischen 100 km und 0,1 mm.
Verwaltung der Frequenzbereiche
Das gesamte nutzbare Spektrum ist nach internationaler Übereinkunft in 9 Frequenzbereiche
aufgeteilt.
Die Zuweisung eines bestimmten Frequenzbandes für die Nutzung durch einen oder mehrere
Funkdienste oder durch andere Anwendungen elektromagnetischer Wellen erfolgt in
Deutschland nach dem Telekommunikationsgesetz durch eine Rechtsverordnung des Bundes;
Frequenzzuteilungen an die Nutzer erfolgen durch die Bundesnetzagentur für Elektrizität,
Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen.
Literatur- und Quellenhinweise
Bekanntmachung der Neufassung der Konstitution und der Konvention der Internationalen
Fernmeldeunion (ITU) v. 2001-10-08 (BGBl. II S. 1121)
DIN 1301-1: 2010-10: Einheiten: Einheitennamen, Einheitenzeichen
Frequenzbereichszuweisungsplanverordnung v. 2004-09-28 (BGBl. I S. 2499), zuletzt
geändert 2010-04-22 (BGBl. I S. 446)
Gesetz über die Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und
Eisenbahnen v. 2005-07-07 (BGBl. I S. 1970), zuletzt geändert 2011-07-26 (BGBl. I S. 1554)
Telekommunikationsgesetz v. 2004-06-22 (BGBl. I S. 1190), zuletzt geändert 2012-05-03
(BGBl. I S. 958)
Autor:
Prof. Dr. Karl-Heinz Mintken VDI
Dipl.-Ing. Dipl.-Päd.
Freier Wissenschaftler
Cloppenburger Str. 458
26133 Oldenburg