Drahtlose Kommunikation (Leseprobe) by Elektor

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Drahtlose Kommunikation Technische und Physikalische Grundlagen Drahtlose Kommunikation – sei es zur Ton-, Daten- oder Bildübertragung – prägt unser heutiges Leben. Während noch Mitte des letzten Jahrhunderts der Rundfunk (und etwas später das Fernsehen) die dominierenden Anwendungen der drahtlosen Kommunikation waren, gibt es heute kaum mehr ein technisches Gerät, das nicht das Mittel der drahtlosen Kommunikation nutzt. Allen voran das beliebte Smartphone. Daneben gibt es sehr viele Anwendungen, die wir nicht sofort und automatisch mit den Begriffen Radio oder Funk verbinden, die aber auf der Nutzung elektromagnetischer Strahlung basieren. So zum Beispiel der Wagenschlüssel, die über Bluetooth verbundenen Kopfhörer, der automatische Rasenmäher, die gehassten Radargeschwindigkeitsmesser, der Laptop, der über Wi-Fi mit dem Internet verbunden ist, die kleinen Navigationsempfänger, usw. Diesen Anwendungen gemeinsam ist die Nutzung physikalischer Gegebenheiten durch die Technik. Ob Radar, Satellitenfernsehen, oder einfach nur das alte Mittelwellenradio, alle bauen auf denselben Grundlagen auf. Das Ziel dieses Buch ist es, diese Grundlagen zu erläutern und damit das Verständnis für die darauf aufbauenden Anwendungen zu fördern. Es soll Studenten den Einstieg ins Fachgebiet erleichtern und Voraussetzungen für den Zugang zu den Standardwerken der Fachliteratur schaffen. Es richtet sich aber auch an Personen, die an der Physik und der Technik interessiert sind und einen tieferen Einblick in die Grundlagen der drahtlosen Kommunikation und deren Anwendung erhalten wollen.

Hans Kummer lebt in der Nähe von Solothurn (Schweiz). Nach seinem Studium als Elektroingenieur arbeitete er zunächst in einem Entwicklungslaboratorium für Sprechfunkgeräte bei einem renommierten Hersteller von professionellen Kommunikationseinrichtungen. Dort lernte er alle theoretischen und praktischen Aspekte der drahtlosen Kommunikation kennen. In „seinem Labor" entstanden unter anderem die ersten schnurlosen Telefone, die damals von der Schweizerischen und der Deutschen Bundespost an ihre Kunden weitergegeben wurden. Später wechselte er zur schweizerischen Flugsicherung, wo er verantwortlich für die Entwicklungsplanung der gesamten Flugsicherungstechnik war. Hans ist unterdessen pensioniert und freut sich darüber, sein profundes Wissen und seine Erfahrungen weitergeben zu können.

Elektor Verlag GmbH www.elektor.de

Drahtlose Kommunikation • Hans Kummer

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Drahtlose Kommunikation

Technische und Physikalische Grundlagen

Hans Kummer

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04-06-2021 09:15

Grundlagen der drahtlosen Kommunikation

Hans Kummer

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1. Auflage 2021

Die in diesem Buch veröffentlichten Beiträge, insbesondere alle Aufsätze und Artikel sowie alle Entwürfe, Pläne, Zeichnungen und Illustrationen sind urheberrechtlich geschützt. Ihre auch auszugsweise Vervielfältigung und Verbreitung ist grundsätzlich nur mit vorheriger schriftlicher Zustimmung des Herausgebers gestattet. Die Informationen im vorliegenden Buch werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Die in diesem Buch erwähnten Soft- und Hardwarebezeichnungen können auch dann eingetragene Warenzeichen sein, wenn darauf nicht besonders hingewiesen wird. Sie gehören dem jeweiligen Warenzeicheninhaber und unterliegen gesetzlichen Bestimmungen. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autor können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für die Mitteilung eventueller Fehler sind Verlag und Autor dankbar.

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Erklärung

Der Autor und der Herausgeber dieses Buches haben alle Anstrengungen unternommen, um die Richtigkeit der in diesem Buch enthaltenen Informationen sicherzustellen. Sie übernehmen keine Haftung für Verluste oder Schäden, die durch Fehler oder Auslassungen in diesem Buch verursacht werden, unabhängig davon, ob diese Fehler oder Auslassungen auf Fahrlässigkeit, Unfall oder andere Ursachen zurückzuführen sind. Umschlaggestaltung: Elektor, Aachen Satz und Aufmachung: Hans Kummer Druck: Ipskamp Printing, Enschede, Niederlande

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ISBN

978-3-89576-449-3

Ebook 978-3-89576-450-9

Elektor-Verlag GmbH, Aachen www.elektor.de

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Grundlagen der drahtlosen Kommunikation Physikalischen und technischen Grundlagen der drahtlosen Übertragung von Nachrichten.

von Hans Kummer

Bild auf der Umschlagseite: Funkanlage der schweizerischen Flugsicherung, skyguide, und Wetterradaranlage von MeteoSchweiz auf dem Monte Lema bei Lugano (Schweiz)

Vorwort Drahtlose Kommunikation – sei es zur Ton-, Daten- oder Bildübertragung – prägt unser heutiges Leben auf mannigfaltigste Art und Weise. Während noch Mitte des letzten Jahrhunderts der Rundfunk – und etwas später das Fernsehen – die dominierenden Anwendungen der drahtlosen Kommunikation waren, gibt es heute kaum mehr ein technisches Gerät, das nicht in irgendeiner Weise das Mittel der drahtlosen Kommunikation nützt. Allen voran das beliebte «Smartphone», das aus dem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken ist. Daneben gibt es sehr viele Anwendungen, die wir nicht sofort und automatisch mit den Begriffen «Radio» oder «Funk» verbinden, die aber trotzdem auf der Nutzung elektromagnetischer Strahlung basieren. So zum Beispiel der Wagenschlüssel, der auf Knopfdruck die Wagentüre öffnet, die über Bluetooth mit dem Handy verbundenen Kopfhörer, der automatische Rasenmäher, der nur innerhalb eines, durch eine Drahtschlaufe begrenzten Gebietes arbeitet, die gehassten Radargeschwindigkeitsmesser der Polizei, der Laptop, der über Wi-Fi mit dem Internet verbunden ist, die kleinen Navigationsempfänger, die uns zuverlässig die geografische Position anzeigen, usw. Diesen Anwendungen gemeinsam ist die Nutzung physikalischer Gegebenheiten durch die Technik. Ob Radar, Satellitenfernsehen, oder einfach nur das alte Mittelwellenradio, alle bauen auf denselben Grundlagen auf. Das Ziel dieses Buch ist es, diese Grundlagen zu erläutern und damit das Verständnis für die darauf aufbauenden Anwendungen zu fördern. Es soll Studenten den Einstieg ins Fachgebiet erleichtern und Voraussetzungen für den Zugang zu den StandardWerken der Fachliteratur schaffen. Es richtet sich aber auch an Personen, die an der Physik und der Technik interessiert sind und einen tieferen Einblick in die Grundlagen der drahtlosen Kommunikation und deren Anwendung erhalten wollen. Der erste Teil des Buches enthält eine Zusammenfassung der Geschichte der Technik, welche Kommunikation über grössere Distanzen ermöglicht. Gerade in den Anfängen einer Entwicklung sind die grundlegenden Funktionen Hauptbestandteil der Systeme und können so wirkungsvoll dargestellt und erläutert werden. Das Äussere moderner Geräte verrät nichts mehr über ihre technische Funktionsweise. Bei einem heutigen Mobiltelefon ist auch keine Antenne – das zentrale Bauelement eines jeden

Funkgerätes – sichtbar. Bei alten Geräten ist die technische Funktion aufgrund der Bauweise und der verwendeten Teile häufig direkt sicht- oder zumindest erkennbar. Die Auseinandersetzung mit solchen Geräten leistet darum einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der heutigen Technik. Wie sollen nun die Grundlagen der drahtlosen Kommunikation vermittelt werden? Die Herleitung und Darstellung blosser Theorie über Modulation, Verhältnis Signal zu Rauschen, Antennen, Freiraumdämpfung, um nur einige Begriffe zu nennen, ist zwar möglich, würde dem Ziel dieses Buches aber nicht gerecht. Umgekehrt ist die beschreibende Darstellung der Technik allein nicht ausreichend, um das Wesen der drahtlosen Kommunikation zu verstehen. Nach dem einleitenden Kapitel zur Geschichte der Kommunikationstechnik wird daher auf die Theorie und die technische Realisierung eingegangen. Dies mag für wissenschaftliche Puristen der falsche Weg sein. Der Autor geht aber davon aus, dass es dem Zweck dieses Buches am besten dient, wenn Theorie und Praxis gegenseitig ergänzend dargestellt und erläutert werden. Drahtlose Kommunikation ist sehr eng mit der Hochfrequenztechnik verbunden. Diese bildet die Grundlage für den Bau von Sendern, Empfängern, Leitungen und Antennen. Es würde aber den Rahmen dieses Buches sprengen, auf dieses sehr breite Fachgebiet allzu detailliert einzugehen. Der Autor konzentriert sich deshalb auf Systembetrachtungen und die Charakterisierung der in Kommunikationseinrichtungen verwendeten Hochfrequenz-Bauelemente.

Es ist mir ein Anliegen, allen zu danken, die zu diesem Buch beigetragen haben. Meinen Eltern, die mir ein Studium ermöglichten, meinem Onkel, der mich in meiner Jugend stets mit interessantem Bastelmaterial versorgte, meiner Gattin, die als Beraterin und Lektorin mitarbeitete und meine vielen Stunden am Computer still akzeptierte, Fritz Dellsperger und Beat Müller für die kritische Durchsicht des Manuskripts und schliesslich meinen vielen Arbeitskollegen, mit denen ich zusammenarbeiten durfte und die mir viele wertvolle Impulse mit auf den Weg gaben. Hans Kummer

Inhalt 1.

Geschichte der Kommunikation................................................17

1.1

Kommunikation im 18. und 19. Jahrhundert.................................................... 17

1.2

Die Anfänge der drahtgebundenen Kommunikation.........................................20

1.2.1

Übertragung von Zeichen..............................................................................................20

1.2.2

Das Telefon....................................................................................................................24

1.3

Drahtlose Kommunikation................................................................................26

1.3.1

Entwicklung der theoretischen Grundlagen...................................................................26

1.3.2

Erste Nutzung der elektromagnetischen Wellen.............................................................28

1.4

Technik der ersten Sender und Empfänger........................................................30

1.4.1 Funkensender.................................................................................................................30 1.4.2

Der Durchbruch: die «Radioröhre»................................................................................ 33

1.4.3

Anwendungen der «Radio-Röhren»............................................................................... 35

1.5

Die Hochzeit des Rundfunks.............................................................................37

1.6

Die Zeit des Zweiten Weltkriegs........................................................................38

1.7 Fernsehen..........................................................................................................39 1.8

Die Entwicklung der Halbleiter.........................................................................40

1.9

Industrialisierung der Halbleiterproduktion.......................................................43

1.10

Signalverarbeitung im Zeitalter der Digitalisierung...........................................49

Technische Kommunikation......................................................53

2.1

Kommunikation, Information, Nachricht, Signal..............................................53

2.2

Das ISO – OSI Kommunikationsmodell...........................................................58

2.3

Prinzip der drahtlosen Übertragung..................................................................59

2.4

Frequenzbereich und dessen Nutzung................................................................ 61

2.4.1

Frequenz und Wellenlänge............................................................................................. 61

2.4.2

Das Spektrum elektromagnetischer Wellen....................................................................62

2.4.3

Frequenzbereiche für die drahtlose Kommunikation.....................................................63

2.4.4

Wahl der «richtigen» Trägerfrequenz..............................................................................68

2.4.4.1

Benötigte Bandbreite......................................................................................................68

2.4.4.2

Benötigte Reichweite......................................................................................................68

Signale und Übertragung.......................................................... 69

3.1

Klassierung von Signalen...................................................................................69

3.1.1

Zeit- und amplituden-kontinuierliche Signale................................................................ 70

3.1.2

Periodische Signale......................................................................................................... 75

3.1.3

Nichtperiodische Signale................................................................................................ 78

3.1.3.1 Rauschen........................................................................................................................79 3.1.3.2 Bandpass-Rauschen........................................................................................................82 3.1.3.3

Allgemeine analoge Signale............................................................................................84

3.1.4

Zeit- und amplituden-diskrete Signale...........................................................................86

3.2 Signalübertragung.............................................................................................86 3.2.1

Lineare Verzerrungen auf dem Übertragungsweg..........................................................88

3.2.2

Bandbreite eines Vierpols/Zweitors................................................................................92

3.2.3

Nicht lineare Verzerrungen............................................................................................ 93

3.2.4

Das drahtlose Kommunikationssystem..........................................................................94

3.2.5

Pegeldiagramm eines drahtlosen Übertragungssystems.................................................97

Modulation mit analogen Signalen..........................................101

4.1

Übersicht über die Modulationsverfahren........................................................ 101

4.2 Amplitudenmodulation................................................................................... 103 4.2.1

Grundlagen, Definitionen und Begriffe....................................................................... 103

4.2.2

Zweiseitenband Amplitudenmodulation...................................................................... 104

4.2.2.1

Addition von Träger- und Modulationssignal.............................................................. 104

4.2.2.2

Multiplikation von Träger- und Modulationssignal..................................................... 105

4.2.2.3

Zweiseitenband Amplitudenmodulation mit Träger..................................................... 108

4.2.2.4

Erzeugung eines Zweiseitenband AM Signals.............................................................. 113

4.2.2.5

Demodulation eines DSB AM-Signals mit Träger.......................................................122

4.2.3

Einseitenband Amplitudenmodulation (ESB)..............................................................126

4.2.3.1

Erzeugung eines ESB Signals mit der Filtermethode....................................................128

4.2.3.2

Erzeugung eines ESB-Signals mit der Phasenmethode................................................ 131

4.2.3.3

Erzeugung eines ESB-Signals nach der «dritten Methode»..........................................134

4.2.3.4

Demodulation von Einseitenbandsignalen................................................................... 137

4.2.3.5

Anwendungen der Einseitenbandtechnik..................................................................... 139

4.2.4

Restseitenbandmodulation (Vestigial Sideband).......................................................... 140

4.2.5 Quadraturamplitudenmodulation................................................................................ 141

4.3 Winkelmodulation........................................................................................... 145 4.3.1 Frequenzmodulation.................................................................................................... 148 4.3.2 Phasenmodulation....................................................................................................... 149 4.3.3

Vergleich zwischen Frequenz- und Phasenmodulation................................................. 150

4.3.4

Spektrum eines winkelmodulierten Signals................................................................. 151

4.3.5

Bandbreite eines winkelmodulierten Signals................................................................ 155

4.3.6

Unterdrückung von Störsignalen................................................................................. 157

4.3.7

Erzeugung eines winkelmodulierten Signals................................................................ 167

4.3.7.1

(Frequenz-) Modulation eines Oszillators..................................................................... 167

4.3.7.2 Phasenmodulator......................................................................................................... 173 4.3.7.3

Digitale Frequenzsynthese............................................................................................ 174

4.3.7.4

Phasenmodulator bei Navigationssendern für die Luftfahrt......................................... 176

4.3.8

Demodulation winkelmodulierter Signale................................................................... 179

4.3.8.1

Einfacher Flankendiskriminator.................................................................................. 180

4.3.8.2

Symmetrischer Flankendemodulator............................................................................ 181

4.3.8.3 Phasendiskriminator.................................................................................................... 183 4.3.8.4 Koinzidenz-Demodulator............................................................................................. 185 4.3.8.5 PLL-Demodulator........................................................................................................ 188

Modulation mit digitalen Signalen..........................................189

5.1 Informationstheorie......................................................................................... 189 5.1.1 Informationsgehalt....................................................................................................... 191 5.1.2 Entropie....................................................................................................................... 192 5.1.3 Redundanz................................................................................................................... 194 5.1.4 Entropie-Rate............................................................................................................... 195 5.1.5

Bedingte Entropie........................................................................................................ 195

5.1.6 Kanalkapazität............................................................................................................. 196 5.1.6.1

Bandbreite und Übertragungsgeschwindigkeit............................................................. 197

5.1.6.2 Signal/Rauschabstand.................................................................................................. 198 5.1.6.3

Übertragungskanal mit Rauschen................................................................................200

5.2 Codierung.......................................................................................................202 5.2.1

Arten der Codierung....................................................................................................203

5.2.2 Quellencodierung........................................................................................................204 5.2.2.1

Digitalisierung analoger Signale...................................................................................204

5.2.2.2

Codes im Computerbereich.........................................................................................206

5.2.2.3

Die Huffmann-Codierung...........................................................................................208

5.2.3 Kanalcodierung........................................................................................................... 212 5.2.3.1 Paritätsprüfung............................................................................................................ 213 5.2.3.2

Fehlererkennung und Fehlerkorrektur durch Hamming-Codierung........................... 214

5.2.3.3

Fehlererkennung und Fehlerkorrektur durch Reed-Solomon-Codierung..................... 216

5.2.4 Leitungscodierung....................................................................................................... 218 5.2.4.1 NRZ-Codierung.......................................................................................................... 219 5.2.4.2 NRZ-I.........................................................................................................................220 5.2.4.3 Manchester-Codierung................................................................................................ 221 5.2.4.4 Scrambling................................................................................................................... 221 5.2.4.5 4B5B-Codierung..........................................................................................................222 5.2.4.6

Weitere Leitungs-Codes...............................................................................................223

5.3 Modulation......................................................................................................223 5.3.1 Modulationsarten.........................................................................................................223 5.3.2

Amplitudenumtastung, ASK........................................................................................ 225

5.3.3

Phasenumtastung, PSK................................................................................................228

5.3.4

Frequenzumtastung, FSK.............................................................................................229

5.3.5

Leistungsdichtespektren bei zufälliger Bitfolge............................................................229

5.3.6

Übertragung bei begrenzter Bandbreite / Modulation................................................. 232

5.3.6.1

Grundsätzliche Überlegungen...................................................................................... 232

5.3.6.2

Vermeiden der Intersymbol-Interferenz und Begrenzung der Bandbreite.....................234

5.3.6.3

Aufteilung der Tiefpass-Filterfunktion zwischen Sender und Empfänger....................238

5.3.7 Übertragungsfehler...................................................................................................... 239 5.3.7.1 Ursachen...................................................................................................................... 239 5.3.7.2

Das «Augendiagramm»................................................................................................240

5.3.7.3

Berechnung der Übertragungsfehler............................................................................ 241

5.3.7.4

S/N und Eb/NO ........................................................................................................... 245

5.3.7.5

Kanalkapazität und S/N und Eb/NO ...........................................................................246

5.3.8

Kombinierte Modulationsarten....................................................................................248

5.3.8.1

Quadratur-Amplitudenmodulation, 2 bit oder 4QAM.................................................248

5.3.8.2

4 Bit oder 16 QAM...................................................................................................... 250

5.3.8.3

Bitmapping bei QAM.................................................................................................. 251

5.3.8.4

Anwendungen von QAM............................................................................................. 253

5.3.9

Minimum Shift Keying............................................................................................... 253

5.3.9.1

Prinzip von MSK......................................................................................................... 254

5.3.9.2

Realisierung des MSK-Modulators............................................................................... 256

5.3.9.3

Spektrum eines MSK-modulierten Signals................................................................... 259

5.3.9.4

Bitfehlerrate bei MSK..................................................................................................260

5.3.10

Gaussian Minimum Shift Keying................................................................................260

5.4 Demodulation.................................................................................................262 5.4.1

Nicht kohärente Demodulation...................................................................................262

5.4.2

Kohärente Demodulation............................................................................................263

5.4.2.1

Demodulation von ASK-modulierten Signalen............................................................263

5.4.2.2

Demodulation von BPSK-modulierten Signalen..........................................................263

5.4.2.3

Demodulation vom MSK-modulierten Signalen.......................................................... 267

Praktische Realisierung.......................................................... 269

6.1 Empfänger.......................................................................................................269 6.1.1

Aufgaben eines Empfängers.........................................................................................269

6.1.2

Konventionelle Realisierung der Empfängerfunktionen............................................... 270

6.1.2.1 Selektion...................................................................................................................... 270 6.1.2.2 Verstärkung..................................................................................................................282 6.1.2.3 Demodulation..............................................................................................................283

6.1.2.4

Wahl der Empfangsfrequenz........................................................................................283

6.1.3 Empfängerparameter.................................................................................................... 285 6.1.3.1

Empfindlichkeit, Rauschen.......................................................................................... 285

6.1.3.2 Grosssignalfestigkeit....................................................................................................294 6.1.3.3 Nebenempfangsstellen................................................................................................. 295 6.1.3.4 Intermodulation...........................................................................................................297 6.1.3.5 Kreuzmodulation......................................................................................................... 301 6.1.4 Blocking....................................................................................................................... 301 6.1.5 Störstrahlung...............................................................................................................302 6.1.6

Alternative Empfängerarchitektur................................................................................303

6.2 Sender..............................................................................................................308 6.2.1

Grundlegende Anforderungen.....................................................................................308

6.2.2

Erzeugen der Sendefrequenz........................................................................................308

6.2.3 Modulation..................................................................................................................309 6.2.4 Leistungserzeugung..................................................................................................... 310 6.2.4.1

AM-Zweiseitenband Rundfunksender......................................................................... 311

6.2.4.2

AM Einseitenbandsender............................................................................................. 312

6.2.4.3

Sender für winkelmodulierte Signale........................................................................... 313

6.2.5

Unerwünschte Ausstrahlungen.................................................................................... 313

6.2.6

Energieversorgung, Klimatisierung.............................................................................. 315

Wellenausbreitung und Antennen............................................317

7.1 Wellenausbreitung........................................................................................... 317 7.1.1

Die Leistungsdichte..................................................................................................... 317

7.1.2

Elektrische und magnetische Feldstärke....................................................................... 318

7.1.3

Wirksame Antennenfläche ..........................................................................................322

7.1.4 Freiraumdämpfung...................................................................................................... 324

7.2 Antennengrundlagen.......................................................................................326 7.2.1

Funktionsweise der Antenne........................................................................................326

7.2.2

Kenngrössen einer Antenne.......................................................................................... 329

7.2.3

Strahlungswiderstand und Wirkungsgrad.................................................................... 331

7.2.4 Polarisation.................................................................................................................. 333 7.2.5 Strahlungsdiagramm....................................................................................................334 7.2.6 Antennengewinn.......................................................................................................... 336 7.2.7 Antennenhöhe.............................................................................................................. 338 7.2.8 Antennenfaktor............................................................................................................340 7.2.9

Variationen des Halbwellendipols................................................................................ 341

7.2.9.1

Der Faltdipol................................................................................................................ 341

7.2.9.2

Monopolantenne / Groundplaneantenne.....................................................................342

7.2.10

Magnetische Antennen................................................................................................344

7.2.11

Dielektrische Antennen................................................................................................344

7.3

Praktische Antennenbauformen.......................................................................345

7.3.1

Antennen für tiefe Frequenzen.....................................................................................346

7.3.1.1

Sendeantennen für tiefe Frequenzen............................................................................346

7.3.1.2

Empfangsantennen für tiefe Frequenzen...................................................................... 350

7.3.2

Antennen für Kurzwellen (RF).................................................................................... 351

7.3.3

Antennen für Ultrakurzwellen (VHF – UHF)............................................................ 352

7.3.3.1

Ortsfeste Antennen für VHF und UHF – Dipole und Arrays..................................... 352

7.3.3.2

Ortsfeste Antennen – λ/4 Groundplane....................................................................... 355

7.3.3.3

Ortsfeste Antennen – Yagi-Uda-Antenne .................................................................... 356

7.3.3.4

Besondere ortsfeste Antennen...................................................................................... 357

7.3.4

Antennen für mobile Anwendungen im VHF/UHF-Bereich....................................... 359

7.3.5

Antennen für Mikrowellenanwendungen (ab 1 GHz)..................................................360

7.3.5.1

Parabolantennen zum Empfang von Fernsehsatelliten................................................. 361

7.3.5.2

Antennen für Richtfunkverbindungen.........................................................................362

7.3.5.3 Hornantennen..............................................................................................................363 7.3.5.4 Radarantennen.............................................................................................................363

7.4

Funkstrecke unter realen Bedingungen............................................................ 365

7.4.1

Lang- und Mittelwellenbereich.................................................................................... 365

7.4.2

Kurzwellen, Short-Wave, High-Frequency................................................................... 370

7.4.3

Ultrakurzwellen, Very High Frequency....................................................................... 371

7.4.3.1

Bedingungen für «Quasi-Freiraum-Bedingungen»...................................................... 371

7.4.3.2

Warum genügt Sichtverbindung nicht?........................................................................ 373

7.4.3.3 Absorptionsverluste...................................................................................................... 374 7.4.3.4 Beugungsverluste......................................................................................................... 375 7.4.3.5

Verluste durch Mehrwegeausbreitung..........................................................................377

7.4.3.6

Two Ray Ground Reflection Model............................................................................. 381

7.4.3.7

Brechung (Refraktion).................................................................................................384

7.4.3.8

Path Loss Exponent...................................................................................................... 385

7.4.4 Mikrowellen.................................................................................................................386 7.4.5 Infrarot........................................................................................................................387

7.5 Fremdstörungen...............................................................................................387 7.5.1

Atmosphärische Störungen, kosmisches Rauschen.......................................................387

7.5.2 Man-Made-Noise.........................................................................................................389

7.6

Modelle und Simulationen............................................................................... 391

7.6.1

Programme zur Antennenberechnung.......................................................................... 391

7.6.2

Programme zur Berechnung der Wellenausbreitung.................................................... 391

7.6.2.1

Einfache Berechnung der Freiraumdämpfung.............................................................. 391

7.6.2.2

Komplexere Programme zur Funkplanung................................................................... 391

7.6.2.3 Geländemodelle........................................................................................................... 392 7.6.2.4

Beispiel «CANDY Site Finder».................................................................................... 393

7.6.2.5 Innenraummodelle.......................................................................................................394

8. Anhang....................................................................................395 8.1

Begriffe und Definitionen................................................................................395

8.2

Verwendete Abkürzungen und Bezeichnungen................................................396

8.2.1 Modulationsarten.........................................................................................................396 8.2.2

Andere Abkürzungen................................................................................................... 398

8.2.3

Verwendete Symbole und Bezeichner........................................................................... 398

8.2.4

Bezeichnungen der Modulationsarten.......................................................................... 401

8.3

Konstanten, Grössen und Einheiten.................................................................405

8.3.1

Physikalische und mathematische Kontanten..............................................................405

8.3.2

Physikalische Grössen..................................................................................................406

8.3.3

Vorsatzzeichen für dezimale Teile und Vielfache..........................................................407

8.4

Umgang mit Dezibel (dB)................................................................................408

8.4.1

Das Dezibel als relatives Mass......................................................................................408

8.4.2

Das Dezibel als absolutes Mass.................................................................................... 410

8.5

Trigonometrische Funktionen.......................................................................... 412

8.5.1

Elementare trigonometrische Funktionen.................................................................... 412

8.6 Strahlungsbelastung......................................................................................... 417 8.6.1

Ionisierende und nicht ionisierende Strahlung............................................................. 418

8.6.2

Grenzwerte für nicht ionisierende Strahlung................................................................ 418

8.6.3

Länderspezifische Umsetzung......................................................................................420

8.6.3.1 Deutschland.................................................................................................................420 8.6.3.2 Schweiz........................................................................................................................ 421 8.6.3.3

Übrige EU-Länder.......................................................................................................422

8.6.3.4

Andere Standards.........................................................................................................422

8.6.4

Grenzwerte für Mobile Geräte.....................................................................................422

9. Bibliographie.......................................................................... 425 10. Index....................................................................................... 437

Geschichte der Kommunikation

Rasche, zuverlässige Kommunikation über grössere Distanzen hinweg ist seit jeher eines der Grundbedürfnisse der Menschen. Grössere soziale Gemeinschaften, auch Staatsgebilde können nur bestehen, wenn die Kommunikation über das ganze Einflussgebiet sichergestellt ist. So ist es verständlich, wenn sich die Menschheit seit jeher bemüht hat, rasch und zuverlässig über räumliche Grenzen hinweg kommunizieren zu können. Im Alpenraum warnte man sich im Mittelalter gegenseitig mit Höhenfeuern vor drohenden kriegerischen Gefahren. Berittene Boten konnten genauere Nachrichten überbringen und waren lange Zeit die einzige Möglichkeit der Kommunikation über grössere Distanzen hinweg. Diese Art der Kommunikation war aber langsam und unzuverlässig. Im Römischen Reich hat es sicher Wochen gedauert, bis eine Meldung von Rom nach England übermittelt war. Sie war anfällig auf äussere Einflüsse und litt ausserdem unter der Tatsache, dass die Urheberschaft (Authentizität) und die Unversehrtheit (Integrität) der zu überbringenden Nachricht oft nicht zweifelsfrei feststanden. Mit der beginnenden Nutzbarmachung der Technik im 17. Jahrhundert begann eine Ära der rascheren und zuverlässigeren Kommunikation. Bald lernte man, die neuen technischen Mittel zur Kommunikation zu nutzen. Zunächst wurden mechanischoptische Systeme entwickelt. Mit der beginnenden Nutzung der Elektrizität, anfangs des 19. Jahrhunderts, standen ganz neue Wege der Kommunikation offen. Einige wichtige Meilensteine der Geschichte der Kommunikation mit technischen Mitteln sind in diesem Kapitel kurz erläutert.

1.1

Kommunikation im 18. und 19. Jahrhundert

Lange bevor man über die Elektrizität oder gar über elektromagnetische Wellen und deren Nutzung zur drahtlosen Kommunikation Bescheid wusste, versuchte man, mit optischen Signalen über grössere Distanzen zu kommunizieren. In Frankreich beispielsweise wurde im 18. Jahrhundert das System «Télégraphe», durch den Ingenieur Claude Chappe entworfen und aufgebaut. Mitte des 19. Jahrhunderts waren alle grösseren Städte Frankreichs mittels Télégraphe in ein dichtes Kommunikationsnetz eingebunden.

Geschichte der Kommunikation

Das System funktionierte so, dass auf erhöhten Standorten mechanische Signalanlagen aufgebaut wurden, deren bewegliche Glieder, je nach deren Stellung, die Buchstaben des Alphabets darstellten.

Abb. 1:

Télégraphe nach Claude Chappe, Bild: www.actu.fr.

Ähnliche Systeme wurden auch in England und den USA unter der Leitung von Lord George Murray eingeführt. Im Gegensatz zum Télégraphe in Frankreich hatte das hier verwendete System nicht bewegliche Arme, sondern verfügte über 6 Klap-

Kommunikation im 18. und 19. Jahrhundert

pen, die entweder senkrecht (sichtbar) oder waagrecht (unsichtbar) standen. So konnte man insgesamt 26, also 64 verschiedene Zeichen übermitteln. Auch in Deutschland wurden zu dieser Zeit optische Systeme aufgebaut. Nebst anderen Einrichtungen bestand in den Jahren zwischen 1832 und 1849 der «Preussische Optische Telegraf» zwischen Berlin und der Rheinprovinz. Dabei wurden entlang dieser Strecke 60 Stationen aufgebaut, mit welchen eine Distanz von 550 km überbrückt wurde. Einige dieser Stationen sind heute noch erhalten oder wurden zu Demonstrationszwecken wiederhergerichtet. Die Übertragung von Meldungen war mit diesem System natürlich nicht sehr komfortabel, langsam und von der Sichtbarkeit der Télégraphen abhängig. Aber sie war, verglichen mit Meldeläufern, sehr schnell. Sie verlor Ende des 19. Jahrhunderts mit dem Aufkommen von Telegrafenleitungen und der drahtlosen Kommunikation rasch an Bedeutung und geriet in Vergessenheit. Nicht zu vergessen seien die optischen Telegrafen, die heute noch zwischen Schiffen, vor allem zwischen Schiffen der US-Navy zum Austausch von Nachrichten eingesetzt werden. Ihr Vorteil besteht darin, dass sie unabhängig von der Schiffsinfrastruktur verwendet werden können und keine elektromagnetischen Signale aussenden, die von feindlichen Kräften geortet werden können.

Abb. 2:

Schiffstelegraf

Visuelle Kommunikation treffen wir auch heute noch überall an. Man denke beispielsweise an die Lichtsignale bei Strassenkreuzungen und bei den Eisenbahnen oder an die Anzeigetafeln in den Bahnhöfen und den Flugplätzen, usw.

1.2

Geschichte der Kommunikation

Die Anfänge der drahtgebundenen Kommunikation

Wenn wir heute eher mitleidvoll auf die Anfänge der Kommunikation mittels Elektrizität zurückblicken, dürfen wir dabei nicht vergessen, dass die physikalischen Grundlagen der Elektrizität anfänglich überhaupt nicht bekannt waren und man sich mit zunächst noch ungeklärten Symptomen herumschlug. Begriffe wie «elektrische Spannung», «elektrischer Strom», «elektrischer Widerstand» oder gar «Induktion» waren noch nicht bekannt; und schon gar nicht die Zusammenhänge zwischen diesen Grössen. Auch die nötigen Materialien waren nicht einfach vorhanden: Kupferdrähte gab es nicht «ab Lager», ebenso wenig Kunststoffe zur Isolation. Umso bemerkenswerter ist es, dass es bereits zu jener Zeit gelungen ist, Nachrichten durch Anwendung elektrischer Phänomene zu übertragen. 1.2.1 Übertragung von Zeichen Erste «ernst zu nehmende» Kommunikationsmittel konnten erst entwickelt werden, nachdem man es verstanden hatte, elektrische Batterien, chemische Prozesse nutzend, zu bauen, Kupferdrähte zu ziehen und diese zu isolieren, Spulen zu wickeln, elektrische Grössen zu bestimmen und deren Zusammenhänge zu verstehen. Diese Periode fällt in die Mitte des 19. Jahrhunderts. Wichtige Beiträge leisteten zu dieser Zeit – aufbauend auf den Entdeckungen und Vorarbeiten von Luigi Galvani und Alessandro Volta – die Naturwissenschaftler Georg Simon Ohm, André Marie Ampère, Hans Christian Ørsted, Carl Friedrich Gauss, William Thomson (später Lord Kelvin genannt), Joseph Henry, Michael Faraday und viele andere. Eine Unzahl unterschiedlicher Apparate wurde in dieser Zeit diesseits und jenseits des Atlantiks entwickelt und erprobt. Eine gute Zusammenfassung der Entwicklung zeigt Sigfried von Weiher in seinem «Tagebuch der Nachrichtentechnik» [94]. In Europa konstruierten Carl Friedrich Gauss und Wilhelm Eduard Weber 1833 den ersten elektromagnetischen Telegrafen der Welt und verbanden damit die Erforschung der zwei Jahre zuvor entdeckten elektromagnetischen Induktion mit Gauss’ magnetischen Messungen. Über eine Strecke von 1,1 Kilometer erstreckte sich ein Kupferdraht von Webers Kabinett am Papendiek zur Johanniskirche über den Marktplatz bis zu Gaussens Sternwarte in der Geismar Landstrasse in Göttingen. Die Leitung diente den beiden Forschern zur Kommunikation, wurde aber aus rein wissenschaftlichem Interesse gebaut und nicht wirtschaftlich vermarktet. S. auch Kersting [33].

Die Anfänge der drahtgebundenen Kommunikation

Grösste Verbreitung fanden die vom Amerikaner Samuel Morse und seinem Team entwickelten Geräte. Morses Idee bestand darin, Zeichen (Buchstaben) seriell zu übertragen und sie an der Empfangsstelle auf einem Papierstreifen sichtbar zu machen. Die Zeichen bestanden dabei aus kürzeren und längeren Impulsen sowie Pausen zwischen den Impulsen.

Abb. 3:

Samuel Morse, Bild: Smithsonian

Dieses System wurde am 6. Januar 1838 von Samuel Morse und seinem Partner Alfred Vail mit Erfolg öffentlich vorgeführt. Nach fünfjähriger Experimentierphase konnte Morse seinen Apparat patentieren lassen. Das United States Patent Office erteilte ihm am 20. Juni 1840 die Patent-Urkunde. Morse konnte aber anfänglich seine Erfindung nicht verwerten, da der Post- und Fernmeldedienst zum Staatsmonopol gehörten und die Staaten weder in den USA noch in Europa dazu bewogen werden konnten, die Erfindung zu nutzen. Nach vielen Bemühungen gelang es Samuel Morse doch noch, den US-Kongress zu überzeugen, einen 30’000 $-Kredit für die Erstellung einer Verbindung zwischen Baltimore, Maryland und Washington D. C. zu sprechen. Nach vielen Fehlschlägen konnte die Verbindung 1844 in Betrieb genommen werden. Ein Angebot zur Übernahme des Systems von Morse an den damaligen Postminister scheiterte, da dieser hohe Folgekosten fürchtete und offenbar das Potenzial Morses Erfindung nicht abschätzen konnte. In der Folge wurde in den USA der Telegrafendienst – und später auch der Telefondienst – von privaten Investoren übernommen.

Geschichte der Kommunikation

Das Morse-System war sehr einfach aufgebaut. Auf der Sendeseite befand sich der Morsetaster; ein flinker elektrischer Schalter, der mit den Fingern bedient wurde. Auf der Empfangsseite der Morseschreiber; ein Apparat, der mittels eines Elektromagneten einen Schreibstift auf den sich bewegenden Papierstreifen schrieb, sobald auf der Sendeseite die Morsetaste gedrückt wurde.

Abb. 4:

Morsetaste

Zwischen Sende- und Empfangsseite genügte ein, gegen Erde isolierter Draht. Als zweiter Leiter wurde «die Erde» verwendet. Auf der Sende- oder der Empfangsseite wurde eine elektrochemische Batterie zur Stromversorgung verwendet. Da die Morsetaste als Umschalter ausgebildet war, also einen Ruhekontakt enthielt, konnten beide Endstellen mit Taste und Schreiber ausgestattet werden, sodass bidirektionale Verbindungen möglich waren. Allerdings konnte mit diesem einfachen System nur entweder gesendet oder empfangen werden. Eine Vermittlung an verschiedene Teilnehmer, wie sie später bei der Telefonie verwendet wurde, war nicht vorgesehen. Es fand also stets eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung statt. In Europa wurden die ersten Telegrafen nach dem Morse-System 1847 eingeführt. In Deutschland geschah dies unter der Federführung von Carl August von Steinheil. Die Hannoversche Staatsbahn nutzte als erste Bahn in Europa den Telegrafen als Kommunikationsmittel zwischen den einzelnen Bahnstellen.

Die Anfänge der drahtgebundenen Kommunikation

Abb. 5:

Morse-Schreiber

In diese Zeit fiel auch die Perfektionierung des Morse-Codes durch den Deutschen Friedrich Clemens Gerke. Er vereinheitlichte die Dauer der einzelnen Codeelemente; sie bestanden jetzt aus Punkten (kurzer Impuls) und Strichen (langer Impuls). Die Länge der Pausen zwischen den Impulsen markierte entweder den Abstand zwischen zwei Elementen eines Zeichens, zwei Zeichen (Buchstaben) oder zwei Wörtern. Auch heute noch wird der von Gerke optimierte Morse-Code weltweit zur Übertragung von Textnachrichten, vor allem im (Amateur-) Kurzwellenfunk, verwendet. An dieser Stelle sei eine weitere Person erwähnt, die der Telegrafie damals völlig neue Impulse verlieh: Jean Maurice Émile Baudot. Er erkannte, dass mit den damaligen Mitteln eine rationelle Übertragung von Zeichen nur möglich war, wenn alle Zeichen dieselbe Länge, bzw. dieselbe Anzahl Code-Elemente aufweisen. Er entwickelte einen Code mit 5 Daten-Elementen und zwei Elementen, welche den Beginn bzw. das Ende eines Zeichens markierten. Damit konnten 25 = 32 Zeichen unterschieden werden. Zwei davon nutzte er als Kennzeichen für «Umschaltung auf Ziffern» bzw. «Umschaltung auf Buchstaben». Dies entspricht dem bis gegen Ende des 20. Jahrhunderts verwendeten Fernschreibercode. Zu Ehren Baudots wurde die Einheit «Baud» definiert. Damit wird in der Übertragungstechnik die Symbolrate gemessen.1 1

Die Symbolrate, auch Schrittgeschwindigkeit genannt, ist nicht zu verwechseln mit der Bitrate,

Geschichte der Kommunikation

1.2.2 Das Telefon Mit dem Aufkommen der Telegrafie als schnellem, zuverlässigem Kommunikationsmittel, wuchs auch das Bedürfnis, über eine Drahtverbindung «sprechen zu können». Der Begriff «Telefonie» setzt sich aus den beiden, dem Griechischen entlehnten Begriffen «tele» für «fern» und «phon» für «Schall» zusammen. Bereits Mitte des 19. Jahrhunderts bestanden Ideen, wie Sprache mittels Elektrizität übertragen werden könnte. Sehr konkret beispielsweise beim Franzosen Charles Bourseul, der seine Vorgesetzten bei der französischen Post vergeblich davon zu überzeugen versuchte, seine Ideen aufzunehmen und weiterzuentwickeln. 1854 veröffentlichte er in der Zeitung «l'Illustration» einen Teil seiner Ideen. Seine Vorstösse fanden aber kaum Beachtung. Der eigentliche Durchbruch gelang dem Deutschen Johann Philipp Reis, der 1861 als 27-jähriger dem staunenden «Physikalischen Verein» in Frankfurt am Main seinen selbst entwickelten Telefonapparat vorstellte.

Abb. 6:

Erster Telefonapparat von Philipp Reis, Bild: www.wikiwand.com

Der Apparat von Reis war allerdings noch nicht so weit entwickelt, dass er in der Praxis eingesetzt werden konnte. Für das breite Publikum war das Telefon von Reis noch nicht von Interesse. In der Folge nahmen sich aber viele kluge Köpfe der Weiterentwicklung an und präsentierten sich mit ihren Apparaten als Erfinder des Telefons. So unter anderem in Italien Antonio Meucci, in den USA Elisha Gray und Alexander Graham Bell. Patentstreitigkeiten belasteten vor allem in den USA, die Verbreitung gemessen in bit/s. Wenn ein Symbol einen höheren Entscheidungsgehalt als 1 bit aufweist, ist die Bitrate höher als die Symbolrate.

Die Anfänge der drahtgebundenen Kommunikation

des Telefons. Als «Sieger» ging Alexander Graham Bell hervor, der auch Begründer der Bell Telephone Company war.2 Es dauerte recht lange, bis für Hörer und Mikrofon, die beiden Kernbausteine eines Telefons, als zuverlässige, in grossen Stückzahlen herstellbare Konstruktionen entwickelt waren. Schliesslich fand das Prinzip des Kohlemikrophons und des elektromagnetischen Hörers die grösste Verbreitung. Hand in Hand mit der Entwicklung des Telefonapparates entwickelte sich auch die Vermittlungstechnik. Schliesslich wollte man ja seinen Gesprächspartner auswählen können. Anfänglich geschah dies durch das «Fräulein vom Amt», die für jeden Verbindungswunsch die entsprechenden Teilnehmer an einer Schalttafel zusammenstecken musste.

Abb. 7:

Handvermittlung durch das «Fräulein vom Amt», Bild: e://deacademic.com/

Diese Art der Vermittlung ist ein klassisches Beispiel der Leitungsvermittlung. Auch die später eingeführte automatische Vermittlung, die das Fräulein vom Amt abgelöst hatte, beruhte auf dem Prinzip der Leitungsvermittlung. D. h. während der Dauer eines Gesprächs wurden die Leitungen der beiden Gesprächsteilnehmer elektrisch – meist über sogenannte Wähler, respektive Relais – miteinander verbunden.3 2 Teil von Bell Telephone Company waren auch die berühmten «Bell Labs» in welchen 1947/1948 durch Bardeen, Brattain und Shockley der Transistor entwickelt wurde. 3 In der Vermittlungstechnik wird heute zwischen Leitungsvermittlung (s. oben) und

Geschichte der Kommunikation

Die Telefonapparate kamen bis in die 70er-Jahre des 20. Jahrhunderts völlig ohne aktive Bauelemente aus. D. h. Verstärkerelemente wie Röhren oder Transistoren waren nicht vorhanden. Das Schaltschema also entsprechend einfach:

Abb. 8:

Prinzipschema Telefonapparat

Als Mikrofon wurde ein sogenanntes «Kohlemikrofon» verwendet. In einer Kapsel befinden sich feine Kohle- oder auch Grafitkörner. Die Kapsel wird auf einer Seite mit einer beweglichen Membran abgeschlossen. Trifft nun Schall auf diese Membrane, ändert sich der Druck im Innern der Kapsel. In der Folge ändert sich auch der elektrische Widerstand der Körnermischung. Dies wiederum hat eine Änderung des durch die Kapsel fliessenden Stromes zur Folge. Dieser Strom fliesst auch durch die Spule des Hörers; damit ändert sich das Magnetfeld dieser Spule, was wiederum die Hörermembrane bewegt. Mit der Digitalisierung der Übertragung und der Vermittlung im letzten Viertel des 20. Jahrhunderts änderte sich die Technik der Telefonie grundlegend. Die Ablösung des Festnetzes durch die mobile Telefonie mit dem Beginn des 21. Jahrhunderts lässt das Heim- oder Schreibtischtelefon als Relikt alter Zeiten zurück.

1.3

Drahtlose Kommunikation

1.3.1 Entwicklung der theoretischen Grundlagen Der dänische Physiker, Chemiker und Naturphilosoph Hans Christian Ørsted entdeckte 1820, dass sich eine Kompassnadel, die sich in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters befindet, durch den im Leiter fliessenden Strom abgelenkt wird. Paketvermittlung unterschieden. Bei der Paketvermittlung werden digitalisierte «Sprachpakete» mittels Routern im Netzwerk von der sendenden zur empfangenden Station weitergeleitet. Bei der Paketvermittlung besteht also zwischen den beiden Teilnehmern zwar eine virtuelle, jedoch keine «physische» Verbindung.

Drahtlose Kommunikation

Diese Beobachtung wurde im selben Jahr vom Franzosen André Marie Ampère weiter untersucht. Ampère konnte zeigen, dass ein elektrischer Strom immer ein Magnetfeld erzeugt, welches senkrecht zur Stromrichtung steht und dass mechanische Kräfte zwischen stromdurchflossenen Leitern bestehen. Es war Michael Faraday vorbehalten, 1831 die sogenannte Induktion nachzuweisen. Er konnte experimentell zeigen, dass in einer Spule, die sich in einem sich ändernden Magnetfeld befindet, eine elektrische Spannung erzeugt wird. In weiteren Experimenten mit Kondensatoren konnte Faraday zeigen, dass das verwendete Isoliermaterial für die Kapazität des Kondensators mitbestimmend ist. Er nannte das Isoliermaterial «Dielektrikum». Später wurde die entsprechende Materialeigenschaft mit der Dielektrizitätskonstante beschrieben. Das Ergebnis von weiteren Versuchen mit Licht und Magnetismus liess in Faraday die Erkenntnis reifen, dass Licht elektromagnetischer Natur sein könnte. Diese Idee griff James Clerk Maxwell auf. Maxwell gelang es in der Folge, alle bisher bekannten Formen von Magnetismus und Elektrizität mit einem Satz Gleichungen zu beschreiben. Diese sogenannten «Maxwellschen Feldgleichungen» gelten heute noch uneingeschränkt, sind aber wegen des hohen Abstraktionsgrades nicht jedermann zugänglich. Heinrich Hertz4 gelang es 1886 als Erstem, freie elektromagnetische Wellen experimentell zu erzeugen und nachzuweisen. Damit bestätigte er die von James Clerk Maxwell entwickelten Gleichungen des Elektromagnetismus und insbesondere die elektromagnetische Theorie des Lichts. Hertz wies die elektromagnetische Strahlung eines oszillierenden punktförmigen elektrischen Dipols nach, die er selbst aus den Maxwellschen Gleichungen vorher berechnet hatte. Hertz wies auch nach, dass sich die elektromagnetischen Wellen, die damals «Hertzsche Wellen genannt wurden, auf die gleiche Art und mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten wie Lichtwellen. Am 13. November 1886 gelang ihm im Experiment die Übertragung elektromagnetischer Wellen von einem Sender zu einem Empfänger. Die Berliner Akademie der Wissenschaften unterrichtete er am 13. Dezember 1888 in seinem Forschungsbericht über die elektromagnetischen Wellen. Heinrich 4 Heinrich Rudolf Hertz (1857 bis 1894) war ein deutscher Physiker. Zu seinen Ehren wird die Masseinheit für die Frequenz nach ihm benannt.

Geschichte der Kommunikation

Hertz’ Ergebnisse lieferten die Grundlage für die Entwicklung der drahtlosen Telegrafie und des Radios. 1.3.2 Erste Nutzung der elektromagnetischen Wellen Der Italiener Guglielmo Marconi, der allgemein als Erfinder des Radios5 bekannt ist, beschäftigte sich zunächst mit den theoretischen Arbeiten von Heinrich Hertz, um im Jahr 1895 mit ersten praktischen Experimenten mit den sogenannten Hertzschen Wellen, einer frühen Bezeichnung für elektromagnetische Wellen, zu beginnen. Er konnte mit ersten Experimentalaufbauten Distanzen von ca. zwei Kilometern drahtlos überbrücken. Als Sender verwendete er Knallfunkensender, wie er sie während seines Studiums bei Professor Augusto Righi in Bologna kennengelernt hatte. Er modifizierte die Aufbauten in verschiedenen Details und probierte in Versuchen verschiedene Verbesserungen aus. Anfang 1896 waren seine Experimente an Sender- und Empfangseinheit so weit vorangeschritten, dass er ein erstes Patent dafür in Erwägung zog. Marconi kam im Februar 1896 nach London, demonstrierte seine Anordnung und stellte im selben Jahr einen ausführlichen Patentantrag.

Abb. 9:

Guglielmo Marconi

Im Mai 1897 wurden vom British Post Office erste Sendeversuche im Bristolkanal von der Insel Flat Holm zum Festland zunächst über eine Distanz von etwa sechs Kilometern unternommen. Nach mehreren Fehlversuchen gelang schliesslich die 5

Die Nutzbarmachung elektromagnetischer Wellen ist nicht allein das Verdienst von Marconi, auch wenn er mit seinem Geschäftssinn den wahrscheinlich grössten Beitrag dazu geliefert hat. In Russland orientierte Alexander Stepanowitsch Popow 1895 die Akademie der Wissenschaften über seine Erkenntnisse zur Erforschung der elektromagnetischen Wellen. Ihm gelang damals auch die drahtlose Übertragung von Zeichen. Er unterliess es aber, seine Erkenntnisse zum Patent anzumelden und stand daher immer im Schatten von Marconi.

Drahtlose Kommunikation

Übermittlung einer Nachricht im Morse-Code mittels des Knallfunkensenders von Marconi. [101] Dem Praktiker Marconi stand der deutsche Physiker Ferdinand Braun6 zur Seite, der die Entwicklung der Sende- und Empfangsgeräte aufgrund seines profunden physikalischen Wissens und Könnens massgeblich vorantrieb. Mit den von Braun verbesserten Geräten gelangen auch Übertragungen über grössere Distanzen. Der als Zeuge bei einem Versuch anwesende Adolf Slaby aus Deutschland schlug dabei für das Verfahren die treffende Bezeichnung «Spark Telegraphy», deutsch Funkentelegrafie, vor, die sich in Folge im Deutschen in Begriffen wie Funkübertragung für eine drahtlose Nachrichtenübertragung etablierte. Es folgte 1897 die Firmengründung der Wireless Telegraph & Signal Co. in London. Marconi erhielt dabei wesentliche finanzielle Unterstützung durch seine Familie. Die Patentrechte wurden der neu gegründeten Firma übertragen. Die US-amerikanische American Marconi Wireless Corporation wurde einige Jahre später nach den ersten erfolgreichen drahtlosen Verbindungen am 22. November 1899 gegründet und ging 1919 in der Radio Corporation of America (RCA) auf. Nach der Firmengründung der Wireless Telegraph and Signal Co. kam es in den Folgejahren 1899 zu einer Reihe von Versuchssendeanlagen, wobei die Reichweite laufend verbessert wurde. Am 27. März 1899 gelang die erste drahtlose Verbindung über den Ärmelkanal vom South Foreland Lighthouse bei Dover nach Wimereux in Frankreich. Am 18. Januar 1903 fand die erste öffentliche transatlantische Kommunikation statt: Marconi tauschte von der Marconi Wireless Station in Cape Cod, Massachusetts, Grussbotschaften zwischen US-Präsident Theodore Roosevelt und dem König von England Eduard VII. aus. Ab Ende 1903 wurden täglich Funktelegramme zwischen Glace Bay in Nova Scotia und Poldhu in Cornwall über eine Distanz von 3840 km übertragen. Auch von der südwestirischen Mizen-Halbinsel kommunizierte Marconi mit dem vorbeifahrenden Schiffsverkehr auf dem Atlantik. Am 26. Juni 1905 erhielt Island das erste Telegramm seiner Geschichte, noch bevor ein Seekabel verlegt wurde. 6 Braun wirkte auch in Deutschland. Er war Mitbegründer der Firma Telefunken. Nach ihm ist auch die «Braunsche Röhre» benannt, die lange Zeit als Fernsehbildschirm und zur Sichtbarmachung von Spannungsverläufen in Kathodenstrahl-Oszilloskopen verwendet wurde.

Geschichte der Kommunikation

1909 wurden die beiden Pioniere der Funktechnik Guglielmo Marconi und Ferdinand Braun mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. In der Schweiz wurde 1922 die Marconi Radio AG durch die britische Marconi’s Wireless Telegraph zur Entwicklung der drahtlosen Telegrafie gegründet, nachdem der Erste Weltkrieg die Bedeutung dieser Art von Telekommunikation aufgezeigt hatte. 1928 ging daraus die Radio Schweiz AG hervor, die zum einen den Navigationsdienst für den Flugverkehr und zum andern den Funkverkehr mit der schweizerischen Hochseeflotte sicherzustellen hatte. Der Geschäftsteil «Flugsicherung» wurde 1988 ausgegliedert und firmiert heute unter dem Namen «skyguide».

1.4

Technik der ersten Sender und Empfänger

1.4.1 Funkensender Das Funktionsprinzip des von Marconi anfänglich verwendeten Knallfunkensenders (s. Abb. 10) ist denkbar einfach: Die Sendeantenne «A» wird mit einem Pol der Sekundärwicklung eines Funkeninduktors verbunden. Der andere Pol des Funkeninduktors wird mit der Erde verbunden. Wird der primäre Stromkreis des Induktors «J» durch den Wagnerschen Hammer7 unterbrochen entsteht in der Sekundärwicklung durch Induktion eine hohe Spannung. Die Antenne «A» steht also ebenfalls unter hoher Spannung. Die Kapazität, die zwischen der Antenne und Erde besteht, wird also aufgeladen. Wenn die Spannung hoch genug ist, schlägt die Funkenstrecke durch, wird also leitend. Die Antenne «A», die aufgrund ihrer Bauweise zusammen mit der Umgebung einen elektrischen Schwingkreis darstellt, strahlt nun die in der Kapazität gespeicherte Energie als elektromagnetische Welle in den Raum ab. Die Schwingung klingt allerdings rasch ab, da keine weitere Energie mehr zugeführt wird. Man spricht in diesem Fall von einer gedämpften Hochfrequenzschwingung.8 Die «Sendefrequenz» ist im Wesentlichen durch die Dimensionierung der Antenne gegeben. Das ausgesendete Spektrum ist sehr breit. Mehrere, gleichzeitig sendende Funkensender können am Empfangsort kaum voneinander getrennt werden. 7 Wagnerscher Hammer: in Haus-Klingeln, etc. häufig angewandte Methode, einen Stromfluss periodisch ein- und auszuschalten. 8 «Gedämpft» weil die Hochfrequenz Schwingungen nur einige Perioden aufrecht erhalten werden und sofort wieder abklingen, da die Energie ja abgestrahlt wird und neue Energie erst vor dem nächsten Funkenschlag wieder zugeführt werden kann.

Technik der ersten Sender und Empfänger

Abb. 10: Prinzip des Knallfunkensender, Auszug aus Holzt [27]

Das eben geschilderte Prinzip des (Knall-) Funkensenders kam daher nur in der allerersten Zeit der drahtlosen Kommunikation – also Ende des 19. und anfangs der 20. Jahrhunderts – zur Anwendung. Knallfunkensender wurden nach dem Aufkommen besserer Sender verboten.

Geschichte der Kommunikation

Auf der Empfangsseite war die Empfangsantenne mit einem sogenannten «Kohärer»9 – in Abb. 10 als «Fr» bezeichnet – verbunden. Später verwendete man Bleiglanzkristalle (ein Vorläufer der heutigen Halbleiter-Dioden) als Nichtlinearität zur Demodulation. Angeschlossen war entweder ein Hörer eines Telefons oder ein Morseschreiber. Der Knallfunkensender hatte gewichtige Nachteile, die durch das verwendete Prinzip gegeben waren.10 Etwas besser war der «Löschfunkensender» der von Max Wien entwickelt wurde. Beim Löschfunkensender11 waren die Intervalle zwischen den einzelnen Schwingungspaketen viel kürzer. Auf der berühmten «Titanic» beispielsweise war ein solcher Löschfunkensender installiert. Weder der Knall- noch der Löschfunkensender waren geeignet, um Sprache oder gar Musik zu übertragen, da sie kein kontinuierliches Signal aussandten. Erst mit dem, vom dänischen Physikers Valdemar Poulsen entwickelten, sogenannten Lichtbogensender liess sich ein kontinuierliches Signal erzeugen. Der Lichtbogensender baut auf der Tatsache auf, dass ein Lichtbogen – also ein kontinuierlich brennender Funken – einen negativen differenziellen Widerstand darstellt. Schaltet man einen solchen negativen Widerstand parallel zu einem Schwingkreis, wird der Schwingkreis entdämpft und damit zu Schwingungen angeregt, die man über eine Antenne abstrahlen kann. Allerdings gelang es kaum, einen solchen Lichtbogensender mit Sprachsignalen zu modulieren. Er wurde rasch von den etwas später aufkommenden Röhrensendern verdrängt. Als Alternative wurde damals auch versucht, Signale hoher Frequenzen mittels rotierender Generatoren zu erzeugen. Solche sogenannte «Maschinensender» konnten Frequenzen bis zu einigen zehntausend Hertz erzeugen und gaben Leistungen bis zu 200 kW ab. Sie waren für Telegrafieübertragungen bis zur Zeit des Zweiten Weltkriegs in Betrieb.

9 Ein «Kohärer» stellt elektrisch gesehen einen nicht linearen Widerstand dar und ist deshalb geeignet, die empfangene hochfrequente Schwingung zu demodulieren, also «hörbar» zu machen. Der Kohärer (von lat. cohaerere «zusammenhängen», engl. coherer), wird im Deutschen auch als Fritter bezeichnet (vom Verb fritten für «zusammenbacken lassen»). 10 S. https://de.wikipedia.org/wiki/Knallfunkensender 11 S. https://de.wikipedia.org/wiki/Löschfunkensender

Technik der ersten Sender und Empfänger

Abb. 11: Maschinensender Grimeton (Schweden), Frequenz: 17.2 kHz; Bild: www.fading.de

1.4.2 Der Durchbruch: die «Radioröhre» Weder Sender noch Empfänger enthielten vor der Erfindung der Verstärkerröhre irgendwelche aktiven, d. h. Signal-verstärkenden Elemente. Auf der Empfangsseite konnten nur Signale ausgewertet werden, die direkt hörbar oder sichtbar gemacht werden konnten, die also genügend Energie enthielten. Es wundert daher nicht, wenn intensiv nach Möglichkeiten gesucht wurde, die schwachen empfangenen Signale zu verstärken. In Österreich war es Robert von Lieben und in den USA Lee de Forest, die schon früher, die u. a. durch Thomas A. Edison entdeckte Elektronenemission bei glühenden Körpern (Kathoden) gezielt ausnützen wollten. Sie bauten auf der von John Ambrose Fleming 1904 patentierten Diode (Diode = zwei Elektroden) auf und versuchten, den Elektronenfluss zwischen Kathode und Anode mittels magnetischen Feldern oder einer dritten, zwischen Kathode und Anode angebrachten Elektrode, dem sogenannten «Gitter» zu steuern. Beiden Physikern gelang dies; beide meldeten «ihre Röhre» 1906 zum Patent an. Von Lieben verstand es, in seiner Anmeldung andere Aspekte als de Forest hervorzuheben. [44]. Trotzdem führten die beiden einen jahrelang dauernden Patentstreit. Zu Recht gelten heute beide als gleichwertige Erfinder der Verstärkerröhre.

10. Index

224 Amplitude Shift Keying 103 AM-Signal 112 Symbole AM-Zweiseitenband Rundfunksender 311 1/f-Rauschen 79 Anode 35 4B5B-Codierung 222 Anodenmodulation 120 16QAM 250, 251 ANSI 207 Antenne 57, 326 A Antennenfaktor 340 Antennengewinn 336 Abkürzungen 398 Antennenhöhe 338 Absorptionsverluste 374 Antennenimpedanz 323 Abtastrate 204 Antennenwirkfläche 323 Added White Gaussian Noise Antnennenabsorptionsfläche 198 323 additive Mischung 115, 117 Aperture 323 A-law 206 ARINC Code 223 Alternate Mark Inversion Code Armstrong, Edwin Howard 37 223 ASCII-Code 206 AM Einseitenbandsender 312 ASK, Amplitude Shift Keying AMI-Code 223 224 Ampère, André Marie 20, 27 atmosphärische Störungen 98, Amplitude Modulation 102 387 Amplitudendichteverteilung Augendiagramm 240 83 Ausbreitungsgeschwindigkeit Amplituden-diskret 69 61 Amplituden-kontinuierlich 69 Ausgangswandler 58 Amplitudenmodulation 102, AWGN 198, 240 103, 224 Amplitudenumtastung 102 B Einseitenband 102 Bandbreite 56, 57, 63, 66, 68 Restseitenband 102 Bandbreiteneffizienz 247 Zweiseitenband 102 Bandbreitenreduktion 70 Amplitudenumtastung 225 Bandfilter 270 Amplitudenumtastung. ASK

437

Bandleitung 342 Bandpass-Rauschen 82 Bardeen, John 41 Basisband 70 BASK, binary amplitude shift keying 228 Baud 23 Baudot, Jean Maurice Émile 23 Beat-Frequency-Oszillator, BFO 139 Bedingte Entropie 195 Bell, Alexander Graham 24, 427 BER - Bit Error Rate 99 Besselfunktion 152 Besselkoeffizient 152 Beugungsverluste 375 Bewertungsfilter 293 bit 192 Bit Error Rate, BER 200 Bitfehlerrate 99 Bitmapping bei QAM 251 Blackbox 86 Bleiglanzkristalle 32 Blocking 301 Bluetooth 96 Bodenwelle 366 Boltzmannkonstante 79, 286 Bolzmann-Konstante 406 Bourseul, Charles 24 BPSK, binary phase shift keying 228 Brattain, Walter Houser 41 Braun, Ferdinand 29 Brechung 381

438

C Capture Effect 299 Carson-Bandbreite 155 Carson, John Renshaw 155 Carson, J.R. 127 Chappe, Claude 17 Citizen-Band 63 Code 395 Codierung 69, 202, 396 Colpitts-Oszillator 168 Cosinusfunktion 71 Costas, John P. 265 Costas-Loop 265

D DAB 64, 65 DAB+ 64, 65 Dachkapazität 340 Daten 396 dBA 411 dBc 411 dBd 411 dBi 337, 411 Decodierung 219 DECT-Standard 58 Deemphase 165 Demodulation 57, 122, 262 Demodulatorkonstante 151 Desensitization 301 Detektionsfehler 198 Dezibel, dB 408 Dichtespektrum 78 Dielektrische Antenne 344 Dielektrische Leitfähigkeit 405

Index

dielektrischen Verluste 331 Dielektrizitätskonstante 320 Digitale Frequenzsynthese 174 Diode 33 Dipollänge 329 Direct Conversion Receiver 281, 303 Direct Digital Synthesis, DDS 174 Dispersion 57, 92 Distanz, kritische 383 Doppelsuperhet-Empfänger 278 Dopplereffekt 379 Double Sideband 102 Drehfunkfeuer 178 dritte Methode 134 DRM-Konsortium 311 DSBSC; Double Sideband, Supressed Carrier 106 D-Schicht 370 Duplex-Betrieb 96 Durchlaufzeit 89 DVB-C 40 DVB-S 40 DVB-T 40 D-VOR 176 dyadischer Logarithmus 192

E Eb/N0 244 Edison, Thomas A. 33 Effective Radiated Power, ERP 98 Effektive Antennenhöhe 340

Effektivhöhe 338 Effektivwert 74 Eingangsnachricht 56 Eingangswandler 56 Einseitenband 102 Einseitenband Amplitudenmodulation 126 elektrische Feldstärke 318 elektrisches Feld 333 Elektromagnetische Welle 318 Element 395 EMK 338 Empfänger 57 Empfindlichkeit 278, 285, 291, 292 Empfindlichkeitsschwund 301 Energieversorgung 315 ENIGMA 39 Entfernungsdekade 383 Entropie 192, 193, 396 Entropie-Rate 195 Entscheidungsgehalt 192, 396 Enveloppendetektor 262 Erdnetz 348 Erdnetzwerk 347 ESB-Modulator 312 ESB-Signal 137 Euler, Leonard 72, 416 Eulersche Formel 72, 417 Eulersche Identität 416 Eulersche Zahl 406 Exponentialdarstellung 72 Exponentialmodulation 102, 145 Exponentialschreibweise 73 Eye Pattern 240

439

EZNEC 391

F Fading 369, 377 Faltdipol 341 Faraday, Michael 20, 27 Feederkabel 342 Feinstruktur 379 Feldeffekttransistor 43 Feldwellenwiderstand 319 Fernsehen 39, 95 Ferritantenne 350 Filtermethode 128 Flächentransistor 44 Flankendiskriminator 180 Fleming, John Ambrose 33 FM-Schwelle 166 Forest, Lee de 33, 427 Foster, Dudley E. 183 Foster-Seeley-Diskriminators 183 Fourier-Integral 78 Fourier, Jean Baptiste Joseph 75 Fourier-Reihe 75 Fourier-Transformation 75 Freiraumdämpfung 324, 384 Fremdstörungen 387 Frequency Diversity 380 Frequency Modulation 103 Frequency Response 92 Frequency Shift Keying 103 Frequency Shift Keying, FSK FSK, Frequency Shift Keying 224

Frequenz 62 Frequenzbereiche 63 Frequenzdiversität 380 Frequenzgang 92 Frequenzhub 146, 148, 257 Frequenzmodulation 103, 148, 224 Frequenz-Multiplex-Verfahren 127 Frequenzspektrum 57, 63 Frequenzsynthesizer 284 Frequenzumtastung, FSK 224, 229 Fresnelzone 372 Friis, Harald 289 F-Schicht 369, 370 FSK, Frequenzumtastung 229 Funkelrauschen 79 Funkstrecke 325 Funkstreckendämpfung 99 Fusspunktimpedanz 340

G Galactic Noise 388 Galvani, Luigi 20 Gammastrahlung 62 Gauss, Carl Friedrich 20 Gauss-Filter 261 Gaussian Minimum Shift Keying 260 Gauss-, oder Normalverteilung 80 Gausssche Amplitudenverteilung 79 gausssches Fehlerintegral 243

Gaussverteilung 242 Gegensprechen 96 Geländemodelle 392 Geradeaus-Empfänger 37, 283 Geräuschabstand 205 Gerke, Friedrich Clemens 23 Gesamtrauschzahl 290 Gitter 35 Gleichlage 128 gleichstromfrei 220 Gleichstromkomponente 219 GMSK 261 Gray-Code 252 Gray, Elisha 24 Gray, Frank 252 Grenzempfindlichkeit 290 Grosssignalfestigkeit 280, 294 Groundplane-Antenne 331, 342 Group Delay 90 Grundschwingung 78 Gruppenlaufzeit 90 Güte Q 275

H Halbleiter 40 Halbwellenantenne 327 Halbwellendipol 327 Halbwellenstrahler 352 Hamming-Codierung 214 Hamming, Richard Wesley 214 Harmonische 78 Hartley 197 Hartley-Oszillator 168

440

Hauptstrahlrichtung 336 Heizung 35 Henry, Joseph 20 Hertz, Heinrich 27 Hertzscher Dipol 332 Hertzsche Wellen 27 High Frequency 64, 65, 66, 67 Höhenstrahlung 62 Homodyn-Empfänger 281, 303, 306 horizontale Polarisation 333 Hornantenne 363 Huffmann-Code 212 Huffmann-Codierung 208 Hüllkurvendemodulator 110

Index

Klirrfaktormessbrücke 292 Knallfunkensender 28 Knickebein 39 Koaxialkabel 326 kohärente Demodulation 123, 263 Kohärer 32 Kohlemikrophon 25 Koinzidenz-Demodulator 185 Kommunikation 53 Kommunikationssystem 56 komplementäre Fehlerfunktion 243 Kompressionsverfahren 56 J Komprimierung, verlustbehaftete 203, 206 I Johnson-Nyquist-Rauschen 79 Komprimierung, verlustfreie 203 I-Kanal 256 K Kopplungsverlust 358 Image frequency 295 kosmische HintergrundstrahKanalbandbreite 200 Impulsantwort 236 lung 363 Kanalcodierung 203, 212 Induktion 27 kosmisches Rauschen 388 Kanalkapazität 196, 246 Information 53, 189, 396 kosmische Strahlung 62 Informationsgehalt 190, 191, Kapazitätsdiode 170 Kreisfrequenz 71, 101 Kardinalsinus 231 396 Kreuzmodulation 301 kartesisches KoordinatensysInformationsmenge 191 Kurzwelle 38, 63, 64, 68, 435 tem 71 Informationstheorie 189 L Kathode 35 Infrarot 387 Kehrlage 128 Input Intercept Point 299 Langwelle 38, 63, 64, 68 Kelvin, Lord 20 Intercept-Punkt 299 Laufzeit 57 Keramikfilter 129 Interferenz 87 Leaky Coaxial Cable 357 Kilby, Jack 45 Intermediate Frequency, IF Leistungsdichte 317, 320 Klasse-E-Verstärker 70 276 Leistungsdichte, spektrale 230 Klemmenspannung 338 Intermodulation 280, 297 Leistungserzeugung 310 Intermodulation 2. Grades 297 Klirrdämpfung 94 Leitungscodierung 203, 218 Intermodulation 3. Grades 298 Klirrfaktor 93, 94 Intermodulationsprodukte 280 International Telecommunication Union, ITU 63 Intersymbolinterferenz 234, 235 ionisierende Strahlung 62, 418 Ionosphäre 368 ISM-Band 63, 64 ISO – OSI Kommunikationsmodell 58 isotroper Kugelstrahler 323 isotroper Strahler 336 I- und Q-Kanal 142

441

Leitungsvermittlung 25 Lichtbogensender 32 Lichtgeschwindigkeit 61 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 406 Lieben, Robert von 33, 429 lineare Verzerrungen 87, 88 Lokaloszillator 277 Lokaloszillator, LO 276 Long Wave 64 Löschfunkensender 32 Lower Sideband 103 Lowest Useable Frequency, LUF 370 Low Frequency 64 Low Noise Converter, LNC 290 Luxemburg-Effekt 301

M Magnetische Antenne 344 magnetische Feldkonstante 319 Magnetische Feldkonstante 405 magnetische Feldstärke 318 Manchester-Codierung 221 Man-Made-Noise 79, 98, 286, 389 Marconi-Antenne 343 Marconi, Guglielmo 28, 435 Maschinensender 32 Matched Filter 238 Maximal Useable Frequency, MUF 370

Maxwell, James Clerk 27 Maxwellsche Feldgleichungen 27 mechanische Filter 281 Medium Frequency 64 Medium Wave 64 Mehrwegeausbreitung 377 Mehrwegempfang 87, 239, 379 Meissner, Alexander 37 Meissner-Oszillator 168 Meldung 190, 395 Meldungsvorrat 192 Meucci, Antonio 24 Mikroprozessor 48 Mikrowellen 386 Minimum Shift Keying 253, 254, 256 MININEC 391 Mischer 276 Mittelwelle 38, 63, 64 Mobiltelefon 95 Modulation 57, 60, 70, 101, 223 Modulation der Amplitude 102 Modulation des Winkels 102 Modulationsarten 223, 396 Modulationsarten, Bezeichnungen 401 Modulationsgrad 110 Modulationsindex 147, 257 Modulationskonstante 146, 148 Modulationssignal 104 Modulationsverfahren 101 Modulatorkonstante 149

Momentanwert 71 Monopolantenne 342 Moore, Gordon 49 Mooresches Gesetz 49 Morse-Code 23–52, 202 Morse, Samuel 21 Morse-System 22 Moving Picture Expert Group 206 MSK, minimum shift keying 254 MSK-Modulator 256 multiplikative Mischung 115 Multiplizierer 114 Murray, Lord George 18

N Nachbarkanal 271 Nachricht 53, 190, 395 Nachrichtensignal 101 Nahschwund 369 Nebenempfangsstellen 295 Negative Frequenz 73 nicht ionisierende Strahlung 62, 418 nicht kohärente Demodulation 262 nicht lineare Verzerrungen 87, 93 Nichtperiodisches Signal 78 NISV 421 Noise Figure 288 Non Return to Zero Inverted 220 Noyce, Robert 46

442

NRZ-Code 219 NRZ-Codierung 219 NRZI-Codierung 220 Nyquist 197, 204 Nyquistbedingung 235

Permittivität, relative 406 Phase Locked Loop 125, 284 Phase Modulation 103 Phasendiskriminator 151, 183 Phasenhub 148, 149 Phasenmethode 131 O Phasenmodulation 103, 149, 224 Oberes Seitenband 103 Phasenmodulator 173 Oberflächenwellenfilter 281 Phasenumtastung, PSK 224, Oberwellen 93 228 Öffnungswinkel 336 Phasenverschiebung 89 Ohm, Georg Simon 20 Phase Shift Keying 103 On-Off-Keying 224 Phase Shift Keying, PSK Open Systems Interconnection PSK, Phase Shift Keying 224 Model 58 PLL-Demodulator 188 Ørsted, Hans Christian 20, 26 pnp-Transistor 42 OSI 58 Polarisation 333 OSI-Modell 58 Popow, Alexander StepanoOutput Intercept Point 299 witsch 28 Poulsen, Valdemar 32 P Poynting, John Henry 319 Poynting-Vektor 319 Paketvermittlung 26 präfixfrei 212 Parabolantenne 361, 362 Preemphase 165 Parabolspiegel 360 Primärradar 364 Paritätsbit 214 psophometrisches Filter 293 Paritätsprüfung 213 Pulsbreitenmodulation 101 passive Intermodulation 300 Puls-Code-Modulation (PCM) Path Loss Exponent 385 206 Pegeldiagramm 97 Pulsphasenmodulation 101 Periodendauer 71, 197 Q Periodisches Signal 75 Permeabilität 405 Q-Kanal 256 Permeabilität, relative 405 QPSK; quadrature phase shift Permittivität 319, 405

Index

keying 248 Quadraturamplitudenmodulation 141 Quadratur-Amplitudenmodulation 248 Quadrature Amplitude Modulation 103 Quadrature Phase Shift Keying, QPSK 248 Quadraturmodulator 82 Quadratur-Modulator 256 Quantisierung 204 Quantisierungsgeräusch 205 Quarzfilter 129, 280 Quarzresonator 284 Quelle 57, 190 Quellencodierung 203, 204

R Radar 39 Radarantenne 363 Radioastronomie 363 Radioröhre 33 Radom 364 Rahmenantenne 350 Raised Cosine Filter 236 Raumdiversität 380 Raumwelle 368 Rauschen 79, 285 1/f-Rauschen 79 atmosphärisches Rauschen 79 Funkelrauschen 79 Johnson-Nyquist-Rauschen 79

443

kosmischen Rauschen 79 kosmisches Rauschen 79 Man-Made-Noise 79 Schrotrauschen 79 Stromrauschen 79 thermisches Rauschen 79 Weisses Rauschen 79 Rauschleistungsdichte 201 Rauschquelle 286 Rauschsignal 159 Rauschspannung 80 Rauschtemperatur 289 Rauschzahl 278, 288 Rayleigh, 3. Baron 378 Rayleigh-Verteilung 84, 378 Redundanz 194, 208, 396 Reed, Irving S. 216 Reed-Solomon-Codierung 216 Refraktion 384 Regelung der Verstärkung 282 Regel von de l’Hospital 231 Reichweite 57, 63, 68 Reis, Johann Philipp 24 relative Permeabilität 384 relative Permittivität 384 Restseitenband 103 Restseitenbandmodulation 140 Richtfunk 95 Richtwirkung 337 Righi, Augusto 28 Ringmodulator 116 Röhrenverstärker 37 Roll-off-Factor 236 Röntgenstrahlung 62 Rundfunk 95

RZ-Code 219

S Schmalband-Rauschen 82 Schnurlose Telefone 96 Schottky-Diode 40 Schottky, Walter 40 Schrotrauschen 79 Schwingkreis 272 Schwund 369, 377 schwundmindernde Antenne 349, 369 Scrambling 221 Seeley, Stuart William 183 Seitenbänder 110 Sekundärradar 39, 364 Selektion 57, 270 Selektionskurve 274 selektiver Schwund 124 Sendeleistung 57 Sender 57 Sender für winkelmodulierte Signale 313 Senke 57, 190 Shannon, Claude 189 Shannon-Grenze 247 Shannon/Hartley 246 Shannon-Hartley-Gesetz 197 Shockley, William Bradford 40, 41 Short Wave 64 Signal 53, 395 Signalenergie 74 Signal-Geräuschabstand 99 Signalleistung 74

Signal/Rauschabstand 198 Signalübertragung 86 Simplex-Betrieb 96 SINAD 293 SINAD-Messung 293 sinc-förmiger Impuls 234 Single Sideband 102 Sinus cardinalis 231 Sinusfunktion 71 Sinusschwingung 71 Skin-Effekt 331 Slaby, Adolf 29 SNR - Signal to Noise Ratio 99 Software Defined Radio 51, 281, 307 SDR 432 Solomon, Gustave 216 Space Diversity 380 Spark Telegraphy 29 spektrale Effizienz 247 Spektrum 62 Spektrum der elektromagnetischen Wellen 62 Spiegelfrequenz 277, 295 Spitzendiode 42 Spitzentransistor 44 Spitzenwert 71, 101 Sprechfunk 95 Spurious Emission 302 Spurious response 295 Standardabweichung 80, 243 Steinheil, Carl August von 22 Stereo-Signal 107 Störstrahlung 302 Störwinkel 160 Strahlungsdiagramm 334

444

Strahlungswiderstand 331, 332, 341 Strutt, John William 378 Super 38, 275 Superhet 38, 275 Superheterodyn-Empfänger 38 Superhetreodyn-Empfänger 275 Super High Frequency (SHF) 67 Suppressed carrier 103 Symbol 395 Symbole und Bezeichner 398 Synchrodynempfänger 281, 303 Synchrondemodulator 281, 303 synchrone Demodulation 123

Index

Model 381

U Überlagerungsempfänger 276 Übertragungsfehler 200, 213, 239 Übertragungsgeschwindigkeit 197 Übertragungskanal 57 Übertragungsmass 89 Uda, Shintaro 356 UKW-Rundfunk 64, 107 Ultra High Frequency (UHF) 66 Ultrakurzwellen, UKW 65 Ultraviolettstrahlung 62 Umhüllende 110, 122 Umkehrfunktion 416 Umtastung 225 Unerwünschte Ausstrahlungen 313 unterdrückter Träger 103 Unteres Seitenband 103 Upper Sideband 103

Verzerrung 93 Vestigial Sideband 103, 140 Vierpol 87 Viertelwellen Groundplane Antenne 355 Viertelwellenstrahler 340 VOACAP 371 Volta, Alessandro 20 Voltage Controlled Oszillator, VCO 284

Wahrscheinlichkeit 191 Wahrscheinlichkeitsdichte 80, 242 Weaver, Donald K. 134 Weaver-Methode 134 Weber, Wilhelm Eduard 20, T 434 Wechselsprechen 96 Taktfrequenz 219 Wellenausbreitung 317 Telefon 24 Wellenlänge 61, 62 Télégraphe 17 Wellenwiderstand des freien Thomson, William 20 Raumes 405 Tiefpasssignal 70 Wendelantenne 359 topografische Hindernisse 365 V Widerstandsrauschen 286 Träger 101 Wien, Max 32 Vail, Alfred 21 Trägerfrequenz 57, 63, 68 Winkelmodulation 102, 145 verkürzter ViertelwellenstrahTrägersignal 57, 60, 104 Frequenzmodulation 102 ler 340 Trigonometrische Funktionen, Frequenzumtastung 102 Verkürzungsfaktor 330 elementare 412 Phasenmodulation 102 Vermittlungstechnik 25 Triode 36 Phasenumtastung 102 Verstärkerrauschen 286 Turing, Alan 39 Winkelversatz 71 Verstärkungsregelung 122, 282 Wireless LAN 96 Twinlead-Cable 326 vertikale Polarisation 333 Two Ray Ground Reflection Wirksame Antennenfläche 322

wirksame Antennenhöhe 338 Wirkungsgrad 331

Y Yagi, Hidetsugu 356 Yagi-Uda-Antenne 356

Z Zahnd, Hans 52, 431 Zeichen 190, 395 Zeichenelement 395 Zeit-diskret 69 Zeitfunktion der Winkelmodulation 147 Zeit-kontinuierlich 69 Zero-IF-Receiver 303 Zustopfen 301 Zweiseitenband 102 Zweiseitenband AM mit unterdrücktem Träger 106 Zweiseitenband Amplitudenmodulation 104 Zweiseitenband Amplitudenmodulation mit Träger 108 Zweitor 87–100 Zwischenfrequenz 38, 276 Zwischenfrequenzverstärker 139

445

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Technische und Physikalische Grundlagen

Hans Kummer

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