Signalübertragung durch hertzsche Wellen

Signalübertragung durch hertzsche Wellen

In diesem Text wollen wir uns die Signalübertragung durch hertzsche Wellen anschauen. Bevor wir ins Detail gehen, betrachten wir zunächst, wie überhaupt ein Signal übertragen wird. Dazu bedienen wir uns am Sender-Empfänger-Modell. In einem nächsten Schritt betrachten wir den Unterschied von analogen und digitalen Daten.

Sender-Empfänger-Modell

Stelle dir vor, du stehst an einer Ampel. Eine Person will über die Straße laufen, aber es kommt ein schnelles Auto, das die Ampel übersehen hat. Du rufst laut: „Stopp!“ Die Schallwellen deines Rufs werden über die Luft zu der Person transportiert.

In diesem Szenario bist du dann der Sender und die Person der Empfänger. Die Luft stellt dann den Übertragungskanal dar. Dein Stoppruf bzw. die Schallwellen sind das Signal. Bei diesem Beispiel wird das Signal durch das menschliche Gehör wahrgenommen und in Nervenimpulse umgewandelt. Man spricht hier von der Decodierung des Signals. Die so entstehenden Nervenimpulse sind Daten, die vom Gehirn interpretiert werden. Erst durch das Gehirn erhalten die Schallwellen – dein Stoppruf – eine Bedeutung beziehungsweise eine Information.

Ein Beispiel für die analoge und digitale Darstellungsweise wäre die Uhr. Der Zeiger einer analogen Uhr kann jede Position einnehmen. Der Zeiger kann zwischen zwei Zahlenwerten stehen und jeden denkbaren Zahlenwert zwischen ihnen anzeigen. Eine digitale Uhr hingegen kann immer nur bestimmte Zahlenwerte annehmen. Sie ist diskret. Diskret bedeutet, dass die Uhr eben nur separate, einzelne und unterscheidbare Zahlenwerte anzeigen kann.

Umwandlung analoger Daten in digitale Daten

Aber wie können wir analoge Daten in digitale Daten umwandeln? Gucken wir uns das Beispiel vom Anfang noch einmal an. Wir betrachten wieder deinen Stoppruf an der Ampel. Die Schallwellen können durch ein Mikrofon gemessen werden. Eine Membran im Mikrofon nimmt die Schwingungen der Luft auf. Das Mikrofon ist ein Sensor.

Das vom Sensor aufgenommene analoge Signal wird von einem A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) in bestimmten zeitlichen Abständen abgetastet. Die Rate, mit der der A/D-Wandler das analoge Signal abtastet, wird auch Abtastrate genannt. Sie hat die Einheit $\frac{1}{\text{s}}$ bzw. $1$ Hertz $(1~\text{Hz})$. Die Größe $1~\text{Hz}$ bedeutet, dass pro Sekunde eine Abtastung stattfindet. Damit Signale deutlich erfasst werden können, wird eine enorm hohe Abtastrate benötigt. Eine CD wird beispielsweise mit $44{,}1~\text{kHz}$ abgetastet, also $44\,100$-mal in der Sekunde! So wird aus einem analogen kontinuierlichen Signal ein digitales diskretes Signal. In der folgenden Abbildung ist dieser Vorgang verdeutlicht.

Amplituden- und Frequenzmodulation

Häufig können die Signale nicht direkt aufgenommen, umgewandelt und übertragen werden. Sie müssen zuerst moduliert werden. So kann die Frequenz oder auch die Amplitude des Signals moduliert werden. Die Amplitudenmodulation (AM) verändert die Amplitude eines Signals entsprechend der Information, die übertragen werden soll, während die Frequenz des Trägersignals konstant bleibt. Die Frequenzmodulation (FM) hingegen variiert die Frequenz des Trägersignals gemäß der zu übertragenden Information, wobei die Amplitude konstant bleibt. In der folgenden Abbildung werden die AM und die FM gezeigt.

Datenübertragung und Netzwerkknoten

Wie aber können und werden digitale Daten übertragen? Vermutlich schaust du dir gerade diesen Lerntext mit deinem Smartphone, Tablet oder Computer an. Damit das funktionieren konnte, mussten die digitalen Daten von deinem Endgerät zum Server von sofatutor und zurück zu deinem Gerät übertragen werden. Dabei passieren die Daten mehrere sogenannte Netzwerkknoten. Das schauen wir uns an dem Beispiel des Abrufs dieses Lerntexts an.

Angenommen, du sitzt zu Hause und von deinem Computer geht also ein Signal entweder über Kabel oder mit WLAN an euren Internetrouter. Jedes Gerät (Computer, Tablet oder Smartphone) ist über euren Router mit dem Internet verbunden. Er stellt einen Netzwerkknoten dar. Vom Router aus werden dann die Signale über Leitungen weiter durch das verschaltete Netzwerk des Internets verteilt. Dabei kann das Signal durch weitere Netzwerkknoten wie z. B. große Server verlaufen. Letztendlich gelangt es zum Server von sofatutor, der ebenfalls einen Netzwerkknoten darstellt. Dort wird dein Signal decodiert. Der Server von sofatutor erhält damit die Information, dass du diesen Lerntext aufrufen möchtest. Die angeforderten Daten (Lerntext) werden über die verschiedenen Knoten zurück zu deinem Router und schlussendlich zu deinem Computer geleitet. Die Daten werden erneut decodiert und der Lerntext erscheint auf deinem Bildschirm.