Übertragung von Signalen

In der heutigen Zeit hat annähernd jeder Haushalt mindestens ein Fernsehgerät und mindestens ein Radio. Man schaltet diese Geräte an und hat die Möglichkeit, einen Ton zu hören und ein Bild zu sehen. Wie ist es aber nun möglich, eine Sendung, die an ganz anderer Stelle stattfindet, am Fernsehgerät zu sehen und zu hören?




Abbildung 1
Nachrichtenübertragung


Wie in Abbildung 1 zu erkennen ist, nennt man das zu Übertragende Nachricht. Eine Nachricht ist ein physikalisches Ereignis, was zu einer beliebig weit entfernte Stelle übertragen und dort eine vorgegebene Wirkung auslösen soll. In diesem Fall ist es zum Beispiel eine Musiksendung für das Radio oder eine Fernsehsendung. Eine Datenübertragung ist ebenfalls so aufgebaut.

Man unterscheidet die Übertragungsarten in geführte oder nichtgeführte Übertragungen. Die geführte Übertragung ist an eine Leitung gebunden, wobei die nichtgeführte Übertragung drahtlos von statten geht. Die Übertragungsstrecke kann also aus einem Kabel wie auch aus der Luft bestehen. Auch andere Medien sind für eine Übertragung geeignet. Ein U-Boot benötigt zum Beispiel das Wasser zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, um Funkverbindung mit einem anderen Schiff herzustellen.

Als erstes muss nun also diese Nachricht erfasst und gewandelt werden. Sie wird einer hochfrequenten Trägerfrequenz aufgeprägt. Dieses Umwandeln bezeichnet man als Modulation. Dieses modulierte Signal wird danach gesendet und empfangen, bevor es wieder in seinen Ursprung zurück verwandelt wird. Dieses Zurückwandeln bezeichnet man als Demodulation.


Wellen- und Frequenzbereiche

Fliesst ein periodischer Wechselstrom durch einen Leiter, so entsteht ein elektromagnetisches Wechselfeld. Ist der Leiter endlich und wird immer Energie nachgeliefert, kann sich das Feld vom Ende des Leiters lösen und als elektromagnetische Welle in den freien Raum treten.

Entsprechend ihrer praktischen Notwendigkeit werden elektromagnetische Wellen in verschiedene Bereiche unterteilt. Diese Bereiche finden zum Beispiel bei dem Autoradio oder auch bei einem Fersehgerät Anwendung. Hier tauchen nämlich die verschiedenen Frequenz- bzw. Wellenbereiche auf.
 

Wellenbereich Frequenzbereich Bezeichnung gebr. Abkürzung
1000-10000 m 30-300 kHz Langwellen LF oder LW
100-1000 m 300-3000 kHz Mittelwellen MF oder MW
10-100 m 3-30 MHz Kurzwellen HF oder KW
1-10 m 30-300 MHz Ultrakurzwelle VHF oder UKW
0,1-1 m 300-3000 MHz Dezimeterwelle UHF

Tabelle 1
Trägerfrequenzen
 

Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und der Frequenz liegt auf der Hand. In einem Vakuum breitet sich die elektromagnetische Welle mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Diese beträgt 300.000 km in einer Sekunde. Man rechnet bei der Ausbreitung im freien Raum ebenfalls mit dieser Zahl, obwohl sie wegen des Luftwiderstandes ein wenig geringer ist.

Was ist überhaupt eine Frequenz?

Man kann bestimmte Grössen mit einer Frequenz ausdrücken. Dieses muss nicht immer nur in der Technik sein. Beim Fahrrad fahren zum Beispiel spricht man auch von einer Trittfrequenz. Im Allgemeinen bezeichnet man eine Frequenz als ein sich wiederholendes Ereignis pro einer Zeiteinheit. In dem Beispiel des Fahrrades wird die Umdrehung der Pedalen in einer Minute gemessen.

Diese Frequenz wird also in Abhängigkeit der Zeit berechnet. Je grösser die Zeit wird, die man für eine Pedalumdrehung benötigt, um so geringer wird die Trittfrequenz. In der Technik benötigt man noch eine entscheidende Grösse, die man als Wellenlänge bezeichnet, und die mit dem griechischen Buchstaben Lambda beschrieben wird. Die Länge einer Welle hängt von der Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ab.
 


Formeln
Frequenz und Wellenlänge


In der Elektrotechnik arbeitet man sehr häufig mit Frequenzen. Ein Wechselstrom oder eine Wechselspannung liegen in einer Sinusform vor. Die Frequenz ergibt sich hierbei aus der Dauer einer Schwingung. Die Wellenlänge Lambda ist von der resultierenden Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig.

 

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit wird mit "c" bezeichnet und beträgt den erwähnten Wert von 300.000 Km pro Sekunde. In den verschiedenen Übertragungsmedien wird noch ein Faktor mit eingerechnet, da die elektromagnetische Welle sich zum Beispiel im Wasser mit einer anderen Geschwindigkeit ausdehnt. Im Folgenden wird aber immer von der Luft als Übertragungsmedium ausgegangen.


Abbildung 2
Wechselspannung oder -strom
 

In dem Beispiel in Abbildung 2 ergibt sich eine Frequenz von 10 MHz und eine Wellenlänge von 30 Metern. Die Information wird zum Beispiel dieser hohen Frequenz aufgeprägt. Dieses ist erforderlich, damit das Signal im freien Raum übertragen werden kann. Nach der Erfassung und Modulation muss das entstandene Signal gesendet werden. Hierfür werden Antenne benötigt.

Diese Antennen haben unterschiedliche Formen, da sie unterschiedlichen Zwecken dienen, und unterschiedliche Frequenzbereiche senden bzw. empfangen. Hierbei wird die Energie am Ende einer Leitung von der Antenne abgestrahlt und auch wieder aufgenommen.

Hier sind unterschiedliche Bauarten vorhanden. Antennen, die aus Dipolen bestehen und Parabolantenne sind gängige Antennen. Sie dienen zur Übertragung der Radio und Fernsehsendungen.
 

Wellenbereich Frequenzen Bezeichnung
0,01-0,1 Meter 3-30 GHz Zentimeterwellen ( SHF )
1-10 Millimeter 30-300 GHz Millimeterwellen ( EHF )
0,1-1 Millimeter 300-3000 GHz Dezimillimeterwellen
0,001-0,1 Millimeter 3-300 THz Infrarotes Licht
0,1-1 Mikrometer 300-3000 THz Von 400-750 THz sichtbares Licht
1-100 Nanometer 3000-300000 THz Ultraviolettes Licht

Tabelle 2
Weitere Frequenzbereiche
 

Wie in Tabelle 2 zu sehen ist, existieren weitere Frequenzbereiche, die in anderen Teilbereichen der Technik Anwendung finden. Infrarotes Licht spielt zum Beispiel bei Fernbedienungen eine grosse Rolle, denn die Signale werden in diesem Frequenzbereich übermittelt.

Dipole

Dipole finden in der Funktechnik eine breite Anwendung. Jedes tragbare Radio besitzt eine Teleskop-Dipolantenne, jedes Peilgerät besitzt zur Richtungsbestimmung einen Dipol und viele Sender im Mittelwellenbereich werden an Lambda/4-Dipolen betrieben.

Ein Dipol ist die einfachste Art, ein hochfrequenten Signal abzustrahlen oder zu empfangen. Er sollte die Eigenschaften eines Schwingkreises besitzen, da man einen Speicher für die elektrische und einen Speicher für die magnetische Komponente benötigt. Dieser Schwingkreis besteht im Prinzip aus einer Spule für den magnetischen Anteil und einem Kondensator für die elektrische Komponente.

Diese Antenne wirkt sich also so aus, dass beide Enden des Dipols die Platte des Kondensators entsprechen. In der Mitte, wo das Signal eingespeist wird, verhält er sich wie eine Spule. Damit sich das Signal aber überhaupt von der Antenne löst, wird eine ausreichend hohe Frequenz und eine immer nachgelieferte Energie vom Sender benötigt. Bei niedrigen Frequenzen schafft es das Signal nicht, sich von dem metallischen Dipol zu lösen.


Abbildung 3
Aufbau eines Dipols
 

Mit Hilfe dieser Antenne könnte man nun seine Fernsehsendungen oder Radioprogramme empfangen. Das Problem bei dieser einfachen Antenne besteht in der benötigten Grösse. Betrachtet man ein Signal im Mittelwellenbereich mit ca. 500 kHz, so benötigt man eine Antenne , die 300 Meter lang und 150 Meter über dem Boden installiert sein muss.

Eine andere Form besitzt der Faltdipol. Er wird hauptsächlich im UKW Bereich eingesetzt. Diese Antenne zeichnet sich durch eine etwas grössere Bandbreite aus und wird daher häufig in TV- und Hörfunkantennenanlagen verwendet. Diese Antenne sollte ebenfalls die Länge von der Hälfte der Wellenlänge besitzen. In diesem Fall liegt die Frequenz im Bereich von 100 MHz. Diese Antenne muss also ca. 1,5 Meter lang sein, da:


Formelbeispiel



Abbildung 4
Faltdipol
 

Dipole strahlen in alle Richtungen ab. Da nun aber eine Antenne meistens gerichtet sein soll, muss man sich einer Zusammenschaltung bedienen. Hierbei werden mehrere Dipole so angeordnet, dass sich eine Hauptkeule bildet, die dann in eine bestimmte Richtung sendet.

Beim Empfang werden diese dann in die Richtung angeordnet, aus der das gesendete Signal kommt. Die so entstandene Antenne nennt man Gruppendipolantenne. Diese sind sehr häufig auf den Hausdächern zu sehen. Je höher die Anzahl der Dipole ist, um so schmaler wird die Hauptkeule. Mit steigender Anzahl der Dipole wird die Richtcharakteristik dieser Gruppenantenne immer besser.


Abbildung 5
Antennen, Beispiele
 

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Polarisation. Hier ist darauf zu achten, in welcher Lage sich die elektromagnetische Welle im freien Raum bewegt. Man unterscheidet zwischen der horizontalen und vertikalen Polarisation. Um einen optimalen Empfang bei maximaler Leistung zu erzielen ist es notwendig, diese Ausrichtung der Antenne sehr sorgfältig vorzunehmen.

Eine weitere Antenne, die noch zu erwähnen wäre, ist die Wendelantenne. Sie wird manchmal auch als Spulen- oder Korkenzieherantenne bezeichnet. Hierbei wird ein Leiter zu einer Wendel aufgewickelt. Es sollten mindestens drei Windungen vorhanden sein. Die Länge einer Windung sollte der Wellenlänge Lambda entsprechen. Diese Antenne kann sowohl vertikale, horizontale und schräg polarisierte Wellen aufnehmen.

Die Parabolantenne

In den 80er Jahre hat man damit begonnen, Satelliten in die Erdumlaufbahn zu schicken, die dann mit mehreren Transpondern auf die Erde zurück senden. Um diese Signale empfangen zu können benötigt man eine Parabolantenne. Diese Signale können nun aber nicht einfach an den Fernseher angeschlossen gesendet werden, da der eingebaute Tuner im Fernsehgerät dieses Signal nicht umsetzen kann.


Abbildung 6
Parabolantenne
 

Um nun aus dem empfangenen Signal wieder ein Fernsehprogramm auf den Bildschirm zu bekommen, benötigt man noch LNB ( Low Noise Block ) und einen Receiver, der wieder ein Signal erzeugt, womit der Fernseher arbeiten kann.

Die schwarzen und roten Linien stellen den Signalweg dar, der in unmittelbarer Nähe der Antenne auftritt. Haushalte mit einer Satellitenschüssen auf dem Dach oder am Balkon empfangen die Signale von den Transpondern auf der Erdumlaufbahn. Die schwarzen Linien stellen das ankommenden Signal dar. Diese werden von der Antenne so reflektiert, dass sie, wie die roten Linien zeigen, am Empfangsteil gebündelt ankommen.

Es besteht aber auch die Möglichkeit mit Hilfe einer Parabolantenne zu senden. Hier geht der Weg der Signale in die andere Richtung. Zuerst werden sie vom Sendeteil in Richtung Antenne gestrahlt, die daraus ein gebündeltes Signal in Form von Parallelstrahlen bewirkt.


Abbildung 7
Satellitenschüssel
 

Die meisten deutschen Programme befinden sich auf den Satelliten, die den Namen ASTRA haben. Dieser besteht aus 12 Satelliten. Diese sind auf der Orbitalposition 19,2° Ost positioniert. ASTRA 1A - 1C arbeiten im unteren ASTRA Band von 10,70 GHz bis 11,70 GHz. ASTRA 1E, 1F und 1G, arbeiten im oberen ASTRA Band zwischen 11,70 und 12,75 GHz.

Um den gesamten Frequenzbereich von 10,70 bis 12,75 GHz zu empfangen, ist der Einsatz eines Universal LNB erforderlich. Das Universal LNB erlaubt gleichermaßen den Anschluß eines analogen-, als auch eines digitalen Receivers. Ältere LNB´s in bereits installierten Empfangsanlagen können problemlos ausgetauscht werden.

Das "Universal LNB" wählt entweder das untere ASTRA Band oder das obere ASTRA Band, indem es einen 22 kHz Schaltton aktiviert, der von dem Satellitenreceiver erzeugt wird. Die vertikale oder horizontale Polarisation wird gewählt, indem die Stromversorgung des LNB 13 oder 18 Volt erhält. Dieses LNB setzt das Signal nun auf eine Frequenz von 950 bis 2150 MHz um. Mit dieser Frequenz kann nun der Receiver arbeiten und ein Bild und einen Ton erzeugen.