Grundlagen der Signalübertragung und Lichtwellenleiter

Dämpfung von Signalen (I)

Die grundlegende physikalische Beschränkung der Signalübertragung hängt von der Entfernung und der Frequenz des Transceivers ab. Der Signalverlust aufgrund der Entfernung ist exponentiell, nicht linear. Um eine lineare Beziehung zwischen Verlusten und Gewinnen herzustellen, verwenden wir die Einheit Dezibel (dB), die eine einfache Addition und Subtraktion ermöglicht.

Die beeinflussenden Parameter sind:

• d: Abstand zwischen Sender und Empfänger
• λ (Lambda): Wellenlänge
• f: Übertragungsfrequenz

Die Wellenlänge hängt von der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Kanal ab (z. B. Luft: ca. 300.000 km/s). In der Praxis ist die minimale Empfängerleistung entscheidend für die Signalqualität.

Geführte Übertragungsmedien (I)

Die Bandbreite oder Übertragungsgeschwindigkeit hängt von der Entfernung sowie der Art der Verbindung (Punkt-zu-Punkt oder Mehrpunkt) ab.

Klassifizierung geführter Übertragungsmedien (II)

Man unterscheidet verschiedene Arten von Leitungen:

• Blanke Freileitungen: Bestehen aus einer Gruppe von Leitern, meist Kupfer, die durch Isolatoren getrennt und mechanisch stabilisiert sind.
• Kabel: Eine Gruppe isolierter Leiter, die zu einem Bündel zusammengefasst und durch Schutzhüllen geschützt sind (unterirdisch oder in Rohren).

Bei niedrigen Frequenzen werden meist zwei Drähte verwendet, während bei Hochfrequenz (Mikrowellen) die Energie in einer physischen Struktur (ähnlich einer Freileitung) geführt wird. Kabel können vergraben oder an Masten befestigt werden. Bei langen Strecken sind Verstärker oder Lastspulen erforderlich.

Primäre Parameter

• Widerstand
• Induktivität (L)
• Kapazität (C)
• Ableitung (G): Abhängig von der Isolierung und Frequenz.

Skin-Effekt: Ein wichtiger Effekt, bei dem die Eindringtiefe des Stroms mit steigender Frequenz abnimmt, was den Widerstand pro Längeneinheit erhöht.

Physikalischer Aufbau von Leitern

Leiter bestehen meist aus Kupfer mit Durchmessern zwischen 0,3 und 1,3 mm. Die Isolierung besteht aus Kunststoff oder Papier. Die Ummantelung muss flexibel, mechanisch widerstandsfähig und korrosionsbeständig sein (Materialien: Blei, Stahl, Aluminium oder Kunststoffe wie Polyethylen/PVC).

Kabeltypen

• Kabelpaare: Symmetrische Paare, verdrillt für Telefonie und Computernetzwerke.
• Quad-Kabel: Vier Adern bilden kleine Quadrate. Typen: DM (Niederfrequenz), Star (Hochfrequenz), Peer-Star (Niederfrequenz).

Weitere Kabelarten: UTP, STP, FTP, Schmalband- und Breitband-Koaxialkabel.

Lichtwellenleiter (LWL) - Aufbau (I)

LWL sind flexible, feine Leiter für optische Energie (sichtbares Licht, Infrarot, Ultraviolett). Sie bestehen aus dielektrischen Strukturen, meist Silizium, mit zylindrischer Symmetrie.

Lichtwellenleiter - Aufbau (II)

• Kern: Verantwortlich für die Lichtübertragung, aus Glas oder Kunststoff.
• Mantel (Cladding): Umgibt den Kern, um das Licht durch Totalreflexion im Kern zu halten.
• Beschichtung (Coating): Schützt vor Kopplungen und mechanischen Einflüssen.
• Außenmantel: Schutz gegen Feuchtigkeit, Abrieb und mechanische Belastung.

Eigenschaften von Lichtwellenleitern

Die Dämpfung wurde von 1000 dB/km auf heute ca. 0,16 dB/km reduziert, was Übertragungsstrecken von über 200 km ohne Signalregeneration ermöglicht.

Vorteile: Hohe Bandbreite, geringe Dämpfung, Immunität gegen elektromagnetische Störungen, hohe mechanische Stabilität und geringes Gewicht.

Ausbreitungsmethoden in der Faseroptik

Die Untersuchung der Lichtausbreitung erfolgt über vier Modelle:

1. Strahlenoptik: Einfachste Methode.
2. Wellenoptik: Basierend auf Maxwell-Gleichungen.
3. Elektromagnetische Feldanalyse: Detaillierte Analyse der Felder.
4. Quantenoptik: Analyse von Elektronen und Photonen.

Die Strahlenoptik eignet sich gut für Multimode-Fasern, während die Modentheorie für Singlemode-Fasern präzisere Ergebnisse liefert, jedoch mathematisch komplexer ist.