Physikalische Grundlagen der Signalübertragung: Spektrum, Bandbreite und Medien

Bisherige Konzepte: Physikalische Begriffe

Dun-Signal-Spektrum und Bandbreite

Wir haben gesehen, dass Signale über eine zugeordnete RMS-Frequenz verfügen. Dieser grundlegende Parameter zeigt, dass jedes stetige und differenzierbare Signal in eine Summe (endlich oder unendlich) von Sinussignalen zerlegt werden kann. Jede dieser Sinuskomponenten ist mit einer maximalen Amplitude verbunden. Das Spektrum eines Signals ist die zweidimensionale grafische Darstellung der Amplitude vs. Frequenz. Elektrische Signale werden als Funktion der Zeit mit einem Oszilloskop und nach der Frequenz mit einem Spektrumanalysator gemessen. Daher hat jedes Signal eine doppelte Darstellung:

• Im Zeitbereich.
• Im Frequenzbereich.

Im Bereich der Kommunikation und Telematik ist die Bandbreite die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Frequenz des Frequenzspektrums. Beispiel: Ein Spektrum mit 8 kHz Bandbreite: 1 kHz -> 9 kHz.

2.1.1. Grundlegende Merkmale der physikalischen Medien

Ein Kommunikationssystem besteht aus physikalischen Komponenten, die den Gesetzen der Physik folgen. Alle elektrischen Signale erfahren eine Abschwächung, wenn Energie durch Übertragung umgewandelt wird. Diese Abschwächung wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben: R = U / I

Verschmutzung und Verzerrung des Signals

Bei der Übertragung können unerwünschte physikalische Phänomene das ursprüngliche Signal verändern oder verfälschen. Dies kann zu Informationsverlust oder Fehlinterpretationen führen. Zu den häufigsten Nebenwirkungen gehören:

• Dämpfung
• Verzerrung
• Interferenz
• Rauschen

Dämpfung

Die Dämpfung ist eine Schwächung des Signals aufgrund des elektrischen Widerstands im Übertragungskanal und den beteiligten Elementen. Diese Schwächung manifestiert sich in Form eines Abfalls der Amplitude (Leistung) des gesendeten Signals. Es kann ein Punkt erreicht werden, an dem die Amplitude des Signals so gering ist, dass es vom Empfänger nicht mehr erkannt wird.

Verzerrung

Die Verzerrung ist eine Verformung des Signals, da sich der Kanal bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich verhält. Die Abstimmung dient dazu, diese Verzerrungen zu minimieren.

Interferenz

Interferenz ist eine Störung des Empfangssignals durch unerwünschte Signale, die durch natürliche oder künstliche Quellen im Übertragungskanal verursacht werden.

Rauschen

Rauschen ist jede Störung des Übertragungskanals selbst, die durch Mängel der Materialien oder Ressourcen oder durch Umgebungsbedingungen wie Temperatur verursacht wird.

Konzepte: Encoding

Encoding ist der Ausdruck von Informationen gemäß einem Standard oder Code. Sender und Empfänger müssen sich auf einen Code einigen, um ihre Botschaften auszudrücken. Dies beinhaltet die Verwendung physikalischer Aspekte wie Amplitude und Dauer des Signals bei der Übertragung.

Konzepte: Modulation

Durch die Variation von drei grundlegenden Parametern eines linearen Sinussignals ergeben sich drei lineare Modulationsmöglichkeiten:

• Amplitudenmodulation (AM)
• Frequenzmodulation (FM)
• Phasenmodulation (PM)

Jeder Übertragungskanal verhält sich wie ein Filter, der bestimmte Frequenzen besser als andere durchlässt. Die Modulation versucht, das Signal an die Eigenschaften des Übertragungskanals anzupassen. Die Wellenlänge (λ) ist eine physikalische Größe eines periodischen Signals, die durch die Frequenz multipliziert die Geschwindigkeit des Signals auf einem Kanal ergibt. Im Vakuum: C = λ * f

Die Wellenlänge ist die Strecke, die ein Sinussignal in einem Zeitraum (T) zurücklegt. Eine Radioantenne muss eine Länge von etwa 0,1 λ haben, wobei λ die Wellenlänge der zu übertragenden elektromagnetischen Signale ist. Die Modulation ermöglicht es, die Frequenz des ursprünglichen Signals zu ändern, um Antennen mit angemessenen Abmessungen zu erstellen. Diese Frequenzänderung kann auch nützlich sein, um laute Frequenzbänder oder starke Störungen zu vermeiden. Es ist auch unrealistisch, dass Übertragungskanäle auf derselben Frequenz arbeiten, da sie sich gegenseitig stören würden. Daher wird die Technik der Frequenzmultiplexübertragung verwendet. Dies wird später noch genauer erläutert.

Das elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum ist die Karte der Frequenzen, die zur Erzeugung elektromagnetischer Signale verwendet werden können.

Die physikalische Schicht

Die physikalische Schicht transportiert Daten von einer Maschine zu einer anderen. Jedes physikalische Übertragungsmedium wird durch Bandbreite, Verzögerung, Kosten, Installations- und Wartungsaufwand charakterisiert.

Klassifikation von Übertragungsmedien

Grundsätzlich können Übertragungsmedien in zwei Gruppen eingeteilt werden:

• Geführte Medien (Kupferkabel, Glasfaser)
• Ungeführte Medien (Radio, Infrarot)

Geführte Medien umfassen Metallkabel (Kupfer, Aluminium usw.) und Glasfaserkabel. Metallkabel werden in der Regel innerhalb von Gebäuden oder in unterirdischen Leitungen verlegt. Metallkabel können Koaxial- oder Twisted-Pair-Kabel sein, wobei Kupfer das bevorzugte Material für die Kernelemente von Übertragungsnetzen ist. Glasfaserkabel sind in Kunststoff- oder Glasfaserausführung erhältlich.