Übertragungsmedien: Grundlagen, Störungen und Kanalkapazität

Grundlagen der Übertragungsmedien

Das Übertragungsmedium ist der physikalische Pfad, über den Sender und Empfänger in einem Übertragungssystem kommunizieren. Wir unterscheiden zwei Arten von Medien: geführte und ungeführte Medien. In beiden Fällen erfolgt die Übertragung durch elektromagnetische Wellen.

Geführte und ungeführte Medien

• Geführte Medien: Diese leiten Wellen durch ein physisches Medium. Beispiele hierfür sind Koaxialkabel, Glasfaser und Twisted-Pair-Kabel.
• Ungeführte Medien: Diese bieten keine physische Führung für die Wellen. Beispiele hierfür sind die Luft und das Vakuum.

Die Natur des Mediums sowie das übertragene Signal bestimmen die Art und Qualität der Übertragung. Bei geführten Medien bestimmt das Medium selbst die Grenzen der Übertragung, wie die unterstützte Bandbreite und den Abstand zwischen Repeatern. Bei ungeführten Medien hängt die Übertragung vom Frequenzspektrum des Signals ab, das von der Antenne in das Medium abgestrahlt wird.

Störungen bei der Datenübertragung

Alle elektrischen und elektronischen Geräte senden Störungen aus oder sind anfällig für diese. Zu den häufigsten Problemen bei der Datenübertragung gehören:

Dämpfung

Die Signalstärke nimmt mit der Entfernung ab. Es muss sichergestellt werden, dass genügend Energie beim Empfänger ankommt und das Signal deutlich stärker als das Hintergrundrauschen ist. Zur Aufrechterhaltung der Signalstärke werden Verstärker oder Repeater eingesetzt. Da die Dämpfung frequenzabhängig ist, können analoge Signale verzerrt werden. Hier kommen Systeme zum Einsatz, die das Signal in seine ursprünglichen Eigenschaften zurückversetzen (z. B. durch Spulen, die die elektrischen Eigenschaften bei höheren Frequenzen anpassen).

Laufzeitverzerrung (Delay Distortion)

Da in geführten Medien die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals mit der Frequenz variiert, erreichen verschiedene Frequenzanteile eines Signals den Empfänger zu unterschiedlichen Zeiten. Um dieses Problem zu mildern, werden Techniken zur Laufzeitentzerrung verwendet.

Rauschen

Rauschen ist jedes unerwünschte Signal, das zwischen Sender und Empfänger in den Übertragungskanal gelangt. Es gibt verschiedene Arten:

• Thermisches Rauschen: Verursacht durch die thermische Bewegung von Elektronen innerhalb des Leiters.
• Intermodulationsrauschen: Tritt auf, wenn sich verschiedene Frequenzen dasselbe Übertragungsmedium teilen.
• Übersprechen (Crosstalk): Entsteht durch eine unerwünschte Kopplung zwischen Leitungen.
• Impulsrauschen: Unstetige Impulse von kurzer Dauer und hoher Amplitude, die das Signal beeinträchtigen.

Kanalkapazität

Die Kanalkapazität definiert die Geschwindigkeit, mit der Daten über einen Kommunikationskanal übertragen werden können.

• Datenrate: Die Geschwindigkeit, mit der Daten in Bits pro Sekunde (bps) übertragen werden können.
• Bandbreite: Die Breite des übertragenen Signals, begrenzt durch den Sender und das Übertragungsmedium (in Hertz).
• Fehlerrate: Die Häufigkeit, mit der Übertragungsfehler auftreten.

Für eine gegebene Bandbreite ist eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit erstrebenswert, jedoch steigt dabei meist die Fehlerrate, wobei das Rauschen den größten limitierenden Faktor darstellt. Die Nyquist-Formel besagt, dass bei einer gegebenen Bandbreite B die höchste Übertragungsgeschwindigkeit 2B beträgt. Durch die Kodierung von mehr als einem Bit pro Zyklus (bei digitalen Signalen) oder die Erhöhung der Signalstufen lässt sich die übertragene Informationsmenge weiter steigern.