Wellen und Kommunikation: Grundlagen, Arten und Telekommunikation

Wellen und Kommunikation: Grundlagen

Wellen sind die Grundlage für die Übertragung von Informationen durch verschiedene Kommunikationssysteme (wie Radio oder unsere Stimme). Eine Welle ist eine räumliche Störung, die sich ausbreitet, ohne dass Materie transportiert wird, sondern nur Energie.

Eigenschaften von Wellen

• Die Schwingungsperiode (T) ist die Zeit, die für eine vollständige Schwingung benötigt wird.
• Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde ist die Frequenz (f) und entspricht dem Kehrwert der Periode: $f = 1/T$. Diese Einheit wird in $s^{-1}$ gemessen und heißt Hertz (Hz).
• Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen (den höchsten Punkten der Welle) oder zwei Tälern ist die Wellenlänge ($\lambda$).
• Die Amplitude (A) ist der maximale Abstand, den ein Teilchen von seiner Ruhelage entfernt wird, wenn die Welle Energie überträgt. Eine größere Amplitude bedeutet eine größere übertragene Energie.

Arten von Wellen

Mechanische Wellen

Diese Wellen benötigen ein Materialmedium zur Ausbreitung. Beispiele hierfür sind Wellen im Wasser, die durch den Aufprall eines Objekts erzeugt werden, oder Schallwellen.

Elektromagnetische Wellen

Diese Wellen können sich im Vakuum ausbreiten und benötigen kein Materialmedium. Im Jahr 1887 war der deutsche Physiker Hertz der Erste, der sie erzeugte und nachwies.

Das elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle elektromagnetischen Wellen mit allen möglichen Wellenlängen. Abhängig von ihrer Länge haben sie unterschiedliche Anwendungen:

• Am einen Ende des Spektrums befinden sich die gefährlichsten Strahlungen: Röntgen- und Gammastrahlen mit kleinerer Wellenlänge und höherer Frequenz.
• In der Mitte finden wir Strahlungen wie ultraviolettes Licht, sichtbares Licht und Infrarotstrahlung.
• Am anderen Ende befinden sich Radiowellen oder Mikrowellen mit großen Wellenlängen und niedrigen Frequenzen, die in verschiedenen drahtlosen Kommunikationssystemen (Radio und Mobilfunk) verwendet werden.

Die Energie der Strahlung hängt von der Frequenz ab; daher sind Frequenzen mit höheren Werten energetischer. Die Exposition gegenüber dieser Strahlung kann gesundheitsschädlich sein.

Telekommunikation

Telekommunikation umfasst verschiedene Systeme, mit denen visuelle, schriftliche oder akustische Nachrichten schnell und effizient gesendet werden können. Hierzu zählen insbesondere die Telegrafie und die Telefonie sowie in Erweiterung der Rundfunk und das Fernsehen.

Telegrafie und Funktelegrafie

Telegraf

Der elektrische Telegraf übermittelte die ersten Nachrichten durch lange oder kurze elektrische Impulse über ein Kabel zu einem Empfänger. Mithilfe eines Elektromagneten zeichnete ein System Punkte und Striche auf ein Papierstreifen, wodurch die Nachricht interpretiert werden konnte.

Datenübertragung (Moderne Telegrafie)

Telegrafische Übertragungen stellen heute Daten dar, die über Computerkterminals, die an Telefonnetze angeschlossen sind, kodiert und gesendet werden (Text und Bilder).

Telefon

Ein Telefon besteht aus einem Sockel, einem Mikrofon, einem Hörer (Lautsprecher), einer Tastatur und neuerdings einem Klingelton. Moderne Mobiltelefone enthalten zudem einen Mikrochip, der die Digitalisierung der Sprachsignale ermöglicht.

Festnetztelefon

Beim Festnetztelefon sind Hörer und Mikrofon über eine Basisstation verbunden, von wo aus die Verbindung zum Telefonnetz hergestellt wird. Bei kabellosen Festnetztelefonen erfolgt die Verbindung über eine kurze Funkstrecke zur Basis.

Mobiltelefon

Das Mobiltelefon verfügt über einen Funk-Sender und -Empfänger, der im Mikrowellenbereich arbeitet. Die Signale werden über Kabel, Funkantennen oder Satelliten übertragen, um vom sendenden Telefon zu einem anderen Telefon zu gelangen, das den ursprünglichen Klang rekonstruiert.

Das Radio

In einem Radiosender werden die durch das Mikrofon erzeugten Klänge in elektrische Schwingungen niedriger Frequenz umgewandelt. Diese können nicht direkt übertragen werden, da sie gestört würden und nicht weit entfernte Orte erreichen könnten. Für die Übertragung werden Radiowellen genutzt, die durch das elektrische Signal des Mikrofons verändert werden. Dieser Prozess wird Modulation genannt.

Modulationsarten

Die wichtigsten Arten sind Amplitudenmodulation (AM) und Frequenzmodulation (FM). Bei AM werden die Informationen durch Änderungen der Amplitude der Radiowelle übertragen, während bei FM die Frequenz konstant bleibt, was atmosphärische Störungen besser vermeidet.