Übertragungsmedien: Funk

Seit ihrer Entdeckung hat die Funktechnik einen unauslöschlichen Stempel in unserem Alltag hinterlassen. Die Wurzeln der Funktechnik reichen bis zur Geburtsstunde der Nachrichten- und Kommunikationstechnik zurück. Ihre Evolution hat eine transformative Reise erlebt, die von den bescheidenen Anfängen bis hin zu den hochkomplexen und hochentwickelten Systemen reicht, die heute allgegenwärtig sind. In den Anfängen war die Funktechnologie hauptsächlich auf die Übertragung von Nachrichten beschränkt.

Im Laufe der Zeit hat sie jedoch nahezu jeden Aspekt unseres Lebens durchdrungen. Heutzutage ist sie ein wichtiger Bestandteil der modernen Kommunikation, von der Telekommunikation und dem Rundfunk bis hin zu drahtlosen Netzwerken und der Satellitenkommunikation. Die Bedeutung der Funktechnologie erstreckt sich über die bloße Übermittlung von Nachrichten hinaus. Sie verbindet Menschen und Institutionen weltweit. Mit der zunehmenden Digitalisierung und Vernetzung wird ihre Rolle noch weiter ausgebaut. Das Internet der Dinge (IoT) und die Entwicklung von 5G-Netzwerken   sind Beispiele dafür, wie die Funktechnologie neue Horizonte erschließt und unsere Möglichkeiten zur Interaktion und Integration in die Welt um uns herum erweitert.

Doch wie funktioniert Funkübertragung im Wesentlichen? Dies werden wir in diesem Artikel grundlegend versuchen zu erklären.

Funktechnik ist eine von vielen Möglichkeiten, Medien zu übertragen. Im Wesentlichen unterscheiden wir Übertragung zwischen typischen metallischen Leitern wie z.B. Koaxialleitern (siehe Abbildung unten), Glasfaserübertragungen und weiteren Übertragungsarten wie z.B. Visible Light Communication (VLC). Eine Funkübertragung hingegen erfolgt über eine Funkstrecke, die sich aus einem Sender und einem Empfänger zusammensetzt.

Die Art des Funkbetriebs hängt von der Antennentypologie, der Übertragungsdistanz und der Anzahl der Sender und Empfänger ab. Es gibt Rundfunk, Mobilfunk, Richtfunk und Satellitenfunk.

Mobilfunk bezeichnet entweder kleine Funkgeräte oder große Funksysteme. Kleine Funkgeräte sind Endgeräte wie Handys, die entweder im Vollduplex- oder Halbduplex-Betrieb arbeiten. Große Funksysteme bestehen aus mehreren Stationen, darunter Basisstationen und Endgeräte, die ebenfalls im Vollduplex- oder Halbduplex-Betrieb arbeiten. Im Mobilfunk werden in der Regel Sprache und/oder Daten übertragen. Eine Besonderheit im Mobilfunk sind Basisstationen, die ähnlich wie beim Rundfunk Signale an mehrere Endgeräte senden. Diese Basisstationen sind untereinander über das Backbone-Netz (z. B. Glasfaser) verbunden. Im Gegensatz zum Rundfunk wird im Mobilfunk im Duplex-Betrieb gesendet.

Bei Punkt-zu-Punkt-Übertragungen spricht man von Richtfunk (auch Mikrowellenübertragung genannt). Richtfunk wird immer dann eingesetzt, wenn eine gezielte Datenübertragung erforderlich ist (daher auch der Name Punkt-zu-Punkt-Übertragung). Im Alltag findet man dies z.B. bei der Verteilung von Programmen an Rundfunksender. Für den Einsatz von Richtfunk sind bestimmte physikalische Voraussetzungen erforderlich. Sender und Empfänger benötigen eine direkte Sichtverbindung, daher müssen die Sende- und Empfangsantennen erhöht aufgestellt werden. Aufgrund von Erdkrümmung, Topografie und Bebauung darf kein Gelände in die Übertragungsstrecke hineinragen, so dass die erste Fresnel-Zone frei von Hindernissen sein muss.

In der vielfältigen Landschaft der Funkübertragungstechnologien nimmt der Satellitenfunk eine bedeutende Stellung ein. Er repräsentiert eine spezifische Ausprägung der drahtlosen Kommunikation, die durch den Einsatz von Satelliten im Orbit ermöglicht wird. Der Begriff "Satellitenfunk" fungiert hierbei als ein übergeordneter Terminus, der verschiedene Formen und Anwendungen dieser Technologie umfasst.

Im Alltag begegnet uns der Satellitenfunk in Form der weit verbreiteten Satellitenschüssel auf Hausdächern, die für den Empfang von Fernseh- und Rundfunksignalen genutzt werden. Diese Form der Übertragung per Satellit ist vielen vertraut und stellt eine populäre Anwendung des Satellitenfunks dar.

Eine weitere wichtige Anwendung des Satellitenfunks liegt in den Punkt-zu-Punkt Verbindungen zwischen Erdfunkstellen und Satelliten sowie zwischen den Satelliten selbst. Hier kommen Fernmeldesatelliten zum Einsatz, die von internationalen Fernmeldegesellschaften betrieben werden. Diese Satelliten dienen der punktuellen Übertragung von Fernmelde- und Kommunikationsdiensten über große Distanzen.

Fernmeldesatelliten zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, mit geringer Sendeleistung einen kleinen Footprint zu erreichen. Trotz ihrer Entfernung zur Erde ermöglichen sie die zuverlässige Übertragung verschiedener Fernmeldedienste, Teledienste und Kommunikationsdienste zwischen den Fernmeldegesellschaften und Fernsehanstalten.

Unsere Satellitenschüssel (Offsetsatellitenantenne) auf den Dächern unserer Häuser empfangen eine Funkübertragung über Rundfunksatelliten, bei der ein Satellit auf einer geostationären Umlaufbahn [5] eine große Fläche der Erde überstrahlt. Dieser Kommunikationssatellit ist für die Übertragung von Rundfunkinhalten spezifiziert. Darüber hinaus gibt es Satelliten mit speziellen Aufgaben, z.B. Satelliten zur Erd- und Weltraumerkundung, z.B. Voyager 1 [6].  

Nun haben wir die wichtigsten und grundlegenden Medien kennengelernt, die eine Form von Funkübertragung durchführen. Doch was wird gesendet und wie funktioniert das?

Bei einer Funkübertragung werden elektromagnetische Wellen in einem bestimmten Frequenzbereich zwischen einem Sender und einem Empfänger übertragen. Die Senderantenne erzeugt durch eine Wechselspannung einen Wechselstrom in der Antennenleitung, was ein sich veränderndes elektrisches Feld erzeugt. Dieses elektrische Feld erzeugt wiederum ein sich veränderndes magnetisches Feld. In diesem magnetischen Feld bilden sich elektromagnetische Wellen, die bei der Empfangsantenne eine induzierte Wechselspannung erzeugen und so einen Wechselstrom im Empfänger erzeugen.

Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum aus. Daher ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Atmosphäre identisch mit der Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum. Die elektromagnetischen Wellen transportieren Informationen, die in den Sender eingespeist werden, daher ist ausgenommen von Freiraumdämpfung [7] und Absorption [8] die Datenübertragung sehr schnell.

Der Frequenzbereich einer Funkübertragung wird durch die spezifische Wahl der Frequenz festgelegt, die der Sender verwendet, um die elektromagnetischen Wellen zu erzeugen. Die Festlegung erfolgt durch den Sender selbst und gegebenenfalls durch nationale Regulierungsbehörden (in Deutschland: Bundesnetzagentur BNetzA), um Interferenzen  zwischen verschiedenen Kommunikationssystemen zu minimieren und die Effizienz der Nutzung des Frequenzspektrums zu maximieren.

Bestimmte Frequenzbereiche sind auch für militärische Zwecke zur Aufklärung und verschlüsselten Datenübertragung belegt, daher kann das Senden außerhalb der zugewiesenen Frequenzen gegen Gesetze und Vorschriften verstoßen und rechtliche Konsequenzen wie Bußgelder oder sogar strafrechtliche Verfolgung nach sich ziehen.

Die Funktechnologie spielt aufgrund ihrer zentralen Rolle bei der Integration verschiedener Technologien und der Schaffung smarter sowie vernetzter Ökosysteme eine wichtige Rolle in der Innovation und Fortschritt.

Sie hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir leben, arbeiten und interagieren, grundlegend zu verändern. Mit der fortschreitenden Entwicklung und Integration von Technologien wie künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und Robotik wird die Funktechnologie eine Schlüsselrolle bei der Schaffung intelligenterer und effizienterer Systeme spielen. Die Funktechnologie wird von Smart Homes über vernetzte Städte bis hin zu industriellen Prozessen eingesetzt, um unsere Umgebungen zu optimieren und uns dabei zu unterstützen, Ressourcen effektiver zu nutzen. Doch mit diesen Fortschritten gehen auch neue Herausforderungen einher, insbesondere in Bezug auf Datenschutz, Sicherheit und ethische Fragen.

Es ist entscheidend, dass wir diese Entwicklungen verantwortungsvoll lenken und sicherstellen, dass die Vorteile der Funktechnologie allen Menschen zugutekommen. In einer Welt, die zunehmend von Technologie geprägt ist, wird die Funktechnologie weiterhin eine treibende Kraft sein, die die Grenzen des Möglichen erweitert und unser Verständnis von Konnektivität und Interaktion neu definiert.

Metin Arı
D-TAB  Vorstandsmitglied
metin-ari@outlook.de

Anmerkungen

1. Unter dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) versteht man die Vernetzung physischer Geräte und Objekte, die miteinander kommunizieren und Daten austauschen, um verschiedene Aspekte des täglichen Lebens zu automatisieren oder zu verbessern.
   
2. 5G ist die fünfte Generation des mobilen Kommunikationsstandards. Im Vergleich zu seinen Vorgängern (1G, 2G, 3G und 4G) bietet 5G eine deutlich höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit, niedrigere Latenzzeiten, höhere Netzkapazität und verbesserte Konnektivität für eine breitere Palette von Geräten.
   
3.  Vollduplex: Übertragung in beide Richtungen gleichzeitig; Halbduplex: Übertragung in beide Richtungen abwechselnd
4. Man spricht von der ersten und zweiten Fresnel-Zone. Die Fresnel-Zone ist der Bereich, der durch die Anordnung der Sender und Empfänger bestimmt wird. In der ersten Fresnel-Zone wird der größte Teil des Wechselstroms übertragen
   
5.  Ein Satellit umkreist die Erde in einer Höhe von etwa 36.000 km einmal alle 24 Stunden. Wenn er sich dabei am Äquator befindet, bleibt er aus Sicht der Erde immer an derselben Stelle (geostationär).
   
6.  Die Raumsonde Voyager 1 wurde gestartet, um unser Planetensystem zu erforschen. Im Jahr 1999, 13 Jahre nach ihrem Start, übermittelte sie das berühmte Bild Pale Blue Dot an die Erdoberfläche.
   
7.  Es findet keine echte Dämpfung im Sinne einer Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme statt. Vielmehr ist es das Ergebnis der ‚Verdünnung‘ (o.g. Dämpfung), wenn sich die Welle über ein immer größer werdendes Volumen im Raum ausbreitet.
   
8.  Dämpfung der elektromagnetischen Wellen durch Materie (stark abhängig von der Signalfrequenz und der Beschaffenheit der Materie)