Funktechnik (Grundlagen)

Es gibt kaum einen Bereich, wo wir auf die drahtlose Übertragung von Sprache und Daten verzichten können. Egal ob Fernsehen, Radio, Mobilfunk oder Computernetzwerke. Überall ist die Funktechnik Bestandteil unseres Lebens. Die Funktechnik erlaubt uns die drahtlose Übertragung von Daten über die Luft.

Was uns so alltäglich erscheint ist mit verschiedenen physikalischen Effekten und komplizierter und empfindlicher Technik verbunden. Die physikalischen Vorgänge werden zur verständlichen Erklärung im folgenden vereinfacht dargestellt.

Was ist Funktechnik?

Heinrich Hertz hat als erster demonstriert, wie elektrische und magnetische Felder zur Übertragung von Nachrichten genutzt werden können. Damals, 1886, gab es noch keine Elektronenröhren oder Transistoren. Deshalb wurde mittels einer Funkenstrecke das Sendesignal erzeugt. Erst später fand man heraus, dass mit langen Drähten die Reichweite der Signale, den Funkwellen, gesteigert werden kann. Die Funkenstrecke starb aus, die Antenne war geboren, der Name Funk blieb. Und deshalb wird jede technische Einrichtung, die elektrische und magnetische Felder zur Übertragung von Daten oder der Kommunikation genutzt wird, der Funktechnik zugeordnet.

Wie entstehen Funkwellen?

Funkwellen entstehen nicht von selbst. Zur Erzeugung von Funkwellen ist ein Schwingungserzeuger notwendig. Das kann ein Oszillator sein, der die sogenannte Grund- oder Trägerwelle erzeugt. Es handelt sich dabei um einen physikalischen Effekt. In der Elektronik spricht man in der Regel aber nicht von Wellen. Denn Funkwellen sind Frequenzen.
Der Oszillator erzeugt ein Wechselspannungssignal mit einer bestimmten Frequenz. Ab einer bestimmten Anzahl von Schwingungen in der Sekunde (Frequenz) neigen elektrische Signale dazu in den freien Raum abzustrahlen. Frequenzen (f) werden in der Einheit Hertz, kurz Hz, angegeben. Heinrich Hertz dient hier als Namensgeber.

Was hat es mit der Trägerfrequenz auf sich?

Die Trägerfrequenz, die vom Oszillator erzeugt wird, ist noch keine Information. Die Information muss erst in Form einer anderen Frequenz auf die Trägerfrequenz im Huckepackverfahren aufgesetzt werden. Erst dann können Informationen, in der Regel unterschiedliche Zustände in codierter Form, übertragen werden. Diese Verfahren nennen sich Modulation. Die bekanntesten Modulationsverfahren sind die Amplitudenmodulation (AM), die Phasenmodulation (PM) und die Frequenzmodulation (FM). Die Frequenzmodulation wird z. B. bei der Übertragung der analogen UKW-Radiosender verwendet.

Wie war das noch mal mit Schwingung und Frequenz?

Die Anzahl der Schwingungen, also Funkwellen pro Sekunde, werden als Frequenz (f) mit der Einheit Hertz (Hz) angegeben.

Formel zur Berechnung der Frequenz in Hz Formel zur Berechnung der Periodendauer in Sek.

Beispiel: 16.000 Schwingungen in der Sekunde sind 16.000 Hz bzw. 16 kHz.

Wie weit reicht ein gesendetes Signal?

Die Reichweite eines Signals ist abhängig von der Wellenlänge einer Frequenz und von der Signalstärke. Und, um genau zu sein, auch von der Dämpfung. Die Signalstärke wird durch die Sendeleistung bestimmt. Die Wellenlänge l wird in Meter angegeben. Dafür gilt folgende Formel:
Formel zur Berechnung der Wellenlänge l
Die Lichtgeschwindigkeit ist ein Konstante. Der Wert beträgt 300.000.000 m/s (Meter pro Sekunde) oder 300.000 km/s (Kilometer pro Sekunde).
Beispiel: Beispiel der Formel zur Berechnung der Wellenlänge l
Durch die oben genannte Formel ergeben sich unterschiedliche Wellenlängen aus den Frequenzen. Geht man davon aus, das die Sendeleistung konstant ist, so bestimmt die Wellenlänge die Reichweite. Das heißt, bei konstanter Sendeleistung nimmt die Reichweite des Senders proportional zur Wellenlänge ab. Halbiert man die Wellenlänge nimmt die Reichweite drastisch ab. Je höher eine Frequenz, desto geringer die Reichweite.

Kann ein Signal einfach so auf einer Frequenz gesendet werden?

Nein, das geht nicht. Damit kein Frequenz-Chaos entsteht, sind Frequenzen bzw. Frequenzbereiche einer Anwendung zugeteilt. Z. B. für Radio, Fernsehen, Amateurfunk, CB-Funk, Flugfunk, Schiffsfunk, Taxi, Polizei, Feuerwehr, Mobilfunk, etc. Die Funktechnik ist sehr weit fortgeschritten. So weit, dass sogar für lokale Netzwerke der freie Raum als Übertragungsmedium genutzt wird. Und weil das Übertragungsmedium praktisch kostenfrei zu Verfügung steht, wird es auch gerne und viel genutzt. Die Dichte der Funksysteme ist so hoch, dass der störungsfreie Betrieb nur durch gesetzlich vorgeschriebene Abstände zwischen den Frequenzbereichen möglich ist.

Dämpfung der Funkwellen

Leider haben Funkwellen den Nachteil, dass sie mit der Reichweite schwächer werden. Das bedeutet, Funkwellen haben keine unendliche Reichweite. Funkwellen werden durch Gegenstände gedämpft. Je nach Materialbeschaffenheit und -zusammensetzung der Hindernisse ergeben sich unterschiedliche Dämpfungseigenschaften.

Material Dämpfung Beispiele
Holz gering Möbel, Decken, Zwischenwände
Gips gering Zwischenwände ohne Metallgitter
Glas gering Fensterscheiben
Wasser mittel Mensch, feuchte Materialien, Aquarium
Mauersteine mittel Wände, Decken
Beton hoch massive Wände, stahlarmierte Betonwände
Gips hoch Zwischenwände mit Metallgitter
Metall sehr hoch Aufzugsschacht, Brandschutztüren, Stahlbetonkonstruktionen

Im Rahmen der Funkübertragung entstehen dabei folgende negative Effekte:

  • Absorption: Signal wird verschluckt
  • Reflexion: Signal wird zurückgeworfen
  • Brechung: Signal wird in eine andere Richtung umgelenkt
  • Streuung: Signalvervieltigung

Die Stabilität und Geschwindigkeit einer Funkverbindung haben mit der Reichweite des Signals und den störenden Eigenschaften im Raum zu tun. Je geringer die Reichweite, desto weniger Störungen können das Signal beeinflussen und desto höher kann die Übertragungsgeschwindigkeit sein. Je höher die Reichweite, desto mehr Störeinflüsse gibt es auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger. Daraus resultieren Verbindungsabbrüche und lange Verbindungszeiten. Übertragungen über Kabel sind in der Regel immer schneller und stabiler.

Sicherheitsprobleme

Das in den freien Raum abgestrahlte Signal kann von jedem mitgehört werden, der sich in der Reichweite des Signals befindet. Desweiteren besteht die Gefahr, dass ein Angreifer das Signal nicht nur abhört, sondern verändert und erneut sendet. Funksysteme, die mit manipulierten Signalen nicht umgehen können, weisen erhebliche Sicherheitsmängel auf.

Grundbegriffe in der Funktechnik

Im Rahmen der Funktechnik gibt es viele verschiedene Begriffe, die häufig verwendet werden, hinter denen sich meistens komplizierte physikalische Effekte verbergen.

Zukunft der Funktechnik

Die Zukunft der Funktechnik ist von Frequenzknappheit und dem ständig steigenden Bedarf nach höheren Übertragungsraten geprägt. Deshalb spielen in der Forschung und Entwicklung im Mobilfunk verschiedene Verfahren zur Steigerung von Kapazitäten und Datenraten in Mobilfunknetzen eine große Rolle.

Grundlagen der Funktechnik

Übersicht: Funktechniken und Funksysteme

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