Grundlagen der drahtlosen Kommunikation: Wie Funkwellen funktionieren

Grundlagen der drahtlosen Kommunikation: Wie Funkwellen funktionieren

Können Sie zählen, wie viele Geräte Sie dank der Funkwellen jeden Tag benutzen? Es kann ein wenig überwältigend sein, darüber nachzudenken, wie sehr unser Leben durch den Einsatz dieser Technologie beeinflusst wird. Von Smartphones bis zu Laptops, von GPS bis zu Babyfonen und vielem mehr haben wir uns diese Form der elektromagnetischen Energie zunutze gemacht, um einige erstaunliche Dinge zu schaffen. Aber obwohl wir diese Geräte tagtäglich benutzen, verstehen wir wirklich, wie sie funktionieren?

Hier hilft Ihnen unsere Serie „Grundlagen der drahtlosen Elektronik“, die Grundlagen unserer drahtlosen Welt zu verstehen und hoffentlich einige Geheimnisse zu lüften.

Die weite Welt der drahtlosen Kommunikation

Bevor wir in die Wissenschaft der Funkwellen eintauchen, müssen wir diesem Thema gerecht werden, indem wir zeigen, wie sehr die Funkwellen unser tägliches Leben beeinflusst haben. Beginnen wir mit einem ganz normalen Tag: Vielleicht wachen Sie dank Ihres Smartphones mit dem nicht ganz so beruhigenden Klang eines Weckers auf. Den morgendlichen Ruck haben Sie den Funkwellen zu verdanken.

Wenn du dich für dein morgendliches Frühstück hinsetzt, schaltest du vielleicht das Radio oder den Fernseher ein, um zu hören, was draußen in der Welt passiert. Wie kommen diese Audio- und Videoinformationen zu Ihnen? Wieder einmal mit Radiowellen. Und wenn Sie sich auf den Weg zur Arbeit machen, möchten Sie vielleicht die Verkehrslage prüfen und die effizienteste Route planen, also benutzen Sie das GPS auf dem Armaturenbrett Ihres Autos. Mehr Funkwellen.

Während Ihres morgendlichen Pendelns möchten Sie vielleicht Ihre Lieblingstalkshow hören. Der Radiosender, den Sie einschalten, ist eine von vielen spezifischen Radiowellenfrequenzen, die zu jeder Tageszeit gesendet werden. Wenn Sie zur Arbeit kommen, setzen Sie sich vielleicht vor den Computer und stellen eine drahtlose Verbindung zum World Wide Web her. Du lädst deine Google-Dokumente, Websites und E-Mails hoch, und das alles mit Hilfe von Funkwellen, um dich drahtlos über WiFi mit dem Internet zu verbinden.

Sie sehen, Funkwellen werden in viel mehr Dingen verwendet als in den quadratischen Boxen, die wir benutzen, um Musik zu spielen und Talkshows zu hören. Die moderne drahtlose Kommunikation baut auf dem einfachen Design des herkömmlichen Radios auf und ermöglicht es uns, die Menschheit auf der ganzen Welt mit Informationen, Video, Audio, Daten und vielem mehr zu verbinden. Aber wie weit verbreitet sind Funkwellen heute, wie genau funktionieren sie, und was ist eine Funkwelle? Gehen wir der Sache auf den Grund.

Elektromagnetische Wellen

Radiowellen sind nur eine Art von Wellen im so genannten elektromagnetischen Spektrum, das aus einer Vielzahl von Wellen besteht, die alle eine bestimmte Funktion haben, wie Infrarot, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Radio. Alle diese Wellen überwinden physikalische Barrieren und rasen mit Lichtgeschwindigkeit durch das Vakuum des Weltraums.

Die Organisation dieses Spektrums wird durch zwei Messungen, Frequenz und Wellenlänge, kategorisiert. Hier ist ihre Aufschlüsselung:

• Frequenz. Sie gibt an, wie viele elektromagnetische Wellen pro Sekunde einen bestimmten Punkt durchlaufen. Man kann dies messen, indem man die Scheitelpunkte jeder Welle zählt (der höchste Punkt der Welle), was einen Wert in Hertz ergibt.
• Wellenlänge. Dies ist der tatsächliche Abstand zwischen zwei der höchsten Punkte einer Welle oder die Periode, die gemessen werden kann. Wellenlängen können bei manchen Wellen kürzer als die Größe eines Atoms und länger als der Durchmesser unseres gesamten Planeten sein!

Auf diesem elektromagnetischen Spektrum haben Radiowellen sowohl die längsten Wellenlängen als auch die niedrigsten Frequenzen, was sie zu langsamen und stetigen Langstreckenläufern unter den Wellen macht. Wenn wir jedoch aus allen Richtungen mit FM- und AM-Radiowellen, Handysignalen, WiFi-Signalen usw. bombardiert werden, können sich dann alle diese Signale denselben Raum teilen? Sie tun dies, indem sie sich bestimmte Bänder im Funkwellenspektrum teilen, darunter:

Name	Abkürzung	Frequenz	Wellenlänge
Extrem niedrigeFrequenz	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Super-Niederfrequenz	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra-NiederFrequenz	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Sehr niederfrequent	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Nieder-Frequenz	LF	30-300 kHz	10-1 km
Mittlere Frequenz	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Hoch-Frequenz	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Sehr hochfrequent	VHF	30-300 MHz	10-1 m
UltrahochFrequenz	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Super-HochFrequenz	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Extrem hochFrequenz	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Extrem hochfrequent	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

Das Ultrahochfrequenzband (UHF) hat eine Frequenz zwischen 300 Megahertz (MHz) und 3 Gigahertz (GHz). Das UHF-Band wird für bestimmte Technologien wie WiFi, Bluetooth, GPS, Walkie-Talkies und andere verwendet. Auf der anderen Seite gibt es das VLF-Band (Very Low Frequency) im Bereich von 3 bis 30 Hertz, das ausschließlich für Regierungsfunkstellen, sichere Militärkommunikation und U-Boote reserviert ist. Die Vereinigten Staaten veröffentlichen jedes Jahr eine Tabelle über die Frequenzzuweisung im Funkspektrum, aus der hervorgeht, wie all diese Funkdienste den einzelnen Frequenzen zugewiesen sind.

Eingebettete Kommunikation

Nun fragen Sie sich vielleicht, wie genau diese Funkwellen in ihren jeweiligen Frequenzen von Ort zu Ort gelangen? Die Magie, mit jemandem auf der anderen Seite der Welt über das Smartphone zu sprechen, beruht auf einigen sehr einfachen Prinzipien. Jedes Radio, egal ob es sich um ein herkömmliches AM/FM-Radio oder ein Radio in einem Smartphone handelt, verwendet dieselbe grundlegende Methode zur Übertragung von Informationen mit Hilfe eines Senders und eines Empfängers.

Ein Sender, wie der Name schon sagt, sendet Informationen in Form einer Sinuswelle durch die Luft. Diese Welle fliegt durch die Luft und wird schließlich von einem Empfänger aufgefangen, der die Informationen in der Sinuswelle dekodiert, um das herauszuholen, was wir wollen, z.B. Musik, eine menschliche Stimme oder ein anderes Datenelement.

Interessant ist, dass eine Sinuswelle allein keine der Daten enthält, die wir brauchen, sie ist im Grunde ein leeres Signal. Deshalb müssen wir diese Sinuswelle modulieren, d.h. eine weitere Ebene mit nützlichen Informationen hinzufügen. Es gibt drei Methoden der Modulation, darunter:

• Impulsmodulation. Bei dieser Methode wird eine Sinuswelle ein- und ausgeschaltet, wodurch Bits eines Signals in separaten Stücken gesendet werden. Haben Sie schon einmal vom Morsealphabet zur Übermittlung von Notsignalen gehört? Dabei wird die Pulsmodulation verwendet.
• Amplitudenmodulation. Diese Methode wird sowohl bei AM-Radiosendern als auch bei den alten analogen Fernsehsignalen verwendet. Dabei wird eine Sinuswelle mit einer anderen Informationswelle, z. B. der Stimme einer Person, überlagert. Die Einbettung einer weiteren Informationsebene in diese Welle führt zu einer Schwankung in der Amplitude der ursprünglichen Sinuswelle, wodurch Rauschen entstehen kann.

• Frequenzmodulation. Diese Methode wird von UKW-Radiosendern und praktisch jeder anderen drahtlosen Technologie verwendet, die es gibt. Im Gegensatz zur Amplitudenmodulation, die erhebliche Schwankungen in einer Sinuswelle erzeugt, verändert die Frequenzmodulation eine Sinuswelle nur sehr wenig, was den zusätzlichen Vorteil hat, dass weniger Rauschen entsteht.

Wenn all diese modulierten Sinuswellen über einen Sender gesendet und von einem Empfänger empfangen werden, wird die von uns eingebettete Informationswelle extrahiert, so dass wir mit ihr machen können, was wir wollen, z. B. sie als Ton über einen Lautsprecher abspielen oder sie als Video auf einem Fernsehbildschirm ansehen.

Irgendwo zwischen A und B

In unseren obigen Erklärungen zu Modulation, Sendern und Empfängern könnte man meinen, dass das Senden einer Radiowelle ein einfacher Vorgang ist, der von Punkt A nach Punkt B führt, aber das ist nicht immer der Fall. Wellen fliegen nicht immer durch die dünne Luft direkt von einem Sender zu einem Empfänger, und wie sie sich fortbewegen, hängt letztlich davon ab, welche Art von Wellenfrequenz man wann senden möchte. Es gibt drei Möglichkeiten, wie diese Reise ablaufen kann:

Line of Sight (Space Wave)

Bei dieser Methode werden Funkwellen als einfacher Lichtstrahl von Punkt A nach Punkt B gesendet. Diese Methode wurde häufig in altmodischen Telefonnetzen verwendet, die Anrufe über eine lange Strecke zwischen zwei massiven Kommunikationstürmen übertragen mussten.

Bodenwelle (Oberflächenwelle)

Die Radiowellen können auch entlang der Krümmung der Erdoberfläche in Form einer Bodenwelle gesendet werden. AM-Radiowellen breiten sich auf diese Weise über kurze bis mittlere Entfernungen aus, weshalb man Radiosignale auch dann noch hören kann, wenn sich kein Sender und kein Empfänger in Sichtweite befinden.

Ionosphäre (Himmelswelle)

Schließlich kann man auch Radiowellen direkt in den Himmel schicken, die dann an der Ionosphäre der Erde abprallen, einem elektrisch geladenen Teil der Atmosphäre. In diesem Fall treffen die Funkwellen auf die Ionosphäre, prallen zur Erde zurück und steigen wieder auf. Dies ist der Prozess der Spiegelung einer Welle, die hin und her zu ihrem endgültigen Ziel zurückprallt.

Bis jetzt haben wir einiges über Radiowellen erfahren, nämlich dass sie sich auf ganz bestimmten Frequenzen ausbreiten, dass sie sowohl mit einem Sender als auch mit einem Empfänger kommunizieren und dass sie sich auf verschiedenen Wegen über die Erde bewegen können. Aber woher weiß Ihr Smartphone oder Autoradio bei all den verschiedenen Funkfrequenzen, welche Frequenz es empfangen und welche es ignorieren soll? Hier kommen die Antennen ins Spiel.

Alles dreht sich um Antennen

Antennen gibt es in vielen verschiedenen Formen und Größen, aber sie sind alle für den gleichen Zweck bestimmt – eine ganz bestimmte Funkwellenfrequenz zu empfangen. Es gibt Antennen von langen Metalldrähten, die aus einem UKW-Radio herausragen, bis hin zu etwas Runderem wie einer Satellitenschüssel oder sogar einem eng anliegenden Stück Kupfer auf einer Leiterplatte. In einem Sender werden Antennen verwendet, um Radiowellen zu senden, und in Empfängern werden sie verwendet, um eine Radiofrequenz zu empfangen. Alle Antennen haben drei verschiedene Eigenschaften, nach denen sie gemessen werden, darunter:

• Richtung. Bei einigen Antennentypen, wie z. B. einem Dipol, muss die Antenne in die richtige Richtung montiert werden, d. h. in die Richtung, in die die Funkwellen übertragen werden. Einige Antennentypen, wie die in einem UKW-Radio, müssen nicht in eine bestimmte Richtung ausgerichtet werden und können Funkwellensignale aus jedem Winkel einfangen.
• Verstärkung. Der Gewinn einer Antenne beschreibt, wie stark sie ein Signal verstärkt. Wenn du zum Beispiel einen alten analogen Fernseher einschaltest, bekommst du wahrscheinlich immer noch ein Bild, nur ein unscharfes. Das liegt daran, dass das Metallgehäuse und die Komponenten des Fernsehers wie eine Antenne wirken. Wenn Sie jedoch eine echte Richtantenne anschließen, können Sie das Signal verstärken und ein besseres Bild erhalten. Je größer die Verstärkung, gemessen in Dezibel (dB), desto besser ist der Empfang.
• Bandbreite. Die Bandbreite einer Antenne ist der Bereich der nutzbaren Frequenzen. Je höher die Bandbreite, desto mehr Funkwellen kann sie empfangen. Dies ist ideal für Fernsehgeräte, da sie so mehr Kanäle empfangen können. Aber für Dinge wie Ihr Smartphone, die nur eine bestimmte Funkwelle benötigen, ist eine volle Bandbreite nicht so notwendig.

Zeit, nach Hause zu telefonieren

Funkwellen sind überall! Stell dir vor, du könntest sie mit deinen eigenen Augen sehen. Überall sind Funkwellen, die aus Ihrem Router, von Ihrem Handy und von der drahtlosen Elektronik Ihres Nachbarn kommen. Radiowellen haben unser modernes Leben geprägt wie nichts anderes, und ohne sie kämen wir nie in den Genuss so nützlicher Erfindungen wie GPS, WiFi, Bluetooth und mehr. Aber Funk geht weit über unsere physische, irdische Existenz hinaus. Einige der entlegensten Winkel unseres bekannten Universums wurden mit Hilfe der Radioastronomie erforscht, um Quasare, Moleküle und andere Galaxien zu entdecken!

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