Nachrichten-Übertragungstechnik

Bei der Einführung des Kommunikationsmodells nach Shannon wurde in Abschnitt 1.2 die Nachrichtenquelle nicht weiter spezifiziert. Sie bildet die Nachricht zum Zwecke der Weitergabe von Informationen und ist somit selbst Zweck, der dem Informationsbedürfnis der Nachrichtensenke dient. Nachrichtenquelle, Nachrichtenkanal und Nachrichtensenke sind aufeinander abzustimmen. Technische Nachrichtenquellen stellen einen Kompromiss zwischen den Wünschen der Kunden, dem technisch Machbaren und dem wirtschaftlich Vertretbaren dar. In diesem Spannungsfeld sind auch die Fragen nach der Qualität einer Nachrichtenübertragung zu beantworten.

Die elektrische Nachrichtenübertragung über größere Distanzen beruht auf dem Phänomen der Ausbreitung elektromagnetischer Felder über Leitungen und im freien Raum. Aufbauend auf die Arbeiten von H. Ch. Oerstedt und eigenen Experimenten vermutet bereits 1832 M. Faraday die Existenz elektromagnetischer Wellen. J. C. Maxwell lieferte dazu 1864 die theoretische Beschreibung, die 1888 von H. R. Hertz in einem grundlegenden Experiment mit einem Funkensender bestätigt wurde.

Die Frequenzmodulation, kurz FM genannt, stellt einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklung zur modernen Kommunikationsgesellschaft dar. Obwohl das Prinzip der FM bereits seit den 1920er Jahren bekannt war, demonstrierte Edwin H. Armstrong erst 1935 (Patent 1933) in den USA die FM-Übertragung. Wegen ihrer überlegenen Robustheit wurde sie rasch das Standardverfahren der mobilen Kommunikation im 2. Weltkrieg. Ab 1948 verschaffte die hohe Klangqualität der FM in Mitteleuropa den Einzug in die Rundfunktechnik. Im UKW-Rundfunk ist sie heute weltweit verbreitet. Zusammen mit der Erfindung des Transistors, der die preiswerten und tragbaren Transistorradios ermöglichte, war die analoge FM-Übertragungstechnik Wegbereiter für die moderne Popkultur.

Regellose physikalische Vorgänge und in digitalen Systemen auch numerische Ungenauigkeiten erzeugen Signale, die sich störend den Nutzsignalen überlagern. Man spricht von störenden Rauschsignalen oder in Anlehnung an die Telefonie und Rundfunktechnik von (Stör-) Geräuschen. Wegen unterschiedlicher physikalischer Ursachen treten verschiedene Arten von Rauschsignalen mit jeweils typischen Eigenschaften auf [VlHa93]:

Gilt es kurze Entfernungen kostengünstig zu überbrücken, wie beispielsweise die Übertragung von Telefonsprache über den Teilnehmeranschluss, der Austausch von Dateien zwischen Rechnern in einem lokalen Netz oder der Daten zwischen Sensoren, Aktoren und Prozess-Steuerrechnern in einem Fahrzeug, so kommt in der Regel die Basisbandübertragung zur Anwendung. Typisch für sie ist, dass die informationstragenden Signale ohne zusätzliche Frequenz-verschiebung über eine Leitung übertragen werden. Heute werden überwiegend digitale Verfahren eingesetzt. Nicht nur weil sie von Natur aus für die Kommunikation zwischen Digital-rechnern, Mikrocontrollern, usw. geschaffen sind, sondern auch weil ursprünglich analoge Signale, wie beispielsweise Sprach-, Audio- und Videosignale, meist in digitaler Form vorliegen. Der Übergang vom analogen Telefonnetz zum ISDN-Netz (Integrated Services Digital Network - diensteintegrierendes digitales Netz) macht dies deutlich. Auf gewöhnlichen Teilnehmeranschlussleitungen werden heute Basisbandübertragungssysteme kommerziell eingesetzt, die mit Hilfe der digitalen Übertragungstechniken xDSL (Digital Subscriber Line) Bitraten bis zu mehreren Mbit/s ermöglichen [Che98][SCS00].

Die digitale Modulation mit Sinusträger ermöglicht die physikalische Übertragung von Daten über Medien und/oder Entfernungen die für die Basisbandübertragung ungeeignet sind, wie beispielsweise die Funkübertragung oder die Frequenzmultiplexübertragung in Koaxialkabeln.

Im vorangehenden Abschnitt 7 wird die digitale Modulation mit Sinusträger behandelt. Prinzipielle Strukturen für Modulatoren und Demodulatoren werden diskutiert und mit Überlegungen zur spektralen Effizienz und Robustheit der Modulationsverfahren ergänzt. Dabei wird der Einfachheit halber die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER, Bit Error Rate) bei Übertragung in Kanälen mit additiver gaußscher Rauschstörung (AWGN, Additive White Gaussian Noise) betrachtet. In der heute immer wichtiger werdenden Mobilkommunikation, seien es die öffentlichen zellularen Mobilfunknetze oder die drahtlosen Netze (WLAN, Wireless Local Area Network), müssen die speziellen Eigenschaften des Mobilfunkkanals in die Überlegungen einbezogen werden. Nur so lassen sich effiziente Verfahren entwickeln, die den steigenden Anforderungen durch wachsenden Verkehrsbedarf sowie dem Wunsch nach höheren Datenraten bei möglichst geringer Sendeleistung nachkommen.