Die Kanäle zur Übertragung von Informationen

Netzwerktechnik > Übertragungskanal WissenHeute Jg. 63 6/2010
Die Kanäle zur Übertragung
von Informationen
Das Internet muss monatlich 10 Milliarden Gigabyte Daten transportieren. Für die Übertragung der Daten wird ein Kanal benötigt, der in
der Lage ist, die Signale möglichst schnell zu transportieren und dabei die übertragenen Nachrichten so wenig wie möglich beeinfl usst.
Für die Übertragung lassen sich drei grundsätzliche Kanäle nutzen: das Kabel, die Glasfaser und der drahtlose Mehrwegekanal. Trotz
einiger Unterschiede sind die wesentlichen Größen, die zur Beschreibung der Übertragung in diesen Kanälen benötigt werden, lediglich
das Rauschen und die Bandbreite. Dieser Beitrag beschreibt die Eigenschaften der drei Kanäle sowie die physikalischen Hintergründe
des Rauschens und der Bandbreite.
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Der Autor
Prof. Dr. rer. nat.
Thomas Schneider
ist Hochschullehrer
für Hochfrequenztechnik
und
Mobilfunk an der
Hochschule für
Telekommunikation
in Leipzig. Seine
Forschungsschwerpunkte
sind die
nichtlineare Optik
sowie die Beschleunigung
und Verlangsamung
von Licht.
Das Thema im Überblick
Zur Übertragung von Sprach- oder Videosignalen werden Kanäle benötigt, die viele
Informationen schnell transportieren können. Bei der Abfrage einer internationalen
Suchmaschine z.B. werden die Daten zunächst über Glasfasern von einem Kontinent
zum anderen und bis in die Stadt transportiert, in der sich der Nutzer aufhält. Auf den
letzten Metern werden sie über Kupferkabel oder das Funknetz übertragen. Diese
unterschiedlichen Transportwege haben eine Reihe von Gemeinsamkeiten, auf die in
diesem Artikel eingegangen wird.
Einführung
In den heutigen Kommunikationssystemen
besteht die Information, die ein Kanal zu
transportieren hat, aus digitalen Signalen.
Dies bedeutet, der Kanal muss eine möglichst
große Datenrate transportieren, dementsprechend
muss er eine große Datenmenge
möglichst schnell übertragen. Sender
und Empfänger einer transportierten Nachricht
können z.B. Telefone, Radio- und
Fernsehgeräte oder sogenannte Smartphones,
Computer in einem Netzwerk oder einzelne
Prozessoren innerhalb eines Computers
sein. Als Medien für die Übertragung
der Datenmengen kommen nur drei Möglichkeiten
in Betracht:
das Kabel
die nichtlineare Glasfaser
der mobile drahtlose Mehrwegekanal
Obwohl die Übertragung einer Information
bei den drei Übertragungskanälen auf zum
Teil sehr unterschiedlichen Technologien
beruht, weisen sie große Gemeinsamkeiten
auf. So werden z.B. grundsätzlich elektromagnetische
Wellen benutzt, die denselben
physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgen,
und es ist für den Kanal völlig unerheblich,

ob paketorientierte Daten, leitungsorientierte
Sprache oder Videos übertragen werden.
Aber auch von der Informationstheorie aus
betrachtet unterliegen alle drei Kanäle unter
bestimmten Voraussetzungen denselben
Bedingungen. In allen drei Kanälen sind
die begrenzenden Größen für die Übertragung
von Daten z.B. einzig das Rauschen
und die Bandbreite.
Das Kabel (AWGN-Kanal)
Mit dem Begriff „Kabel“ ist hier eine beliebig
geartete Verbindung zwischen einem
feststehenden Sender und einem feststehenden
Empfänger gemeint, die zumindest
für eine gewisse Zeit besteht (wenigstens
eine Paketlänge) und lineare Eigenschaften
besitzt. Linear ist ein Übertragungsmedium
dann, wenn es zu keiner gegenseitigen Beeinfl
ussung zwischen den einzelnen in ihm
transportierten Frequenzen führt. Nach dieser
Defi nition lassen sich unter dem Begriff
Kabel die verdrillte Zweidrahtleitung (Twisted
Pair), Koaxialkabel und auch Hohlleiter
zusammenfassen. Für Multimode-, Gradientenindex-
und Plastikfasern gilt ebenfalls
meist die Linearität. Daher werden diese
Übertragungsmedien hier ebenfalls zur Gruppe
der „Kabel“ gezählt. Damit kommen
„Kabel“ z.B. für Telefone, IP-Fernsehen,
DSL, Computernetze und die Hausverkabelung
zum Einsatz. Diese Anwendungen zeichnen
sich meist durch geringe Bitraten (Mbit/s
bis zu wenigen Gbit/s) aus, die zu übertragen
sind.
Für Kabel gilt, dass das Rauschen (s. Abs.
„Rauschen“) unabhängig vom Signal ist
und sich diesem einfach aufaddiert. Das
Rauschen weist eine konstante Leistungsverteilung
über sein Spektrum auf. Weil keine
Frequenz innerhalb des Spektrums bevorzugt
wird, wird das Rauschen – in Anlehnung
an weißes Licht, das dieselbe spektrale
Eigenschaft hat – weißes Rauschen genannt.
Die zu einem bestimmten Zeitpunkt auftretende
Leistung des Rauschens hat einen
bestimmten Erwartungswert. Um diesen
Erwartungswert herum schwankt die tatsächliche
Rauschleistung zeitlich, wobei eine
Bild 1
AWGN-Kanal
AWGN Additive White Gaussian Noise
geringere Momentanleistung1 genauso wahrscheinlich
ist wie eine höhere. Dies bedeutet,
dass die Zeitfunktion der Rauschleistung
einer Gaußschen Normalverteilung folgt.
Wenn es keine anderen zusätzlichen Einfl
üsse auf das Signal gibt und die Kanalbandbreite
verglichen mit der Signalbandbreite
groß ist, wird ein Nachrichtenkanal,
der die oben genannten Bedingungen erfüllt,
als AWGN-Kanal (Bild 1) bezeichnet.
Neben den oben benannten Leitungen kann
auch in Funksystemen von einem AWGN-
Kanal ausgegangen werden, wenn es eine
direkte Sichtverbindung zwischen Sender
und Empfänger gibt und sich weder Sender
noch Empfänger bewegen. Dies ist z.B. bei
einer Richtfunkstrecke der Fall.
Nichtlinearer Kanal (Glasfaser)
Mit „Glasfaser“ sind hier alle Wellenleiter
gemeint, die nur eine einzelne Mode der
elektromagnetischen Welle übertragen. Dazu
zählen die sogenannten Standard-Einmodenfasern,
dispersionsverschobene und -kompensierende
Fasern, Fasern mit Unterdrückung
der OH - -Absorption (AllWave und
TrueWave) und auch Wellenleiter, die auf
dem Effekt der photonischen Kristalle beruhen
(Photonic Crystal Fiber). Gemeinsam
ist allen diesen Einmodenfasern, dass sie –
im Gegensatz zu Kabeln – nichtlineare
Übertragungskanäle darstellen. Einmoden-
A Pfadverlust
u(t)
y(t)
Modulator Demodulator
n(t)
Spektrum Leistung
Rauschquelle
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glasfasern fi nden sich immer dann, wenn es
um eine Datenübertragung mit sehr hohen
Bitraten geht (viele Gbit/s bis zu mehreren
Tbit/s). Glasfasern kommen vor allem im
Backbone der Kommunikationsnetze als
Verbindung zwischen großen Städten, Ländern
und Kontinenten zum Einsatz.
Nichtlineare Effekte sind von der Intensität
der elektromagnetischen Wellen abhängig.
Die Intensität ist defi niert als Leistung pro
Fläche. Einmodenglasfasern, wie sie heute
fast ausschließlich für die Übertragung
über weite Strecken eingesetzt werden, leiten
die elektromagnetische Welle (das infrarote
Licht) in einem sehr kleinen Kernbereich
von rund 80 µm2 . In einer Glasfaser
ergeben sich daher auch für geringe Leistungen
von wenigen Milliwatt hohe Intensitäten.
Gleichzeitig gibt es durch die geringe
Dämpfung in modernen Glasfasern extrem
große Wechselwirkungslängen. Beides hat
zur Folge, dass in Glasfasern nichtlineare
Effekte auftreten.
Eine Glasfaser wird durch das sogenannte
WDM-Verfahren in Unterkanäle aufgeteilt.
Wie bei Radiosendern unterscheiden sich
die einzelnen Unterkanäle durch ihre jeweilige
Trägerfrequenz. Da eine Glasfaser nichtlinear
ist, führt allerdings die Erhöhung der
1 Momentanleistung: Augenblicklicher Wert der Leistung.
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