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Funktechnik

Signale mit modulierten elektromagnetischen Wellen auf Radiofrequenzen drahtlos übertragen
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Funktechnik oder Funk ist eine Bezeichnung für die Methode, Signale aller Art mit Hilfe modulierter elektromagnetischer Wellen im Radiofrequenzbereich (Radiowellen) drahtlos zu übertragen. Eine Form der drahtgebundenen Nachrichtenübertragung dieser Signale ist die sogenannte Trägerfrequenztechnik.

Kurzwellen-Funkantenne der chinesischen Botschaft in Berlin

Anwendungen in Industrie und Medizin, die Hochfrequenz nur als Werkzeug einsetzen (wie z. B. Härte- und Schmelzöfen oder Therapiegeräte), verwenden dagegen in der Regel unmodulierte Radiowellen ohne aufgeprägte Informationen und werden deshalb nicht der Funktechnik zugeordnet.

Geschichte und Begriffsherkunft

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Die Existenz von Radiowellen wurde 1864 von James Clerk Maxwell auf Grund theoretischer Überlegungen vorhergesagt und am 11. November 1886 von Heinrich Hertz zum ersten Mal experimentell bestätigt. Der Name „Funk“ geht auf den Begriff Funke zurück. Die ersten Sendeanlagen arbeiteten mit Funkenstrecken – durch die starken, oberwellenreichen Strom- und Spannungsimpulse entstanden hierbei auch die gewünschten Funkwellen. Am 20. März 1900 erhielt Nikola Tesla sein erstes Patent über die drahtlose Energieübertragung, das heute als erstes Patent der Funktechnik gilt. Die erste Funkverbindung gelang Guglielmo Marconi 1895 mit einem Knallfunkensender und dem Nachbau eines Empfängers von Alexander Stepanowitsch Popow über eine Entfernung von etwa fünf Kilometern. Diese Pioniere der Funktechnik gelten heute als die ersten Funkamateure.

Der Physiker Ferdinand Braun bekam 1909 den Nobelpreis für Physik für seinen Beitrag zur Entwicklung der Telegrafie per Funk. Er teilte sich den Preis mit Marconi, dem die praktische Umsetzung und die erste transatlantische Funkübertragung gelang. Braun hatte am 20. September 1898 eine erste drahtlose Nachrichtenübermittlung am Physikalischen Institut in Straßburg aufgebaut, die kurz darauf 30 km bis in den Vogesenort Mutzig reichte. Marconi errichtete 1897 die erste kabellose Verbindung über den Bristolkanal, und im gleichen Jahr errichtete Braun von Cuxhaven aus eine 3 km bis zur Kugelbake reichende Funkverbindung. Am 24. September 1900 wurde eine solche Verbindung über die 62 km lange Strecke Cuxhaven–Helgoland geschaffen. Am 12. Dezember 1901 gelang die erste transatlantische Funkübertragung zwischen Poldhu (Halbinsel The Lizard, Cornwall) und St. John’s (Neufundland). Es wurde das Morsezeichen für den Buchstaben s (.../ drei Punkte) telegraphiert und 3600 km über den Ozean hinweg empfangen.

Diese primitive und heute unerwünschte Erzeugung von Funkwellen erlaubte nur Nachrichtenübermittlung durch Morsezeichen, beispielsweise von der Großfunkstelle Nauen zu den Schiffen der kaiserlichen Marine oder zu den Funkstationen in Deutsch-Südwestafrika. Erst nach der Entdeckung der Oszillatorschaltung mit einer Elektronenröhre durch Alexander Meißner und die darauf aufbauenden Entwicklungen nach 1913 konnten weitere Modulationsarten entwickelt werden. Voraussetzung dafür ist eine zunächst konstante Ausgangsleistung, die bei Übertragung von Ton, Bild und später auch Daten gezielt geändert werden kann.

Die erste Sprachnachricht wurde im Jahr 1900 von Reginald Fessenden gesendet. Die erste Rundfunkübertragung fand zum Weihnachtsfest 1906 statt. Fessenden las die Weihnachtsgeschichte aus der Bibel vor. Die Übertragung war in 500 Metern Umkreis zu empfangen.

Allgemeines

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Die Funktechnik basiert auf der Tatsache, dass man ein Trägersignal (elektromagnetische Welle) – eine zunächst sinusförmige Wechselspannung konstanter Amplitude – mittels einer Modulationsart durch ein Nachrichtensignal gezielt verändern kann. Dabei wird beispielsweise die Frequenz oder die Amplitude der Wechselspannung im Rhythmus des Signals geändert. Die modulierte Welle wird über eine Antenne abgestrahlt und auf der Empfängerseite durch eine weitere Antenne empfangen. Durch Demodulation wird die ursprüngliche Nachricht wiedergewonnen und kann dann hörbar oder sichtbar (Fernsehen) gemacht oder anders weiterverarbeitet werden.

Der Vorteil gegenüber konkurrierenden Übertragungsarten ist, dass

  • es sehr viele unterschiedliche Trägerfrequenzen gibt, die sich gegenseitig nicht beeinflussen
  • keine elektrischen Kabel zwischen Sender und Empfänger verlegt werden müssen
  • die Anzahl der Funkempfänger praktisch keinen technischen Einschränkungen unterliegt
  • Sender und insbesondere Empfänger sehr gut getarnt sein und u. U. kaum entdeckt werden können

Nachteilig ist, dass

  • man die Sendungen abhören kann, ohne entdeckt zu werden. Die Nutzung der übermittelten Daten kann aber durch Verschlüsselung erschwert werden
  • die Kommunikation durch Störsender erschwert oder unmöglich gemacht werden kann
  • der technische Aufwand erheblich ist, was aber durch Fortschritte der Mikroelektronik immer weniger ins Gewicht fällt
  • im gesamten Ausbreitungsbereich des Senders jedes Frequenzband nur von einem einzigen Sender genutzt werden kann, sofern nicht Techniken wie Richtfunk oder Zeitmultiplexverfahren eingesetzt werden

Beim Hörfunk und Fernsehen sendet ein Teilnehmer, der Radio- oder Fernsehsender, und alle anderen Teilnehmer auf diesem Kanal empfangen nur, ohne selbst zu senden. Die Übertragung ist unidirektional – sie geht nur in eine Richtung.

Beim Sprechfunk oder beim Morsen senden mehrere Personen abwechselnd auf demselben Kanal (meist einer Frequenz oder einem Frequenzpaar), so dass Kommunikation in beide Richtungen möglich ist. Im Gegensatz zur unidirektionalen Übertragung (z. B. Rundfunk) ist so ein Informationsfluss in beiden Richtungen möglich.

Neben Morsesignalen und Sprache werden auch stehende und bewegte Bilder, zum Beispiel Wettersatellitenbilder oder Fernsehen, und Daten aller Art übertragen.

Wer auf einer bestimmten Sendefrequenz unter welchen Bedingungen funken darf, ist Gegenstand staatlicher Regulierung. So werden von Organisationen der Frequenzverwaltung etwa Frequenzpläne erstellt und Frequenzzuteilungen (als Allgemeinzuteilung oder konkret) vorgenommen. Die Technik kann dazu beitragen, die begrenzte Ressource „Frequenz“ sparsam zu nutzen, etwa bei der Flächenabdeckung durch Gleichwellennetze, oder allgemein durch Optimieren der benötigten Bandbreite.

In der jüngeren Geschichte der Funktechnik werden häufig direkt von den Geräten Kommunikationsprotokolle wie GSM, UMTS (beides für Mobiltelefone), IEEE 802.11 (drahtloses Computernetzwerk) oder Bluetooth (drahtlose Kommunikation mit digitalen Peripheriegeräten) verwendet.

Obwohl sich die Technik heutzutage stark von der von 1920 unterscheidet, erhielt sich der namensgebende Wortbestandteil Funk in Begriffen wie Rundfunk, Mobilfunk, Hörfunk usw. sowie im Firmennamen Telefunken bis heute.

Eine neue Entwicklung der Funktechnik wurde durch extrem energiesparende Miniaturisierung möglich: batterielose Funktechnik für die Anwendung in Schaltern und Sensoren. Auch bei der Vernetzung verschiedenartiger Geräte wird die batterielose Funktechnik bereits eingesetzt. Die für den Sendeprozess erforderliche Energie wird dabei durch Energy Harvesting aus der Umgebung gewonnen (z. B. aus Tastendruck, Temperaturdifferenz, Licht oder Vibrationen).

Probleme und Störungen

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Reichweitenverbesserung mittels terrestrischer Relaisstation auf einer Bergspitze

Da sich elektromagnetische Wellen oberhalb etwa 60 MHz physikalisch gesehen quasioptisch ausbreiten, werden Relaisstationen benötigt, wenn um den Erdball (Kugel) gefunkt werden soll. Diese Aufgabe übernehmen heutzutage z. B. Satelliten.

Gase (Erdatmosphäre) können den Signalweg beeinträchtigen. Dabei kommt es zu einer Vielzahl von Effekten, die von der benutzten Frequenz, der Dichte des Gases, der Ionisation und der Schichtung im Signalweg abhängig ist. Eine Übertragung durch flüssige und feste Medien führt zu einer starken Dämpfung des Signals.

Bei Frequenzen größer als etwa 100 MHz treten zunehmend Störungen durch Reflexionen an Mauerwerk, Metallbauwerken, Drähten oder Türmen auf. Die Reflexionen führen zu zeitlich versetztem Doppelempfang mit Signalverfälschungen und Gruppenlaufzeitverzerrungen. Es kommt zu teilweiser oder vollständiger Auslöschung gegenphasiger Signalanteile. Die Bewegungen von Sende- oder Empfangsantenne oder anderen Objekten im Signalweg können die Übertragung beeinträchtigen (Anwendung beim Passivradar und in Radar-Bewegungsmeldern!). Es kommt zu Geisterbildern beim Fernsehempfang und zu Problemen bei der GPS-Nutzung.

Effekte bei der drahtlosen Ausbreitung in der Erdatmosphäre

Durch die Auswahl der Modulationsart und der Betriebsart lassen sich viele Störungen erheblich vermindern.

Anwendungen

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Es gibt zahlreiche Anwendungen der Funktechnik, amtlich werden sie in Funkdienste eingeteilt. Beispiele sind:

Je nach deren Bedürfnissen kommen vielfältige technische und organisatorische Formen zum Einsatz wie

Siehe auch

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Literatur

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  • Wolfgang Schreier: Die Entstehung der Funktechnik. Deutsches Museum, München 1996, ISBN 3-924183-35-X.
  • Artur Fürst: Im Bannkreis von Nauen. Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart, Berlin 1923.
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Commons: Radio electronic diagrams – Sammlung von Bildern und Audiodateien
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