Applets:Spektrum
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Nachricht - Information - Signal
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen den Begriffen „Nachricht” und „Information”, die heutzutage allerdings oft synonym verwendet werden.
Eine Email von Herrn Maier an Frau Müller ist stets eine Nachricht. Für Frau Müller bedeutet der Erhalt dieser Email allerdings nur dann einen Informationsgewinn, wenn sie dadurch etwas Neues erfährt. Die durch eine Nachricht übermittelte Information hängt also in starkem Maße vom Kenntnisstand des Empfängers ab. In der Praxis ist die in einer Nachricht enthaltene Information eher gering, insbesondere im Anwendungsbereich der Telefonie.
Für die Übertragung und die Speicherung einer Nachricht ist stets ein energetischer bzw. materieller Träger erforderlich, der Signal genannt wird. Physikalisch erfolgt die Darstellung einer Nachricht also durch Signale, die von ganz unterschiedlicher Natur sein können. Mögliche Erscheinungsformen sind:
- elektrische Signale (z. B. Strom- und Spannungsverlauf),
- elektromagnetische Wellen (z. B. bei der Funkübertragung),
- Verlauf von Druck, Temperatur oder anderer physikalischer Größen,
- akustische Signale (z. B. Ausgangssignal eines Lautsprechers),
- optische Signale (z. B. Ausgangssignal eines Lasers).
Die zur Nachrichtenübertragung verwendeten Signale sind in der Regel Zeitfunktionen. Das bedeutet, dass (zumindest) einer der Signalparameter abhängig vom Zeitparameter $t$ ist. Solche Signalparameter sind beispielsweise bei einem Signalton die Amplitude („Lautstärke“) und die Frequenz („Tonhöhe“).
In einem Nachrichtenspeicher werden die Zeitfunktionen oft auch auf räumliche Funktionen geeigneter physikalischer Größen wie Magnetisierung (Magnetband) oder Schwärzungsgrad (Film) abgebildet.
Die Menge aller Nachrichtensignale lassen sich nach verschiedenen Kriterien katalogisieren, die im Kapitel Klassifizierung von Signalen benannt werden.
Blockschaltbild eines Nachrichtenübertragungssystems
In der folgenden Grafik ist ein Nachrichtenübertragungssystem schematisch dargestellt.
Die einzelnen Systemkomponenten haben folgende Aufgaben:
- Die Nachrichtenquelle liefert das Quellensignal $q(t)$, das über den Nachrichtenkanal zur räumlich entfernten Sinke übertragen werden soll. Die Nachrichtenquelle kann zum Beispiel ein Computer, ein Radiosender oder ein Fernsprechteilnehmer sein.
- Meist ist das Quellensignal $q(t)$ selbst für die Übertragung ungeeignet und muss erst in geeigneter Weise in das Signal $s(t)$ umgewandelt werden. Dieser Vorgang wird Modulation genannt und vom Sender bewerkstelligt. Deshalb wird $s(t)$ im Folgenden als das Sendesignal bezeichnet.
- Bei der Übertragung über den Kanal wird dieses Signal $s(t)$ in seiner Form verändert; gleichzeitig addieren sich mehr oder weniger starke Stör- und Rauschsignale. Das Signal am Kanalausgang und gleichzeitig am Empfängereingang bezeichnen wir als das Empfangssignal $r(t)$.
- Der Empfänger muss die beim Sender vorgenommene Wandlung wieder rückgängig machen. Wurde beispielsweise das niederfrequente Quellensignal $q(t)$ in das höherfrequente Sendesignal $s(t)$ umgesetzt, so muss der Empfänger auch einen Demodulator beinhalten.
- Der letzte Block in obigem Modell ist die Nachrichtensinke. Das Sinkensignal $v(t)$ ist wie das zu übertragende Signal $q(t)$ wieder niederfrequent. Im Idealfall, der in der Praxis allerdings nie exakt erreicht werden kann, sollte für alle Zeiten $v(t) = q(t)$ gelten.
Nachrichtenquelle
Als Beispiele für Nachrichtenquellen bzw. für das Quellensignal $q(t)$ können genannt werden:
- Audiosignale, z. B. Sprache oder Musik,
- Videosignale, z. B. ein analoges Fernsehsignal oder ein MPEG-codiertes Streaming-Video,
- Datensignale, z. B. der Datenstrom einer USB-Schnittstelle oder eine Email im Internet,
- Messsignale, z. B. zur Steuerung oder zur Regelung in einem Produktionsprozess.
Nachfolgend sehen Sie die Frequenz–Zeitdarstellung eines Sprachsignals.
- Man erkennt zu unterschiedlichen Zeiten die verschiedenen Frequenzanteile im kHz-Bereich.
- Übrigens: Es handelt sich hierbei um einen männlichen Sprecher.
Wir bedanken uns bei Markus Kaindl, LNT/TUM, für die Bereitstellung der Grafik.
Man unterscheidet zwischen analogen und digitalen Nachrichtenquellen. Die im Buch „Signaldarstellung” dargelegten Beschreibungsformen gelten für Analogsignale und Digitalsignale gleichermaßen.
Die grundlegenden Unterschiede zwischen analogen und digitalen Signale werden
- im Kapitel Klassifizierung von Signalen behandelt, und
- durch das Lernvideo Analoge und digitale Signale an Beispielen verdeutlicht.
Aufgaben des Senders
Wesentliche Aufgabe des Senders ist es, das Quellensignal $q(t)$ derart in ein Sendesignal $s(t)$ umzuformen, dass dieses unter Einhaltung vorgegebener Leistungsmerkmale möglichst gut an den Übertragungskanal angepasst ist. Dazu enthält jeder Sender entsprechende Funktionseinheiten wie
- Wandler – z. B. ein Mikrofon zur Umwandlung der physikalischen Größe „Druck” (akustische Welle) in ein elektrisches Signal,
- Signalumsetzer – beispielsweise von „analog” nach „digital” mit Hilfe der Komponenten Abtastung, Quantisierung und Binärcodierung,
- Codierer zum Entfernen von Redundanz zur Datenkomprimierung (Quellencodierung) oder zum systematischen Hinzufügen von Redundanz, die beim Empfänger zur Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur genutzt werden kann (Kanalcodierung),
- Modulator zur Anpassung an den Übertragungskanal – z. B. eine Frequenzumsetzung mittels Amplituden-, Phasen- oder Frequenzmodulation bzw. den entsprechenden digitalen Verfahren ASK, PSK bzw. FSK.
Je nach Anwendung bedeuten die obigen Leistungsmerkmale, dass für die Signalübertragung ganz spezifische Eigenschaften gefordert werden. Solche Merkmale sind beispielsweise:
- Leistungsbegrenzung – aufgrund der Diskussionen zum Thema „Elektrosmog” hochaktuell,
- Bandbreiteneffizienz – die UMTS-Versteigerung 2000 hat gezeigt, um welche Beträge es hierbei geht,
- Distanz bzw. Reichweite – ungünstige Werte erhöhen die Infrastrukturkosten,
- Übertragungsqualität – z. B. ein hoher Signal-zu-Störabstand oder eine geringe Fehlerrate.
