So funktioniert drahtlose Kommunikation

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Textnachrichten, Bilder und Videos an Ihr Mobiltelefon gesendet werden? Jeden Tag verbinden und teilen Milliarden von Geräten auf der ganzen Welt Daten mit Lichtgeschwindigkeit. Es mag wie Magie aussehen, aber es ist wirklich nur eine mächtige, unsichtbare und unterschätzte Kraft, die als Elektromagnetismus bekannt ist.

Elektromagnetismus ist eine der vier Grundkräfte in der Natur. Wie der Name schon sagt, ist es die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen und dem magnetischen Feld. Elektrizität und Magnetismus galten ursprünglich als getrennte Kräfte, wurden jedoch vereint, als James Clerk Maxwell 1873 seine Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus veröffentlichte, aus der hervorgeht, dass beide Phänomene durch eine Kraft erklärt werden können. In diesem Artikel untersuchen wir, wie diese Kraft in allen Formen der drahtlosen Kommunikation eingesetzt wird.

Radioantenne in der Nähe der Southeast Missouri State University

Elektromagnetische Wellen

Eine elektromagnetische Welle ist eine Störung im elektromagnetischen Feld. Dieses Feld existiert überall und Störungen in diesem Feld existieren um das Vorhandensein von Elektrizität oder Magnetismus. Wenn das elektromagnetische Feld wie Wasser in einem See ist, sind elektromagnetische Wellen wie Wellen im Wasser.

Wie werden Wellen übertragen?

Eine elektromagnetische Welle entsteht, wenn das elektromagnetische Feld gestört ist. Eine solche Störung kann entstehen, wenn Sie so einfach wie kurz beide Enden eines Kabels mit den Anschlüssen einer Batterie berühren. Dadurch kann ein elektrischer Strom durch den Draht fließen, was wiederum eine schwache elektromagnetische Welle erzeugt, die sich in alle Richtungen nach außen ausdehnt. Die in unserem Beispiel erzeugte Welle würde sich nicht weit bewegen und keine Informationen enthalten. Wenn es von einem Funksender abgefangen würde, würde es nur statisch klingen. Aber es ist eigentlich ziemlich einfach, eine elektromagnetische Welle zu erzeugen, und es ist nicht viel schwieriger, sie zum Senden von Informationen zu verwenden.

Wie Wellen Informationen tragen

Im frühen 20. Jahrhundert übertrugen Radiowellen Daten als Morsecode. Dieser Prozess der Informationsübertragung war langsam und hatte begrenzte Fähigkeiten. Der Erste und Zweite Weltkrieg beschleunigten die Entwicklung moderner Radios dramatisch und trugen zum ersten kommerziellen Rundfunk in den 1920er Jahren bei.

Heute können elektromagnetische Wellen praktisch jede Art von Daten übertragen. So wie sich Wellen in einem See auf und ab bewegen, während sie sich nach außen ausdehnen, können wir elektromagnetische Wellen dazu bringen, dasselbe zu tun. Beachten Sie, dass diese Arten von Wellen einer Sinusfunktion ähneln, wie unten dargestellt.

Eine Standard-Sinusfunktion. Image By Geek3 (Eigene Arbeit) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) oder CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)] über Wikimedia Commons

Wir können Informationen in diese Wellen codieren, indem wir einige Eigenschaften der Standard-Sinusfunktion wie Amplitude, Frequenz oder Phase modulieren (oder ändern). Die Welle wird dann durch die Luft gesendet, um von einem elektrischen Leiter wie einer Antenne abgefangen zu werden, wo die ursprüngliche Information durch Decodieren der modulierten Funktion erhalten werden kann.

Angenommen, Sie möchten mit dieser Methode Binärziffern senden. Sie könnten die Konvention übernehmen, dass eine Null durch eine Welle mit einer Amplitude von einer beliebigen Einheit dargestellt wird und dass eine Eins durch eine Welle mit einer Amplitude von zwei Einheiten dargestellt wird. Für jede Zeiteinheit würden Sie entweder eine Welle mit einer Amplitude von eins oder zwei empfangen, die entweder als Null oder als Eins interpretiert werden könnte.

Im Allgemeinen können wir Informationen in Sinusfunktionen codieren. Wir können diese Informationen dann an andere Geräte senden, indem wir die modulierten Funktionen als elektromagnetische Wellen übertragen. Wenn die Wellen von anderen Geräten empfangen werden, können die Daten decodiert und die ursprünglichen Informationen erhalten werden.

Eine begrenzte Anzahl von Frequenzen kann zum Senden elektromagnetischer Wellen verwendet werden. Daher bestimmen wir Frequenzbereiche für bestimmte Zwecke, die zusammen das Funkspektrum bilden. Durch die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen können mehrere Funksignale gleichzeitig im selben Bereich gesendet und voneinander unterschieden werden. Wenn Sie beispielsweise einen Radiosender auf 95.1 besuchen, stellen Sie einen Radiosender ein, der mit einer elektromagnetischen Frequenz von 95.100.000 Zyklen pro Sekunde sendet. Wenn Sie nur diese Frequenz hören, kann Ihr Radio diesen Radiosender von anderen unterscheiden.

Senden und Empfangen von Informationen

Das Übertragen von Informationen zwischen zwei Geräten mithilfe von Funkwellen erfordert einen Sender und einen Empfänger. Der Sender nimmt Informationen wie Audio oder Video auf, codiert sie in eine Sinusfunktion und überträgt die Funktion in Form einer elektromagnetischen Welle in die Luft. Der Empfänger erkennt die Welle und decodiert die Daten. Antennen werden von beiden Sendern zum Senden von Wellen und von Empfängern zum Erkennen von Wellen verwendet.

Elektromagnetische Wellen können sich je nach Übertragungsleistung von einigen Meilen (für Fernsehsendungen) bis zu Millionen von Kilometern (für Weltraumübertragungen) bewegen. Da sich Funkwellen in alle Richtungen ausbreiten, wird ihr Signal umso schwächer, je weiter sie sich fortbewegen. Aus diesem Grund müssen Sie einen Sender mit höherer Leistung verwenden, um eine Funkwelle über eine größere Entfernung zu senden.

Die Macht ist überall um dich herum

Die Fähigkeit, elektromagnetische Wellen zu erfassen, ist als Magnetorezeption bekannt und wird von vielen im Tierreich geteilt, einschließlich Vögeln, Fledermäusen, Fruchtfliegen und Mäusen. Es ist bekannt, dass Vögel das Erdmagnetfeld zur Navigation nutzen - eine Fähigkeit, die ihnen hilft, sich relativ zum Boden zu orientieren und regionale Karten zu entwickeln.

Obwohl wir sie nicht sehen können, gibt es unzählige elektromagnetische Wellen um uns herum, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Elektromagnetische Wellen werden für Fernsehsendungen, Mobiltelefone, Bluetooth, Radio und jede andere Form der drahtlosen Kommunikation verwendet.