Nachrichtentechnik – Grundlagen der »Schwachstromtechnik«

Elektronik, Nachrichtentechnik, elektronische Datenverarbeitung

Elektrischer Strom wird für zwei grundverschiedene Dinge genutzt:
  • Zur Übertragung und Verteilung von Energie,
  • zur Übertragung und Verarbeitung von Daten, Nachrichten und Informationen.

Hier ist nun vom zweiten Bereich die Rede, der als modern, wachstumsorientiert und zukunftsträchtig gilt und von Innovationen nur so wimmelt. Dabei ist dies das ältere, das erste Anwendungsgebiet der Elektrizität überhaupt. Es begnügt sich mit kleinen, kleinsten, teilweise winzigen Spannungen und Strömen. Doch betrachten wir zunächst, wie alles anfing.

0. Einführung: Sprache und Bilder

Die Fachgebiete der Informationsverarbeitung und der Fernmeldetechnik bzw. der Telekommunikation haben sich über viele Jahre nebeneinander entwickelt. Welche Fachgebiete sich tatsächlich hinter dem Begriff der Informationstechnik alle verbergen, ist weltweit nicht festgelegt. Ein Klärungsversuch des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. ab 1984 führte in 1992 zur Veröffentlichung des DIN-Fachberichts 36: Gliederung der Informationstechnik – Versuch einer Klärung [6].

Der Entwurf DIN 44310:1990-02: Gliederung der Informationstechnik; Struktur nach unterschiedlichen Betrachtungsweisen wurde schließlich zurückgezogen.

Hinter dem Begriff Informationstechnik werden unterschiedlichste Bezeichnungen gesehen, z.B.:

  • Telekommunikation
  • Fernmeldetechnik
  • Nachrichtentechnik
  • Informatik
  • Bürotechnik
  • Prozessautomation
  • Datenverarbeitung
  • Informationsverarbeitung

Im Gesetz über das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI-Gesetz) wird im § 2 Begriffsbestimmung geklärt [7]:

Die Informationstechnik im Sinne dieses Gesetzes umfasst alle technischen Mittel zur Verarbeitung oder Übertragung von Informationen.

[6] DIN Fachbericht 36: Gliederung der Informationstechnik – der Versuch einer Klärung; Ad-hoc-Arbeitskreis Gliederung der Informationstechnik, Stand 1992, 1. Auflage; Herausgeber: DIN Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin; Beuth Verlag GmbH Berlin Köln

[7] Gesetz über das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI-Gesetz - BSIG), Ausfertigungsdatum: 14.08.2009

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1. Geschichte der Nachrichtenübertragung

Bis zu den ersten elektrischen Nachrichtenübertragungen war es ein weiter Weg; Boten zu Fuß und Pferd, Signalfeuer, Fackelpost, Rufpost und Signalhörner übermittelten simple Nachrichten wie Alarme, Siegesmeldungen oder Hilfeanforderungen. Für den Nachrichtenweitverkehr komplexer Informationen waren solche Anwendungen nicht geeignet. Problematisch bei diesen einfachen Verfahren war immer auch die »Laufzeit«, insbesondere, wenn mehrere Relaisstationen beteiligt waren. Auch Täuschungen, Irrtümer und der Umstand, dass entsprechende Signale bei den Beteiligten immer vorab vereinbart werden mussten, waren Anlass, weitere Ideen für den Informationsaustausch über weite Strecken zu entwickeln. An dieser Stelle tauchen im Zeitabschnitt 400 vor bis 400 n. Chr. die ersten Vorschläge für nicht elektrische Telegrafen auf, welche auf optischer Basis funktionieren sollten (z.B. Feuerzeichen) [1].

Die Entwicklung der ersten elektromechanischen und elektronischen Nachrichtentechniken war eng verknüpft mit den Entdeckungen der elektrischen Kräfte. Im 17. Jahrhundert wurde untersucht, dass leichte Körper von einer rotierenden Schwefelkugel angezogen bzw. abgestoßen wurde. In dieser Zeit wuchs bereits die Erkenntnis, dass durch Elektrizität Entfernungen mit großer Geschwindigkeit zu überwinden waren. War dies der Startpunkt für die elektrische Fernwirktechnik? Der wohl älteste Vorschlag für einen elektrischen Telegrafen stammt aus dem Jahr 1753 und sieht für jeden zu übertragenden Buchstaben einzelne Leitungen vor. Nur wenige Jahre später gab es Überlegungen, nur eine einzige Leitung zu verwenden und durch einen vereinbarten Code die Buchstaben des Alphabets zu übersenden. An dieser Stelle ist es interessant zu erwähnen, dass man damals davon ausging, eine elektrische Wirkung nur über einen Draht erzielen zu können; dass hierbei eine Rückleitung über die Erde notwendig ist, wurde offensichtlich noch nicht erkannt [1]. Es mussten daher noch einige Jahre vergehen, bis elektrische Telegrafenlinien tatsächlich in Betrieb gingen; derweil wurden in England und Frankreich optische (u.a. Einsatz von Fernrohren) Telegrafen-Übertragungsstrecken betrieben.

In den 30er Jahren des 18. Jahrhunderts griff schließlich Samuel Morse die Ergebnisse der Forschungen rund um den Elektromagneten auf, um einen elektrischen Telegrafen zu konstruieren. Im Jahr 1844 entstand bereits die erste Versuchslinie von Washington nach Baltimore [2].

In Europa baute Siemens 1848 / 1849 die erste Fern-Telegrafenlinie von Frankfurt am Main nach Berlin; von Frankfurt über Kassel nach Eisenach oberirdisch, von Eisenach nach Berlin unterirdisch, entlang einer bestehenden Eisenbahnlinie [3].

»Mein Telegraf gebraucht nur einen Draht und kann mit Tasten wie am Klavier gespielt werden«, schrieb Werner Siemens über den von ihm konstruierten Zeigertelegrafen 1847 [4]. Der Nachrichten-Rückstrom floss dabei über das Erdreich. Waren damit die ersten Probleme bezüglich der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) vorprogrammiert? Ab 1850 entschlossen sich die wirtschaftlich höher entwickelten europäischen Länder »digitale« Kommunikationsnetze einzurichten [2]. Als Übertragungsraten wurden in diesen Jahren Geschwindigkeiten von 30 bis 100 Zeichen in der Minute angegeben. Doch nicht nur über Land wurde telegrafiert; die ersten Seekabel wurden ab 1850 – zunächst mit wenig Erfolg – und ab 1858 für telegrafische Nachrichtenübertragungen genutzt.

Ferranti entwickelte in 1884 das Prinzip des Koaxialkabels, um Energieverluste und Störungen bei Fernmeldekabeln zu minimieren.

1891 wurde zur Vermittlung von Telefonverbindungen der sogenannte Hebdrehwähler erfunden. Mit der Entwicklung der Nummernwählscheibe konnte nun das erste automatische Wählsystem umgesetzt werden, welches die Telefon-Handvermittlung nach und nach ablösen konnte.

Im Jahr 1898 gelang dem Physiker Ferdinand Braun eine erste drahtlose Nachrichtenübermittlung. 1899 wurde von Guglielmo Marconi die erste drahtlose Verbindung über den Ärmelkanal realisiert und im Jahr 1901 war die erste transatlantische, drahtlose Verbindung möglich.

Durch die Erfindung des Fotophons entwickelte sich parallel zur elektrischen Telegrafie die Lichttelegrafie. Dabei werden Morsesignale als gebündelter Lichtstrahl gesendet.

Die enormen Entwicklungen auf Seiten der Energietechnik ab ca. 1870 spiegeln sich auch in immer neuen Anwendungen der elektrischen Nachrichtenübermittlung wieder. So wurden aus den geschaffenen Möglichkeiten des »Schreibens in die Ferne« auch Methoden ausgedacht, Handschriften, Zeichnungen und Bilder über die Ferne zu übertragen. So wurden erste Fotografien mittels Teleautografen in 1902 erfolgreich versandt. Die Geschwindigkeit der Übertragung von Schwarz-Weiß-Bildern, bei der für einen Bildpunkt prinzipiell zwei elektrische Signalwerte ausreichten, war damals noch sehr langsam und führte zu einer Dauer von einigen Minuten pro Bild.

Zu langsam, um auch bewegte Bilder zu versenden. Unter Berücksichtigung der Trägheit des menschlichen Auges mussten Geschwindigkeiten zur Übertragung von mindestens 10 Bildern pro Sekunde erreicht werden. Ende des 19. Jahrhunderts entstand ein Wettlauf zwischen dem »Mechanischen Fernsehen« durch die Codierungs-Erfindungen von Paul Nipkow und dem Elektronischen Fernsehen, welches durch die enormen Weiterentwicklungen im Bereich der Elektronik und Funktechnik möglich wurde. Die Fernsehübertragungen zu den Olympischen Spielen wurden noch mit beiden Verfahren durchgeführt. Das Unternehmen Telefunken stellte in den Jahren 1933 bis 1936 bereits Fernseh-Empfangsgeräte mit Kathodenstrahlröhren her. Die Entwicklungszyklen zu den Erfindungen in der Nachrichtentechnik werden in den Folgejahren immer kürzer; es werden im Folgenden einige herausgegriffen [5]:

1945 Erster elektronischer Großrechner mit 18.000 Elektronenröhren / USA

1947 Erfindung des Transistors

1949 Massenanfertigung von Schaltkreisen durch gedruckte Schaltungen

1957 Sputnik 1 / 1. Satellit / Russen

1959 Integrierter Schaltkreis

1964 Geburtsstunde elektronische Textverarbeitung

1964 Dritte Generation der Computertechnik mit integrierten Schaltungen

1969 Mikroprozessor

1971 Erster Robotereinsatz in der Automobilfertigung

1976 Entwicklung des Personalcomputers (PC)

1983 Offizielle Verabschiedung des Open Shells Interconnect-Netzwerkmodel (OSI)

1984 Vermehrter Einsatz von Lichtwellenleiter-Kabel (LWL)

1989 Entwicklung World Wide Web

1995 EN50173: Informationstechnik – Anwendungsneutrale Verkabelungssysteme

2000 Gigabit-Ethernet

[2] Pichler, Franz: Aufsätze zur Geschichte der Informationstechnik; Telegraphie, Fernsehen, Elektronik, Signalverarbeitung; Schriftenreihe Geschichte der Naturwissenschaften und der Technik – Johannes Kepler Universität Linz, Band 20, Universitätsverlag Rudolf Trauner, 2010

[3] Rudolph, Wilhelm: Einführung in die DIN VDE, Elektrische Anlagen von Gebäuden, VDE-Schriftenreihe 39, 2. Auflage, VDE-Verlag GmbH Berlin-Offenbach, 1999

[4] Rudolph, Wilhelm; Winter, Otmar: EMV nach VDE 0100; VDE-Schriftenreihe 66, 3. Auflage, VDE-Verlag GmbH Berlin-Offenbach, 2000

[5] Lapp: Die Verteilung elektrischer Energie/Schnelle Lichtwellen übertragen informative Impulse, 2. Auflage 1998, Copyright bei Andreas Lapp in U. I. Lapp GmbH & Co.KG

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2. Definitionen

Die Fachgebiete der Informationsverarbeitung und der Fernmeldetechnik bzw. der Telekommunikation haben sich über viele Jahre nebeneinander entwickelt. Welche Fachgebiete sich tatsächlich hinter dem Begriff der Informationstechnik alle verbergen, ist weltweit nicht festgelegt. Ein Klärungsversuch des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. ab 1984 führte in 1992 zur Veröffentlichung des DIN-Fachberichts 36: Gliederung der Informationstechnik – Versuch einer Klärung [6].

Der Entwurf DIN 44310:1990-02: Gliederung der Informationstechnik; Struktur nach unterschiedlichen Betrachtungsweisen wurde schließlich zurückgezogen.

Hinter dem Begriff Informationstechnik werden unterschiedlichste Bezeichnungen gesehen, z.B.:

  • Telekommunikation
  • Fernmeldetechnik
  • Nachrichtentechnik
  • Informatik
  • Bürotechnik
  • Prozessautomation
  • Datenverarbeitung
  • Informationsverarbeitung

Im Gesetz über das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI-Gesetz) wird im § 2 Begriffsbestimmung geklärt [7]:

Die Informationstechnik im Sinne dieses Gesetzes umfasst alle technischen Mittel zur Verarbeitung oder Übertragung von Informationen.

[6] DIN Fachbericht 36: Gliederung der Informationstechnik – der Versuch einer Klärung; Ad-hoc-Arbeitskreis Gliederung der Informationstechnik, Stand 1992, 1. Auflage; Herausgeber: DIN Deutsches Institut für Normung e.V. Berlin; Beuth Verlag GmbH Berlin Köln

[7] Gesetz über das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI-Gesetz - BSIG), Ausfertigungsdatum: 14.08.2009

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