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Bandbreite

Bandbreite

Bandbreite B bezeichnet #die Differenz zweier Frequenzen, die einen bestimmten, kontinuierlich zusammenhängenden, Frequenzbereich – ein Frequenzband – bilden. Bandbreite B = f2 − f1. Das geometrische Mittel f_0 = \sqrt zwischen diesen Frequenzen (f1 für die untere Grenzfrequenz und f2 für die obere Grenzfrequenz) heißt Mittenfrequenz f0. #den Frequenzbereich, den ein Übertragungskanal mit Bandpasscharakter übertragen kann. Die Bandbreite ist meist definiert als die Breite des Frequenzbandes, an dessen Grenzen die Dämpfung jeweils 3 dB erreicht. Mit anderen Worten ist es die Differenz der beiden Frequenzen, an denen der Amplitudengang um 3 dB, also die Spannung auf das \sqrt -fache (etwa 71%) des Maximalwertes gefallen ist. #in der Telekommunikation und Digitaltechnik umgangsprachlich die Datenmenge, die über ein bestimmtes Medium in einer bestimmte Zeit übertragen werden kann. Die richtige Bezeichnung hierfür ist Datenübertragungsrate. Der Begriff wird in der Akustik, der Elektrotechnik, der Funktechnik und in der Optik verwendet, also überall dort, wo „Wellen“ übermittelt werden.

Grundlagen

Ein realer Übertragungskanal hat – abhängig von seinen physikalischen Eigenschaften – eine untere (f1) und eine obere (f2) Grenzfrequenz – er bildet also einen Bandpass. Im dazwischenliegenden Frequenzband ist eine Signalübertragung möglich. Frequenzen, die darüber oder darunter liegen, werden stärker gedämpft. Neben der Angabe der absoluten Grenzfrequenzen erfolgt in der Praxis häufig die Angabe der Frequenzen bei Erreichen von 3 dB Dämpfung. Bei theoretisch rechteckförmigen Übertragungskennlinien (rechteckigförmiger Amplitudengang) stimmen beide Definitionen überein. Die Einheit der Bandbreite (B = f2 − f1) ist die der Frequenz in Hertz (Hz). Gebräuchlich sind auch kHz (Kilohertz), MHz (Megahertz) und GHz (Gigahertz). Die Bandbreite einer Übertragungsstrecke wirkt sich, neben dem Fremdspannungsabstand, stark auf dessen maximale Datenübertragungsrate aus, was durch das Shannon-Hartley-Gesetz theoretisch beschrieben wird. Daher wird der Begriff Bandbreite oft unscharf zur Bezeichnung der Datenübertragungsrate in Bit/s verwendet – wobei je nach Fremdspannungsabstand ein beträchtlicher Unterschied zwischen Bandbreite und Datenübertragungsrate möglich ist – bis über Faktor 10. (Beispiel V.34-Telefonmodem: Datenrate 33600 Bit/s, Bandbreite 3800 Hz.) Die Bandbreite B = f2 − f1 wird häufig fälschlicherweise mit dem Gütefaktor Q = f0 / B gleichgesetzt. Die Bandbreite ist jedoch dem Gütefaktor (Q-Faktor) umgekehrt proportional. Die Bandbreite einer bestimmten Signalform bei der Datenübertragung ergibt sich aus dem niedrigsten und dem höchsten zu übertragenden Spektralanteil, den man durch Fourieranalyse berechnen kann. Das Ergebnis der Fourieranalyse wird gewöhnlich als Leistungsdichtespektrum dargestellt.

Audiotechnik

Das menschliche Ohr hört Töne etwa von 16 bis 20.000 Schwingungen pro Sekunde, der Bereich ist jedoch individuell verschieden. Mit zunehmendem Alter senkt sich die obere Grenzfrequenz. Die Bandbreite beträgt also etwa 20 kHz, wenn man recht jung ist. Man sollte bei Erwachsenen eher von einer üblichen Bandbreite des Hörvermögens von 16 kHz ausgehen. Bei analogen Telefonen beschränkt sich die übertragene Frequenz auf 300 Hz bis 4100 Hz, die Bandbreite beträgt also nur 3800 Hz. Dieses reicht für Sprachverständlichkeit aus, wenn keine wesentlichen Störgeräusche vorhanden sind. Die Bandbreitenbeschränkungen dienen hier zur besseren Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Übertragungskapazitäten. Im Mittelwellenrundfunk wird der Schallbereich von 30 Hz bis 4500 Hz (amerikanischer Kontinent: 5000 Hz) übertragen. Dies führt zu dem bekannten höhenarmen und dunklen Klang. Im UKW-Band werden dagegen 30 Hz bis 15 kHz in Stereo übertragen, die Bandbreite liegt also nahe am Hörbereich. Compact-Disk-Signale enthalten den Bereich von 0 bis über 20 kHz (theoretische Bandbreite 22,050 kHz, also die halbe digitale Abtastfrequenz von 44,1 kHz), umfassen also mehr als den Hörbereich. Im Bereich der digitalen Audiotechnik spielt das Shannonsche Samplingtheorem eine wesentliche Rolle. Es besagt, dass eine bandbreitenbeschränkte Funktion aus Abtastwerten, auch Samples genannt, beliebig genau (bei gegen Unendlich strebendem Aufwand) rekonstruiert werden kann, wenn die Abtastrate mindestens doppelt so hoch ist wie die maximale auftretende Frequenz des Signals. Als Samples bezeichnet man dabei einzelne Funktionswerte in einem konstanten zeitlichen Abstand. Allgemein muss die Datenrate mindestens doppelt so hoch wie die Bandbreite sein. Dabei gibt es eine Abtastfrequenz F, so dass das Frequenzband [f1,f2] in einem vergrößerten Band [N1F,N2F] enthalten ist, (N2-N1)F ergibt dann die maximal mögliche Datenrate. Dabei sind die dann mehrdimensionalen Daten, die pro Abtastintervall anfallen, keine Samples im Sinne von Funktionswert mehr, sondern Fourierkoeffizienten in einem Orthonormalsystem. Eine Compact Disc enthält für jede Sekunde 44100 Funktionswerte (bei einer Auflösung von 16 Bit pro Sample; jeweils für den linken und rechten Stereokanal, "CD-Qualität"). Nach dem Samplingtheorem führt die Samplerate von 44100 Hz bei Compact Discs zu einem Audiosignal mit der oben erwähnten maximalen idealen Bandbreite von 22050 Hz (44100 Hz/2). Diese ist in der Praxis aber nicht erreichbar, da digitale Signalverarbeitung nur endliche Summen zulässt bzw., technisch formuliert, Filter keine unendlich steilen Flanken zulassen.

Nachrichtentechnik

Rundfunktechnik

In der Nachrichtentechnik wird das elektromagnetische Spektrum in Frequenzbänder aufgeteilt, z. B. für Mittelwellenrundfunk der Bereich 300 kHz-3 MHz. Diese Bänder werden in weitere Bänder aufgeteilt und einzelnen Sendestationen zugeteilt. Die Bänder der einzelnen Sender in einander überlappenden Sendebereichen müssen sich unterscheiden, um Doppelempfang zu vermeiden. Bei einzelnen Sendern verwendet man anstatt „Band“ oft den Begriff „Kanal“. Das Audiosignal im Mittelwellenrundfunk wird amplitudenmoduliert (AM-Modulation). In dieser Modulationsart erscheinen die Audiofrequenzen in einem unteren und oberen Seitenband, ein 1-kHz-Ton eines Senders mit einer Mittenfrequenz von z. B. 829 kHz erscheint also bei 828 und 830 kHz. Da in Europa die Audiobandbreite auf 4,5 kHz beschränkt ist, muss diesem Sender der Bereich zwischen 824,5 bis 833,5 kHz zugeteilt werden, die Breite des Frequenzbandes für diesen Sender beträgt also 9 kHz und damit die doppelte Bandbreite des Audiosignals. Im UKW-Bereich werden den einzelnen Sendern Frequenzbänder mit 150 kHz Breite zugeteilt. Dieses Signal ist frequenzmoduliert (FM-Modulation) und hat daher nicht zwei Seitenbänder, sondern wird durch Besselfunktionen beschrieben. Im Falle einer Stereoübertragung wird zusätzlich zum Monosignal ein fmin+19 kHz Pilotton im zugeteilten Frequenzband gesendet. Das Differenzsignal (L-R) erscheint amplitudenmoduliert im Bereich um fmin+38 kHz (23 kHz bis 53 kHz). Der Bereich um fmin+57 kHz ist für das RDS-Signal und anderes vorgesehen. Das 75-kHz-Band eines UKW-Senders ist also in weitere Bänder aufgeteilt. Für die FM-Modulation muss das Band im HF-Bereich auf 150 kHz verdoppelt werden, da +/-75 kHz nötig sind.

Datenübertragungstechnik

Das bei der Audiotechnik erwähnte Samplingtheorem spielt auch im Bereich der Datenübertragungstechnik eine wesentliche Rolle. Anstatt die Analogfunktion aus Samples zu berechnen, wird hier umgekehrt die übertragene Funktion mit der doppelten Frequenz der Übertragungsbandbreite gesampelt. Die Informations-Bits ergeben sich aus den einzelnen Samples. Beschränkt man sich auf ein Bit/Sample, so folgt aus diesem Theorem, dass die Datenrate gleich der doppelten Bandbreite ist, das heißt in einem Frequenzband von 4 kHz können maximal 8000 Bit/s übertragen werden. Bei gutem Signal-Rausch-Verhältnis (Rauschabstand) können jedoch durchaus mehrere Bits je Sample übertragen werden. Die möglichen Bits/Sample nehmen mit dem Logarithmus des Rauschabstandes zu. In der Praxis können bei sehr guten Leitungen bis zu etwa 10 Bits/Sample erreicht werden. Ein 4-kHz-Band ermöglicht also Raten bis zu 80.000 Bit/s.

Beispiele von Bandbreiten und Datenraten

Bandbreite bei 10-MBit-Ethernet

10-MBit-Ethernet verwendet unter anderem Koaxialkabel und hat damit eigentlich den gesamten Frequenzbereich bis unendlich zur Verfügung. Wegen möglicher Abstrahlung und Störung von Übertragungen in der Umgebung sowie höherer Dämpfung mit steigender Frequenz sollte die Frequenz aber auf nicht wesentlich über 30 MHz beschränkt bleiben. Für die Taktrückgewinnung aus dem Bitstrom verwendet man bei Ethernet die Manchestercodierung, d.h. jedes Bit wird entweder als 1-0- oder 0-1-Wechsel gesendet. Die rohe Bitrate auf dem Kabel verdoppelt sich auf 20 MBit/s. Diese besitzt wesentliche Frequenzanteile bei 0–10 MHz, 20 MHz, 30 MHz, 40 MHz, ... Zur sicheren Signalrekonstruktion können die Anteile über 30 MHz abgeschnitten werden. Die Datenrate beträgt 10 MBit/s, die Bandbreite jedoch 30 MHz.

Bandbreite bei 100-MBit-Ethernet

100-MBit-Ethernet verwendet meist Twisted-Pair-Kabel, also symmetrische Leitungen mit verdrillten Adernpaaren. Die Kabel sind von relativ hoher Qualität. Wiederum sollten die Spektralanteile und damit die Bandbreite nicht wesentlich über 30 MHz liegen. 100-MBit-Ethernet verwendet zur Taktrekonstruktion eine 4Bit/5Bit-Kodierung (4B/5B). Jeweils vier Datenbits werden als 5-Bit-Code auf der Leitung übertragen, wobei der Code mindestens zwei 1-Bits enthält. Die Übertragungsrate auf dem Kabel beträgt daher 125 MBit/s. Die Übertragung wird auf drei Spannungsstufen im 0,1,0,-1 Wechsel durchgeführt, wobei die Information durch Halten einer Stufe bei 0-Bits übertragen wird (MLT-3 Verfahren). Dieses Verfahren hat den Vorteil einer guten Frequenzausnutzung. Wesentliche Spektralanteile sind bei 0–31,25 MHz, 65 MHz, 125 MHz, 250 MHz, ... Das Signal und Taktsignal kann jedoch rekonstruiert werden, wenn die Anteile über 31,25 MHz unterdrückt werden. Die Datenrate beträgt hier 100 MBit/s, die erforderliche Bandbreite nur 31,25 MHz. Sie liegt damit fast gleichauf mit dem 10-MBit-Ethernet.

ADSL

ADSL wird auf Twisted-Pair-Leitungen verwendet, die erst für die analoge Telefonie (Bandbreite 3100 Hz), später auch für ISDN (Bandbreite ca. 130 KHz) genutzt wurden. Telefonie und ISDN kommen mit einem kleinen Bereich im unteren Teil der praktisch nutzbaren Bandbreite aus. Allerdings waren die Kabel für die Übertragung höherer Frequenzen ursprünglich nicht vorgesehen, dort kann es in einzelnen Frequenzbereichen zu starken Störungen kommen. ADSL verwendet den Frequenzbereich von 138 kHz bis etwa 1,1 MHz. Über eine einfache Frequenzweiche, den so genannten Splitter, kann das ADSL-Frequenzband von den darunterliegenden Bändern (ISDN, Analog-Telefonie) getrennt werden. Das DSL-Frequenzband wird weiter aufgeteilt in ein Sendedaten-Band (Upload) von 138 kHz bis 276 kHz und ein Empfangsdaten-Band (Download) von 276 kHz bis 1104 kHz. Beim Senden werden 32 Kanäle mit jeweils 4,3125 kHz, beim Empfangen 192 Kanäle mit je 4,3125 kHz Bandbreite untergebracht. Jeder Kanal ermöglicht im DMT-Verfahren eine Übertragungsrate von 4 kBit/s. Bei Einschalten von ADSL werden alle Kanäle einzeln eingemessen und bei zu großer Dämpfung oder bei Störungen einzeln gesperrt. Dies führt dann zu einer Verringerung der erreichbaren Übertragungsrate. Die erforderliche Bandbreite der verwendeten Kupfer-Doppelader liegt bei etwa 1,1 MHz (genauer 1104 kHz)

Zusammenfassung

Filtertechnik

In der Filtertechnik wird der Bereich als Bandbreite bezeichnet, an dessen Grenzfrequenzen sich die Spannungs-Amplitude um den Faktor \sqrt (entspricht einer Veränderung um 3 dB) gegenüber dem Maximum oder Minimum geändert hat. Bei einem Reihen- oder Parallelschwingkreis bezeichnet die relative Bandbreite das Verhältnis aus der Bandbreite und der Mittenfrequenz. Die relative Bandbreite ist der Kehrwert der Güte oder des Gütefaktors. Die Güte Q (Gütefaktor) ist dimensionslos.

Siehe auch


- Bandspreiztechnik
- Mittenfrequenz
- Grenzfrequenz

Weblinks


- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-bandbreite.htm Umrechnung: Bandbreite in Oktaven N in Gütefaktor Q und zurück]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-geommittel.htm Berechnung der Mittenfrequenz als geometrisches Mittel] Kategorie:Nachrichtentechnik Kategorie:Funktechnik

Frequenz

Mit Frequenz von lat.: frequentia, "Häufigkeit", Formelzeichen f oder manchmal auch der griechische Buchstabe \nu, bezeichnet man allgemein die Anzahl von Ereignissen innerhalb eines bestimmten Zeitraums. Im Speziellen sind mit diesen Ereignissen Perioden gemeint, somit ist die Frequenz der Kehrwert der Periode. Neben einer Ereignishäufigkeit pro Zeitintervall kann Frequenz auch eine Ereignishäufigkeit in einem bestimmten Gebiet bezeichnen, siehe dazu Ortsfrequenz. Die Einheit der Frequenz in Hertz, kurz: Hz ist abgeleitet von der SI-Basiseinheit Sekunde (s): : 1\mathrm=\frac Ausgesprochen heißt die Formel: Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Die Einheit der Frequenz ist nach dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz benannt.

Spezielle Frequenzbegriffe

Umlauffrequenz

Unter dem Begriff Umlauffrequenz oder Drehzahl n versteht man das Verhältnis der Anzahl der Umdrehungen U in einer benötigten Zeit, z.B. n = U/min. z ist die Anzahl der Umdrehungen während der Zeit t. t ist die Zeit und Dauer der Rotation. Der Drehwinkel ist φ. T ist die Umlaufdauer (Dauer einer Umdrehung). T = 1/n. Drehzahl n und Zahl der Umdrehungen z müssen sorgfältig unterschieden werden.
z = φ / 2 · π : f = T = Periodendauer : f = n = Schwingungsanzahl und t = Zeit
Weiterhin wird in der Physik häufig die Kreisfrequenz ω benutzt und anstatt der Frequenz f wird gern der griechische Buchstabe ν (Ny, sprich „nü“) genommen.

Frequenzen bei Wellen

Für die Frequenz f gilt: f=\frac , wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in einem Medium und \lambda (lambda) seine Wellenlänge ist.
- λ = Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle oder
- λ = Wellenlänge einer Schallwelle meistens in Luft
- c = Geschwindigkeit von Licht im Vakuum (Lichtgeschwindigkeit) = 299 792,458 km/Sekunde ~ 300 000 km/s = 300 000 000 m/s oder
- c = temperaturabhängige Geschwindigkeit von Schall in Luft (Schallgeschwindigkeit) = 343 m/s bei 20 °C.

Frequenzspektren

Rein sinusförmige Schwingungen kommen in der Natur nicht vor. Dies ist nicht nur in der Wellenform der Schwingung begründet, sondern auch in der zeitlichen Begrenztheit des Schwingungsvorgangs. Eine mathematisch exakte Sinuswelle ist dagegen zeitlich unbegrenzt, damit wäre der mit ihr verbundene Energieinhalt unendlich. Jeder zeitlich begrenzte Schwingungsvorgang, selbst wenn er ansonsten die Form einer Sinuskurve hat, ist dagegen immer eine Überlagerung mehrerer Frequenzen. Diese können in einem Frequenzspektrum dargestellt werden. Ein physikalisch realistischer Schwingungsvorgang besteht aus einem Gemisch unendlich vieler Frequenzen mit jeweils infinitesimalen Anteil der Einzelfrequenzen. Mathematisch kann man Frequenzen deshalb als Einheitsvektoren eines Vektorraums auffassen, die selbst nicht mehr Elemente dieses Vektorraumes sind. Jeder periodische Vorgang lässt sich durch die Summe der in ihm vorhandenen Frequenzen mit Hilfe der Fourieranalyse darstellen.

Beispiele


- Dauert eine Periode eine 0,01 Sekunde (10 ms), so ergibt sich eine Frequenz von: : f==100 \ \mathrm
- Die Frequenz des Kammertons a' (eingestrichenes a), nach dem ein Orchester gestimmt wird, beträgt heute 440 Hz (oder geringfügig höher).
- Ein Kleinkind hört Töne mit Schwingungen bis ca. 20.000 Hz, Erwachsene hören diese hohe Frequenz nicht mehr.
- Die Frequenz des Wechselstroms im europäischen Stromnetz ist genau 50 Hz, etwa der Ton G.
- Im US-amerikanischen Stromnetz ist die Frequenz 60 Hz, etwa der Ton B. In älteren Tonaufnamen kann man manchmal ein tiefes Brummen von der Netzfrequenz hören. An der Tonhöhe kann man dann erkennen, ob eine Tonaufnahme z. B. in USA gemacht wurde. In den us-amerikanischen Stromnetzen brummt es eine kleine Terz höher als in denen Europas. Durch die Gleichrichtung der Wechselspannung ist die doppelte Netzfrequenz zu hören.
- Für Mobiltelefone (ugs. "Handy") werden unterschiedliche Frequenzbänder genutzt. Beispielhaft seien hier die Mobilfunknetze von GSM und UMTS genannt. Bei den GSM-Mobilfunknetzen wird beim D-Netz (in Deutschland D1 T-Mobile, D2 Vodafone) ein Frequenzband bei 900 MHz genutzt, das E-Netz (in Deutschland E-Plus, O2 Germany) benutzt ein Frequenzband bei 1.800 MHz. Bei den UMTS-Mobilfunknetzen wird weltweit (bis auf Nordamerika) ein Frequenzband bei 2.100 MHz genutzt. In Nordamerika verwenden die Netze dagegen - sowohl für GSM- als auch UMTS-Mobilfunknetze - überwiegend das 1900 MHz-Band und das 850 MHz-Band.
- in der Medizin gilt: Der Puls f oder \nu (griechisch: ny) wird in Anzahl der Pulsschläge (Perioden) pro Minute gemessen. Siehe auch: Kreisfrequenz, Fourieranalyse, Liste interessanter Frequenzen

Weblinks


- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellenlaenge.htm Umrechnung von Frequenz in Wellenlänge und zurück bei Schallwellen (Schall in Luft) und Radiowellen (Licht)]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-periodendauer.htm Umrechnung von Frequenz f in Periodendauer T und zurück] Kategorie:Digitale Signalverarbeitung Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Wellenlehre ja:周波数 ko:진동수 th:ความถี่

Geometrisches Mittel

Mittelwert#Geometrisches_Mittel

Mittenfrequenz

Die Mittenfrequenz f0 ist das geometrische Mittel zwischen der unteren f1 und der oberen f2 Grenzfrequenz (Übergangsfrequenz) eines Frequenzbands mit dieser bestimmten Bandbreite B = f2 - f1. Siehe auch: Bandpass. : f_0 = \sqrt Oft wird fälschlicherweise mit dem arithmetischen Mittel gerechnet, obwohl die Frequenzen in den Frequenzbändern logarithmisch zusammenhängen. Zum Beispiel ist die Mittenfrequenz der Telefonaudiofrequenzen von 300 Hz bis 3300 Hz nicht (3300 + 300) / 2 = 1800 Hz, sondern die Wurzel aus 300 x 3300 = 995 Hz. Den Unterschied zwischen dem geometrischen Mittel und dem arithmetischen Mittel kann man mit dem Rechenprogramm unten im Weblink feststellen. [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-geommittel.htm]

Eigenschaften der Mittenfrequenz

Durch die Definition der Mittenfrequenz sind die Verhältnisse der Grenzfrequenzen zur Mittenfrequenz gleich: : \frac = \sqrt = \frac

Verwendung des arithmetischen Mittels als Näherung

Die Bandbreite f2 - f1 ist häufig klein gegenüber der Mittenfrequenz. Dann kann man in guter Näherung das arithmetische Mittel zur Berechnung verwenden: : f_0 \approx \frac Bei vielen Mittelwellensendern beträgt die Bandbreite nur 9 kHz. Ein Sender, der mit 1500 kHz angegeben ist, sendet hier im Band von 1495,5 kHz bis 1504,5 kHz. Die Näherungsformel ergibt : f_0 \approx 1500 \, \mathrm während man mit der genauen Formel : f_0 = 1499,993 \, \mathrm ermittelt. Der mit der Nährungsformel berechnete Wert ist stets zu groß. Wenn man die Bandbreite mit B bezeichnet, beträgt die Abweichung der Näherungsformel ungefähr : \Delta f \approx \frac , im angegebenen Beispiel also weniger als 7 Hz.

Weblinks


- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-geommittel.htm Berechnung des geometrischen Mittels im Vergleich zum arithmetischen Mittel]

Siehe auch

Bandbreite | Grenzfrequenz | Bandspreiztechnik | Übergangsfrequenz | Geometrisches Mittel | Arithmetisches Mittel | Kategorie:Nachrichtentechnik

Bandpass

Ein Bandpass, auch Bandfilter genannt, ist eine Komponente, die man in einen Signalweg legt, um ein bestimmtes Frequenzband mit einer Bandbreite B = f2 − f1 durchzulassen und die anderen Frequenzbereiche zu sperren oder deutlich abzuschwächen. Hierbei ist f1 die untere Grenzfrequenz und f2 die obere. f0 ist hierbei die Band-Mittenfrequenz.

Elektrischer Bandpass

Es kann sich dabei zum Beispiel um optische, akustische oder elektrische Signale handeln. Handelt es sich um elektrische Signale, werden Hochpässe meist mit Spulen realisiert, Tiefpässe mit Kondensatoren. Einen Bandpass kann man sich auch aus einem Hochpass und einem Tiefpass zusammengesetzt denken, wobei die Filterwirkung eines Tiefpass-Filters besser mit Begriffen der Tontechnik beschrieben wird: Höhensperre, Höhenfilter, High Cut, Treble Cut und Rauschfilter und die Filterwirkung eines Hochpass-Filters eindeutiger und praktischer beschrieben wird mit: Tiefensperre, Bassfilter, Low Cut, Bass Cut, Trittschallfilter und Rumpelfilter. Bei der Realisierung von Bandpässen spielt das Phänomen der Resonanz eine wesentliche Rolle. Man nutzt dabei das Frequenzverhalten von Schwingkreisen aus, die bei ihrer Resonanzfrequenz hochohmig (Parallelschwingkreis) bzw. niederohmig (Serienschwingkreis) werden. Das Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau. :: Schema eines LC-Bandpasses Der linke und der rechte Kreis (Parallelschwingkreise) werden im jeweiligen Frequenzbereich hochohmig, während der obere Kreis (Serienschwingkreis) niederohmig wird. Die Schaltung lässt also das Frequenzband passieren. Außerhalb des Bandes werden die beiden Parallelschwingkreise niederohmig und schließen so die unerwünschten Frequenzen kurz, während der Serienschwingkreis hochohmig wird und diese Frequenzen nicht durchlässt. Zu den Bandpassfilter zählen auch die Terzfilter und Oktavfilter, die einen bestimmten Frequenzbereich durchlassen und genormte Übertragungsfunktionen mit sehr steilen Flanken besitzen. In der Norm wird zwischen bestimmten Güteklassen für diese Filter unterschieden.

Bandsperre

Im Gegensatz zum Bandpass steht die Bandsperre, die ein bestimmtes Frequenzband nicht passieren lässt. Bei ihr werden Serien- und Parallelschwingkreise gegenüber dem Bandpass vertauscht, woraus ein entgegengesetztes Verhalten resultiert. Als Grenzfrequenzen sind diejenigen Frequenzen definiert, bei denen das Verhältnis aus Ausgangs- zu Eingangsspannung
\frac = 70,7 % bzw. −3 dB (Dezibel) beträgt. Die Mittenfrequenz ist das geometrische Mittel aus der oberen und unteren Grenzfrequenz: : f_0 = \sqrt Bei der statischen Frequenzgangveränderung, der Emphasis und der Deemphasis wird anstatt der Grenzfrequenz üblicherweise die Zeitkonstante angegeben.

Siehe auch


- Hochpass
- Tiefpass
- Bandbreite
- Mittenfrequenz
- Grenzfrequenz Kategorie:Nachrichtentechnik

Dämpfung

Als Dämpfung bezeichnet man die Verringerung der Amplitude, des Ausschlags oder besser der Auslenkung einer Schwingung. Durch Energieverlust, also der Abgabe von Energie an die Umgebung, viskose Reibung, etc. verebbt die Schwingung eines Systems, wenn ihr keine neue Energie zugeführt wird. Um die Dämpfung mathematisch zu beschreiben, muss beim harmonischen Oszillator ein Dämpfungstherm eingefügt werden: Die Gleichung D \ddot x + x = 0 beschreibt den ungedämpften Oszillator, dessen Lösung harmonische Funktionen, wie Sinus und Kosinus sind. Die Dämpfung wird im einfachsten Fall als geschwindigkeitsabhängige Größe k \dot x eingefügt. Für den harmonischen Oszillator ergibt sich jetzt: : D \ddot x + k \dot x + x = 0 Wobei k die Dämpfungskonstante ist. Einen Ansatz, der wie hier proportional zur Geschwindigkeit ist, nennt man viskose Dämpfung. Zu der Lösung des ungedämpften Oszillators kommt ein Dämpfungstherm der Form \exp^ mit t_0 als Dämpfungskonstante. Der Grad der Dämpfung steht im Zusammenhang mit der Abstimmschärfe eines Systems. Scharf abgestimmte Systeme haben eine geringe Dämpfung, sie brauchen lange, ehe sie in eine Resonanzschwingung geraten, klingen aber lange nach. Stark gedämpfte Systeme antworten schneller auf Resonanz, klingen aber kaum nach. Die gedämpfte Schwingung kann eine elektrische Schwingung sein, die über ein Kabel oder als Funksignal übertragen wird, eine mechanische Schwingung oder eine optische Schwingung. Beispiele für mechanische gedämpfte Schwingungen sind Saiteninstrumente, deren Holzkörper durch die Saiten angeregt werden und nachklingen, oder auch die Dämpfung von Stößen durch einen Stoßdämpfer. Alle Übertragungswege der Nachrichtentechnik sind gedämpfte Übertragungswege. Dies gilt für optische genau so wie für elektrische Übertragungswege. Durch die Dämpfung ist die ohne Verstärkung erreichbare Reichweite begrenzt. In der Elektrotechnik und Akustik wird die Dämpfung (a) meist in Dezibel (dB) angegeben. Sie berechnet sich üblicherweise aus der Eingangsspannung (U1) und der Ausgangsspannung (U2): : a = 20 \cdot \lg \fracdB Man kann die Dämpfung auch mit Hilfe der Leistung berechnen, da P ~ U2. Sie berechnet sich aus der Eingangsleistung (P1) und der Ausgangsleistung (P2): : a = 10 \cdot \lg \fracdB Man kann die Dämpfung auch mit Hilfe der Stromstärke berechnen : a = 20 \cdot \lg \fracdB Wenn die Spannung auf den Wert von 50 % absinkt, also die halbe Spannung verloren geht, dann hat das Kabel (die Leitung) eine Dämpfung von 6,02 dB. Wenn die Spannung auf den Wert von 70,1 % absinkt ist die Dämpfung 3,01 dB. 3dB bedeuten, dass die Hälfte der eingespeisten Energie verloren gegangen ist.

Streckendämpfung

Die Streckendämpfung gibt bei ungestörter Ausbreitung den Dämpfung des gesendeten Signals über die Sendestrecke mit dem Radius r an. : a = 10 \cdot \lg \frac dB : Pt = Sendeleistung : Prv = Verfügbare Leistung am Empfängereingang mit : P_t = \frac und : P_ = \frac \cdot s \cdot G_r : G = Gewinn der Antenne : s = Flächenleistungsdichte ergibt sich: : a = 10 \cdot \lg \left(\frac\right) dB : a = 10 \cdot \lg \left(\left(\frac\right)^2 \cdot \frac\right) dB : a = \left(20 \cdot \lg (4\cdot \pi) + 20 \cdot \lg \left(\frac\right) -10 \cdot \lg(G_t) -10 \cdot \lg (G_r)\right) dB

Siehe auch


- Gedämpfte Schwingung, Dämpfungsfaktor, Dämpfungsglied Kategorie:Wellenlehre

Dezibel

Ein Pegel ist in ein Maß in der Physik. Er wird in Bel (nach Alexander Graham Bell), oder dessen zehntem Teil Dezibel angegeben.

Definition

Ein Pegel ist definiert als dekadischer Logarithmus des Verhältnisses zweier Leistungen P1 und P0. Als Formelzeichen wird meist L (englisch: level) verwendet: : \ L = \lg (in B). 1 Bel ist daher das Leistungsverhältnis 10:1. Wegen der handlicheren Zahlenwerte ist meist die Angabe in Dezibel (Abkürzung dB) üblich, dem zehnten Teil eines Bel. So ergibt sich: : \ L = 10 \cdot \lg (in dB). Bel bzw. Dezibel sind ursprünglich auf Leistungsgrößen bezogen (sog. "quadratische Größen") definiert. Bei der Rechnung mit linearen Größen (z.B. Spannungen) gilt mit dem aus dem Elektrotechnik bekannten Zusammenhang P \sim U^2: : L = 10 \cdot \lg = 10 \cdot \lg (in dB) und somit : L = 20 \cdot \lg (in dB). Somit sind Bel (B) bzw. Dezibel (dB) im eigentlichen Sinne keine physikalischen Einheiten. Sie stehen vielmehr für bestimmte Rechenvorschriften (weitere Beispiele siehe unter Hinweiswort).

Anwendung

Pegelangaben sind speziell in der Akustik weit verbreitet. Anwendungen finden sich aber auch in der Hochfrequenztechnik als Teil der Nachrichtentechnik (z.B.: SNR), der Tontechnik und der Automatisierungstechnik. Zur speziellen Anwendung bei Spannungen in der Elektrotechnik s. Dezibel (Spannungspegel). Man unterscheidet den "relativen Pegel" und den "absoluten Pegel". Wird eine Größe auf eine andere Größe mit beliebigem Wert bezogen, so spricht man von einem "relativen Pegel". Bezieht man sich jedoch auf einen genormten Standardwert so spricht man von einem "absoluten Pegel": Dämpfungen oder Verstärkungen müssen in relativen und nicht in absoluten Werten angegeben werden, denn die Amplitude des zu verstärkenden Signals ist nicht von vorneherein bekannt. Besonders in der Akustik, aber auch teilweise in den anderen Anwendungsgebieten, werden jedoch häufig absolute Pegel angegeben. Für diese Angabe ist eine Konvention über die jeweils zu verwendenden Bezugswerte (den Nenner im logarithmierten Verhältnis) nötig. Diese werden meist mit dem Index "0" versehen, also z.B. für die Bezugsspannung: U0. Einige Beispiele sind in der folgenden Tabelle aufgeführt: Eine Tabelle zur Umrechnung von Spannungs- und Leistungsverhältnissen mit Berücksichtigung der Unterschiede zwischen relativen und absoluten Pegeln findet sich auf Dezibel (Umrechnungstabellen)

Vorteile


- Einfache Zahlenwerte: In der Physik bewegen sich die Signalamplituden meist über viele Größenordnungen: Pascal, Volt, Nanovolt als Verhältnisse von linearen Größen und Megawatt und Picowatt als Verhältnisse von quadratischen Größen. Verstärker können Kennwerte von beispielsweise 106 haben. Nach der Interpretation in Dezibel sind diese Größen in gut lesbaren (zweistellige) Zahlen darstellbar.
- Vereinfachung der Darstellung: Kennlinien von Verstärkern, Filtern oder anderen elektronischen Elementen und Spektren in der Akustik lassen sich einfacher und übersichtlicher darstellen, da das Diagramm wegen der logarithmischen Darstellung eine hohe Dynamik erfasst.
- Einfache Rechenregeln: Es können die einfacheren Rechenregeln für Logarithmen angewandt werden.

Rechnen mit Pegeln

Da für Pegelrechnungen, wie erwähnt, die Rechenregeln für Logarithmen gelten, gehen z.B. Multiplikationen der physikalischen Größen in Additionen über. Für quadratische Größen, also z.B. die quadratischen Energiegrößen, die Intensität und die Leistung gilt: Da log1010 = 1 und log102 ≈ 0,3 ist, kann man sich als Faustregel merken: +10 dB bedeutet Verzehnfachung, +3 dB bedeutet Verdopplung, -10 dB bedeutet ein Zehntel, -3 dB die Hälfte. Andere Werte kann man hieraus abschätzen, z.B. +16 dB = (+10+3+3) dB, also: Ursprungswert
- 10
- 2
- 2; +16 dB ist somit das 40-fache.
Für lineare Größen, also z.B. die linearen Schallfeldgrößen, die Spannung und die Stromstärke, gilt die Faustregel: +20 dB entspricht einer Verzehnfachung, -20 dB einem Zehntel; +6 dB bedeutet eine Verdopplung, -6 dB eine Halbierung. Andere Werte kann man hieraus abschätzen; z.B. ergibt sich für eine Dämpfung -26 dB bezogen auf 1 Volt: -20 dB entspricht einem Zehntel; daraus ergibt sich: 0,1 Volt = 100 mV; weitere -6 dB (entsprechend einer Halbierung) bezogen auf diese 100 mV ergeben somit 50 mV.

Literatur

Maue, Jürgen H.; Hoffmann, Heinz; von Lüpke, Arndt: 0 Dezibel plus 0 Dezibel gleich 3 Dezibel. Berlin: Erich Schmidt Verlag, 2003, ISBN: 3-503-07470-8

Weblinks


- [http://www.sengpielaudio.com/Berechnungen.htm dB-Berechnungen mit dem jeweiligen Rechner]
- [http://www.hifi-selbstbau.de/text.php?id=27&s=read Mit dem dB auf Du und Du]

Siehe auch


- Dezibel (Spannungspegel) | Dezibel Carrier (dBc) | Dezibel (Umrechnungstabellen) | Schalldruckpegel Kategorie:Akustik Kategorie:Wellenlehre Kategorie:Nachrichtentechnik Kategorie:Maßeinheit Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Elektroakustik ja:デシベル

Amplitudengang

Der Frequenzgang beschreibt das Verhalten eines linearen zeitinvarianten Systems (etwa einer Lautsprecherbox oder eines Filters in der Analogtechnik). Dabei wird die Ausgangsgröße mit der Eingangsgröße verglichen und abhängig von der Frequenz aufgezeichnet. Es wird dadurch quasi (im Falle der Audiotechnik) der Eigenklang des betrachteten Systems beschrieben. Das Verhältnis wird dabei meist durch Amplitude und Phase dargestellt. Beide Größen als Graph dargestellt bezeichnet man auch als Amplitudengang bzw. Phasengang (in Kombination auch Bode-Diagramm genannt). Werden beide Informationen zu einer komplexen Funktion zusammengefasst, spricht man auch vom komplexen Frequenzgang. Häufig interessiert auch nur der Amplitudengang und wird dann schon allein als Frequenzgang bezeichnet.

Mathematische Herleitung

Der Frequenzgang (in der Schwingungstechnik häufig als Übertragungsfunktion bezeichnet) ist wohl die am häufigsten verwendete Funktion in der Signalanalyse. Er dient zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Systemen, wobei in der Regel – bei Mehrfreiheitsgradsystemen – eine Frequenzgangmatrix notwendig ist, deren Elemente durch sämtliche mögliche Einzel-Frequenzgänge zwischen jeweils zwei Messpunkten bzw. Messrichtungen gebildet werden. In der Regel wird zur Systemidentifikation (Modalanalyse) als Eingangsgröße x(t) eine Kraft gewählt; als Ausgangsgrößen werden meist die aus der Krafterregung resultierenden Auslenkungen, Schwingschnellen oder Beschleunigungen herangezogen. Ist das dynamische Verhalten einer Struktur bekannt, so kann z.B. die Schwingungsantwort an jeder Messstelle aufgrund einer beliebig vorgegebenen Anregung an einer anderen Messstelle mit Hilfe des zugehörigen Frequenzganges bestimmt werden. Die anschaulichste Beziehung zur Berechnung von Frequenzgängen lautet: : H_0 (f) = \frac , (1) wobei X(f) und Y(f) die Fouriertransformierten des Eingangs- und des Ausgangssignals x(t) bzw. y(t) repräsentieren (s. Signalanalyse). Sie liefert jedoch nur unter idealen Bedingungen (s. unten) den exakten Frequenzgang H(f). In der Praxis sind Eingangs- und/oder Ausgangssignal mehr oder weniger verrauscht, so dass in der Signalanalysetechnik meist zwei andere Berechnungsverfahren eingesetzt werden, bei denen die Tatsache ausgenutzt wird, dass sich bei der Berechnung von Kreuzleistungsspektren nicht korrelierte Signalanteile herausmitteln. Die Beziehung : H_1 (f) = \frac , (2) in der SXY das Kreuzleistungsspektrum und SXX das Autoleistungsspektrum des Eingangssignals repräsentieren, resultiert aus der Erweiterung des Quotienten in Gl. (1) mit der konjugiert Komplexen X
- (f) der Fouruiertransformierten des Eingangssignals. Sie ist besonders geeignet, wenn die Eingangsgröße störungsfrei ermittelt werden kann. Durch Erweiterung mit der entsprechenden konjugiert Komplexen Y
- (f) des Ausgangsspektrums erhält man : H_2 (f) = \frac (3) (mit SYX(f) = S
- XY(f)). Diese Berechnungsmethode ist immer dann angezeigt, wenn das Ausgangssignal y(t) störungsfrei vorliegt. Sind die beiden Signale x(t) und y(t) vollständig kohärent, so gilt: : H_0(f) = H_1(f) = H_2(f) . (4) Aus dem Quotienten H1(f)/H2(f) kann, wie aus Gl. (2) und (3) abzuleiten ist, die Kohärenz γ2YX(f) errechnet werden: : \frac = \gamma^2_(f) . (5) Die Fourier-Rücktransformierte des Frequenzganges ist die Gewichtsfunktion h(t), oft auch als Impulsantwort(funktion) bezeichnet: : h(t) = \int_^\infty H(f) e^ \,df . (6) Kategorie:Akustik Kategorie:Digitale Signalverarbeitung Kategorie:Elektronik Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Kommunikationstechnik Kategorie:Nachrichtentechnik

Telekommunikation

Telekommunikation (von griech. tele: fern, weit und lat. communicare: gemeinsam machen, mitteilen) bezeichnet ganz allgemein jeglichen Austausch von Informationen über eine gewisse Distanz hinweg, ohne sie materiell zu transportieren (z.B. als Brief). So wurden im 18.Jahrhundert sichtbare Signale von Semaphoren und Heliographen verwendet. Weitere Beispiele für frühe Versuche nichtelektrischer Telekommunikation finden sich hier: Telefon.
Im engeren Sinne wird heute Telekommunikation als Datenaustausch unter Verwendung von Elektrotechnik, Elektronik und anderer neuzeitlicher Technologien verstanden. Die ersten Telekommunikationsdienste in diesem Sinne waren Telegrafie (Fernschreiben) und Telefonie, auch Fernmelden genannt. Vor dem Aufkommen von Computern gab es bereits als Fernwirken bezeichnete Datenübertragungsdienste zur Steuerung von Anlagen. Telekommunikationseinrichtungen sind heute ein elementarer Bestandteil der Infrastruktur. Aus diesem Grund ist zur Vermeidung räumlicher Disparitäten ihre Bereitstellung eine Gemeinschaftsaufgabe der Raumentwicklung (also in der Praxis eine Staatsaufgabe). Seit Beginn der Liberalisierung (in Deutschland seit 1998) werden Telekommunikationsdienste im Wettbewerb erbracht, die Grundversorgung wird durch eine Universaldienstverpflichtung gewährleistet.

Wirtschaft

Bei Unternehmen der Telekommunikationsbranche unterscheidet man zwischen den Betreibern von Telekommunikationsnetzwerken (Carrier), Anbietern von Dienstleistungen - den so genannten Service Providern - und den Herstellern von Telekommunkationlösungen, welche als Zulieferer oder Supplier bezeichnet werden. Die zehn größten Telekommunikationsunternehmen der Welt sind:
- NTT, Japan
- Deutsche Telekom, Deutschland
- Verizon, USA
- France Télécom, Frankreich
- Vodafone, Großbritannien
- NTT DoCoMo, Japan
- SBC Communications, USA
- Telecom Italia, Italien
- British Telecom, Großbritannien
- Telefónica, Spanien Stand: 11/2004 nach Umsatz. Quelle: [http://www.totaltele.com/ttdocuments/PDFs/global100revenue.pdf] Die größten Ausrüster von Telekommunikationsunternehmen sind:
- Alcatel
- Ericsson
- Lucent Technologies
- Motorola
- Nokia
- Nortel früher Nortel Networks
- Siemens
- Marconi

Telekommunikationskosten

Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes lagen die Preise für Telekommunikationsdienstleistungen aus Sicht der privaten Haushalte im Jahresdurchschnitt 2003 im Vergleich zum Jahr 2002 um 1,2 Prozent höher. Der Preisindex für Telefondienstleistungen im Festnetz lag im Jahr 2003 um 1,4% höher als 2002. Ortsgespräche (? 2,9%), Inlandsfernverbindungen (? 0,4%), Gespräche vom Festnetz in die Mobilfunknetze (? 0,5%) und Auslandsgespräche (? 1,2%) waren im Jahresdurchschnitt 2003 günstiger als im Vorjahr. Dagegen stiegen die Anschluss- und Grundgebühren um 5,8%. Seit den frühen 90er Jahren stehen im Festnetz die sogenannten Mehrwertdienste (Vorwahl 0190 und 0900) und Shared-Cost-Dienste (Vorwahl 0180) zur Verfügung. Hierbei werden die Kosten für besondere telefonischen Dienstleistungen über die normale Gebührenabrechnung des Anrufers abgewickelt ( siehe auch Audiotex, Callcenter). Die Preise für das Mobiltelefonieren erhöhten sich im Jahr 2003 im Vergleich zum Jahr 2002 um 1,1%. Im Dezember 2003 lagen die Preise für das Mobiltelefonieren um 0,5% über dem Niveau des entsprechenden Vorjahresmonats. Die Internet-Nutzung verbilligte sich im Jahresdurchschnitt 2003 gegenüber 2002 um 1,3%.

Chronologie


- 1816 Francis Ronalds (London) enwickelt einen elektrischen Telegraphen und sendet Nachrichten über acht Meilen.
- 1877 Auf Anordnung des Generalpostmeisters Heinrich von Stephan wird der erste regelmäßige Fernsprechdienst betrieben.
- 1881 das 1. Berliner Fernsprechamt wird mit 8 Teilnehmern eröffnet
- 1906 das erste Untersee-Fernsprechkabel wird im Bodensee gelegt
- 1908 am 10. Juli wird in Hildesheim das erste öffentliche Wählamt Europas in Betrieb genommen
- 1923 im Bereich um Weilheim wird der Selbstwählferndienst in Betrieb genommen
- 1935 erstmals werden Trägerfrequenz - Übertragungseinrichtungen auf Kabelleitungen eingesetzt
- 1936 Nach Versuchen wird die automatische Zeitansage in mehreren Städten endgültig installiert
- 1950 die Dt. Bundespost wird mit 1,2 Mio. Telefonkunden gegründet
- 1970 erstmals ist eine direkte Durchwahl nach Amerika möglich
- 1987 der ISDN-Dienst wird mit 750 Testern gestartet
- 1989 Postreform I in Deutschland
- 1994 Postreform II in Deutschland
- 1996 Postreform III in Deutschland
- 2001 mit einem einzigen Glasfaserkabel konnten mehr als 10 TeraBits pro Sekunde übertragen werden (15 Mio. ISDN-Kanäle parallel) Siehe auch: Telekommunikationsnetz, Geschichte des Telefons, Telekommunikationselektroniker Kategorie:Telekommunikation ja:電気通信 ms:Telekomunikasi th:โทรคมนาคม

Digitaltechnik

Die Digitaltechnik beschäftigt sich mit der Umsetzung von analogen in digitale Signale und umgekehrt (ADU/DAU) sowie der Verarbeitung digitaler Signale. Vorteile der digitalen Signalverarbeitung gegenüber der analogen Technik liegen, neben den geringeren Kosten der Bauteile aufgrund hoher Integrationsdichte und vereinfachter Entwicklung, vor allem in der höheren Flexibilität. Mit Hilfe spezieller Signalprozessoren oder Computer können Schaltungen in Software realisiert werden. Dadurch lassen sich Funktionen sehr schnell an veränderte Anforderungen anpassen. Außerdem sind komplexe Algorithmen einfach anwendbar, die analog nur mit extrem hohem Aufwand oder gar nicht realisierbar wären. Spezielle Entwicklerwerkzeuge (CAE) und Beschreibungssprachen wie VHDL oder Verilog unterstützen Ingenieure bei der schnellen Entwicklung neuer Anwendungen und Schaltungen. Digitale Schaltungen bestehen hauptsächlich aus Logikelementen, wie AND, NAND, NOR, OR, NOT-Gattern und anderen, mit denen digitale Ja/Nein-Informationen miteinander verknüpft werden, z. B. im Rahmen von Zählern oder Flipflops. Komplexere Anwendungen sind Prozessoren. Theoretisch reicht eine einzige Art (NAND oder NOR) von Gattern aus, dann als "Basis" bezeichnet, um alle anderen logischen Funktionen zusammenzusetzen. Bei der Digitaltechnik wird meist das Dualsystem (entsprechend obiger Ja/Nein-Unterscheidung) zugrunde gelegt. Es gibt aber auch Möglichkeiten, andere Systeme als Grundlage zu verwenden. Digitale Schaltungen können zusätzlich zu logischen Funktionen auch zeitabhängige Bestandteile enthalten und ferner takt- oder zustandsgesteuert (synchron / asynchron) arbeiten. Enthält eine digitale Schaltung lediglich Logikelemente, so spricht man von einem Schaltnetz. Werden zusätzlich Speicher verwendet, handelt es sich um ein Schaltwerk oder auch Automaten. Ein Mikrocontroller oder Prozessor besteht hauptsächlich aus diesen Logikelementen und wird über einen Datenbus mit Speichern und anderen Baugruppen erweitert. Eine zeitlich gestaffelte Ausführung von Logikverknüpfungen ist möglich. Diese können festverdrahtet oder programmiert sein.

Weiterführende Literatur

# Klaus Beuth und Olaf Beuth, "Digitaltechnik", Vogel-Verlag, 13. Auflage 2003, ISBN 3-8023-1958-3 # Manfred Seifart und Helmut Beikirch, "Digitale Schaltungen", Verlag Technik, 5. Auflage, Berlin 1998 # Peter Pernards, "Digitaltechnik Bd. I -- Grundlagen, Entwurf, Schaltungen", Hüthig Verlag, 4. Auflage, Heidelberg 2001 # Richard G. Lyons, "Understanding Digital Signal Processing", Prentice Hall PTR, 1997 (Aktuell 8. Nachdruck 2001) # Peter J. Ashenden, "The Designer's Guide to VHDL", Morgan Kaufmann, 2. Auflage 2001 # U. Tietze und Ch. Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer Verlag, 12. Auflage, 2002, ISBN 3-540-42849-6 # Hans Martin Lipp, "Grundlagen der Digitaltechnik", R. Oldenburg Verlag, 2. Auflage, 1998, ISBN 3-486-24144-3 # Wuttke, H.-D. und Henke, K.: Schaltsysteme - Eine automatenorientierte Einführung, Pearson Studium, ISBN 3-8273-7035-3

Weblinks

[http://www.cbt-digitaltechnik.de Digitaltechnik-Lernprogramm - Inkl. kostenloser Testversion!] [http://www.elektronik-kompendium.de/cgi-bin/index.cgi?dir=dig ELektronik-KOmpendium.de Digitaltechnik von A bis Z] !

Akustik

Die Akustik (griech.: akuein ακουειν = hören) ist die Lehre vom Schall und seinen Wirkungen. Sie ist ein Teilbereich der Physik und beschäftigt sich mit der Erzeugung, der Ausbreitung, der Reflexion und der Absorption von Schallwellen. Schallwellen sind mechanische Schwingungen in einem Medium, im Regelfall in Luft. Da die Akustik auf der Ausbreitung von Wellen und Schwingungen im Raum beschreibt, kann sie auch als Teilgebiet der Mechanik gesehen werden. Das Spezialgebiet der Hydroakustik befasst sich mit der Akustik in flüssigen Medien.

Arbeitsgebiete der Akustik

Innerhalb der Akustik werden eine Vielzahl unterschiedliche Arbeitsgebiete behandelt:
- Die Technische Akustik behandelt Geräusche von Maschinen und Anlagen.
- In der Bau- und Raumakustik werden die Fragestellungen der Schallübertragung in Gebäuden und der Beschallung von Zuhörerräumen behandelt.
- In der Fahrzeugakustik werden alle Fragestellungen zum Thema Innen- und Außengeräusch von Fahrzeugen behandelt.
- Die Hörakustik untersucht alle Aspekte der akustischen Wahrnehmung.
- Die Elektroakustik beschäftigt sich mit der Aufnahme, Verarbeitung und Wiedergabe von Schall.
- Die Lärmforschung beschäftigt sich mit allen Aspekten der Lärmerzeugung, -minderung und -wahrnehmung.
- Die Psychoakustik behandelt Themen zur subjektiven Beurteilung von Schall und zur Objektivierung der subjektiven Wahrnehmung, in der Musikwissenschaft auch mit Hilfe der Musikpsychologie.
- Die Musikalische Akustik befasst sich mit der Erzeugung und Wahrnehmung von Musik.
- In der Physikalischen Akustik werden die physikalischen Grundlagen der Akustik behandelt.
- Die Sprachakustik beschäftigt sich mit der Sprachverarbeitung und -kommunikation.

Methoden der Schallerzeugung

Zur Schallerzeugung werden Lautsprecher, messtechnische Schallerzeuger wie z.B. Referenzschallquellen und verschiedene Klangerzeugungsinstrumente wie Musikinstrumente verwendet.

Methoden der Schallaufzeichnung und -messung

Zur Schallaufzeichnung und -messung werden Mikrofone und Kunstköpfe verwendet. Kunstkopfaufnahmen reproduzieren hierbei, wenn sie über Kopfhörer wieder abgespielt werden, sehr gut den Geräuschcharakter des aufgezeichneten Schalles und werden daher häufig für die binaurale Beurteilung verschiedener Schallereignisse herangezogen.

Laborräume


- Ein Reflexionsarmer Raum, manchmal physikalisch unrichtig auch "schalltoter" Raum genannt, besitzt Absorptionsmaterial an Decke und Wänden, so dass nur minimale Reflexionen auftreten und Bedingungen wie in einem Direktfeld D (Freifeld oder freiem Schallfeld) herrschen, der Schalldruck also mit 1/r nach dem Abstandsgesetz von einer Punktschallquelle abnimmt. Solche Räume eignen sich für Sprachaufzeichnungen und für die Lokalisation von Schallquellen. Wird auf einer gedachten Hüllfläche um die Schallquelle die senkrecht durch diese Fläche tretende Schallintensität gemessen, so kann die Schallleistung der Quelle bestimmt werden.
- Ein Hallraum dagegen wird so konstruiert, dass an jedem beliebigen Punkt im Schallfeld Reflexionen gleicher Größe aus allen Richtungen zusammentreffen. In einem idealen Hallraum herrscht daher mit Ausnahme des Bereiches direkt um die Schallquelle (s. Hallradius) an jedem Ort derselbe Schalldruck. Ein solches Schallfeld wird Diffusfeld oder Raumfeld genannt. Da die Schallstrahlen aus allen Richtungen gleichzeitig einfallen, ist in einem Hallraum keine Schallintensität vorhanden. Um Resonanzen in Hallraum zu vermeiden wird er im Allgemeinen ohne parallel zueinander stehende Wände und Decken gebaut. Über Nachhallzeit-Messungen oder durch Referenzschallquellen kann der Raum kalibriert werden. Hierbei wird die Differenz zwischen dem an einem beliebigen Ort im Raum, weit genug außerhalb des Hallradius gemessenen Schalldruckpegel und dem Schallleistungspegel einer Schallquelle bestimmt. Diese Differenz ist frequenzabhängig und bleibt unverändert, solange sich der Aufbau des Raumes und der Absorptionsgrad der Wände nicht ändern. In einem Hallraum kann daher die Schallleistung einer Quelle theoretisch mit einer einzigen Schalldruckmessung bestimmt werden. Dies ist z.B. für Fragestellungen im Bereich des Schallschutzes sehr nützlich.
- Ein Freifeldraum ist die spezielle Ausführung eines reflexionsarmen Raumes. Hier ist jedoch zusätzlich auch der Boden mit absorbierendem Material bedeckt. Da der Boden durch diese Maßnahme nicht mehr begehbar ist, wird meist ein schalldurchlässiges Gitter darüber angeordnet, welches den Zugang zum Messobjekt ermöglicht. Derartige Räume werden in der akustischen Messtechnik eingesetzt, um gezielte Schallquellenanalysen - auch unter dem Messobjekt - durchführen zu können.

Akustische Analysemethoden

Da akustische Zeitsignale als Diagramme häufig wenig aussagefähig sind, werden zur Analyse meist Methoden der modernen Signalanalyse eingesetzt. Dabei sind vor allem die Frequenzanalyse durch FFT (Schnelle Fouriertransformation) und die Oktav- und Terzbandanalyse zu nennen. Außerdem kann durch geeignete Software oder Signalprozessoren die Impulshaltigkeit von akustischen Signalen erfasst werden. Eine wichtige Rolle spielen auch die Frequenzbewertungen, von denen wohl die A-Bewertung am bekanntesten ist. Dies ist eine Frequenzbewertungskurve, mit der die unbewertet ermittelten Schalldruckpegel bewertet werden und aus der sich der A-bewertete Pegel in dB(A) ergibt. Hiermit wird versucht, die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Ohres bei verschiedenen Frequenzen zu berücksichtigen. Daher werden die meisten Grenzwerte für Schalldruckpegel in der Lärmbeurteilung als A-bewertete Pegel festgelegt.

Physiologie und Psychologie

Die meisten höheren Tiere sind zur akustischen Wahrnehmung befähigt, besitzen also einen Hörsinn. Schall ist einer der wichtigsten Kommunikationskanäle, da er praktisch unmittelbare Fernwirkung besitzt. Mit Lautäußerungen ist den Tieren ein Mittel zur Reviermarkierung, zur Partner- oder Rudelsuche, zum Auffinden von Beute und zur Mitteilung von Stimmungen, Warnsignalen, etc. gegeben. Selbst wenn Schall keine Rolle bei der Kommunikation innerhalb der Art spielt, Lautorgane also nicht oder nur rudimentär ausgebildet sind, spielt die akustische Orientierung, z.B. beim Aufspüren von Beutetieren, häufig eine elementare Rolle bei den Sinneswahrnehmungen. Das akustische Empfangsorgan des Menschen ist das Ohr, auch für die Richtungslokalisation. Im Innenohr werden Schallinformation in Nervenimpulse umgewandelt. Für die Anregung Trommelfelle ist allein der Schallwechseldruck ausschlaggebend. Der menschliche Hörbereich liegt zwischen der Hörschwelle und der Schmerzschwelle. Reine Sinusschwingungen werden als Ton empfunden, Sinusschwingungen mit Oberschwingungen als Klang. Nicht zweckgebundene werden als Geräusch bezeichnet. Schallsignale mit zeitlich zufälliger Amplitude werden als Rauschen bezeichnet. Bei der Erzeugung von Lauten unterscheidet man im Allgemeinen zwischen stimmhaften und stimmlosen Phonemen. Bei den stimmhaften Phonemen, die als Vokale bezeichnet werden, werden beim Kehlkopf durch Vibration der Stimmbänder die "Roh"klänge erzeugt, die dann im Rachen- und Nasenraum durch verschiedene willkürlich beeinflussbare oder unveränderliche individualspezifische Resonanzräume moduliert werden. Bei stimmlosen Phonemen, den Konsonanten, ruhen die Stimmbänder, wobei der Laut durch Modulation des Luftstromes zustande kommt. Beim Flüstern werden selbst die Vokale nur durch Modulation des Spektrums des Rauschens eines hervorgepressten Luftstromes gebildet, wobei die Stimmbänder ruhen.

Zitate

Literatur


- Breuer, Hans: dtv-Atlas Physik, Band 1. Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik. München: dtv-Verlag, 1996, ISBN: 342303226X
- Kuttruff, Heinrich: Akustik. Stuttgart: Hirzel, 2004, ISBN: 3777612448
- Müller, Gerhard; Möser, Michael: Taschenbuch der Technischen Akustik. Berlin: Springer, 3., erw. u. überarb. Aufl. 2003, ISBN: 3540412425
- Veit, Ivar: Technische Akustik. Würzburg: Vogel-Verlag, 2005, ISBN: 3834330132

Weblinks


- [http://www.dega-akustik.de Deutsche Gesellschaft für Akustik (DEGA)]
- [http://kunstbank.waidhofen.at/mitglied/junker/publikationen/skripten/raumakustik.htm Einführung in die Raumakustik und Beschallungstechnik]
- [http://www.mdw.ac.at/I101/iea/tm/scripts/jecklin/special/ttsmusikakustik.pdf Musikalische Akustik] Kategorie:Akustik Kategorie:Ohr ja:音響学 ko:음향학

Elektrotechnik

Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Technik, der sich mit allen Aspekten der Elektrizität befasst. Hierzu gehören die elektrische Energieerzeugung, die Energieübertragung sowie alle Arten ihrer Nutzung. Dies reicht von den elektrisch betriebenen Maschinen über alle Arten elektrischer Schaltungen für die Steuer-, Mess-, Regelungs- und Computertechnik bis hin zur Nachrichtentechnik. Die Elektrotechnik ist sowohl eine Ingenieurwissenschaft, die technische Anwendungen erforscht und umsetzt, als auch das Aufgabenfeld diverser Handwerksberufe.

Aufgabengebiete

Die klassische Einteilung der Elektrotechnik war die Starkstromtechnik, die heute als Energietechnik und Antriebstechnik erscheinen und die Schwachstromtechnik, die sich zur Nachrichtentechnik formierte. Als weitere Gebiete kamen die elektrische Messtechnik und die Regelungstechnik sowie die Elektronik hinzu. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei vielfach fließend. Mit zunehmender Verbreitung der Anwendungen ergaben sich zahllose weitere Spezialisierungsgebiete. In unserer heutigen Zivilisation werden fast alle Abläufe und Einrichtungen elektrisch betrieben oder laufen unter wesentlicher Beteiligung elektrischer Geräte und Steuerungen.

Energietechnik

Die Energietechnik (früher Starkstromtechnik) befasst sich mit der Erzeugung und Übertragung elektrischer Energie und auch der Hochspannungstechnik. Die elektrische Energie wird in den meisten Fällen durch Wandlung aus mechanisch/rotatorischer Energie durch Generatoren erzeugt. Zum klassischen Bereich der Starkstromtechnik gehört außerdem der Bereich der Verbraucher elektrischer Energie und die Antriebstechnik.

Antriebstechnik

Die Antriebstechnik, früher ebenfalls als "Starkstromtechnik" betrachtet, setzt elektrische Energie durch elektrische Maschinen, in mechanische Energie um. Die klassischen Maschinen sind die Synchron-, die Asynchron- und die Gleichstrommaschine, wobei es vor allem im Bereich der Kleinantriebe viele weitere Typen gibt. Neuer ist die Entwicklung der Linearmotoren, die die elektrische Energie direkt in mechanisch/lineare Bewegung umsetzen, ohne den "Umweg" über eine Rotationsbewegung. Die Antriebstechnik spielt eine große Rolle in der Automatisierungstechnik, da hier oft eine Vielzahl von Bewegungen mit elektrischen Antrieben realisiert werden müssen. Genauso spielt die Elektronik in der Antriebstechnik eine große Rolle, zum einen für die Steuerung und Regelung der Antriebe, zum anderen werden Antriebe oft durch Leistungselektroniken mit elektrischer Energie versorgt.

Nachrichtentechnik

Mit Hilfe der Nachrichtentechnik, auch Informations- und Kommunikationstechnik (früher Schwachstromtechnik) genannt, werden mittels elektrischer Impulse oder elektromagnetischer Wellen Informationen von einer Informationsquelle (dem Sender) zu einem oder mehreren Empfängern (der Informationssenke) übertragen. Dabei kommt es darauf an, die Informationen so verlustarm zu übertragen, dass sie beim Empfänger erkannt werden können. (siehe auch Hochfrequenztechnik, Amateurfunk) Ein wichtiger Aspekt der Nachrichtentechnik ist die Signalverarbeitung, zum Beispiel mittels Filterung, Kodierung oder Dekodierung.

Elektronik

Elektronik Die Elektronik befasst sich mit der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von elektronischen Bauelementen wie zum Beispiel Kondensatoren und Spulen oder Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren. Die Mikroelektronik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise (ICs) aus Halbleiterelementen, zum Beispiel Prozessoren. Die Entwicklung der Leistungshalbleiter (Leistungselektronik) spielt in der Antriebstechnik eine immer größer werdende Rolle, da Frequenzumrichter die elektrische Energie wesentlich flexibler bereitstellen können, als dies beispielsweise mit Transformatoren möglich ist. Die Digitaltechnik lässt sich insoweit der Elektronik zuordnen, als die klassische Logikschaltung aus Transistoren aufgebaut ist. Andererseits ist die Digitaltechnik auch Grundlage vieler Steuerungen und damit der Automatisierungstechnik verbunden. Die Theorie ließe sich auch der theoretischen Elektrotechnik zuordnen.

Automatisierungstechnik

In der Automatisierungstechnik werden mittels Methoden der Steuerungs-, Regelungs- und Digitaltechnik einer oder mehrere manuelle Arbeitsschritte automatisiert bzw. überwacht. Eines der Kerngebiete der Automatisierungstechnik ist die Regelungstechnik. Regelungen sind in vielen technischen Systemen enthalten. Beispiele sind die Regelung von Industrierobotern, Autopiloten in Flugzeugen und Schiffen, Drehzahlregelungen in Motoren, die Stabilitätskontrolle (ESP) in Automobilen, die Lageregelung von Raketen und die Prozeßregelungen chemischer Anlagen. Einfache Beispiele des Alltags sind die Temperaturregelungen in Bügeleisen und Kühlschränken. (siehe auch Messtechnik, Sensortechnik)

Theoretische Elektrotechnik

Die Basis der Theorie und Bindeglied zur Physik der Elektrotechnik sind die Erkenntnisse aus der Elektrizitätslehre. Die Theorie der Schaltungen befasst sich mit den Methoden der Analyse von Schaltungen aus passiven Bauelementen. Aufgebaut auf den Maxwellschen Gleichungen ist die Theorie der Felder und Wellen, kurz, die Theoretische Elektrotechnik.

Geschichte, Entwicklungen und Personen der Elektrotechnik

Theoretische Elektrotechnik] Die Anfänge der Elektrotechnik sind sicher in der Physik zu suchen, aus der sie sich aber spätestens zur Zeit von Thomas Alva Edison und Werner von Siemens zu einer eigenen Disziplin entwickelt hat. Im Anfang standen Entdeckungen rund um die Elektrizität. 1752 erfand Benjamin Franklin den Blitzableiter und veröffentlichte 1751-53 die Resultate seiner Experiments and Observations on Electricity. 53] 1792 machte Luigi Galvani sein legendäres Froschschenkel-Experiment. Von diesen Experimenten angeregt, baute Alessandro Volta um 1800 die so genannte volta'sche Säule, eine erste funktionierende Batterie. 1820 machte Hans Christian Ørsted Versuche zur Ablenkung einer Magnetnadel durch elektrischen Strom. André Marie Ampère führte diese Experimente weiter, und wies 1820 nach, dass zwei stromdurchflossene Leiter eine Kraft aufeinander ausüben. Ampère erklärte den Begriff der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes und legte die Stromrichtung fest. 1820] Faraday leistete einen großen Beitrag auf dem Gebiet der elektrischen und magnetischen Felder, von ihm stammt auch der Begriff der "Feldlinie". Die Erkenntnisse Faradays waren die Grundlage für James Clerk Maxwells Arbeiten. Er vervollständigte die Theorie des Elektromagnetismus zur Elektrodynamik und deren mathematische Formulierung. Die Quintessenz seiner Arbeit, die 1864 veröffentlichten Maxwellschen Gleichungen sind eine der grundlegenden Theorien in der Elektrotechnik. Diese sagte beispielsweise die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus, deren Existenz später durch Experimente von Heinrich Rudolf Hertz bestätigt wurden und die die Grundlage jeder Funkübertragung sind. Heinrich Rudolf Hertz] Philipp Reis erfindet 1860 am Institut Garnier in Friedrichsdorf das Telefon und damit die elektrische Sprachübermittlung. Allerdings wurde seiner Erfindung keine große Beachtung geschenkt, so dass erst 1876 Alexander Graham Bell in den USA das erste wirtschaftlich verwendbare Telefon konstruierte und auch erfolgreich vermarktete. Zu den Wegbereitern der "Starkstromtechnik" gehört Werner von Siemens, der 1866 das dynamoelektrische Prinzip entdeckte, und daraus den ersten elektrischen Generator entwickelte. Elektrische Energie war das erste Mal in großer nutzbarer Menge vorhanden. 1879 erfand Thomas Alva Edison die Kohlefadenglühbirne und brachte damit das elektrische Licht zu den Menschen. In der Folge hielt Elektrizität Einzug in immer größere Bereiche des Lebens. Zur gleichen Zeit wirkten Nikola Tesla und Michail von Dolivo-Dobrowolsky, die Pioniere des Wechselstroms waren und durch ihre bahnbrechenden Erfindungen die Grundlagen der heutigen Energieversorgungssysteme schufen. Michail von Dolivo-Dobrowolsky] Erasmus Kittler begründete 1883 an der TH Darmstadt den weltweit ersten Studiengang für Elektrotechnik. Der Studiengang dauerte vier Jahre und schloss mit einer Prüfung zum Elektrotechnik-Ingenieur ab. 1885 und 1886 folgten das University College London (UK) und die University of Missouri (USA), die weitere eigenständige Lehrstühle für Elektrotechnik einrichteten. Die so ausgebildeten Ingenieure waren erforderlich, um eine großflächige Elektrifizierung zu ermöglichen. 1886] 1886] Heinrich Rudolf Hertz gelang 1884 der experimentelle Nachweis der Maxwellschen Gleichungen. Er wies die Existenz elektromagnetischer Wellen nach, er ist somit der Begründer der Grundlagen der drahtlosen Informationsübertragung und damit auch der Nachrichtentechnik. 1896 führt Guglielmo Marconi über 3km die weltweit erste drahtlose Funkübertragung aus. Basierend auf seinen Arbeiten sind ab 1900 erste Sende- und Empfangsanlagen kommerziell verfügbar. John A. Fleming erfindet 1905 die erste Radioröhre, die Diode. 1906 entwickeln Robert von Lieben und Lee De Forest unabhängig voneinander die Verstärkerröhre, Triode genannt, die der Funktechnik einen wesentlichen Impuls gab. John Logie Baird baute 1926 mit einfachsten Mitteln den ersten mechanischen Fernseher auf Grundlage der Nipkow-Scheibe. 1928 folgte der erste Farb-Fernseher. Im selben Jahr gelang ihm die erste transatlantische Fernsehübertragung von London nach New York. Bereits 1931 war seine Erfindung jedoch veraltet, Manfred von Ardenne führte damals die Kathodenstrahlröhre und damit das elektronische Fernsehen ein. 1942 stellt Konrad Zuse den weltweit ersten funktionsfähigen Computer, den Z3, fertig. Im Jahr 1946 folgt der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) von John Presper Eckert und John Mauchly. Die erste Phase des Computerzeitalters begann. Die so zur Verfügung stehende Rechenleistung ermöglicht es den Ingenieuren und der Gesellschaft, völlig neue Technologien zu entwickeln und Leistungen zu vollbringen. Ein frühes Beispiel sind das Apollo-Projekt und die Mondlandung der NASA. Die Erfindung des Transistors 1947 in den Bell Laboratories (USA) durch William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain und der gesamten Halbleitertechnologie erschloss der Elektrotechnik sehr weite Anwendungsgebiete, da nun viele Geräte sehr kompakt gebaut werden konnten. Ein weiterer wesentlicher Schritt in diese Richtung war die Entwicklung der Mikrointegration, der Integrierten Schaltkreise (IC) und damit der heutigen Prozessorchips. 1958 erfinden und bauen G.C. Devol und J. Engelberger in den USA den weltweit ersten Industrieroboter. Ein solcher Roboter wird 1960 bei General Motors erstmals in der industriellen Produktion eingesetzt. Industrieroboter sind heute in verschiedensten Industrien, wie z.B. der Automobilindustrie, ein wichtiger Bausstein der Automatisierungstechnik. Im Jahr 1968 erfindet Marcian Edward Hoff, bekannt als Ted Hoff, bei der Firma Intel den Mikroprozessor und läutet damit die Ära des PC's ein. Zugrunde lag Hoffs Erfindung ein Auftrag einer japanischen Firma für einen Desktop-Rechner, den er möglichst preisgünstig realisieren wollte. Die erste Realisierung eines Mikroprozessors war 1969 der Intel 4004, ein 4 Bit Prozessor. Aber erst der Intel 8080, ein 8-Bit-Prozessor, aus dem Jahr 1973 ermöglichte den Bau des ersten PCs, des Altair 8800. Die Firma Philips erfindet 1978 die Compact Disc (CD) zur Speicherung digitaler Informationen. 1982 resultiert dann aus einer Kooperation zwischen Philips und Sony die Audio-CD. 1985 folgt die CD-ROM. Im Jahr 1996 präsentiert die Firma Honda den weltweit ersten funktionsfähigen humanoiden Roboter, den P2. Einen ersten prototypischen humanoiden Roboter, der aber noch nicht voll funktionsfähig war, entwickelte bereits 1976 die japanische Waseda Universität. Aus dem P2 resultierte der zur Zeit aktuellste Android, Hondas ca. 1.20m großer Asimo. Neben vielen elektronischen und elektrotechnischen Komponenten bestehen humanoide Roboter auch wesentlich aus mechanischen Komponeten, deren Zusammenspiel man als Mechatronik bezeichnet.

Siehe auch

:Portal:Elektrotechnik :Portal:Halbleiter :Wikipedia:Liste elektrotechnischer Themen :Liste elektronischer Bauteile :Liste Persönlichkeiten der Elektrotechnik :Liste der Messgeräte und Messverfahren :Elektroindustrie
- Mechatronik

Literatur


- Lindner, Helmut; Brauer, Harry; Lehman, Constans: Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag 1999 ISBN 3446210563
- Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.1, Analogtechnik, Elektor-Verlag 2002 ISBN 3895760242
- Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.2, Digitaltechnik, Elektor-Verlag 1996 ISBN 3895760250
- Kurt Jäger (Hrsg.): "Lexikon der Elektrotechniker", VDE-Verlag, 1996, ISBN 3-8007-2120-1
- Wolfgang König: "Technikwissenschaften", Chur: G+B Verlag Fakultas, 1995, ISBN 3-7186-5791-0
- Küpfmüller, Kohn: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik (14. Aufl.) Springerverlag, ISBN 3-540-56500-0
- Jens Heinich: Eine kurze Chronik der Funkgeschichte. Dessau: Funk Verlag Bernhard Hein, 2002. ISBN 3-936124-12-4
- Gert Hagmann: Grundlagen der Elektrotechnik. 11., durchges. Aufl., Wiebelsheim 2005, ISBN 3-89104-687-1
- Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. (12. Aufl.) Springerverlag, April 2002, ISBN 3-54042-849-6 ! Kategorie:Ingenieurwissenschaft ja:電気工学 th:วิศวกรรมไฟฟ้า

Funktechnik

Funktechnik ist die Methode drahtloser Übertragung von Signalen aller Art mit Hilfe elektromagnetischer Wellen. Der Name "Funk" stammt aus den Anfängen der Funktechnik. So gab es um 1890 Knallfunkensender und Löschfunkensender. Selbst auf der Titanic kam noch ein Löschfunkensender zum Einsatz. Diese Sender knallten und erzeugten Funken - als Nebenprodukt entstanden hierbei auch die Funkwellen. Beim Hörfunk und Fernsehen sendet ein Teilnehmer, der Radio- oder Fernsehsender, und alle anderen Teilnehmer auf diesem Kanal empfangen nur, ohne selbst zu senden. Beim Sprechfunk oder beim Morsen senden mehrere Personen abwechselnd auf demselben Kanal (meist eine Frequenz oder ein Frequenzpaar), so dass Kommunikation in beide Richtungen möglich ist. Neben Morsesignalen und Sprache werden auch stehende und bewegte Bilder, zum Beispiel Wettersatellitenbilder oder Fernsehen, und elektronische Nutzdaten aller Art übertragen. In der jüngeren Geschichte der Funktechnik werden häufig direkt von den Geräten Kommunikationsprotokolle wie GSM, UMTS (beides für Mobiltelefone), 802.11 (drahtloses Computernetzwerk) oder Bluetooth (drahtlose Kommunikation mit digitalen Peripheriegeräten) verwendet. Obwohl die Technik heutzutage eine ganz andere geworden ist, erhielt sich der namensgebende Wortbestandteil Funk in Begriffen wie Rundfunk, Mobilfunk, Hörfunk usw. sowie im Firmennamen Telefunken bis heute.

Siehe auch


- Funkdienst, Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Funkwetter, Hertz, Heinrich Rudolf

Weblinks


- http://www.gfu.de/pages/history/his_ifa.html
- http://www.kalina-funktechnik.de
- [http://www.deutsches-museum.de/bildung/veroeff/img/funktech.pdf Die Entstehung der Funktechnik] vom Deutschen Museum München
- http://16805.rapidforum.com/ Funkerforum Kategorie:Funktechnik

Optik

Optik (griech. optike ”Lehre vom Sichtbaren“, optikos ”zum Sehen gehörig“, zu opsis ”das Sehen“) ist ein Bereich der Physik, der sich mit der Ausbreitung von Licht und dessen Wechselwirkung mit Materie beschäftigt. Unter Licht versteht man in der Regel den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Viele Gesetzmäßigkeiten und Methoden der klassischen Optik gelten allerdings auch außerhalb des Bereichs sichtbaren Lichts. Dies erlaubt eine Übertragung der Erkenntnisse der Optik auf andere Spektralbereiche (z.B. Röntgenoptik), oder auf ganz andere Strahlungsarten (z.B. Elektronenoptik).

Teilbereiche der Optik

Man unterscheidet zwei grundsätzliche Zugänge zur Lichtausbreitung, die sich allerdings in vielen Bereichen überschneiden: Die geometrische Optik und die Wellenoptik. Die Tatsache, dass Licht zwei in der Anschauung einander widersprechende Eigenschaften besitzt, wird auch als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Daneben sind die nichtlineare Optik sowie die Quantenoptik von theoretischem und technischem Interesse. Ein interdisziplinärer Teilbereich ist die atmosphärische Optik, in der Leuchterscheinungen in der Erdatmosphäre untersucht werden.

Geometrische Optik

In der geometrischen Optik wird Licht durch idealisierte Strahlen approximiert. Der Weg des Lichtes, etwa durch ein optisches Instrument, wird durch Verfolgen des Strahlenverlaufs konstruiert. Das Snelliussche Brechungsgesetz beschreibt die Brechung des Lichtes an transparenten Grenzflächen (Linsen, Prismen). An Spiegeln gilt die Regel, dass der Einfallswinkel dem Ausfallswinkel gleich ist. Mittels dieser Methode lassen sich Abbildungen, beispielsweise durch Linsen, oder Linsensysteme (Mikroskop, Teleskop) bestimmen. Im Rahmen der geometrischen Optik kann auch die teilweise Reflexion an transparenten Objekten behandelt werden. Ein Beispiel ist, dass die eigene Reflexion unter geeigneten Bedingungen in einer Fensterscheibe sichtbar ist. Der Extremfall tritt ein, wenn unter sehr flachem Einfallswinkel Totalreflexion an einer transparenten Grenzfläche auftritt.

Wellenoptik

Als Wellenoptik wird der Bereich der Optik bezeichnet, der von der Wellennatur des Lichts handelt. Sie erklärt Phänomene, die die geometrische Optik nicht erklären kann, da bei ihnen die Welleneigenschaft des Lichtes relevant ist. Wichtige Elemente der Wellenoptik sind:
- Interferenz zwischen einander überlagernden Wellenfronten.
- Beugung, die sich zeigt, wenn Licht sich durch kleine Spalten oder an Kanten entlang ausbreitet. (Beugungsintegral)
- Polarisation des Lichts. Auf die Wellenoptik bauen die Kristalloptik und die Magnetooptik auf.

Oberflächenphänomene

Die Wechselwirkung von Licht mit wirklichen (d. h. nicht idealisierten) Oberflächen ist für die optische Wahrnehmung des Menschen bedeutsam, ist aber bislang nur unvollständig verstanden. Bedeutsam ist die Remission, also die Absorption eines Teil des Lichts sowie die Reflexion, Transmission bzw. Streuung des restlichen Spektralanteils. Manche Oberflächen, wie etwa die menschliche Haut, sind in den obersten Hautschichten teilweise transparent, so dass optisch keine reflektierende Fläche, sondern eine reflektierende Schicht vorliegt. Eine abstrakte Beschreibung der optischen Vorgänge an derartigen Oberflächen ist kompliziert, und einer der Gründe, dass computergenerierte Bilder künstlich wirken können.

Das menschliche Auge

Das optische Sinnesorgan des Menschen ist das Auge. Dieses wandelt Lichtinformation in Nervenimpulse um. Die physiologische Optik befasst sich mit der Optik und dem Aufbau des Auges. In der Medizin spricht man bei der das Auge betreffenden Medizin von der Augenoptik bzw. Optometrie als der Messung der Sehweite.

Technische Optik

Das Design, die Auslegung und der Fertigung optischer Systeme wird als Technische Optik bezeichnet und zählt im Unterschied zur physikalischen Optik zu den Ingenieurwissenschaften, da hier die konkrete Konstruktion und Herstellung optischer Geräte sowie die Konzeption spezifischer Strahlengänge im Vordergrund stehen. Im Folgenden sind deshalb nur exemplarisch die wichtigsten Bauelemente, Komponenten und Geräte aufgelistet:

Optische Bauelemente


- Strahlungsquelle,
- Linsen,
- Fresnel-Zonenplatte,
- Filter,
- Planplatten,
- Wellenplatte
  - λ/4-Plättchen
  - λ/2-Plättchen
- Spiegel: ebene und gewölbte Spiegel
- Prismen
- Beugungsgitter
- Blenden
  - Schlitzblenden
- Empfänger: Projektionsfläche, Filmebene

Optische Komponenten

Passive Elemente


- Kondensor
- Fresnellinse
- Doppelprismen
- Ulbrichtkugel

Aktive Elemente

verschiedene Modulatoren und spezielle Lichtquellen, optische Detektoren

Optische Geräte


- Fernrohre
- Mikroskope
- Lupen
- Brillen
- Spektroskope
- Laser
- Polarimeter
- Stereoskop
- Laserlink
- Polarisator
- Anomaloskop
- Lidar

Anwendungen und Methoden


- Stereoskopie
- Holographie
- Fotografie Siehe auch: Brillouin-Streuung, Dispersion, Opazität, Optische Täuschung, Portal:Physik

Weitere Bedeutung

Als Optik bezeichnet man auch die Summe aller optischen Bauteile eines optischen Gerätes.

Literatur


- Hecht: Optics. Verlag Addison Wesley, 2003, ISBN 0-321-18878-0
- Kühlke: Optik: Grundlagen und Anwendungen. Verlag Harri Deutsch, 2.Auflage 2004, ISBN 3-8171-1741-8

Weblinks


- [http://www.phynet.de PhyNet.de Kompetente Hilfe bei Fragen der Optik und Schulphysik. Viele illustrierte Artikel, Forum und Fragenservice] ! ja:光学 ko:광학 ms:Optik

Übertragungskanal

Als Kanal im informationstheoretischen Sinne (auch Informationskanal, Übertragungskanal oder Übertragungsweg oder gar Shannon´sches Kanalmodell) bezeichnet man ein Gerät beziehungsweise eine Vorrichtung, das zum übermitteln von Informationen über räumliche oder zeitliche Distanz geeignet ist und somit den zentralen Bestandteil des Sender-Empfänger-Modells. Der Kanal unterliegt den Einfluss von Störungen (nicht in der Grafik), welche mittels geeigneter Kanalcodierung beseitigt bzw. minimiert werden können. Das Verhältnis von Störsignal zu Nutzsignal bezeichnet man als Signal-Rausch-Verhältnis. Dem Kanal ist eine bestimmte Kapazität zugeordnet, die die maximale Datenrate bestimmt. Bild:informationskanal-neu.png In der Praxis verwendet man dazu geeignete physikalische Größen (wie beispielsweise Spannung, Frequenz elektromagnetischer Wellen, magnetische Feldstärke), die sich ausreichend gegenüber der Außenwelt abschirmen lassen oder abgeschirmt sind und die Information räumlich oder zeitlich weitergeben. Im Falle der zeitlichen Übertragung spricht man auch von einem (Informations-)Speicher.

Typen von Kanälen

Man unterscheidet zwischen verschiedenen Typen von Kanälen. Ein Kanal heißt
- deterministisch, falls keine Fehlinformation durch Störung der Übertragung hinzukommen.
- verlustfrei, falls keine Informationen bei der Übertragung verloren gehen.
- störungsfrei, falls der Kanal sowohl verlustfrei als auch deterministisch ist.
- nutzlos, falls der Kanal keine Information überträgt.

Siehe auch

Informationsgehalt, Informationsübertragung. Kategorie:Nachrichtentechnik

Bandpass

Ein Bandpass, auch Bandfilter genannt, ist eine Komponente, die man in einen Signalweg legt, um ein bestimmtes Frequenzband mit einer Bandbreite B = f2 − f1 durchzulassen und die anderen Frequenzbereiche zu sperren oder deutlich abzuschwächen. Hierbei ist f1 die untere Grenzfrequenz und f2 die obere. f0 ist hierbei die Band-Mittenfrequenz.

Elektrischer Bandpass

Es kann sich dabei zum Beispiel um optische, akustische oder elektrische Signale handeln. Handelt es sich um elektrische Signale, werden Hochpässe meist mit Spulen realisiert, Tiefpässe mit Kondensatoren. Einen Bandpass kann man sich auch aus einem Hochpass und einem Tiefpass zusammengesetzt denken, wobei die Filterwirkung eines Tiefpass-Filters besser mit Begriffen der Tontechnik beschrieben wird: Höhensperre, Höhenfilter, High Cut, Treble Cut und Rauschfilter und die Filterwirkung eines Hochpass-Filters eindeutiger und praktischer beschrieben wird mit: Tiefensperre, Bassfilter, Low Cut, Bass Cut, Trittschallfilter und Rumpelfilter. Bei der Realisierung von Bandpässen spielt das Phänomen der Resonanz eine wesentliche Rolle. Man nutzt dabei das Frequenzverhalten von Schwingkreisen aus, die bei ihrer Resonanzfrequenz hochohmig (Parallelschwingkreis) bzw. niederohmig (Serienschwingkreis) werden. Das Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau. :: Schema eines LC-Bandpasses Der linke und der rechte Kreis (Parallelschwingkreise) werden im jeweiligen Frequenzbereich hochohmig, während der obere Kreis (Serienschwingkreis) niederohmig wird. Die Schaltung lässt also das Frequenzband passieren. Außerhalb des Bandes werden die beiden Parallelschwingkreise niederohmig und schließen so die unerwünschten Frequenzen kurz, während der Serienschwingkreis hochohmig wird und diese Frequenzen nicht durchlässt. Zu den Bandpassfilter zählen auch die Terzfilter und Oktavfilter, die einen bestimmten Frequenzbereich durchlassen und genormte Übertragungsfunktionen mit sehr steilen Flanken besitzen. In der Norm wird zwischen bestimmten Güteklassen für diese Filter unterschieden.

Bandsperre

Im Gegensatz zum Bandpass steht die Bandsperre, die ein bestimmtes Frequenzband nicht passieren lässt. Bei ihr werden Serien- und Parallelschwingkreise gegenüber dem Bandpass vertauscht, woraus ein entgegengesetztes Verhalten resultiert. Als Grenzfrequenzen sind diejenigen Frequenzen definiert, bei denen das Verhältnis aus Ausgangs- zu Eingangsspannung
\frac = 70,7 % bzw. −3 dB (Dezibel) beträgt. Die Mittenfrequenz ist das geometrische Mittel aus der oberen und unteren Grenzfrequenz: : f_0 = \sqrt Bei der statischen Frequenzgangveränderung, der Emphasis und der Deemphasis wird anstatt der Grenzfrequenz üblicherweise die Zeitkonstante angegeben.

Siehe auch


- Hochpass
- Tiefpass
- Bandbreite
- Mittenfrequenz
- Grenzfrequenz Kategorie:Nachrichtentechnik

Dämpfung

Als Dämpfung bezeichnet man die Verringerung der Amplitude, des Ausschlags oder besser der Auslenkung einer Schwingung. Durch Energieverlust, also der Abgabe von Energie an die Umgebung, viskose Reibung, etc. verebbt die Schwingung eines Systems, wenn ihr keine neue Energie zugeführt wird. Um die Dämpfung mathematisch zu beschreiben, muss beim harmonischen Oszillator ein Dämpfungstherm eingefügt werden: Die Gleichung D \ddot x + x = 0 beschreibt den ungedämpften Oszillator, dessen Lösung harmonische Funktionen, wie Sinus und Kosinus si