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Störungsursachen für Signale

Die folgenden Betrachtungen beziehen sich insbesondere auf elektrische Signale; jedoch können in einigen Fällen auch andere Übertragungsmedien, z.B. Licht, in diese Betrachtungen mit einbezogen werden.

Jedes Signal, welches in einem Medium übertragen wird, wird in seiner Amplitude verringert. Dieses gilt für elektrische Signale in Kupferleitungen genauso wie für Licht in Lichtwellenleitern oder in der Luft oder elektromagnetische Wellen wie Mikrowellen. Dieses Phänomen wird als Dämpfung (attenuation) bezeichnet. Es kann weitestgehend dadurch vermindert werden, dass Verstärker (amplifier, hier: repeater) in die zu überbrückenden Strecken eingebaut werden. Für solche Zwecke werden sowohl bei elektrischen Verbindungen als auch bei Lichtwellenleitern in die Kabel Verstärker eingefügt, die zugleich auch einer Verzerrung der Wellenform entgegenwirken. In Funkstrecken werden Relais-Stationen eingefügt, die lediglich die Aufgabe haben, ein Richtfunksignal zu verstärken und in eine gewünschte Richtung weiterzuschicken, die z.B. wegen der Erdkrümmung oder anderer Hindernisse durchaus von der ersten Richtung abweichen kann.

In elektrischen Anlagen hängt die Dämpfung vorwiegend vom ohmschen Widerstand ab. Dieser kann durch Verwendung dickerer Leitungen oder anderer Werkstoffe verringert werden, was jedoch die Kosten für solche Leitungen emportreibt (eine Ausnahme bildet die Supra-Leitung, die hier nicht weiter betrachtet wird).

In Lichtwellenleitern wird die Dämpfung durch Streuung des Lichts an Verunreinigungen des Materials bewirkt, durch Absorption im Material, welche niemals ganz zu vermeiden ist, und durch Abstrahlung bei zu großer Krümmung einer Lichtfaser. Durch Wahl eines hochreinen Ausgangsmaterials können diese Effekte stark verringert werden: Normales Glas besitzt eine Dämpfung von 50000 dB/km, während mit hochreinem Quarzglas eine Dämpfung von 1 dB/km erreicht wird. In solchen Gläsern dürfen je Tonne Material nur 1 Milligramm Fremdkörper sein. Neben materialabhängigen Dämpfungsursachen tritt auch eine Streuung aufgrund der Wärmeschwingungen der Atome auf, welche eine unterschiedliche Dichte des Mediums bewirken (Raileigh-Streuung). Solche Ursachen sind gleichfalls niemals ganz auszuschalten.

Die Dämpfung in elektrischen Leitern hängt auch von der Frequenz des übertragenen Signals ab. Dieses kann man dadurch kompensieren, daß höhere Frequenzen bereits beim Sender mehr verstärkt werden als niedrigere; die so verzerrt auf die Leitung gegebene Welle kommt dann beim Empfänger entzerrt wieder an. Solche Vorrichtungen werden Equalizer genannt.

Die Bandbreite eines Kanals kann gleichfalls das Signal verzerren. Die Bandbreitenbeschränkung entsteht entweder durch die physikalische Eigenschaft des Mediums, wie bei der Dämpfung, oder sie wird künstlich bewirkt, z.B. bei der Übertragung von Schallwellen durch das Telefon (300 Hz bis 3400 Hz) oder bei der diskreten Abtastung eines analogen Signals. Von Nyquist gibt es hierzu eine Formel:

Diese Formel definiert eine obere Grenze der Übertragungsbandbreite des Kanals in Bit/s. Dieser Wert errechnet sich aus dem Produkt der zweifachen Kanalbandbreite mit dem Logarithmus zur Basis 2 der Anzahl der Stufen, mit denen die Signale kodiert werden (z.B. zwei Stufen bei binärer Kodierung, drei bei ternärer Kodierung usw.).

Die Signallaufzeiten auf einem Kanal hängen ebenfalls von der Frequenz des Signals ab. Dieses kann bewirken, dass die Oberwellen eines zusammengesetzten Signals während der Übertragung auseinandergeschmiert werden und somit zu einer Signalverzerrungen führen. Dieses wird auch Verzögerungsverzerrung (delay distortion) genannt. Besonders nachteilig ist hieran, dass eine Wechselwirkung zwischen aufeinanderfolgenden Signalwerten möglich ist, so dass ein früheres Signal ein späteres beeinflusst.

Unter Rauschen versteht man den Effekt, dass auch auf einer Leitung, an welche kein elektrisches Signal angelegt wurde, eine elektrische Spannung gemessen werden kann. Dieses kann mehrere Ursachen haben:

Werden zwei lange Leitungen über weite Strecken parallel geführt, so kann die induktive Beeinflussung ein Übersprechen bewirken. Der Effekt ist der gleiche, der z.B. in einem Transformator auftritt, wo er jedoch erwünscht ist. Dieses kann z.B. durch anderes Verlegen der Leitungen vermindert werden (moderne Verkabelungen werden 'kreuz-und-quer' verlegt, und nicht mehr in langen, parallelen Kabelsträngen). Andere Möglichkeiten zur Verringerung des Übersprechens sind die Verwendung abgeschirmter oder strahlungarmer Kabel (Koaxialkabel).

Das Impulsrauschen entsteht durch elektromagnetische Felder, die z.B. durch das Schalten elektrischer Maschinen, durch Induktionsspulen beim Einschalten von Leuchtstoffröhren, oder durch radioaktive Strahlung (Höhenstrahlung) entsteht. Sie treten nur kurzzeitig auf, können aber dennoch große Datenverluste bewirken. Dieses kann nur durch verbesserte Abschirmung vermindert werden, oder durch Verwendung elektrisch nicht beeinflussbarer Medien wie Lichtwellenleiter.

Das Wärmerauschen entsteht durch die Bewegung von Atomen und Elektronen in jedem Metall, dessen Temperatur oberhalb eines gewissen (immer sehr niedrigen) Wertes liegt, z.B. 2° Kelvin. Es beinhaltet das gesamte Frequenzspektrum jeder Amplitude und kann in technischen Geräten niemals völlig vermieden werden. Auch in Halbleitern, die in jedem Verstärker benutzt werden, tritt es auf, so dass jede Verstärkung eines (analogen) Signals stets auch eine Verstärkung dieses Rauschens beinhaltet. Daher kann die häufige Verstärkung eines immer wieder gedämpften analogen Signals (z.B. eines Telefongesprächs über große Entfernungen) dieses Signal mit Rauschen völlig überlagern. Erst die digitale Signalübertragung ermöglicht es, auch die Form eines Signals immer wieder korrekt zu restaurieren, und trotz häufiger Verstärkung beliebig weit ohne Wärme-Rausch-Effekte zu übertragen.