Das Telefon

Gliederung:

1. Die geschichtliche Entwicklung des Telefons2. Das Telefon (Aufbau und Arbeitsweise)3. Übertragungsmedien4. Schnurlose Telefone5. Telefax6. Handies7. ISDN8. xDSL

Einleitung:

Das Telefon ist eine der wichtigsten Erfindungen aller Zeiten. Es ermöglicht uns, die Verbindung zu entfernten Freunden und Verwandten aufrecht zu erhalten, Geschäfte zu tätigen, Bilder zu versenden, aus der Ferne Informationen über Computer abzurufen und sogar technische Geräte zu steuern. Die ständige Erreichbarkeit kann für den einen oder anderen aber auch zum Fluch werden wer hat sich nicht schon durch das Klingeln des Telefons geärgert?Das Monopol der Deutschen Bundespost Telekom am Telefonsystem ist seit dem 1. Juli 1990 aufgehoben worden.Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von Telefonanbietern für das Festnetz und den Mobilfunk. Die wichtigsten Anbieter sind dabei Mannesmann Arcor (D2), Mobil Com, Dt. Telekom oder auch Otelo. Durch eine enorme Konkurrenz zwischen den Anbietern sinken die Tarife von Jahr zu Jahr immer weiter. Mit meiner Belegarbeit möchte ich einen Überblick über die Entwicklung und die Funktion des Telefons geben.

1. Die geschichtliche Entwicklung des Telefons

Der Ausdruck „Telefon“ läßt sich bis ins Jahr 1796 zurückverfolgen. Damals bezeichnete man damit eine Sprachrohranlage. Später wurde für Apparate, die Sprache und Töne auf elektrischem Weg übertragen, dieser Name „Telefon“ übernommen.Die erste bekannte Beschreibung eines Telefons im heutigen Sinne stammt vom französischen Telegraphenbeamten Charles Boursel aus dem Jahr 1854. Er beschrieb eine Membrane, die den Strom einer Batterie im Rhythmus der Sprache unterbrechen sollte. An der Gegenstelle sollte eine ähnliche Membrane durch die Stromimpulse in Schwingungen versetzt werden. Boursel hatte jedoch nie praktische Versuche angestellt.Die Erfindung des Telefons kann man aber nicht eindeutig einem einzigen Erfinder zuschreiben. Fast zeitgleich wurden von Bell und Reis „Fernsprecher“ vorgestellt. Johann Philipp Reis war Lehrer für Physik und Chemie und er hatte sich jahrelang mit der Elektrizität auseinandergesetzt. Darüber hinaus beschäftigte er sich besonders mit dem Aufbau und der Akustik des menschlichen Ohres. Analog dem System aus „Hammer“ und „Amboß“ im menschlichen Ohr, hatte Reis sein Mikrofon als „Zerhacker“ konstruiert. Der Stromfluß wurde im Rhythmus der Sprache unterbrochen, was aber zu schlechter Verständlichkeit führte. Als Empfangsteil diente eine Stricknadel, die sich im Kern einer Magnetspule befand und vom Rhythmus der Stromschwankungen in Schwingungen versetzt wurde. Diese Schwingungen wurden dann von einem hölzernen Resonanzkasten verstärkt. 1861 stellte er sein Telefon dem Physikalischen Verein in Frankfurt am Main vor. Aber auch verbesserte Formen, die Reis später vorstellte, fanden nur geringes Interesse.

Der Taubstummenlehrer Alexander Graham Bell konstruierte einen elektrodynamischen Hörer aus einer Metallmembrane und einer Magnetspule, der als Sender und Empfänger verwendet werden konnte. Anfang 1876 meldete er das Gerät zum Patent an. Sender und Empfänger waren identisch, sie bestanden aus je einem Schalltrichter mit einer dünnen Membrane, die über eine Uhrfeder mit dem Anker eines Elektromagneten verbunden ist. Durch die Bewegung des (magnetischen) Ankers wird in der Spule ein Strom induziert. Dieser Strom setzt im Wiedergabeteil eine Metallmembrane in Schwingung, wodurch die Sprache wieder hörbar wird.

Doch hier war die erzeugte Spannung beim Sprechen zu gering für weitere Strecken. Bell verbesserte sein Telefon systematisch und überbrückte zuletzt Entfernungen von ca. 150 km. Zudem erreichte er, dass die Presse regelmäßig über seine Erfolge berichtete.

1877 gründete er mit Thomas Sanders und Gardiner Hubbard die „Bell Telephone Company“, die nach mehreren Umbenennungen 1895 als „American Telephone and Telegraph Company“ (AT&T) eingetragen wurde und heute noch die größte amerikanische Telefongesellschaft ist.Man sollte auch Elisha Gray nicht vergessen, der mit seiner Patentanmeldung nur zwei Stunden nach Bell kam. Sein Verfahren verwendete einen Metallstab, der an der Membrane befestigt war und in eine leitende Flüssigkeit tauchte. Durch die Änderung der Eintauchtiefe ergeben sich dann Stromschwankungen auf der Leitung.Aber erst die Erfindung des Kohlemikrofons durch Edison und Hughes Ende des neunzehnten Jahrhunderts machte das Telefon praktisch nutzbar. Der Kontaktwiderstand zwischen Kohlestab A und Kohleklötzchen C wird durch die Membrane B im Rhythmus der Sprache verändert und liefert so ein brauchbares Signal.

Moderne Kohlemikrofone gehen auf die Verbesserungen von Thomas A. Edison zurück. Edison befestigte an der Membrane eine mit Kohlekörnern gefüllte Schale. Durch die Bewegung der Membrane werden die Körner zusammengepreßt, wodurch sich der Stromfluß erhöht. Beim Kohlemikrofon, das bis in die 80er Jahre in der Regel ins Telefon eingebaut war, hat sich im Prinzip nichts geändert

2. Das Telefon (Aufbau und Arbeitsweise)

Beim Telefon können die elektroakustischen Wandler in zwei Typen unterschieden werden: Mikrofone wandeln die akustischen Schallschwingungen in elektrische Signal und umgekehrt wandeln Lautsprecher die elektrischen Signale in Schallwellen um.

Mikrofon:

Das Mikrofon ist das erste Glied in der Übertragungsstrecke, es wandelt die Änderungen des Schalldrucks in Änderungen des elektrischen Stroms. Der Schalldruck bewirkt bei einem Mikrofon die Auslenkung einer Membrane. Die Membrane ist mechanisch, kapazitiv oder induktiv mit dem eigentlichen Wandler verbunden. Je nach Art dieser Wandlung werden beispielsweise Kohle-, Kondensator-und Tauchspulenmikrofone unterschieden.Beim Kohlemikrofon ändert der Schalldruck auf der Membrane durch mehr oder weniger starkes Zusammendrücken der Kohlekörner den Widerstand des Mikrofons, wodurch ein Gleichstrom moduliert werden kannBeim Kondensatormikrofon ist die Membrane ein Teil eines Kondensators. Die eintreffenden Schallwellen ändern die Kapazität des Kondensators. Beim Tauchspulenmikrofon ist an der Membrane eine Spule befestigt, die in die Pole eines Dauermagneten hineinragt. Durch die Schallwellen bewegt die Membrane die Spule in dem Magnetfeld des Dauermagneten, wodurch ein Strom in die Spule induziert wird. Während früher hauptsächlich Kohlemikrofone eingesetzt wurden, sind heute meist Kondensator- oder Tauchspulen- (oder dynamische) Mikrofone üblich.

Fernhörer:

Der Fernhörer ist im Prinzip ein kleiner Lautsprecher. Der klassische Fernhörer ist die Umkehrung des Tauchspulenmikrofons. Die Sprechwechselspannung bewirkt in der Spule einen Stromfluß und damit ein wechselndes Magnetfeld, welches zusammen mit dem Magnetfeld des Dauermagneten eine Bewegung verursacht. Durch die mechanische Kopplung des Spule mit der Membrane wird die Bewegung auf die Membrane übertragen, wo dann schließlich die akustischen Signale erzeugt werden.

3. Die Übertragungsmedien

Zur physikalischen Übertragung von Signalen zwischen Sender und Empfänger werden in jedem Fall physikalische Übertragungsmedien benötigt. Je nach Anwendungsfall werden verschiedene Übertragungsmedien eingesetzt.

Kupferdoppelader:

Verdrillte und isolierte Kupferadern sind die einfachsten Übertragungsmedien, sie werden im Anschlußbereich des Fernsprechnetzes bis zu 8 km Reichweite verwendet, in Datennetzen sind sie bis zu 50 Mbit/s bei > 50m Reichweite einsetzbar.

Koaxialkabel:

Ein Koaxialkabel besteht aus einer isolierten Kupferseele mit einer Kupferummantelung. Es ist ausgelegt für die Übertragung höherer Frequenzen, typisch sind 10 Mbit/s in privaten Datennetzen oder 2.048 Mbit/s im Fernsprechnetz zwischen Netzknoten.

Satellitenverbindungen: Satellitenstrecken sind Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Erdfunkstellen und Satteliten. Die Übertragung erfolgt im Mikrowellenbereich (GHz) mit großer Bandbreite (MHz) zur Ausnutzung für sehr viele Kanäle. Die Übertragungsrichtung wird durch unterschiedliche Frequenzbereiche getrennt. Sie werden angewendet zur Überbrückung sehr großer Entfernungen (zwischen Kontinenten). Nachteilig ist die große Laufzeit zum und vom Satelliten (Erdfunkstelle zu Erdfunkstelle typisch 270ms).

Glasfaserstrecken:

Glasfaserstrecken sind ausgelegt für höchste Übertragungsfrequenzen mit sehr geringer Dämpfung nach einer elektronischen / optischen Wandlung. Sie besitzen eine große Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Beeinflussung und verfügen über einen hohen Signal / Geräuschabstand.

4. Schnurlose Telefone

Bei den schnurlosen Telefonen wird die Verbindungsschnur zwischen Handhörapparat (Hörer) und Fernsprecher durch eine Funkstrecke ersetzt. Um aus dem mobilen Teil ein schnurloses Telefon zu machen, wandern einige Funktionen des Fernsprechapparates in den Handapparat (Auflegen und Abnehmen, die Wahltasten und ein Anruforgan). Der verbleibende Rest (die Basis-oder Feststation) schließt die Anschlußleitung zum öffentlichen Netz ab und bearbeitet alle Befehle vom mobilen Teil. Die Wahl wird beispielsweise vom mobilen Teil über die Funkstrecke signalisiert und in der Basisstation dann auf die Wahlimpulse der Anschlußleitung umgesetzt. Die Sprechwechselspannung wird in analoger oder digitaler Form (je nach Funkstand) über die Funkstrecke zum mobilen Teil übertragen bzw. von diesem empfangen.Schnurlose Telefone sind nicht mit kleinen Mobilendgeräten z.B. des D2- oder E-Netzes zu verwechseln. Mit schnurlosen Telefonen ist man nur innerhalb des Funkbereichs der eigenen Basisstation (100m) erreichbar, während die „Handies“ auf nahezu der ganzen Welt verwendet werden können.

5. Telefax

In Deutschland sind weit über 1 Million Fernkopierer angeschlossen. Der Verbindungsaufbau erfolgt mit der üblichen Signalisierung des Fernsprechnetzes. Eine DIN A4-Seite wird in ca. 60 Sekunden übertragen, d.h., die Verbindungsdauer ist netzüblich. Die Sendevorlage wird in einem Fax-Gerät optisch Zeile für Zeile abgetastet. Jede Zeile ist in eine begrenzte Anzahl von Punkten unterteilt.Zum Empfänger werden die Bildinformationen in codierter Form übermittelt, dabei werden jeweils die Längenangaben von weißen und schwarzen Feldern einer Abtastzeile (mit einer Höhe und einem Abtastpunkt) zwischen den Fax-Geräten übertragen. Es wird also nicht jeder einzelne Punkt mit seiner Schwarz- oder Weißkennzeichnung einzeln übermittelt. Dadurch kann die Übertragungsdauer für ein durchschnittliches Dokument erheblich verkürzt werden.

6. Handies (Endgeräte)

Die Mobilstation kann zum Beispiel in Fahrzeuge eingebaut sein oder auch als Handtelefon ausgeführt sein. Je nach Sendeausgangsleistung sind die Endeinrichtungen in mehrere Klassen von 0,8 bzw. 2 Watt für die Handtelefone und bis zu 20 Watt für die eingebauten Endgeräte eingeteilt. In Deutschland werden diese Geräte als Handy bezeichnet; ansonsten nennt man diese Geräte Mobils oder Handhelds. Die Ausgangsleistung läßt sich auch von der Feststation aus reduzieren, um die Interferenzen im Netz möglichst kleinzuhalten. Die Entwicklung dieser Endgeräte versucht, ein Optimum zwischen den folgenden Kriterien zu finden:

· Herstellungskosten· Möglichst geringes Gewicht mit kleinem Aufbau· Möglichst langer autonomer Betrieb (Akku-Betriebszeit)

Alle teilnehmerspezifischen Informationen (z.B. die Teilnehmerkennung) sind auf der Chipkarte (SIM - Subscriber Identity Module) gespeichert, mit der jedes Mobilendgerät genutzt werden kann. Durch die SIM-Karte werden die Endgeräte für den zugeordneten Teilnehmer personalisiert. Die SIM-Karte ist in ihrer Verwendung durch eine zusätzliche Kennung (Personal Identity Code PIN) vor Mißbrauch geschützt. Die Endgeräte können ohne eine SIM-Karte nur für Notrufe verwendet werden. Die Endeinrichtungen haben ebenfalls eine eigene Kennung, welche den Zugriff auf Dienste durch nicht zugelassene oder als gestohlen gemeldete Endeinrichtungen verhindert.Eine nicht kontinuierliche Sprachübertragung (diskontinuierliche Übertragung) verringert Interferenzen an der Funkschnittstelle und ermöglicht eine Leistungseinsparung im Endgerät. Hierfür muß die Sprachaktivität ständig überwacht werden (Voice Activity Detetion).

Mobilfunkgeräte, auch Handy genannt, dienen zur drathlosen Kommunikation. Bei den ersten Mobilfunksystemen handelt es sich um das A-, B- und C-450 des C-Netzes. Die Übertragungen der Sprache erfolgten dabei Analog zwischen dem Mobilfunktelefon und der Basisstation. Erst mit dem GSM-Standart wurde ein digitales Übertragungsverfahren verwendet. So konnte die Bandbreite der Funkübertragung besser ausgelastet werden. Bei der 3. Generation wurde die Datenübertragung über HSCSD und GPRS integriert. Später kamen dann UMTS sowie EDGE dazu. SMS werden als Datennachricht übertragen. In der Weltraumforschung hat SMS eine andere Bedeutung. Die Telefonie wird in Deutschland über die Bundesnetzagentur reguliert.

7. ISDN

Das Diensteintegrierende digitale Telekommunikationsnetz (Integrated Services Digital Network, ISDN) basiert auf der digitalen Vermittlungstechnik des Fernspprechnetzes. ISDN ist die digitale Ausprägung des Fernsprechnetzes, 1997 waren bereits ca. 3 Mio. Basisanschlüsse installiert. Das Ziel des ISDN ist die Zusammenfassung aller Übermittlungsdienste in einem universellem Nachrichtennetz. An dem einfachen ISDN-Anschluß können bis zu acht unterschiedliche oder gleichartige Endeinrichtungen (Telefon, Fax-Geräte ...) über eine einheitliche Schnittstelle angeschlossen werden. Im Normalfall werden die Endeinrichtungen der verschiedenen (oder auch gleichen) Dienste über eine einzige Rufnummer je Anschluß erreicht. Im Schritt der ISDN-Einführung erfolgt die Übermittlung mit 64 kBit/s für alle Dienste. Jedem einfachen ISDN-Anschluß stehen zwei solcher Nutzkanäle zur Verfügung. Der ISDN-Anschluß wird über eine normale Kupferdoppelader betrieben, die in den meisten Fällen schon für den Fernsprechanschluß vorhanden ist.Für die Teilnehmer hat das ISDN-Netz den Vorteil, das alle Telekommunikationsdienste über einen Anschluß erreicht werden. Ein weiterer Vorteil ist die gleichzeitige Nutzung verschiedener Dienste über eine Leitung. Durch den digitalen Austausch der Signalisierung erfolgt beispielsweise der Verbindungsaufbau im ISDN erheblich schneller (in weniger als zwei Sekunden) als im Fernsprechnetz.Langfristig wird das ISDN-Netz die vorhandenen Spezialnetze ablösen. Für den Netzbetreiber ist es von Vorteil, nur ein einziges Telekommunikationsnetz zu betreiben, statt verschiedene Spezialnetze mit unterschiedlichen Techniken und unterschiedlichen Gebühren. Ende 1997 waren fast 3 Mio. Basis- und über 56000 Primärmultiplex-Anschlüsse mit insgesamt über 5 Mio. Übertragungskanälen an das ISDN der Deutschen Telekom angeschlossen. Ein weiteres Kommunikationsmittel ist über das Internet gegeben.

8. xDSL Techniken

Die verlegten Kupferdoppeladern des Fernsprechnetzes können beim Einsatz entsprechender Technik auf beiden Übertragungsseiten eine erstaunliche Bandbreite transportieren. Die Doppeladern liegen in vielen Fällen bereits in jedem Haushalt. Entsprechend interessant ist es, diese Kabel für breitbandige Anwendungen zu nutzen. Die verschiedenen Techniken für die breitbandige Übertragung auf Kupferdoppeladern werden unter dem Oberbegriff xDSL Techniken zusammengefaßt. Hierzu gehören HDSL (High bit rate Digital Subscriber Line),ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line) und VDSL (Very high bit rate Digital Subscriber Line).

Aufgrund des enormen Umfangs dieses Themas werde ich nur auf die ADSL Technik näher eingehen.

ADSL

Bei diesem unsymmetrischen Verfahren werden in verschiedenen Frequenzbändern Telefon bzw. ISDN und breitbandige Kommunikation nur in der Richtung zum Teilnehmer übertragen, beispielsweise für die Übertragung von Video Signalen. Der Kanal für Fernsprechen bzw. ISDN ist im Basisband bidirektional mit gleichen Geschwindigkeiten ausgelegt. Der Breitbandkanal verfügt über verschiedene Eigenschaften in den verschiedenen Kommunikationsrichtungen (zwischen 2 und 9 Mbit/s zum Teilnehmer und einen kleinen Steuerkanal vom Teilnehmer). Weitere Multiplexverfahren können für diese Leitungen nicht aufgewendet werden. Bei 2 Mbit/s können Reichweiten von ca. 3 km erzielt werden, bei 6 Mbit/s sind es nur 1,8 km.Nutzbar ist ein solches Übertragungsverfahren für die getrennten Dienste Telefon bzw. ISDN und Fernsehen, für Anwendungen mit einem Rückkanal (Video on Demand) oder sehr schnelle Internet-Anbindungen. Auch bei diesem Verfahren sind auf beiden Übertragungsseiten Anpassungseinrichtungen erforderlich, um diese hohen Übermittlungsraten zu erreichen.Auf der Seite des Teilnehmers wird nach der Trennung der Schmalband-und Breitbanddienste eine Set-Top-Box für den Abschluß der Breitbandübertragung installiert. An dieser können dann Fernseher oder PC zur Nutzung der Breitbanddienste angeschaltet werden. Mit der ADSL Technik kann prinzipiell die gesamte Länge der Kupferanschlußleitung genutzt werden.Speziell für Internet-Anwendungen wurde Universal ADSL (UADSL) von einer speziellen Working Group (Universal ADSL Working Group UAWG) festgelegt. Diese ADSL-Variante ermöglicht eine vereinfachte Konfiguration beim Benutzer bei einer etwas geringeren Übertragungsgeschwindigkeit (1,5 Mbit/s vom Netz und 512 zum Netz).

Quellenangabe:

· Technik der Netze von Gerd Siegmund / 4., neubearbeitete und erweiterte Auflage (1999)· Das Telefonhandbuch von Jürgen Plate / 2. Auflage (1995)· Internet