Grundkenntnisse der drahtlosen Kommunikation: Drahtloser Mechanismus (1)

Hinweis: In diesem Artikel wird versucht, einen Überblick über die drahtlose Kommunikation zu geben. Dementsprechend haben wir einige Bereiche nicht vollständig erklärt und andere Bereiche ganz ausgelassen. Wir planen, diese Bereiche in Zukunft nach und nach abzudecken.

# 1. Definition der drahtlosen Kommunikation

Vereinfacht ausgedrückt, ist die drahtlose Kommunikation eine drahtlose Telekommunikation, die elektromagnetische Wellen (Radiowellen), Magnetfelder und elektrische Felder nutzt, während die optische Kommunikation Licht verwendet, ohne Drähte oder Kabel zu benutzen. Unter den verschiedenen Methoden der drahtlosen Kommunikation ermöglicht die Telekommunikation mit Radiowellen eine Kommunikation über große Entfernungen von mehreren Kilometern oder mehr und ermöglicht die Übertragung einer großen Anzahl von Daten (Informationen^)*1. Daher werden Funkwellen in den meisten drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet. In dieser Serie möchten wir uns hauptsächlich auf die Funkwellen konzentrieren.

Drahtlose Kommunikationssysteme, die Funkwellen verwenden, sind so konfiguriert, dass sie den Raum als Übertragungsweg (oder Kommunikationskanal) nutzen und Daten auf Funkwellen als ^Signale*1 von Sendern zu Empfängern senden (Abb. 1).

*1: Die Begriffe "Daten", "Informationen" und "Signale" werden hier wie folgt definiert.
・Daten: Eine Sammlung von Symbolen und Codes, die Fakten darstellen
・Informationen: Daten, einschließlich Audio, Text und Bilder, die von Menschen interpretiert und verwendet werden können, um z. B. Dinge zu bestimmen und Maßnahmen zu ergreifen
・Signale: Daten oder Informationen, die im Laufe der Zeit über Übertragungsweg (Kommunikationskanäle) wie den Weltraum oder Kabel übertragen werden
Der Einfachheit halber unterscheiden wir im Folgenden nicht zwischen "Informationen" und "Daten". Wir verwenden den Ausdruck "Daten", sofern nicht anders angegeben.

2. Beispiele für Anwendungen der drahtlosen Kommunikation

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die ungefähren Kategorien der drahtlosen Kommunikation, bei der Daten mit Hilfe von Funkwellen übertragen werden, sowie über die typischen Anwendungen der einzelnen Kategorien. Die drahtlose Kommunikation wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Auch die Anwendungen und Arten der drahtlosen Kommunikation sind breit gefächert.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die drahtlose Kommunikation in den letzten Jahren auch über die Grenzen dieser Kategorien hinaus entwickelt wurde. So haben verschiedene Länder mobile Satellitenkommunikationsdienste eingeführt, die die Satellitenkommunikation in die mobile Kommunikation einbeziehen (Smartphones, die mit einer Funktion zur Verbindung mit Satelliten ausgestattet sind).

3. Grundlegende Konfiguration und Elemente von drahtlosen Kommunikationssystemen

Die grundlegende Modellkonfiguration von drahtlosen Kommunikationssystemen (und drahtgebundenen Kommunikationssystemen) ist in Abb. 2 dargestellt. Die einzelnen Elemente werden in Tabelle 2 beschrieben. Abb. 1 in "# 1. Definition der drahtlosen Kommunikation" ist eine noch einfachere Darstellung dieses Grundmodells.
Wir bezeichnen die Daten, die über einen Übertragungsweg übertragen werden, als "Signal". Unnötige Komponenten, die diese Signale negativ beeinflussen und die Übertragung der gewünschten Daten an den  Empfangsgerät erschweren, bezeichnen wir als "Rauschen". In der Praxis kann das Rauschen sowohl bei Sendern als auch bei Empfängern auftreten und dann Störungen beim Betrieb von Geräten und andere Probleme verursachen. Mit anderen Worten: Ein Kommunikationssystem, das von diesem Rauschen völlig unbeeinflusst ist, kann man als ideales Kommunikationssystem bezeichnen.

4. Drahtlose Kommunikationsmethode: Modulation und Demodulation

Abb. 3 zeigt eine Konfiguration, die die Modulation und Demodulation beschreibt, die die Grundfunktionen eines drahtlosen Kommunikationssystems sind. Sie basiert auf dem Grundmodell des Kommunikationssystems in Abb. 2.
Wenn man versucht, Daten direkt als Funkwellen zu übertragen, kann man sie nicht über große Entfernungen senden. Aus diesem und anderen Gründen erfordert die drahtlose Kommunikation einen Vorgang namens "Modulation", der Daten im Sender in geeignete Signale umwandelt, um die Übertragung von Daten über große Entfernungen zu ermöglichen. Auf der anderen Seite ist im Empfangsgerät eine "Demodulation" genannte Operation erforderlich, die die modulierten Signale wieder in die ursprünglichen Daten zurückverwandelt.
In Tabelle 3 sind die typischen Modulationsverfahren und Anwendungsbeispiele zusammengefasst. Viele der Begriffe sind im Allgemeinen nicht geläufig. Wir möchten jedoch, dass Sie sich diese Modulationstechnologien so vorstellen, wie sie einen Teil unserer heutigen Lebensinfrastruktur wie Mobiltelefone, Radio- und Fernsehsendungen unterstützen. Wir planen, die Einzelheiten auf einer separaten Seite zu einem späteren Zeitpunkt zu erläutern.

Kolumne: Radiowellen und ihre Frequenzen

Radiowellen sind eine Form von Energie wie Bewegung und Wärme. Sie werden auch elektromagnetische Wellen genannt. (Tatsächlich ist Licht eine Art von elektromagnetischen Wellen.) Funkwellen werden im japanischen Rundfunkgesetz und in der Vollzugsordnung für den Funkdienst im Anhang zum Internationalen Fernmeldeübereinkommen als elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 3.000 GHz oder weniger definiert. (Wir werden später erklären, wie man die Frequenz berechnet.)
Diese Funkwellen werden von drahtlosen Geräten ausgestrahlt. Es ist jedoch nicht einfach, sie tatsächlich sichtbar zu machen. Daher haben wir das Auftreten und die Übertragung von Funkwellen anhand des Phänomens erklärt, das auftritt, wenn ein sinusförmiger Wechselstrom durch einen Leiterstab, z. B. aus Metall, geleitet wird, um es leichter zu veranschaulichen.

Abb. 4 zeigt, wie sich Radiowellen damals ausbreiteten. Tatsächlich breiten sich Radiowellen dreidimensional aus. Wir konzentrieren uns hier jedoch auf Radiowellen, die sich ausbreiten, wenn der Leiter vertikal ausgerichtet ist, um zu zeigen, wie sie übertragen werden. Das elektrische ^Feld*2 und das magnetische ^Feld*2 stehen im rechten Winkel (orthogonal) zueinander. Änderungen des magnetischen Feldes erzeugen ein elektrisches Feld. Änderungen des elektrischen Feldes erzeugen wiederum ein magnetisches Feld. Durch die Wiederholung dieses Prozesses können Radiowellen als sinusförmige Schwingungen übertragen werden. Im Folgenden werden die wichtigsten Eigenschaften von Radiowellen beschrieben.

[1] Radiowellen sind Querwellen. Die Amplitude (Stärke) des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes ändert sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, und das elektrische Feld und das magnetische Feld übertragen dann auch die Funkwellen senkrecht zueinander.
[2] Die Geschwindigkeit, mit der die Funkwellen übertragen werden, ist die gleiche wie die des Lichts.
[3] Radiowellen haben kein Übertragungsmedium. (Die Luft schwingt und wird als Wellen übertragen. Wir spüren dann den Schall, wenn diese Wellen in unsere Ohren eindringen. Die Luft wird zu diesem Zeitpunkt als Übertragungsmedium bezeichnet.)

Die Eigenschaften von [3] sind weit entfernt von unseren alltäglichen Wahrnehmungen. Dennoch glaubt man, dass sich Radiowellen oder elektromagnetische Wellen, die auch in einem Vakuum wie dem Weltraum übertragen werden, ausbreiten, während elektrische Felder (Raum, in dem elektrische Kräfte wirken) und magnetische Felder (Raum, in dem magnetische Kräfte wirken) vibrieren.

Übrigens haben wir zu Beginn dieser Kolumne erklärt, dass Radiowellen elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 3.000 GHz oder weniger sind. Wir können diese Frequenz (f) [Hz] mit der Formel f = c/λ berechnen, wenn wir die Funkwellenlänge (m) in Abb. 4 und die Lichtgeschwindigkeit c (3 × ^108m/s) annehmen. Elektromagnetische Wellen werden je nach ihrer Frequenz und Wellenlänge in verschiedene Typen eingeteilt (Abb. 5).

*2: Elektrisches Feld und magnetisches Feld: Ein elektrisches Feld bezieht sich auf einen Raum, in dem eine elektrische Kraft wirkt. Ein magnetisches Feld bezieht sich auf einen Raum, in dem eine magnetische Kraft wirkt. In Abb. 6 ist der Bereich des elektrischen Feldes, das durch das Anlegen einer Spannung erzeugt wird, und der Bereich des magnetischen Feldes, das um den Magneten herum erzeugt wird, mit Pfeilen gekennzeichnet.

[Erweiterte ergänzende Informationen]
In Erklärungen zu Radiowellen für Anfänger sieht man oft ein Bild der Übertragung von Radiowellen, das einfach die Phänomene der Änderungen des Magnetfeldes, die ein elektrisches Feld erzeugen, und der Änderungen des elektrischen Feldes, die ein magnetisches Feld erzeugen, kombiniert (Abb. 7). Wenn man sich ernsthaft mit Radiowellen befassen will, z. B. im Zusammenhang mit Antennen, ist es wichtig, anstelle eines solchen Bildes ein Bild der Vektoren zu haben, die die Stärke des elektrischen und des magnetischen Feldes mit Pfeilen in Abb. 4 darstellen - den elektrischen ^Feldvektor*3 und den magnetischen ^Feldvektor*3. (Das Bild in Abb. 4 ist aus den ^{Maxwell-Gleichungen*4} abgeleitet.) Nach diesem Bild werden die Radiowellen, die z. B. bei Satellitenübertragungen verwendet werden, als zirkular polarisierte Radiowellen erklärt, die sich spiralförmig ausbreiten, während sich der Magnetfeldvektor in Abb. 4 nach links oder rechts dreht.

*3: Elektrischer Feldvektor und magnetischer Feldvektor:
Diese beiden Vektoren sind Vektoren, die die Drehung im Uhrzeigersinn und die Drehgeschwindigkeit darstellen. (In diesem Sinne werden sie auch "Rotationsvektoren" genannt.) Das bedeutet nicht, dass beide die Richtung angeben, in der sich ein Objekt oder etwas anderes bewegt, wie bei einem Geschwindigkeitsvektor.

*4: Die Maxwellschen Gleichungen: Dies sind die grundlegenden Gleichungen für elektromagnetische Felder, die alle Beziehungen zwischen Elektrizität und Magnetismus ausdrücken. Aus diesen Gleichungen lässt sich auch das Coulomb-Gesetz ableiten, mit dem Anfänger den Elektromagnetismus erlernen.

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