Technische Kommunikation: Funk und Frequenz

Ohne Sender und Empfänger gäbe es keine Kommunikation und ohne Frequenz keine Signalübertragung. Das gilt in der Personenkommunikation genauso wie in der Funktechnologie. Was sich hinter ihnen verbirgt, erfahren Sie hier.

Senden und Empfangen

Wenn eine Person einer anderen mit Worten etwas mitteilen möchte, dann verwendet sie Laute. Diese werden über die Stimme transportiert. Stimme wird u.a. im Kehlkopf erzeugt und über die Artikulationsorte (Mund, Nase, Rachen) moduliert. So unterscheidet sich das N von M oder das T vom S.

Was beim Menschen die Laute sind, sind beim Funksender die Funk-Codes. Anstelle einer Stimme produziert der Sender elektromagnetische Schwingungen. Anstelle eines Kehlkopfs gibt es den Oszillator. In der Funktechnik werden damit sinusförmige Schwingungen erzeugt. Auf den vom Oszillator realisierten wiederkehrenden Schwingungen wird die Botschaft (Signale) vom Sender zum Empfänger übermittelt.

Wiederkehrende Schwingungen in der Funktechnologie stellen die Frequenz dar. Erst diese physikalische Größe erlaubt Kommunikation. Hertz (Hz) ist das Einheitszeichen für die Frequenz. Sie zeigt an, wie schnell Vorgänge sich in einem periodischen Signal pro Sekunde wiederholen. Eine Schwingung pro Sekunde ist 1 Hz. 50 Schwingungen pro Sekunde entsprechen 50 Hz. Das ist zum Beispiel in Europa die Größe für Wechselstrom. Das menschliche Gehör kann etwa 20 bis 20.000 Hz wahrnehmen, also bis zu 20 kHz (Kilohertz). Die Funktechnologie arbeitet zumeist im Bereich von MHz oder GHz, also 1.000.000 Hz und 1.000.000.000 Hz.

Hierfür existieren konkrete Vorgaben und Anwendungsfälle. Schnurlose Telefone im DECT-Standard funken beispielsweise auf 1,9 GHz, Telefonate im E-Netz werden im Frequenzbereich von 1,805 – 1,880 GHz geführt und das Garagentor häufig via 433 MHz oder 868 MHz geöffnet.

Für den Funkbetrieb schickt der Sender seine Signale aus. Der Empfänger muss diese erkennen und verstehen. Ein klassischer, also unidirektionaler Empfänger benötigt daher Elemente, mit denen er die Botschaft empfängt und entschlüsseln kann. Einen Oszillator braucht der klassische Empfänger nicht.

Hingegen sind Transceiver eine Zwitterform in der Funktechnik: Sender und Empfänger in einem. In dem Kunstwort stecken beide Begriffe: Transmitter (Sender/Übermittler) und Receiver (Empfänger). Transceiver befinden sich in bidirektionalen Geräten. Zwar ist die klassische Funktion – übermittelte Signale zu empfangen – weiterhin gegeben. Doch zugleich ist der Empfänger in der Lage, selbst Signale auf derselben Frequenz an den Sender zu überbringen.

Transponder sind eine weitere Zwitterform in der Funkkommunikation. Sie können wie Transceiver senden und empfangen. Im Unterschied zu den Transceivern senden sie jedoch kein Signal aus, bevor sie eines empfangen. Sie reagieren bzw. antworten somit erst auf empfangene Signale. Diese Funktion steckt schon im Begriff, der sich aus zwei Wörtern zusammensetzt: Transmitter und Responder (engl. response = antworten/reagieren). Transponder werden häufig als digitale Schließsysteme verwendet und dienen der Zutrittskontrolle.

Bei Abfrage der Torposition durch den Handsender übermittelt der Antriebsempfänger die Antwort, die am Handsender in Form einer grünen oder roten LED wiedergegeben wird | Anleitung Hörmann HS 5 868-BS, Grafik bearbeitet: tor7.de

Auch Torantriebe mit Rückmeldefähigkeit verfügen über solche speziellen Funkempfänger. Man spricht von bidirektionalem Funk. (Hand-)Sender und (Antriebs-)Empfänger vergewissern sich via verschlüsseltem Signal über ein gegenseitiges Vorhandensein. Erst wenn das vom Sender ausgehende Signal beim Empfänger ankommt und dieses vom Empfänger mit einem anderen Signal bestätigt wird, wird der eingegebene Befehl (z. B. Tor-Auf/Tor-Zu) ausgelöst. Durch diese Rückmeldefähigkeit kann auch die Abfrage der Torposition vom Empfänger an den Sender übermittelt werden. Bei den Hörmann Antrieben mit dem bidirektionalem Funk BiSecur beispielsweise wird die Antwort vom Empfänger mittels LED am Handsender wiedergegeben. Übermittelt der Funkempfänger des Antriebs, dass das Tor geschlossen ist, leuchtet die LED in einem bestimmten Rhythmus grün auf. Ist das Tor noch offen, leuchtet eine rote LED. Da für die Torpositionsabfrage ein separater Kanal benötigt wird, kann diese Funktion nicht jeder BiSecur-Handsender des Herstellers leisten. Nur der HS 5 868-BS ist aktuell dazu in der Lage.

Einzeln auf der Platine können Sie keine Sende- und Empfangselemente finden, denn alles ist in Chips verbaut. Dass sie existieren und funktionieren, erkennen Sie erst, wenn Sie das System nutzen.

Damit eine Funk-Übertragung zustande kommen kann, müssen die Frequenz, die Modulation und die Codierung kompatibel sein.

Neben Frequenz und Codierung ist somit auch die Modulation Voraussetzung. Anders ausgedrückt: Das Funksignal (der Funkcode) wird moduliert (verändert). Hier gibt es zwei Möglichkeiten: die Amplituden-Modulation und die Frequenz-Modulation. Bei der Amplituden-Modulation (AM) wird das Sendegerät (z. B. der Handsender) im Rhythmus der Codierung ein- und ausgeschaltet. Bei der Frequenz-Modulation (FM) wird während der Codierung geringfügig die Trägerwelle in der Frequenz abgewandelt, also geändert.

Frequenz, Wellenlänge, Amplitude | Grafik: Thomas Rauscher

Zudem muss eine gewisse Reichweite in Form von Wellenlänge vorhanden sein. Ohne Reichweite nützt das beste Funksignal nichts. Für die bestmögliche Übertragung hat diese Größe einen entscheidenden Einfluss. Sie ist jedoch umgebungsabhängig. Funkwellen können beispielsweise durch Beton absorbiert und durch Metall reflektiert werden. Im ersten Fall wird das Funksignal stark geschwächt. In der zweiten Situation kommt es im schlimmsten Fall nicht einmal beim Empfänger an. Jeder, der ein kabelloses Heimnetzwerk in einem Neubau aus Stahlbeton konfiguriert hat, kennt die Situation: Schon in der nächsten Etage kann der Funkempfang so niedrig sein, dass mit einem Verstärker gearbeitet werden muss.

Eine weitere Störquelle sind andere Funksignale, vor allem, wenn sie die gleiche Frequenz wie die des eigenen Signals aufweisen. Solche Störsignale können die Reichweite deutlich verkürzen. Die Code-Verschlüsselungen reduzieren den schädlichen Einfluss, indem sie das Signal zusätzlich stabilisieren. Während es für andere Funksysteme inkompatibel ist, wird es vom eigenen System erkannt und besser von den Fremdsignalen unterschieden. Somit stellen auch Funksignale von Geräten anderer Hersteller in derselben Umgebung eine geringere Störquelle dar, auch wenn sie nicht ganz aufgehoben wird.

Im heimischen WLAN löst sich eine unschöne Störung oft durch das Wechseln der Frequenz im beruflichen Umfeld können sich der Problematik Spezialisten annehmen. Während 2,4 GHz für sehr viele Anwendungen verwendet wird, sind viele auf die stabilere Frequenz 5 GHz umgestiegen. Ein Mikrowellenofen (ugs.: Mikrowelle) arbeitet ebenso im 2,4-GHz-Bereich, wie die Bluetooth-Technologie. Somit ist es möglich, dass das WiFi durch das Anschalten der Mikrowelle gestört werden könnte.

Ausschlaggebend ist der sogenannte Kanal, also der Frequenzbereich, über den die Signale (Befehle, Sprache, Daten) tatsächlich übertragen werden. Arbeitet die Mikrowelle auf dem gleichen Kanal wie das WiFi, kann es zu Störungen kommen. Bekannt dafür sind zum Beispiel die Kanäle 9 (2439,5 – 2464,5 MHz) und 10 (2444,5 – 2469,5 MHz).

Dargestellt ist hier die WLAN-Umgebung in einem Wohngebiet und auf welchen Kanälen die einzelnen Funkverbindungen senden. Optimale Bedingungen schafft ein Kanal, den die Nachbarn nicht verwenden | Grafik: privat

Vorschriften für Frequenz-Nutzung

Frequenzen werden unter anderem als Träger von Signalen, seien es Sprache, Bilder (Telefonie, Rundfunk) oder Befehle mittels Funkzubehör, genutzt. Damit die Funksignale sich nicht störend beeinflussen, gibt es bundesweit einen einheitlichen Frequenzplan (FqP). Erstellt und veröffentlicht wird der Plan von der Bundesnetzagentur. Ab S. 148 des aktuellen Dokumentes (Stand 01/2021) lassen sich die einzelnen Frequenzbereiche und ganz konkret die Frequenzteilbereiche sowie deren Nutzungsbedingungen nachverfolgen. So ist zum Beispiel der Frequenzbereich 862 – 960 MHz „Funkanwendungen zu Identifikationszwecken“ vorbehalten. Im Frequenzteilbereich von 865 – 868 MHz sind daher auch Funkempfänger und -sender für Torantriebe zu finden. Speziell für die „Funkanwendungen für Alarmierungszwecke“ ist der Bereich 868,6 – 869,7 MHz vorgesehen. Ein weitaus vielfältig genutzter Bereich ist 430 bis 440 MHz. Hier sind „Funkanwendungen geringer Reichweite (SRD)“ und zum Teil der Amateurfunk zu finden.

Exkurs: Strom – Frequenz

Frequenz ist jedoch allgemein die Angabe dafür, wie oft sich in einem bestimmten Zeitraum etwas wiederholt. Im Falle des Wechselstroms wird mit der Einheit Hz angegeben, wie oft pro Sekunde sich eine Sinuswelle wiederholt. Um das Schulwissen aufzufrischen: Darstellen lassen sich Sinuswellen in einem Diagramm auf Millimeterpapier. Eine Welle besteht aus zwei Halbwellen. Sinus heißt im Übrigen: Bogen/Beugung. Auf dem Diagramm einfach dargestellt, startet die Sinuskurve bei 0 und beugt sich nach oben, fällt dann ab und beugt sich im unteren Bereich wieder nach oben. Dieses „unten“ und „oben“ wird auf dem Diagramm mithilfe der x-Achse (Wert 0) unterteilt. Um auf die Frequenz für Wechselstrom zurückzukommen: Alles über 0 ist positiv (+), alles unter 0 ist negativ (-). Man spricht von positiver und negativer Halbwelle. Die Frequenz besagt also, wie oft sich ein einzelner Positiv-Negativ-Zyklus wiederholt – Stichwort: Polarität.

In Europa hat man sich im Allgemeinen darauf geeinigt, dass der Wechselstrom 50 Hz betragen soll, also 50 Schwingungen/Sinuswellen in einer Sekunde. Je höher die Differenz zwischen den Polen (+/-) ist, umso größer ist die Spannung – Einheitszeichen: Volt (V).

Der Standard-Hausstrom verfügt über 230 Volt. Auch ein kabelgebundener Garagentorantrieb erhält seine Energie über die Steckdose. Er kann sich nicht allein mit Strom versorgen, ist also ein Stromverbraucher. Ist der Antrieb jedoch an den Hausstrom angeschlossen, kann wiederum er als Stromversorger oder Strommittler auftreten. Wenn zum Beispiel von einem kabelgebundenen Zubehör mit 12 Volt oder 24 Volt für den Torantrieb die Rede ist, dann lässt sich daraus schlussfolgern, dass dieses Zubehör seine Energie vom Antrieb selbst beziehen kann. Für einen kabelgebundenen Antrieb ist ein weiterer Stromverbraucher kein Problem. Anders sieht es bei den akkubetriebenen Antrieben aus. Jedes weitere spannungsbenötigende Zubehör kostet dem Antriebsakku Energie. Zumeist wird auch das Zubehör extern über Steckdose versorgt – oder über seine eigene Batterie bzw. seinen eigenen Akku, was für Funkzubehör fast schon Standard ist.

Akkugeräte arbeiten im Regelfall mit Gleichstrom. Ein Akku-Garagentorantrieb besitzt somit in den meisten Fällen einen Gleichstrommotor. Gleichstrom ist für größere Entfernungen weniger gut geeignet als Wechselstrom, kann aber einfacher gespeichert werden. Auf dem Diagramm betrachtet, sind die Sinuskurven nur im oberen Bereich (über der x-Achse) zu finden. Bei Gleichstrom ist es üblich, neben der Spannung Ampere (A) anzugeben, die Einheit für die Stromstärke (I).

Ob beim Strom, beim Funksender oder im Gespräch: Ohne die richtige Frequenz gibt es weder Übertragungen noch Kommunikation.