Datenübertragung: Übertragungsmedien, Störungen, Baudrate, Paritätsprüfung, Modulation und Antennen

Datenübertragung: Übertragungsmedien, Störungen, Baudrate, Paritätsprüfung, Modulation und Antennen

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Datenübertragung, Serielle Übertragung, Datenrate, Baudrate, Paritätsbit, Bitfehlerhäufigkeit, Twisted Pair, Lichtwellenleiter, Störeinkopplung, Modulation, Antenne, RFID

tl/dr; (ca. 28 min Lesezeit): Messwerte, Steuerbefehle und Dateien müssen fast immer von einem Gerät zum anderen. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie sich serielle und parallele Übertragung unterscheiden, wie Du Datenrate, Baudrate, Bitzeit und Übertragungsdauer berechnest, wie Paritätsbit und Prüfsummen Fehler erkennen, wie verdrillte und geschirmte Leitungen und Lichtwellenleiter gegen Störungen helfen, was Echtzeit in der industriellen Kommunikation bedeutet und wie Funkstrecken mit Modulation, Antennen und Pegelrechnung in dBm funktionieren [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 12.11.2026)

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Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste der Artikel Signalpegel und Dezibel und Zahlensysteme und Codes auf.

Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … Vorteile digitaler gegenüber analoger Signalübertragung nennen und begründen, warum analoge Messwerte für die Übertragung über das Internet A/D-umgesetzt werden müssen.

• … serielle und parallele Datenübertragung hinsichtlich Leitungsaufwand und Datendurchsatz vergleichen, die Übertragungsart aus einem Signalverlauf bestimmen und Bussysteme danach einordnen.

• … Datenrate, Baudrate, Bitzeit und die Übertragungsdauer einer Datei berechnen.

• … die Aufgabe von Paritätsbit und Prüfsummen erklären, angeben, welche Fehler eine Paritätsprüfung erkennt, und Bitfehlerhäufigkeit und Redundanz beurteilen.

• … Aufbau und Vorteil verdrillter und geschirmter Leitungen begründen, Netzwerkleitungen nach Kategorie und Schirmung unterscheiden und Maßnahmen gegen induktive, kapazitive und hochfrequente Störungen auswählen.

• … den Begriff Leitungsimpedanz erklären, Eigenschaften des Dämpfungsmaßes angeben und Leitungsdämpfungen aus Datenblättern ermitteln.

• … die Vorteile von Lichtwellenleitern nennen und Möglichkeiten zur störsicheren Übertragung von Sensorsignalen über weite Entfernungen nennen.

• … das Echtzeitverhalten in der industriellen Kommunikation und Feldbusse mit Master-Slave-Polling erklären.

• … drahtlose Verfahren (Bluetooth, WLAN, RFID) benennen, Baugruppen von Sendern und Empfängern benennen und Frequenzbereiche aus dem Datenblatt eines FM-Senders bestimmen.

• … Empfangspegel in dBm aus Sendeleistung und Streckendämpfung sowie Antennenspannungen berechnen und Spannungen in Abhängigkeit von der Frequenz messen.

Ein Temperaturfühler am anderen Ende der Halle, ein Barcodescanner am Tablet, ein Firmware-Update für eine Steuerung, ein Messwert, der in eine Cloud wandert: Immer müssen Daten von einer Quelle über einen Übertragungskanal zu einer Senke. Dabei stellen sich stets dieselben Fragen. Wie viele Leitungen brauche ich? Wie schnell geht es? Wie merke ich, dass ein Bit unterwegs verfälscht wurde? Welches Medium hält die Störungen in einer Werkhalle aus? Und wie weit reicht ein Funksignal?

Das folgende Bild zeigt die Übertragungsstrecke, an der sich dieser Artikel entlanghangelt: Der Sender bereitet die Daten auf, der Kanal transportiert sie (und fängt sich dabei Störungen ein), der Empfänger gewinnt sie zurück und prüft sie.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zur Datenübertragung.

Schritt 1: Warum digital übertragen?

Ein analoges Signal bildet die Messgröße direkt ab, z. B. eine Spannung zwischen 0 und 10 V für 0 bis 100 °C. Jede Störspannung, jede Dämpfung der Leitung und jeder Übergangswiderstand verändert dieses Signal unmittelbar – und der Empfänger kann nicht unterscheiden, ob 6,3 V „echt“ sind oder ob 0,2 V Störung dazugekommen sind.

Ein digitales Signal kennt dagegen nur wenige zulässige Zustände (bei binärer Übertragung zwei). Der Empfänger muss nur entscheiden, ob gerade „0“ oder „1“ anliegt. Daraus ergeben sich die Vorteile digitaler Übertragung:

• Störfestigkeit: Kleine Störungen und Dämpfung ändern die Entscheidung „0“ oder „1“ nicht; erst große Störungen führen zu Bitfehlern.

• Regenerierbarkeit: Zwischenverstärker (Repeater, Switch) können das Signal wieder „sauber“ erzeugen, ohne Störungen mitzuverstärken. Bei analogen Verstärkern wird das Rauschen mitverstärkt.

• Fehlererkennung und -korrektur: Mit zusätzlichen Prüfbits (Schritt 4) bemerkt der Empfänger Übertragungsfehler und kann die Daten erneut anfordern.

• Mehrfachnutzung: Viele Teilnehmer und Signale (Messwerte, Sprache, Video) teilen sich eine Leitung oder einen Funkkanal im Zeitmultiplex.

• Weiterverarbeitung, Speicherung, Verschlüsselung: Digitale Daten lassen sich verlustfrei speichern, komprimieren und verschlüsseln.

Das Internet ist ein reines Datennetz: Router und Switches transportieren ausschließlich Bitfolgen in Datenpaketen. Ein analoger Messwert muss deshalb vor der Übertragung A/D-umgesetzt (abgetastet und quantisiert) und als Zahl in ein Datenpaket verpackt werden. Wie Auflösung und Skalierung dabei zusammenhängen, zeigt der Artikel Messumformer und Einheitssignale.

Schritt 2: Seriell oder parallel?

Bei der parallelen Übertragung hat jedes Bit eines Datenworts seine eigene Leitung. Ein Byte wird also über acht Datenleitungen gleichzeitig übertragen, ein zusätzliches Takt- oder Strobesignal zeigt an, wann die Daten gültig sind. Bei der seriellen Übertragung wandern die Bits nacheinander über eine einzige Datenleitung (bzw. ein Leitungspaar); bei synchronen Verfahren läuft ein Takt mit, bei asynchronen Verfahren wie UART synchronisieren Start- und Stoppbits den Empfänger.

Im Signalverlauf erkennst Du die Übertragungsart deshalb so: Ändern sich mehrere Datenleitungen gleichzeitig und reicht ein Taktimpuls für das ganze Wort, ist es parallel. Ändert sich nur eine Datenleitung und gehört zu jedem Bit ein eigener Takt bzw. eine eigene Bitzeit, ist es seriell.

Bei gleicher Taktrate ist parallel also schneller: Ein 8-Bit-Bus mit 10 MHz überträgt 8 \cdot 10\ \mathrm{MHz} = 80\ \mathrm{Mbit/s}, eine serielle Leitung mit 10 MHz nur 10\ \mathrm{Mbit/s}. Trotzdem sind fast alle modernen Schnittstellen seriell. Bei hohen Frequenzen kommen die Bits auf parallelen Leitungen nicht mehr gleichzeitig an, und die Adern stören sich gegenseitig. Eine serielle Leitung kann dagegen viel höher getaktet werden; reicht eine nicht, werden mehrere unabhängige serielle „Lanes“ gebündelt (PCI Express). Busse wie I²C, SPI und UART arbeiten seriell; ihre Einzelheiten beschreiben die verlinkten Artikel. Welche Anschlüsse ein PC oder Industrie-PC nach außen bietet, ordnet der Abschnitt Geräteschnittstellen im Artikel zu UART und RS-232 ein.

Schritt 3: Datenrate, Baudrate, Bitzeit und Übertragungsdauer

Die Datenrate (Bitrate) gibt an, wie viele Bits je Sekunde übertragen werden, Einheit \mathrm{bit/s}. Sie folgt aus der Zahl der übertragenen Bits n und der Zeit t:

v_\mathrm{D} = \frac{n}{t}

Werden 4000\ \mathrm{Byte} = 32\,000\ \mathrm{bit} in 0{,}25\ \mathrm{s} übertragen, beträgt die Datenrate v_\mathrm{D} = \frac{32\,000\ \mathrm{bit}}{0{,}25\ \mathrm{s}} = 128\ \mathrm{kbit/s}.

Umgestellt ergibt sich die Übertragungsdauer einer Datei aus Datenmenge und Datenrate: t = \frac{n}{v_\mathrm{D}}. Achte dabei auf zwei Fallen:

• Dateigrößen stehen meist in Byte, Datenraten in bit/s: mit 8 multiplizieren.

• Datenraten verwenden Dezimalvorsätze (1\ \mathrm{Mbit/s} = 10^6\ \mathrm{bit/s}). Dateigrößen werden teils dezimal (1\ \mathrm{MB} = 10^6\ \mathrm{Byte}), teils binär (1\ \mathrm{MiB} = 2^{20}\ \mathrm{Byte}) angegeben – lies genau, was gemeint ist.

Beispiel: Eine Firmware-Datei mit 24\ \mathrm{MB} wird über Fast Ethernet mit 100\ \mathrm{Mbit/s} übertragen: t = \frac{24 \cdot 10^6 \cdot 8\ \mathrm{bit}}{100 \cdot 10^6\ \mathrm{bit/s}} = 1{,}92\ \mathrm{s}. Das ist ein theoretischer Mindestwert: Protokoll-Overhead (Rahmen, Adressen, Prüfsummen) und Pausen verlängern die reale Dauer. Mehr zu Reserven und Overhead in Netzwerken zeigt der Artikel Übertragungsdauer und Bandbreite berechnen.

Baudrate und Bitzeit

Die Baudrate (Schrittgeschwindigkeit, Einheit Baud, \mathrm{Bd}) zählt die Signalschritte je Sekunde. Die Dauer eines Schritts ist die Bitzeit bzw. Schrittdauer T_\mathrm{Bit}:

v_\mathrm{S} = \frac{1}{T_\mathrm{Bit}}

Misst Du an einer UART-Leitung mit dem Oszilloskop eine Bitzeit von 104\ \mu\mathrm{s}, ergibt sich v_\mathrm{S} = \frac{1}{104 \cdot 10^{-6}\ \mathrm{s}} \approx 9615\ \mathrm{Bd} – eingestellt ist also die Standardbaudrate 9600\ \mathrm{Bd}.

Bei binären Signalen (zwei Zustände) überträgt jeder Schritt genau ein Bit, Baudrate und Bruttodatenrate sind dann gleich groß. Kann ein Schritt mehrere Zustände annehmen (z. B. vier Spannungsstufen oder vier Phasenlagen bei der Modulation), trägt er mehrere Bits: Mit 4 Zuständen sind es 2 Bit je Schritt, die Datenrate ist doppelt so hoch wie die Baudrate.

Nicht jedes übertragene Bit ist ein Nutzbit. Der UART-Rahmen im folgenden Bild enthält neben 8 Datenbits ein Startbit, ein Paritätsbit und ein Stoppbit – insgesamt 11 Bit für 8 Nutzbits.

Ein Rahmen dauert bei 9600\ \mathrm{Bd} also 11 \cdot 104{,}2\ \mu\mathrm{s} \approx 1{,}15\ \mathrm{ms}, die Nutzdatenrate beträgt nur \frac{8}{11} \cdot 9600\ \mathrm{bit/s} \approx 6{,}98\ \mathrm{kbit/s}.

USB-C und Power Delivery

USB ist heute die wichtigste serielle Schnittstelle zwischen PC und Peripherie. USB 2.0 überträgt bis zu 480\ \mathrm{Mbit/s}, neuere Versionen deutlich mehr. Über den Steckverbinder USB-C wird zusätzlich Energie übertragen: Mit USB Power Delivery (USB PD) handeln Netzteil und Gerät über eine eigene Kommunikationsleitung (CC-Leitung) aus, welche Spannung (z. B. 5 V, 9 V, 15 V, 20 V, mit erweitertem Bereich bis 48 V) und welcher Strom geliefert wird. Erst nach dieser Aushandlung schaltet das Netzteil die höhere Spannung zu. Die EU schreibt mit der Richtlinie (EU) 2022/2380 eine einheitliche Ladeschnittstelle vor: Smartphones, Tablets, Kameras und andere Kleingeräte müssen seit dem 28.12.2024, Laptops seit dem 28.04.2026 über USB-C geladen werden können; unterstützt ein Gerät Schnellladen, muss es USB PD beherrschen.

Schritt 4: Übertragungsfehler erkennen

Trotz digitaler Übertragung kippen gelegentlich Bits, etwa durch einen Störimpuls. Um das zu erkennen, fügt der Sender den Nutzdaten zusätzliche Prüfinformation hinzu. Diese zusätzlichen Bits heißen Redundanz: Sie enthalten keine neue Information, ermöglichen aber die Kontrolle.

Das Paritätsbit

Das einfachste Verfahren ist das Paritätsbit. Der Sender zählt die Einsen im Datenwort und ergänzt ein Bit so, dass die Anzahl der Einsen (Datenbits plus Paritätsbit)

• bei gerader Parität (even, E) gerade,
• bei ungerader Parität (odd, O) ungerade

wird. Das Zeichen „S“ = 0x53 = 0101 0011 enthält vier Einsen; bei gerader Parität ist das Paritätsbit also 0 (siehe Bild oben). Für 0x7C = 0111 1100 (fünf Einsen) wäre es 1. Der Empfänger zählt erneut. Stimmt die Parität nicht, verwirft er das Zeichen oder fordert es neu an. Wie Du Hexadezimalzahlen in Dualzahlen umwandelst, zeigt der Artikel Zahlensysteme und Codes.

Die Leistungsfähigkeit der Paritätsprüfung ist begrenzt:

• Die Parität erkennt jede ungerade Anzahl von Bitfehlern (1, 3, 5 … gekippte Bits) im Zeichen.

• Die Parität erkennt keine gerade Anzahl von Bitfehlern: Kippen zwei Bits, stimmt die Parität wieder.

• Die Parität zeigt nicht, welches Bit falsch ist, und kann den Fehler daher nicht korrigieren.

• Der Aufwand ist klein: 1 Prüfbit je Zeichen.

Prüfsummen und CRC

Für ganze Datenblöcke nutzen Protokolle Prüfsummen. Der Sender berechnet aus allen Bytes eines Blocks einen Prüfwert und hängt ihn an; der Empfänger rechnet nach und vergleicht. Am weitesten verbreitet ist die zyklische Redundanzprüfung (Cyclic Redundancy Check, CRC), z. B. CRC-16 bei Modbus RTU oder CRC-32 bei Ethernet. Ein CRC erkennt alle Einzel- und Doppelfehler, alle Fehlerbündel bis zur Länge des Prüfwerts und die allermeisten längeren Fehler. Gleichzeitig ist die Redundanz bei großen Blöcken gering: 32 Prüfbits auf einen Ethernet-Rahmen mit bis zu 1500 Byte Nutzdaten sind weniger als 0,3 %.

Bitfehlerhäufigkeit (BER)

Wie gut ein Übertragungskanal ist, beschreibt die Bitfehlerhäufigkeit (Bit Error Rate, BER): das Verhältnis der fehlerhaft empfangenen Bits zur Gesamtzahl der übertragenen Bits.

\mathrm{BER} = \frac{n_\mathrm{Fehler}}{n_\mathrm{gesamt}}

Eine BER von 10^{-9} bedeutet: Im Mittel ist eines von einer Milliarde Bits falsch. Das klingt wenig – bei 100\ \mathrm{Mbit/s} sind es aber 100 \cdot 10^6\ \mathrm{bit/s} \cdot 10^{-9} = 0{,}1 Fehler je Sekunde, also etwa alle zehn Sekunden ein Bitfehler. Je höher Datenrate und Betriebsdauer, desto wichtiger wird eine wirksame Fehlererkennung. Eine kleinere BER (z. B. 10^{-12}) steht für einen besseren Kanal.

Schritt 5: Leitungen, Störungen und Lichtwellenleiter

Wie Störungen auf eine Leitung gelangen

In Werkhallen und Schaltschränken liegen Signalleitungen oft neben Motorleitungen, Schützen und Frequenzumrichtern. Drei Kopplungsarten bringen Störungen auf die Leitung:

Verdrillte und geschirmte Leitungen

Eine Twisted-Pair-Leitung besteht aus Aderpaaren, deren zwei Adern miteinander verdrillt sind; Netzwerkleitungen haben vier Paare mit jeweils unterschiedlicher Schlaglänge, damit sich die Paare nicht gegenseitig beeinflussen (Übersprechen). Durch die Verdrillung wechselt die Lage der beiden Adern ständig. Ein magnetisches Störfeld induziert deshalb in aufeinanderfolgenden Teilschleifen Spannungen mit entgegengesetzter Richtung, die sich nahezu aufheben. Umgekehrt heben sich auch die Magnetfelder der beiden Adern nach außen auf – die Leitung strahlt selbst weniger ab.

Am besten wirkt das bei symmetrischer (differenzieller) Übertragung: Das Signal steckt in der Spannungsdifferenz der beiden Adern. Eine Störung, die auf beide Adern gleich einwirkt (Gleichtaktstörung), ändert die Differenz nicht. Ethernet, CAN, USB und RS-485 arbeiten so. Wie der CAN-Bus Pegel, Abschluss und Fehlersicherung im Einzelnen umsetzt, zeigt der Artikel CAN-Bus.

Gegen elektrische Felder und hochfrequente Störungen hilft zusätzlich ein Schirm aus Folie (F) oder Geflecht (S). Die Bezeichnung nach ISO/IEC 11801 lautet X/YTP: X steht für den Gesamtschirm, Y für den Paarschirm, U für „ungeschirmt“. Ein S/FTP-Kabel hat also einen Gesamtschirm aus Geflecht und je Paar einen Folienschirm, ein U/UTP-Kabel ist ganz ungeschirmt.

Netzwerkleitungen werden außerdem nach Kategorien eingeteilt, die die höchste Übertragungsfrequenz festlegen:

Wie diese Leitungen im Gebäude verlegt werden, beschreibt der Artikel Strukturierte Verkabelung.

Leitungsimpedanz und Dämpfung

Bei hohen Frequenzen ist eine Leitung mehr als „ein Draht“: Ihr Induktivitäts- und Kapazitätsbelag (je Meter) bestimmen den Wellenwiderstand bzw. die Leitungsimpedanz Z_\mathrm{L} = \sqrt{\frac{L'}{C'}}. Sie hängt vom Aufbau ab (Aderabstand, Isolierstoff), nicht von der Länge. Typische Werte: Twisted Pair 100\ \Omega, RS-485-Leitungen 120\ \Omega, Koaxialkabel 50\ \Omega (Funktechnik) oder 75\ \Omega (Antennen- und Videotechnik). Sender, Leitung und Empfänger bzw. Abschlusswiderstand müssen dieselbe Impedanz haben, sonst wird ein Teil des Signals am Leitungsende reflektiert und überlagert die nachfolgenden Bits.

Jede Leitung schwächt das Signal ab. Die Dämpfung wird in Dezibel angegeben, das Dämpfungsmaß im Datenblatt meist in \mathrm{dB/100\ m} bei verschiedenen Frequenzen. Für das Dämpfungsmaß gilt:

• Es steigt proportional zur Leitungslänge: doppelte Länge, doppelte Dämpfung in dB.

• Es steigt mit der Frequenz (Skin-Effekt, dielektrische Verluste).

• Dämpfungen einzelner Abschnitte (Kabel, Stecker, Verteiler) werden in dB einfach addiert.

Beispiel aus einem Datenblatt: Ein Koaxialkabel hat bei 2{,}4\ \mathrm{GHz} eine Dämpfung von 20\ \mathrm{dB/100\ m}. Ein 15\ \mathrm{m} langes Stück dämpft dann um 20\ \mathrm{dB} \cdot \frac{15\ \mathrm{m}}{100\ \mathrm{m}} = 3\ \mathrm{dB}, also auf die Hälfte der Leistung. Wie Du mit Dezibel rechnest, zeigt der Artikel Signalpegel und Dezibel.

Ebenso entnimmst Du einem Datenblatt den Frequenzbereich und den Versorgungsbereich eines HF- oder Funkbausteins: Ein Funkmodul mit „Betriebsspannung 1,8 … 3,6 V“ verträgt keine 5 V, und ein Verstärker für „470 … 862 MHz“ eignet sich nicht für 2,4-GHz-WLAN.

Lichtwellenleiter

Lichtwellenleiter (LWL) übertragen die Daten als Lichtimpulse in einer Glas- oder Kunststofffaser. Gegenüber Kupferleitungen haben sie deutliche Vorteile:

• unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, auch neben Motorleitungen und Umrichtern,

• keine eigene Abstrahlung und kein Übersprechen, schwer abzuhören,

• galvanische Trennung der Geräte: keine Ausgleichsströme, kein Verschleppen von Überspannungen zwischen Gebäuden,

• sehr hohe Bandbreite und geringe Dämpfung, dadurch Strecken von mehreren hundert Metern (Multimode) bis zu vielen Kilometern (Singlemode),

• geringes Gewicht und kleiner Durchmesser, einsetzbar in explosionsgefährdeten Bereichen.

Nachteile sind die aufwendigere Konfektionierung (Spleißen, Steckerpolitur) und die teureren Sende- und Empfangsbausteine. Mehr dazu im Artikel Lichtwellenleiter.

Sensorsignale über weite Entfernungen

Für Sensorsignale über große Entfernungen und in gestörter Umgebung gibt es mehrere Möglichkeiten:

• Stromsignal 4…20 mA statt Spannungssignal: Der Strom in einer Schleife ist überall gleich groß, Leitungswiderstände und eingekoppelte Spannungen verfälschen ihn kaum; der lebende Nullpunkt zeigt einen Drahtbruch an (Messumformer und Einheitssignale).

• Digitale Übertragung über einen Feldbus mit differenzieller Leitung (z. B. RS-485, CAN, PROFIBUS, IO-Link zum Sensor) und Prüfsummen.

• Lichtwellenleiter bei sehr großen Entfernungen, zwischen Gebäuden oder in stark gestörter Umgebung.

• Funk (z. B. LoRaWAN, Mobilfunk), wo Leitungen unwirtschaftlich sind.

• Ergänzend immer: verdrillte, geschirmte Leitungen, getrennte Kabelwege und ein sauberer Potenzialausgleich.

Schritt 6: Echtzeit in der industriellen Kommunikation

In einer Maschine genügt es nicht, dass Daten „schnell“ ankommen – sie müssen rechtzeitig ankommen. Ein Kommunikationssystem ist echtzeitfähig, wenn es garantiert, dass eine Nachricht innerhalb einer festgelegten, vorhersagbaren Zeit (der Reaktions- oder Zykluszeit) übertragen wird, und zwar auch im ungünstigsten Fall. Man nennt dieses Verhalten deterministisch. Büro-Ethernet ist das nicht ohne Weiteres: Bei hoher Last warten Pakete in Warteschlangen, die Laufzeit schwankt.

Feldbusse erreichen Echtzeit häufig mit dem Master-Slave-Verfahren mit Polling: Nur der Master (z. B. die SPS) darf von sich aus senden. Er fragt die Slaves (Sensoren, Aktoren, Antriebe) der Reihe nach ab; jeder Slave antwortet nur, wenn er gefragt wird. Kollisionen sind ausgeschlossen, und die Zykluszeit lässt sich vorausberechnen:

t_\mathrm{Zyklus} = n_\mathrm{Slaves} \cdot t_\mathrm{Slave}

Braucht der Master für Anfrage und Antwort je Slave 0{,}4\ \mathrm{ms}, beträgt die Zykluszeit bei 8 Slaves 8 \cdot 0{,}4\ \mathrm{ms} = 3{,}2\ \mathrm{ms}. Jeder Messwert ist also spätestens nach 3{,}2\ \mathrm{ms} aktualisiert. Mehr Slaves oder längere Telegramme verlängern den Zyklus – das muss bei der Planung zur geforderten Reaktionszeit der Anlage passen. Industrielles Ethernet (z. B. PROFINET, EtherCAT) erreicht Echtzeit mit reservierten Zeitschlitzen oder Telegrammen, die alle Teilnehmer im Durchlauf bearbeiten.

Schritt 7: Drahtlose Übertragung

Funkverfahren zwischen PC und Peripherie

Für die drahtlose Verbindung von PC, Tablet und Peripherie sind vor allem diese Verfahren verbreitet:

Einen ausführlicheren Vergleich (auch ZigBee, LoRaWAN, Mobilfunk) bietet der Artikel Funk- und Identifikationstechniken.

RFID-Transponder

Ein RFID-System besteht aus einem Lesegerät mit Antenne und Transpondern (Tags), die einen Mikrochip und eine Antennenspule bzw. Dipolantenne enthalten. Passive Transponder haben keine Batterie: Sie beziehen ihre Energie aus dem Feld des Lesegeräts und antworten mit ihrer Kennung bzw. ihren gespeicherten Daten. Aktive Transponder haben eine eigene Batterie und erreichen größere Reichweiten.

Eigenschaften, die RFID vom Barcode unterscheiden: Es ist kein Sichtkontakt nötig, Tags können auch durch Verpackungen, Schmutz oder Farbe gelesen werden, viele Tags lassen sich nahezu gleichzeitig erfassen (Pulkerfassung), und Daten lassen sich teils auch beschreiben. Metall und Wasser stören dagegen das Feld. Nach Frequenzbereich unterscheidet man LF (125 kHz, wenige cm, z. B. Zutrittskontrolle, Tierkennzeichnung), HF (13,56 MHz, bis etwa 1 m, z. B. Ausweise, Bibliotheken, NFC) und UHF (865…868 MHz in Europa, mehrere Meter, z. B. Logistik, Lager, Werkzeugverwaltung).

Modulation: Daten auf einen Träger setzen

Funkübertragung braucht einen hochfrequenten Träger (eine Sinusschwingung), weil nur hohe Frequenzen mit Antennen vernünftiger Größe abgestrahlt werden können und weil verschiedene Sender sich so verschiedene Frequenzen teilen. Das Nutzsignal wird dem Träger durch Modulation aufgeprägt – es verändert eine seiner Eigenschaften:

Bei der Frequenzmodulation bleibt die Amplitude des Trägers konstant; seine Frequenz schwankt im Takt des Nutzsignals um die Trägerfrequenz. Amplitudenstörungen (z. B. Zündfunken) wirken sich deshalb kaum aus. Im Datenblatt eines FM-Senders findest Du zwei verschiedene Frequenzbereiche, die Du nicht verwechseln darfst: den Eingangsfrequenzbereich (das Nutzsignal, bei Audio z. B. 50 Hz … 15 kHz) und den Trägerfrequenzbereich (die Sendefrequenz, beim UKW-Rundfunk 87,5 … 108 MHz).

Sender und Empfänger

Ein Funksender besteht im Kern aus: Signalaufbereitung (Verstärker, Filter bzw. A/D-Umsetzer und Codierer) → Oszillator (erzeugt den Träger) → Modulator → HF-Leistungsverstärker → Antennenanpassung und Antenne.

Ein Überlagerungsempfänger (Superhet) arbeitet umgekehrt: Antenne → HF-Vorverstärker mit Eingangsfilter → Mischer mit Oszillator (setzt auf eine feste Zwischenfrequenz um) → ZF-Verstärker und ZF-Filter (Trennschärfe) → Demodulator → NF-Verstärker bzw. Decodierer und Datenausgabe. In modernen Funkmodulen stecken diese Stufen meist in einem einzigen Chip; im Datenblatt erkennst Du sie an Angaben wie Sendeleistung, Empfindlichkeit und Frequenzbereich.

Antennen

Die Länge einer Antenne richtet sich nach der Wellenlänge \lambda = \frac{c}{f} mit der Lichtgeschwindigkeit c \approx 3 \cdot 10^8\ \mathrm{m/s}. Häufig sind der Halbwellendipol (\frac{\lambda}{2}) und die Viertelwellen-Stabantenne (\frac{\lambda}{4}) über einer leitenden Fläche. Für 433\ \mathrm{MHz} ist \lambda = \frac{3 \cdot 10^8\ \mathrm{m/s}}{433 \cdot 10^6\ \mathrm{Hz}} \approx 0{,}693\ \mathrm{m}, eine \frac{\lambda}{4}-Antenne ist also etwa 17\ \mathrm{cm} lang (in der Praxis wegen des Verkürzungsfaktors etwas kürzer).

Antennen bündeln die Strahlung unterschiedlich stark in eine Richtung. Diesen Antennengewinn gibt man in \mathrm{dBi} an (bezogen auf einen gedachten Kugelstrahler); ein Halbwellendipol hat 2{,}15\ \mathrm{dBi}, Richtantennen erreichen 10 dBi und mehr.

Empfangspegel berechnen

Leistungen in der Funk- und Nachrichtentechnik werden als absoluter Pegel in dBm angegeben, bezogen auf 1\ \mathrm{mW}:

L_P = 10 \cdot \lg \frac{P}{1\ \mathrm{mW}}\ \mathrm{dBm}

100\ \mathrm{mW} entsprechen 20\ \mathrm{dBm}, 1\ \mathrm{mW} entspricht 0\ \mathrm{dBm}, 1\ \mathrm{pW} entspricht -90\ \mathrm{dBm}. Der Vorteil: Entlang der Übertragungskette musst Du nur noch addieren und subtrahieren. Der Empfangspegel ist der Sendepegel plus alle Gewinne minus alle Dämpfungen (Kabel, Stecker, Funkfeld):

L_\mathrm{E} = L_\mathrm{S} + G_\mathrm{S} + G_\mathrm{E} - a_\mathrm{Kabel} - a_\mathrm{Strecke}

Ein Pegelplan zeigt den Pegel nach jeder Stufe der Kette:

Im Beispiel kommen 20\ \mathrm{dBm} - 1{,}5\ \mathrm{dB} + 5\ \mathrm{dB} - 100\ \mathrm{dB} + 5\ \mathrm{dB} - 1{,}5\ \mathrm{dB} = -73\ \mathrm{dBm} am Empfänger an. Seine Empfindlichkeit (der kleinste Pegel, den er noch sicher auswertet) liegt bei -95\ \mathrm{dBm}, es bleiben 22\ \mathrm{dB} Reserve für Regen, Hindernisse und Alterung.

In der Antennen- und Empfangstechnik werden Spannungen oft als Pegel in \mathrm{dB\mu V} (bezogen auf 1\ \mu\mathrm{V}) angegeben: L_U = 20 \cdot \lg \frac{U}{1\ \mu\mathrm{V}}\ \mathrm{dB\mu V}. Aus einer Leistung am Empfängereingang mit der Impedanz Z ergibt sich die Antennenspannung mit U = \sqrt{P \cdot Z}. Für 50\ \Omega gilt die Faustformel L_U \approx L_P + 107\ \mathrm{dB}: -73\ \mathrm{dBm} entsprechen etwa 34\ \mathrm{dB\mu V} bzw. 50\ \mu\mathrm{V}.

Spannungen in Abhängigkeit von der Frequenz messen

Ob eine Antennenanlage, ein Filter oder eine Leitung die gewünschten Frequenzen durchlässt, zeigt eine frequenzabhängige Messung:

• Ein Spektrumanalysator stellt die Pegel aller enthaltenen Frequenzen gleichzeitig dar (Pegel über der Frequenz), z. B. um Sendefrequenz, Nebenaussendungen oder Störer zu finden.

• Für den Frequenzgang einer Baugruppe speist ein Funktions- oder Wobbelgenerator nacheinander verschiedene Frequenzen mit gleicher Amplitude ein; am Ausgang misst Du jeweils die Spannung (mit Oszilloskop oder HF-Voltmeter) und trägst das Verhältnis in dB über der Frequenz auf.

• Ein Antennenmessgerät zeigt den Empfangspegel in \mathrm{dB\mu V} für einen eingestellten Kanal; viele Oszilloskope bieten außerdem eine FFT-Funktion für einen schnellen Blick ins Spektrum.

Wichtig: Messgerät und Messkabel müssen zur Impedanz der Anlage passen (z. B. 50\ \Omega oder 75\ \Omega), sonst verfälschen Reflexionen das Ergebnis.

Leitfragen

1. Warum werden analoge Messwerte für die Übertragung über das Internet A/D-umgesetzt, und welche Vorteile hat digitale Übertragung? Antwort

Das Internet transportiert nur Bitfolgen in Datenpaketen, der Messwert muss daher als Zahl vorliegen. Digitale Signale sind störfester, lassen sich ohne Qualitätsverlust regenerieren, auf Fehler prüfen, gemeinsam mit anderen Daten übertragen, speichern und verschlüsseln. siehe Abschnitt „Schritt 1: Warum digital übertragen?“

2. Woran erkennst Du im Signalverlauf, ob seriell oder parallel übertragen wird, und welche Art ist bei gleicher Taktrate schneller? Antwort

Parallel ändern sich mehrere Datenleitungen gleichzeitig und ein Takt überträgt ein ganzes Wort; seriell kommen die Bits nacheinander über eine Leitung, je Bit ein Takt bzw. eine Bitzeit. Bei gleicher Taktrate ist ein n-Bit-Parallelbus n-mal so schnell, braucht aber n Datenleitungen. siehe Abschnitt „Schritt 2: Seriell oder parallel?“

3. Wie hängen Datenrate, Baudrate, Bitzeit und Übertragungsdauer zusammen? Antwort

Die Datenrate ist die Zahl der Bits je Sekunde, die Übertragungsdauer ist Datenmenge in Bit geteilt durch Datenrate. Die Baudrate ist der Kehrwert der Bitzeit (Schrittdauer); bei binären Signalen ist sie gleich der Bruttodatenrate. Start-, Stopp- und Prüfbits verringern die Nutzdatenrate. siehe Abschnitt „Schritt 3: Datenrate, Baudrate, Bitzeit und Übertragungsdauer“

4. Welche Fehler erkennt eine Paritätsprüfung, und was leisten Prüfsummen und die Bitfehlerhäufigkeit? Antwort

Die Parität erkennt jede ungerade Zahl gekippter Bits in einem Zeichen, aber keine gerade Zahl, und kann nicht korrigieren. Prüfsummen wie CRC sichern ganze Blöcke und erkennen auch Mehrfach- und Bündelfehler bei geringer Redundanz. Die BER gibt den Anteil fehlerhafter Bits an allen übertragenen Bits an. siehe Abschnitt „Schritt 4: Übertragungsfehler erkennen“

5. Warum unterdrücken verdrillte und geschirmte Leitungen Störungen, und welche Maßnahme passt zu welcher Kopplungsart? Antwort

Durch die Verdrillung heben sich die in benachbarten Schlägen induzierten Störspannungen auf; der Schirm hält elektrische Felder und HF-Störungen ab. Gegen induktive Kopplung helfen Verdrillung und Abstand, gegen kapazitive ein geerdeter Schirm, gegen HF-Störungen ein beidseitig großflächig aufgelegter Schirm, Filter oder Lichtwellenleiter. siehe Abschnitt „Schritt 5: Leitungen, Störungen und Lichtwellenleiter“

6. Was bedeutet Leitungsimpedanz, und welche Eigenschaften hat das Dämpfungsmaß? Antwort

Die Leitungsimpedanz (Wellenwiderstand) ergibt sich aus Induktivitäts- und Kapazitätsbelag und ist unabhängig von der Länge; Sender, Leitung und Abschluss müssen sie gemeinsam haben, sonst entstehen Reflexionen. Die Dämpfung in dB wächst proportional zur Länge, steigt mit der Frequenz und wird über die Abschnitte addiert. siehe Abschnitt „Leitungsimpedanz und Dämpfung“

7. Was heißt Echtzeitfähigkeit, und wie erreicht ein Feldbus mit Master-Slave-Polling sie? Antwort

Echtzeitfähig ist ein System, das eine Übertragung innerhalb einer garantierten, vorhersagbaren Zeit sicherstellt. Beim Polling fragt nur der Master die Slaves nacheinander ab; es gibt keine Kollisionen, und die Zykluszeit ist Anzahl der Slaves mal Zeit je Abfrage. siehe Abschnitt „Schritt 6: Echtzeit in der industriellen Kommunikation“

8. Wie berechnest Du den Empfangspegel einer Funkstrecke und die Länge einer Viertelwellenantenne? Antwort

Sendepegel in dBm plus Antennengewinne minus Kabel- und Streckendämpfung ergibt den Empfangspegel in dBm. Die Wellenlänge ist Lichtgeschwindigkeit durch Frequenz, die Viertelwellenantenne ist ein Viertel davon lang (praktisch etwas kürzer). siehe Abschnitt „Empfangspegel berechnen“ und Abschnitt „Antennen“

Links und weitere Informationen

• zum Üben: Übungsaufgaben zur Datenübertragung, Schnittstellen und Datenübertragung: Wiederholung und Übungsaufgaben

• zum Weiterlesen: UART und RS-232, I²C, SPI, Funk- und Identifikationstechniken, Lichtwellenleiter, CAN-Bus

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Paritätsbit, Wikipedia: Twisted-Pair-Kabel

• zur Ladeschnittstelle: Richtlinie (EU) 2022/2380 (einheitliches Ladegerät)

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Hinweis zur Nachnutzung als Open Educational Resource (OER)

Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Datenübertragung: Übertragungsmedien, Störungen, Baudrate, Paritätsprüfung, Modulation und Antennen” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/datenuebertragung veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/kommunikation. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 12.11.2026.

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