Ausgangspunkt für diesen kurzen Abriss waren "ein paar" Fragen eines interessierten Praktikanten zum Thema Übertragungstechnik. Aus diesem Gespräch resultierte eine ”kleine Aufgabe” für ihn, die zu dem Bild am Ende dieses Beitrages führte. Da man bei dieser Thematik zwangsläufig auch auf die Anwendungen im Telekommunikations- und Datenübertragungsumfeld zu sprechen kommt, aus denen sich die Anforderungen an die Übertragungstechnik ergeben, sind die wesentlichen Meilensteine ebenfalls kurz erwähnt.

Übertragungstechnik, die auch als Weitverkehrstechnik bezeichnet wird, hat die Aufgabe mehrere Signale parallel und transparent über ein Kabel (genauer Fernmeldekabel) zu übertragen. Im Folgenden werden hier nur kabelgebundene Übertragungssysteme betrachtet, die zur Verbindung von größeren Systemknoten eingesetzt werden. Systeme zur Anbindung von Teilnehmern (Access-Systeme) werden hier nicht betrachtet.

Wie auch in den anderen Beiträgen auf dieser Seite soll nur ein Überblick vermittelt werden und es besteht kein Anspruch auf Vollständigkeit. Für die Unterstützung von Kollegen und Freunden möchte ich mich an dieser Stelle noch mal herzlich bedanken. Über Rückmeldungen würde ich mich sehr freuen. Die Mail-Adresse steht im Impressum. Ein Eintrag ins Gästebuch ist auch möglich.

Die schnelle Übermittlung von Informationen über große Entfernungen ist seit je her ein Anliegen der Menschheit. Dazu wurden anfangs Boten eingesetzt oder Informationen per Rauch-, Flaggen- oder Licht-Zeichen übermittelt. So entstand in Frankreich bereits Anfang des 18. Jahrhunderts ein optisches Telegrafennetz, bei dem die Signale optisch zwischen Türmen ausgetauscht wurden.

Die erste elektrische Übertragung von Informationen erfolgte 1844 von Washington nach Baltimore über etwa 50 km. Die Zeichen wurden auf Basis des von Samuel F. B. Morse (1791-1872) entwickelten Morsealphabets in Form von elektrischen Impulsen (Strom ein, Strom aus) übertragen. Kurz darauf entstanden überall auf der Welt Telegrafenverbindungen. 1850 wurde, mit dem Bau des ersten Unterseekabels durch den Ärmelkanal, eine Verbindung von Paris nach London in Betrieb genommen. 1870 wurde eine 10.000 km lange Verbindung von London über Teheran nach Kalkutta in Betrieb genommen.

Mit der Erfindung des Telefons (griechisch tele = fern, phon = Stimme) 1861 durch Philipp Reis, welches von Alexander Graham Bell weiterentwickelt und 1876 zum Patent angemeldet wurde, brach eine neue Ära der Kommunikation an. Informationen konnten nun, für jedermann leicht verständlich, in Form der Sprache übermittelt werden. Die Nutzer waren zunächst hauptsächlich Geschäftsleute aus Wirtschaft und Politik. Mit der Einführung von automatischen, elektromechanischen Vermittlungssystemen 1892 entwickelte sich das Telefon langsam aber sicher zum Massenprodukt. Die erste automatische Vermittlungsstelle in Europa wurde 1908 in Hildesheim in Betrieb genommen.

Ein großer Schritt für die Entwicklung der kabelgebundenen Übertragungstechnik war 1900 die Erfindung der Induktionsspule durch Michael Pupin (auch Pupin-Spule genannt). Diese reduziert die Dämpfung von symmetrischen Kupferkabeln (zwei Drähten) und machte die Übertragung von Signalen über größere Entfernungen möglich. Die Erfindung der Elektronenröhre 1906 von Lee de Forest ermöglichte die Verstärkung von Signalen, womit die Übertragungslängen weiter vergrößert werden konnten.

Die Grundlage der digitalen Übertragungstechnik wurde 1937 von Alec Harley Reeves (1902 - 1971) gelegt. Er lies ein Verfahren patentieren, welches die Umwandlung von analogen Signalen (z.B. Sprache) in digitale Signale und zurück beschrieb. Dieses Modulationsverfahren wird Pulse Code Modulation (PCM) genannt.

Bei der PCM wird zunächst in regelmäßigen Abständen der Wert eines analogen Signals ermittelt (abgetastet). Die so gewonnenen (zeitdiskreten) Werte werden anschließend festgelegten Bereichen zugeordnet (quantisiert). Je nach Bereich werden danach unterschiedliche Folgen von Nullen und Einsen übertragen (codiert). Zur damaligen Zeit war es technisch jedoch nicht möglich Geräte für dieses Verfahren zu bauen. Dies wurde erst nach der Erfindung des Transistors 1947 durch Walter Brattain und William Schockley möglich.

Nachdem 1948 von Claude Elwood Shannon (1916 - 2001) entwickelten Abtasttheorem muss ein analoges Signal mit der doppelten Frequenz abgetastet werden, die das zu übertragende Signal enthält, um dies fehlerfrei wiederherstellen zu können. Für den Telefonkanal (300 - 3.400 Hz) wurde in Europa  eine Abtastfrequenz von 8 kHz festgelegt. Das heißt, dass alle 125 μs eine "Probe" von dem analogen Signal genommen wird, die in 8 Bit codiert wird. Somit ergibt sich für den Telefonkanal im digitalen Bereich eine Datenrate von 64 kbit/s.

Wesentlicher Unterschied zwischen der analogen und digitalen Übertragungstechnik ist, dass bei digitalen Verfahren, dem zu übertragenden Signal, der Übertragungsweg nicht mehr für die gesamte Zeit zur Verfügung gestellt wird. Stattdessen werden die Signale zeitlich hintereinander übertragen. Der Übertragungsweg steht den einzelnen Signalen somit nur noch in bestimmten Zeitabschnitten (Zeitschlitzen) zur Verfügung. Diese Verfahren werden daher auch als Zeitmultiplex (Time Division Multiplex = TDM) bezeichnet.

Die digitale Übertragung hat, gegenüber der analogen Übertragung auf Kupfer-Kabeln den Vorteil, dass Störungen nicht mit verstärkt werden. Grund dafür ist, dass bei der digitalen Übertragung vor der Verstärkung das Ursprungssignal zurück gewonnen wird. Ein Verstärker wird bei digitalen Systemen deshalb auch Regenerator genannt.

Auf Basis des PCM-Verfahrens wurde in Europa das PCM-30-System entwickelt. Damit werden 30 Sprachkanäle (à 64 kbit/s) nach dem PCM-Verfahren codiert und gleichzeitig über ein Kabel übertragen. Neben den 30 Sprachkanälen enthält das PCM-30-Signal noch Steuer- und Signalisierungssignale (2 x 64 kbit/s). Insgesamt werden 256 Bits in 125 μs übertragen, was einer Datenrate von 2,048 Mbit/s entspricht.

Die ersten PCM-30-Systeme wurden in Deutschland 1971 eingeführt. Ab 1982 wurde die PCM-Technik zum Standard im Regionalbereich der Bundespost eingesetzt.

Mitte der 1960er Jahre entwickelte sich, durch die Fortschritte in der Halbleitertechnik, die optische Übertragungstechnik. Anstelle von elektrischen Impulsen kommen dabei Lichtimpulse zum Einsatz, die durch Glasfasern (auch Licht-Wellen-Leiter = LWL genannt) übertragen werden. Dabei werden Wellenlängen im Infrarotbereich (800 - 1.600 nm) für die Übertragung der Signale genutzt. Erste Teststrecken gab es um 1966. Vorteil der optischen gegenüber der elektrischen Übertragungstechnik ist, dass größere Entfernungen ohne Verstärker überbrückt werden können und dass die Signale keiner äußeren Beeinflussung unterliegen.

Auf Basis des PCM-30-Systems und der optischen Übertragungstechnik wurde Anfang der 1970er Jahre in Europa die PDH-Technik (Plesiochrone Digitale Hierarchie) entwickelt. Dabei werden jeweils vier Signale zu einer höheren Stufe zusammengefasst (gemultiplext). In der ersten Stufe werden vier PCM-30-Signale (2 Mbit/s) zu einem Signal (8 Mbit/s) zusammengefasst. Insgesamt wurden vier PDH-Stufen eingeführt. Der Nachteil ist, dass nur PDH-Signale zusammengefasst und transportiert werden können. Weiterhin besteht durch die stufenweise Zusammenfassung der Signale innerhalb der Stufen kein direkter Zugriff auf die in dem Signal transportierten Ursprungssignale.

Eine internationale Normierung fand bei der PCM und PDH-Technik nicht statt. In Nordamerika und Japan gibt es ein 56 kBit/s PCM-Signal. Auch wurden dort andere Stufen für die Bündelung der Signale im PDH-Bereich gewählt, weshalb die Systeme in den einzelnen Stufen nicht kompatibel untereinander sind. Eine Übergabe der Signale zwischen den PDH-Systemen erfolgt auf Ebene des Sprachkanals. Dazu werden die 64/56 kbit/s Signale und die zugehörige Signalisierung aneinander angeglichen. Eine Übersicht der in Europa, Amerika und Asien vorhandenen PDH-Systeme ist in dem Bild dargestellt.

1977 baute die Deutsche Bundespost die erste Teststrecke mit optischer Übertragungstechnik in Berlin auf. Ab 1983 wurden dann die Orts- und Fernnetze mittels PDH-Technik digitalisiert. Dies war die Basis für den Aufbau des ”Integrated Services Digital Network” (ISDN), welches 1986 in Betrieb ging. Damit wurde ein einheitliches digitales Netz für Audio-, Video- und Datenkommunikation geschaffen.

Bis Anfang der 1990er Jahre war die Telefonie der wichtigste Dienst, der Übertragungsbandbreiten benötigte. Dann kamen zwei neue Anwendungen, die einen stetig steigenden Bedarf an Übertragungsbandbreiten nach sich zogen. Da diese unser Leben bzw. unsere Kommunikationsgewohnheiten grundlegend verändert haben, sind sie hier kurz erwähnt. Es handelt sich dabei um den Mobilfunk und das Internet bzw. das World Wide Web (www).

Etwa 1997 wurden Übertragungssysteme entwickelt, die wieder auf dem Prinzip des Frequenzmultiplex basierten. Allerdings erfolgte die Modulation hierbei im Frequenzspektrum des Lichtes (1.310 - 1.550 nm = 192 - 193 THz), wodurch sehr große Bandbreiten übertragen werden können. Diese Systeme werden als WDM-Systeme (Wavelength Division Multiplex) bezeichnet. Sie können, wie die SDH-Technik, nahezu alle existierenden digitalen Signale transportieren. Heute werden WDM-Systeme eingesetzt, die bis zu 80 x 10 Gbit/s übertragen können.

Das folgende Bild zeigt schematisch wie viele Sprachkanäle (= 64 kbit/s Äquivalente) die unterschiedlichen Systeme übertragen können:

Was die heutigen Übertagungskapazitäten praktisch bedeuten lässt sich vielleicht an einem Beispiel veranschaulichen. Mit einem STM-64 Signal (10 Gbit/s) könnte man (theoretisch) eine 500 GB große Festplatte in nicht mal 7 Minuten mit Daten füllen (wobei es keine Festplatte gibt die so schnell ist). Dieses entspricht knapp einem Jahr (8.680 h = 361 Tage) Musik im mp3-Format (128 kbit/s).

Vers. 1.1, Oktober 2008