Die Entwicklung des Telefon
Bereits 1854 regte der französische Erfinder Charles Bourseul an, mit Schwingungen, die durch das Sprechen auf eine biegsame Scheibe oder eine Membran entstehen, einen elektrischen Schaltkreis zu schließen und wieder zu öffnen und auf eine ebenfalls mit einer Membran versehene Apparatur zu übertragen. Sieben Jahre später gelang dies dem deutschen Physiker Johann Philip Reis. Er baute den ersten Apparat, der die menschliche Sprache elektrisch übertragen konnte. 1877 konstruierte der Erfinder Alexander Graham Bell das elektromagnetische Telefon, mit dem sich das gesprochene Wort in relativ ursprünglicher Klangqualität übermitteln ließ.
Bells Apparat
Die Erfindung Alexander Graham Bells bestand aus einem Sender, einem Empfänger und einem einfachen Verbindungsdraht. Aufbau des Senders und Empfängers waren identisch, wobei jeder eine biegsame Metallmembran und einen Hufeisenmagneten aufwies. Der Magnet war mit einer Drahtspule umwickelt, durch die ein konstanter Gleichstrom floss. Die in ihrer Intensität unterschiedlich starken Schalldruckwellen erzeugten Schwingungen auf der Membran, die sich auf das Magnetfeld übertrugen. Dadurch änderte sich die Stärke des anfangs gleichmäßig fließenden elektrischen Stromes (Induktion). Der so beeinflusste Strom wurde über eine Drahtverbindung zum Empfangsgerät weitergeleitet. Dort fand eine Umkehrung des Prozesses statt: Das durch den elektrischen Strom (genauer durch dessen elektrisches Feld) veränderte Magnetfeld versetzte die Membran in Schwingungen, die jetzt unterschiedliche Luftdruckwellen erzeugte, die als Schall im Ohr hörbar wurden.
Funktionsweise eines Telefonapparates
Die Bellsche Konstruktion ist prinzipiell beim heutigen Telefon noch vorhanden. Für den wechselseitigen Sprechverkehr besteht ein Fernsprechapparat aus einer Sende- und einer Empfangseinheit, der Sprechmuschel und dem Hörer. Sie sind mit dem Basisgerät verbunden, das die Wählscheibe bzw. -tastatur, die Rückdämpfung und das Läutwerk enthält. Zusätzlich können dort ein Mikrophon und ein Lautsprecher untergebracht sein. Ebenso gibt es Basisgeräte mit Anrufbeantworter oder integriertem Faxgerät. Andere Telefontypen bestehen nur aus dem "Hörer", in den alle Bauteile eingebaut sind. Beim schnurlosen Telefon wird das vieradrige Kabel zwischen Basisgerät und Hörer durch eine Funkverbindung ersetzt, der Anschluss an das Telefonnetz bleibt jedoch verkabelt. Den drahtlosen Empfang in das Fernsprechnetz ermöglicht der Mobilfunk: Mit dem Handy, einer wechselseitigen Funksprecheinrichtung, gelangen die Fernsprechsignale über ein System von Funkstationen an das Telefonnetz.
Bells Konstruktion, Sprache über induktiv erzeugte Schwankungen in der Stromstärke zu übertragen, hatte den Nachteil, dass das gesprochene Wort qualitativ minderwertig übertragen wurde. Dies änderte sich mit der Erfindung des Kohlemikrophons durch Haghes und Thomas Alva Edison im Jahr 1878. Seine Funktion besteht darin, dass der elektrische Strom durch eine mit Kohlekörnern gefüllte Dose fließt, deren Oberseite mit einer empfindlichen, dünnen Papiermembran verschlossen ist. Treffen Schalldruckwellen auf die Membran, so werden die Körner zusammengepresst. Damit erhöht sich ihre Leitfähigkeit. Entsteht umgekehrt ein Unterdruck, verringert sich die Leitfähigkeit, und es kann weniger Strom fließen. Wie bei der Bellschen Apparatur werden diese Schwankungen übertragen und auf der Membran im Empfangsgerät kehren die entsprechenden Signale wieder.
Das so genannte Elektretmikrophon verbesserte die Sprachübermittlung noch weiter. Bei einem Elektret handelt es sich um ein Dielektrikum (Isolator) mit permanenten Dipolmoment, das im Prinzip das elektrostatische Gegenstück zu einem Permanentmagneten ist. Die Polarisation im Elektret wird durch äußere Einflüsse nicht beeinträchtigt. Wie ein Permanentmagnet liefert es ein dauerhaftes elektrisches Feld im Raum, wenn es einmal mit Energie versorgt wurde. Die Bewegung einer Elektrode in einem elektrostatischen Feld verursacht (infolge Induktion) eine Spannungsänderung zwischen der bewegten Elektrode und einer stationären Elektrode auf der anderen Seite des Elektrets. Telefonsendeteile nutzen derzeit häufiger diesen Effekt als den druckempfindlichen Widerstand von Kohlekörnern, da Elektretmikrophone sehr klein, leicht und kostengünstig hergestellt werden können. In diesem Mikrophontyp sind Transistoren zur notwendigen Verstärkung eingebaut.
Über zwei Wählverfahren können sich Fernsprechteilnehmer gegenwärtig erreichen: das Impulswahlverfahren (IWF) und das Mehrfrequenzwählverfahren (MFV). Beim IWF-Verfahren werden über das mechanische Drehen der Wählscheibe entsprechend der gewählten Nummer Stromstöße induziert, die als Impulse an das Vermittlungsamt weitergehen. Dort aktivieren sie so lange Relaiseinheiten, bis die gewünschte Verbindung zustande gekommen ist. Im Gegensatz dazu wird beim MFV-Verfahren dieser mechanische Vorgang durch akustische Frequenzsignale ersetzt, was wiederum den Wählvorgang beschleunigt.
Ein wichtiger funktionaler Teil des Telefons ist für den Teilnehmer unsichtbar: die so genannte Rückhördämpfung. Menschen beobachten ständig den Klang ihrer eigenen Stimme, während sie sprechen, und passen ihre Sprechlautstärke entsprechend an. Dieses Phänomen wird "Rückhören" genannt. In den ersten Telefonen waren der Sende- und der Empfangsteil in jedem Apparat direkt miteinander und mit der Telefonleitung verbunden. Das führte dazu, dass ein Teilnehmer seine eigene Stimme durch den Empfänger am Ohr sehr viel lauter hörte, als wenn der Hörer sich nicht am Ohr befand. Der Ton war lauter als der normale Ton, da das Kohlemikrophon die Schallenergie gleichzeitig mit der Umwandlung von einer akustischen in eine elektrische Form auch verstärkte.
Das ursprüngliche Rückhördämpfungssystem enthielt einen elektrischen Transformator zusammen mit anderen Komponenten, deren Eigenschaften von den elektrischen Parametern der Telefonleitung abhingen. Der Empfänger und der Sender waren an verschiedene "Netzanschlüsse" (in diesem Fall: verschiedene Windungen auf dem Transformator) angeschlossen und nicht mehr miteinander verbunden. Das Rückhördämpfungssytem ist in der Lage, Energie vom Sender zur Telefonleitung zu übermitteln (wobei etwas Energie auch die anderen Komponenten erreicht), ohne Energie an den Empfänger dringen zu lassen. Dies verhindert sozusagen das Gefühl, in das eigene Ohr zu schreien. In der Praxis wird ein kleiner Teil der Sprechenergie zum Empfänger durchgelassen, da ansonsten die Leitung unangenehm "tot" klingen würde. Derzeitige Telefonentwicklungen verwenden anstelle von Transformatoren Transistoren, die in integrierten Schaltungen eingebaut sind. Andere Teile dieser integrierten Schaltungen bewirken eine automatische Lautstärkenregelung, um veränderliche Leitungslängen zwischen verschiedenen Teilnehmern und Vermittlungsstellen auszugleichen. Weil diese Entfernung sowohl verschwindend gering als auch zahlreiche Kilometer groß sein kann, würden Teilnehmer weit entfernt von der Vermittlungsstelle eine viel zu geringe Lautstärke empfangen, während näher angesiedelte eine unerwünscht hohe Lautstärke auszuhalten hätten.
Schaltungen und Vermittlungen
Der Teilnehmer gibt mit dem Tastenfeld oder bei älteren Modellen über die Wählscheibe seines Telefons die gewünschte Ziffernfolge ein. Diese Folge verweist eindeutig auf den Anschluss, der angerufen werden soll. Die Schaltanlage in der Vermittlungsstelle entfernt das Freizeichen von der Leitung, wenn die erste gewählte Ziffer empfangen wurde und entscheidet nach dem Empfang der letzten gewählten Ziffer, ob der angewählte Anschluss sich im selben Vermittlungsbereich oder dem einer anderen Vermittlungsstelle befindet. Liegt der Anschluss im selben Vermittlungsbereich, wird ein so genannter Rufstrom auf die Leitung des angeforderten Anschlusses gesendet. Rufstrom ist Wechselstrom mit einer Frequenz von 20 Hertz. Jedes Telefon enthält ein Läutwerk, das auf den Rufstrom reagiert. Wenn der zweite Teilnehmer den Anruf entgegennimmt, unterbricht die Schaltanlage in der Vermittlungsstelle den Rufstrom und stellt die Verbindung her – während des Gesprächs fließt ein Gleichstrom in der Leitung. Legen die Teilnehmer den Hörer nach Gesprächsbeendigung auf, wird der Gleichstromfluss unterbrochen.
In den ersten Telefonen lieferte eine Batterie den notwendigen Strom. Der lokale Stromkreis enthielt, zusätzlich zur Batterie und dem Sender, eine Induktionsspule. Sie war Bestandteil eines Transformators. Eine weitere, ebenfalls mit der Telefonleitung verbundene Spule regelte die Spannung der Schallwellen. Die Verbindung zwischen den Telefonen wurde früher handvermittelt. Mit der Zunahme der Telefonanschlüsse wurden die manuellen Vermittlungen zu langsam und zu arbeitsaufwendig. Dies gab den Antrieb zur Entwicklung einer Reihe von mechanischen und elektronischen Geräten, die eine automatische Vermittlung ermöglichten. In einem modernen Telefon übermittelt ein elektronisches Bauteil entweder eine Anzahl aufeinander folgender Stromimpulse oder eine Folge von hörbaren Tönen, die jeweils der angerufenen Telefonnummer entsprechen. Elektronische Anlagen in einer zentralen Vermittlungsstelle übersetzen die Signale automatisch und leiten den Anruf zu dem angewählten Anschluss weiter.
Die Transistortechnologie versetzt diese zentralen Vermittlungen in die Lage, Anrufe in einer millionstel Sekunde zu verarbeiten, so dass eine große Anzahl von Anrufen gleichzeitig gehandhabt werden kann. Die Eingangsschaltung wandelt die Stimme des Anrufers zunächst in digitale Signalimpulse um. Diese Impulse werden anschließend durch das Telefonnetz mit Hilfe von Hochkapazitätssystemen übertragen, die einzelne Anrufe durch computerisierte mathematische Schaltoperationen vermitteln. Die Anweisungen für die Arbeitsweise des Systems werden im Computerspeicher abgelegt. Die Wartung der Anlagen wird durch Verdopplung der Komponenten vereinfacht. Wenn ein Defekt auftaucht, übernimmt eine Ersatzeinheit automatisch die Anrufe. Mit dem Einsatz der Computertechnik zur Vermittlung von Telefonanrufen, Datenmitteilungen und sogar visuellen Signalen ermöglicht das System schnelle Verbindungen sowohl für Nah- als auch für Ferngespräche, indem rasch die effizienteste Strecke ermittelt wird.
Transozeanisches Telefonieren
Übersee-Funktelefondienste gibt es seit 1927. 1956 wurde das erste unterseeische Kabel zwischen Nordamerika und Europa in Dienst genommen.
Trägerfrequenztechnik
Trägerfrequenztechnik bezeichnet Verfahren, mit denen zahlreiche Nachrichten gleichzeitig über einen einzelnen Übertragungsweg gesendet werden können. Durch die Verwendung von Frequenzen oberhalb des Sprachbereichs, angefangen von etwa 4 000 bis zu einigen Millionen Takten pro Sekunde (Hertz), können bis zu 13 200 Telefongespräche gleichzeitig über ein einziges Übertragungsmedium übermittelt werden. Trägerfrequenztechniken werden auch verwendet, um Telefonnachrichten über die normalen Verteilungsleitungen zu senden, ohne die regulären Dienste zu stören. Mit dem Wachstum der Systeme in Größe und Komplexität werden transistorbasierte Verstärker eingesetzt, um die Daten in regelmäßigen Abständen zu verstärken.
Koaxialkabel
Im Jahr 1936 wurde das Koaxialkabel entwickelt. Ein modernes Koaxialkabel besteht aus einem Kupferkern (Innenleiter) mit 0,95 Zentimeter Durchmesser. Dieser Kern wird durch scheibenförmige Kunststoffisolatoren in einem Abstand von etwa 2,5 Zentimeter exakt in der Mitte der Röhre gehalten. Innenleiter und Isolator werden von einem Kupfer- oder Aluminiumdrahtgeflecht (Außenleiter) umgeben. Dieser schirmt das übertragene Signal von elektrischen Interferenzen ab und verhindert einen Energieverlust durch Strahlung. Mit Koaxialkabeln lassen sich breite Frequenzbänder übertragen.
Optische Glasfasern
Koaxialkabel werden zunehmend ersetzt durch optische Glasfasern. Glasfaserkabel ermöglichen die Übertragung von Lichtstrahlen durch vielfache Totalreflexion. Die Lichtleiter bestehen aus Bündeln von Lichtleitfasern, die miteinander verklebt sind; diese Faserbündel befinden sich in Schläuchen aus Metall oder Kunststoff. Alle Daten werden digital in Lichtimpulse umcodiert und über große Entfernungen durch die dünnen Fasern übertragen. Ein Glasfaserkabel kann bis zu 50 Faserpaare enthalten, von denen jedes Paar bis zu 4 000 Sprechverbindungen übertragen kann. Die Grundlage dieser neuen Faseroptiktechnologie, der Laser, nutzt die sichtbaren Bereiche des elektromagnetischen Spektrums aus, in denen die Frequenzen tausendmal höher liegen als im Funk und daher in der Lage sind, viel umfangreichere Mengen an Informationen zu übertragen. Die Leuchtdiode (LED: Light-Emitting Diode), ein einfacheres Bauteil, genügt für die meisten Übertragungszwecke.
Ein Glasfaserkabel ist z. B. in der Lage, mehr als doppelt so viele Transatlantikverbindungen herzustellen, als es in den achtziger Jahren mit herkömmlicher Technik möglich war. Beispielsweise kann das System, welches von New Jersey bis nach Großbritannien und Frankreich reicht, bis zu 50 000 Gespräche gleichzeitig übermitteln. Derartige Kabel bieten auch Kanäle für Hochgeschwindigkeitsübertragungen von Computerdaten, die sicherer sind, als die von Kommunikationssatelliten realisierten.
Mikrowellenübertragungstechnik
Mit dieser Übertragungsmethode werden Funkwellen, normalerweise im sehr hohen Frequenzband, dem Mikrowellenbereich, von Station zu Station weitergegeben (Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen im Bereich von Millimetern bis Dezimetern). Die Mikrowellentechnik verbindet optische Verfahren und Hochfreqenztechnik. Weil die Übertragung von Mikrowellen eine klare Sichtverbindung zwischen Sende- und Empfangsstation erfordert, beträgt der Durchschnittsabstand zweier Stationen etwa 40 Kilometer. Aufgrund der kleinen Wellenlänge von Mikrowellen sind die Antennen relativ kompakt und ermöglichen beim Senden und Empfangen eine präzise Richtungsbestimmung. Bis zu 600 Telefongespräche können über einen Mikrowellenweitergabekanal übermittelt werden.
Telefonieren über Satelliten
Die ersten Fernmeldesatelliten nahmen 1960 ihren Dienst auf. 1969 wurde das erste weltweite Telefonnetz mit einer Reihe von Fernmeldesatelliten in geostationären Umlaufbahnen 36 000 Kilometer oberhalb der Erdoberfläche fertig gestellt. Diese Satelliten werden u. a. mit Sonnenenergie betrieben. Sie empfangen zunächst die Anrufe, die von einer Bodenstation auf der Erde übermittelt werden und übertragen sie anschließend weiter auf eine Zielstation. Die Integration von Satelliten und terrestrischen Einrichtungen ermöglicht die Vermittlung von Anrufen zwischen verschiedenen Kontinenten so leicht, wie eine Verbindung zwischen zwei Inlandstellen. Aufgrund der Digitalisierung der Übertragungen, können Satelliten der globalen Intelsat-Serie bis zu 30 000 Anrufe sowie zahlreiche Fernsehsendungen gleichzeitig übertragen (siehe Satellitenfernsehen; Kommunikationssatellit). Fernmeldesatelliten weisen jedoch einen entscheidenden Nachteil auf. Durch den großen Abstand zu den Satelliten und der endlichen Geschwindigkeit von Funkwellen entstehen im Gespräch zwischen den Fragen und Antworten merkliche Lücken. Aus diesem Grund verwenden viele Anrufe Satelliten nur für die eine Übertragungsrichtung und für die andere Richtung die Mikrowellentechnik oder Koaxialverbindungen.
Kombinationen aus Mikrowellen-, Koaxialkabel-, Glasfaser- und Satellitenübertragungswegen verbinden derzeit die wichtigsten Städte der Welt. Die Kapazität jedes Übertragungssystems hängt von seinem Alter und dem überdeckten Gebiet ab (unterseeische Kabel werden sehr stabil gebaut und haben eine geringere Kapazität als Überlandkabel). Generell gilt aber die Reihenfolge: Einfache Digitalisierung über ein paralleles Paar ergibt die zehnfache Gesprächszahl pro Paar, Koaxialkabel ergeben das Hundertfache an Gesprächen pro Paar und Tausende pro Kabel, Mikrowellen und Satelliten ermöglichen Tausende von Gesprächen pro Verbindung, und Glasfaser besitzt das Potential für Zehntausende von Gesprächen pro Glasfaser. Die Kapazität jedes Systems hat sich seit seiner ersten Einführung aufgrund der ständigen technischen Verbesserungen entscheidend vergrößert.
Bildtelefon
Ein Bildtelefon besteht aus einem Handapparat, einer Kamera, einem Wiedergabegerät und einem Anschlußgerät mit den zur Übertragung notwendigen Einrichtungen. Es kann mit einem Personalcomputer verbunden werden, um Berichte, Graphiken und Pläne über weite Entfernungen auszutauschen. Bildtelefone sind technisch sehr aufwendig, weil herkömmliche Fernsprechleitungen sich nicht zur Bildübertragung eignen, sie konnten sich bislang im allgemeinen Gebrauch nicht durchsetzen. Ein Zweiwege-Bildtelefon wurde zuerst im Jahr 1930 von dem amerikanischen Erfinder Herbert Eugene Ives in New York demonstriert. Die erste öffentliche Bildtelefonverbindung bestand 1936 zwischen Berlin und Leipzig.
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