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Datenkommunikation: Die Rauscharten und ihre Auswirkungen auf das Netzwerk

Lernen Sie die verschiedenen Rauschtypen bei der Datenkommunikation kennen und was elektronisches Rauschen für Ihr Netzwerk bedeuten kann.

Unter Rauschen versteht man jede unerwünschte Störung eines Nutzsignals, die dessen Informationsinhalte überlagert. Es gibt viele unterschiedliche Rauscharten in der Datenkommunikation. Um Rauschen erfolgreich in den Griff zu bekommen, ist der Einsatz mehrerer Techniken notwendig.

Zu den häufigsten Rauschtypen gehören elektronisches Rauschen, Wärmerauschen, Intermodulationsrauschen, Übersprechen, Impulsrauschen, Schrotrauschen und Laufzeitrauschen. Akustisches Rauschen ist ein weiterer Faktor für alle, die in einer typischen Büroumgebung arbeiten.

Elektronisches Rauschen

IT-Mitarbeiter haben hauptsächlich mit elektronischem Rauschen zu tun. Es entsteht in den Funk- oder Netzwerksystemen, die Daten übertragen, oder im Medium – zum Beispiel Kabel oder Luft –, über das die Signale gesendet werden.

Wärmerauschen

Wärmerauschen kommt in allen Übertragungsmedien und Kommunikationskomponenten vor, auch in passiven Geräten. Es entsteht durch die zufällige Elektronenbewegung und ist durch eine einheitliche Energieverteilung über das Frequenzspektrum mit einer Gauß-Verteilung des Niveaus charakterisiert. Je höher die Temperatur der Komponenten oder des Mediums, desto größer das Ausmaß des Wärmerauschens.

Intermodulationsrauschen

Effekte aufgrund von Intermodulation (IM) ergeben sich, wenn zwei oder mehr Signale ein nicht lineares Gerät oder Medium durchlaufen und miteinander so interagieren, dass zusätzliche Signale generiert werden, etwa Ober- und Unterwellen von Eingangssignalfrequenzen. Die resultierenden IM-Komponenten können sich innerhalb oder außerhalb des für ein bestimmtes Gerät relevanten Frequenzbands befinden. Nur wenn sie sich innerhalb des maßgeblichen Frequenzbands befinden, wird aus den IM-Effekten Intermodulationsrauschen.

Intermodulationsrauschen ist von weitreichender Bedeutung bei der Funkkommunikation, etwa im Mobilfunk und in Datennetzwerken. Hersteller testen ihre Komponenten darauf – es kann aufgrund von Designmerkmalen eines Systems oder durch Produktionsfehler zu diesem Rauschtyp kommen. Intermodulationsrauschen kann aber auch erst nach der Herstellung auftreten, wenn beispielsweise eine Komponente beschädigt wird. Deshalb müssen auch vor Ort tätige Techniker darauf achten.

Die typischen Komponenten eines Kommunikationskanals.
Abbildung 1: Die typischen Komponenten eines Kommunikationskanals.

Übersprechen

Beim Übersprechen kommt es zu gegenseitigen elektromagnetischen Störungen von Signalen. Es gibt im Wesentlichen drei Ursachen für Übersprechen:

  • Elektrische Koppelung zwischen Übertragungsmedien, wie benachbarte Kabel in einer mehradrigen seriellen Schnittstellenverbindung – zum Beispiel Ethernet oder Fibre Channel;
  • Schlechte Steuerung des Frequenzgangs, etwa durch defekte Filter oder ungünstiges Filterdesign; und
  • Nicht lineare Performance in analogen Multiplexsystemen. Ein hohes Maß an Übersprechen erhöht die Bitfehlerraten und verschlechtert die Performance einer digitalen Verbindung.

Impulsrauschen

Impulsrauschen ist eine diskontinuierliche Reihe unregelmäßiger Impulse oder Rauschspitzen von kurzer Dauer, hoher Spektraldichte und relativ großer Amplitude. Impulsrauschen kann entstehen, wenn ein Kommunikationskabel in der Nähe von einem Objekt, etwa einem Aufzugsmotor, platziert wird, das periodisch starke elektromagnetische Impulse aussendet. Diese Rauschart beeinträchtigt die Telefonie nur marginal, falls überhaupt, kann allerdings Datenübertragungen empfindlich stören.

Schrotrauschen

Schrotrauschen, auch als Poissonsches Schrotrauschen, Schottky-Rauschen oder Quantenrauschen bezeichnet, ist die Schwankung in einem Signal, die durch die Quantennatur des Lichts und der Elektrizität, aus denen sich das Signal zusammensetzt, verursacht wird. Wir neigen dazu, uns ein Signal, ob einen Lichtstrahl oder einen Elektronenstrom, als gleichmäßig vorzustellen: ein ständiger Teilchenstrom, der einen Weg durchläuft. Eine gleichmäßige, konstante Bewegung entspricht jedoch nicht der physikalischen Realität. Die eigentlich unregelmäßige Bewegung sieht nur im Durchschnitt ruhig und einheitlich aus, wenn wir große, ausgedehnte Licht- oder Elektrizitätsströme betrachten – wie es beim Messen der Lichtintensität oder der elektrischen Stromstärke der Fall ist.

Schrotrauschen ist zu einem bedeutenden Problem geworden, da Schaltungen immer kleiner und schneller werden, wodurch sich die Zeit verkürzt, in der Ströme bis auf – und unterhalb der – Nanosekundenebene und Stromstärken bis zu einem Nanoampere oder weniger gemittelt werden können. Das Chip- und Systemdesign muss Schrotrauschen zunehmend berücksichtigen, denn die Entwicklung, Komponenten zu verkleinern und deren Geschwindigkeit zu steigern, geht unvermittelt weiter.

Laufzeitrauschen

Laufzeitrauschen ist ein ähnliches Phänomen wie Schrotrauschen. Beides beeinflusst aufgrund der Quantennatur der Elektrizität Systeme umso stärker, je kleiner diese werden. Laufzeitrauschen entsteht, wenn die Dauer einer Signalfrequenz der Zeit entspricht, die ein Elektron benötigt, um vom Sender zum Empfänger zu gelangen. Das Rauschen kommt durch die statistischen Abweichungen im tatsächlichen Elektronenfluss zustande.

Akustisches Rauschen

Alle oben beschriebenen Arten von elektronischem Rauschen unterscheiden sich von akustischem Rauschen, zu dem Geräusche in einer bestimmten Umgebung gehören, beispielsweise:

  • Dauerrauschen, dessen Klang und Lautstärke konstant bleibt, etwa Geräusche durch maschinelle Anlagen in industriellen Umgebungen, wie Fließbänder oder Schneckenantriebe, die Materialien entlang einer Fertigungsstrecke transportieren. Beobachten lässt sich das Phänomen auch in Einzelhandelsumgebungen, zum Beispiel in Form der Entlüftung in einer Restaurantküche. Es tritt außerdem bei Dingen wie fluoreszierender Beleuchtung auf – das bekannte 50-Hertz-Brummen – sowie bei Klimaanlagen in allen möglichen Umgebungen.
  • Niederfrequentes Rauschen, auch als Infraschall bezeichnet, das in einem Frequenzbereich auftritt, den Menschen normalerweise nicht wahrnehmen können, also alles unterhalb von zirka 20 Hertz. Trotzdem können sich davon viele Menschen stark gestört fühlen. Infraschall kann durch Maschinen und sogar durch die Vibration von Gebäuden als Reaktion auf Wind oder andere Einflüsse erzeugt werden.
  • Geräusche am Arbeitsplatz, die in Lautstärke und Klang schwanken. Dazu zählt zum Beispiel das, was man typischerweise im Hintergrund von Callcentern und Großraumbüros hört oder was Arbeiter in Fabriken, Küchen und anderen Umgebungen wahrnehmen – häufig zusätzlich zum Dauerrauschen.

Soweit es um Netzwerke geht, sind diese Rauscharten Teil des Signals – des übertragenen Geräusches –, weil sie keine Artefakte der Technik sind, die für die Übertragung des Geräusches verwendet wird.

Akustisches Rauschen lässt sich durch eine Kombination verschiedener Prinzipien bei der Arbeitsplatzgestaltung verringern, zum Beispiel durch:

  • die Unterteilung von großen, offenen Büros;
  • Einrichtungsgegenstände wie geräuschdämpfende Wandverkleidungen und Bepflanzen bestimmter Bereiche;
  • Arbeitsmaßnahmen wie gestaffelte Pausenzeiten in Callcentern; sowie
  • technische Hilfsmittel wie geräuschunterdrückende Kopfhörer, die dazu beitragen, dass die Mitarbeiter leiser sprechen, und Mikrofone mit Richtwirkung, die weniger Hintergrundgeräusche einfangen.

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Artikel wurde zuletzt im April 2017 aktualisiert

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