Eine kleine Geschichte der Datenfernübertragung

Schon in der Antike entstand bei den Menschen das Bedürfnis, Nachrichtungen über größere Entfernungen auszutauschen. Allerdings waren den technischen Möglichkeiten enge Grenzen gesetzt, da man nur auf eine akustische oder optische Signalübermittlung zurück greifen konnte. Selbst ein lauter Schrei kann kaum weiter als in 1,5 km Entfernung noch gehört werden. Opti­sche Signale wie der Schein großer Scheiterhaufen können bei optimalen Bedingungen maxi­mal 120 km weit gesehen werden.

Erste Berichte einer akustischen Nachrichten­übermittlung finden sich aus der Zeit Alexan­ders des Großen. In Persien wurden Personen mit besonders lauter Stimme auf Anhöhen postiert. Durch Zuruf konnten auf diese Art Nachrichten innerhalb von 24 Stunden bis zu einer Entfernung von 300 km übertragen werden. Auch von der Zeit Cäsars wird be­richtet, dass akustische Nachrichten­übermitt­lung bis zu 240 km pro Tag stattge­funden haben soll.

Auf der Trajanssäule in Rom, wie auch auf anderen antiken Säulen, lassen sich noch heute in den Reliefen Wachtürme finden, aus denen im Obergeschoss brennende Fackeln her­aus ragen. Die Fackeln waren Zeichen bei einer optischen Datenübertragung der dama­ligen Zeit. Geschichtsschreiber berichten von häufigen Missverständnissen bei dieser Art der Kommunikation mit teilweise fatalen Folgen.

Feuerzeichen telegrafie im antiken Griechenland

Es ist nicht verwunderlich, dass sich deshalb Personen Gedanken über Verbesserungen in der Nachrichtenübermittlung machten. So berichtet Aineias in seinen militärtechnischen Schriften von einem Verfahren, bei dem sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite jeweils ein gleich großes Fass mit Ablaufrohr aufgestellt wurde. In die mit Wasser gefüllten Fässer wurde senkrecht ein Stab gestellt, auf dem die gleichen Nachrichten standen. Auf ein Signal des Senders hin wurde auf beiden Seiten der Hahn des Abflussrohres geöffnet. Das Wasser floss nun so lange aus den Fässern, bis beim Sender auf dem Stab die zu übertragende Nachricht sichtbar wurde. Auf ein erneutes Signal des Senders hin wurden nun der Ablauf beider Fässer verschlossen und der Empfänger konnte auf seinem Stab nun ebenfalls die Mitteilung ablesen.

Diese Art der Nachrichtenübermittlung stellt die frühe Form einer synchronen Datenüber­tragung dar, da auf ein Start- und ein Stoppsignal hin die Meldungen ausgetauscht werden.

Ein anderes Verfahren beschreibt der griechische Schreiber Polybios (200 - 120 v. Chr.). Auf fünf senkrechten Tafeln wurden jeweils 5 der damals benutzten  Buchstaben, wie in der fol­gen­den Abbildung angegeben, codiert. 

Auf der Senderseite standen hinter zwei großen Sichtblenden Fackelträger, die von der Empfängerseite durch spezielle Visierrohre beobachtet wurden. Wurden nun auf der Seite des Senders hinter der linken Sichtblende 4 Fackeln sichtbar und hinter der rechten Sichtblende 2 Fackeln, dann bedeutete dies, dass von der vierten Tafel der 2. Buchstabe, also I, übertragen worden war. Die zu übertragende Nachricht wurde also in einzelne Buchstaben zerlegt und nacheinander übertragen.

Moderne Untersuchungen dieses Verfahrens an der Technischen Hochschule in Aachen haben ergeben, dass mit diesem System bis zu 8 Buchstaben pro Minute übertragen werden konnten.

Heute lässt sich nicht mehr genau feststellen, welche der Vorschläge zu einer Fernübertragung letztlich tatsächlich in die Praxis umgesetzt worden sind. Die Fehleranfälligkeit der einzelnen Verfahren und die Verbreitung von Falschmeldungen lassen sich allerdings an vielen Zeugnis­sen belegen.

Bis in die frühe Neuzeit hinein lässt sich keine besondere Weiterentwicklung zu einer schnelle­ren Nachrichtenübermittlung finden. Erst mit der Erfindung der Fernrohre zu Beginn des 17. Jahrhunderts finden sich neue Ideen zu einer optischen Datenübermittlung. Neben Tonnen, in denen brennbares Material durch einen Schieber sichtbar gemacht werden konnte, wollte man an geeigneten Stellen Balkengerüste aufstellen, an denen verschiedene Figuren hoch gezogen werden konnten. Auch gab es Vorschläge, an Windmühlenflügel Signalzeichen zu befestigen.

Im Zuge der Französischen Revolution wuchs das Bedürfnis nach schneller Nachrichtenüber­mittlung. So entwickelte der Geistliche Claude Chappe (1763 - 1805) gemeinsam mit seinen Brüdern den Chappe-Telegrafen, einen 5 m langen Mast, auf dessen Spitze sich ein drehbarer Balken von ca. 4,5 m Länge befand. An seinen Enden befand sich jeweils ein ca. 2,5 m langer Balken. Über Kurbeln und Rollen konnte der lange Querbalken in 4 verschiedene Stellungen gebracht werden, die beiden kürzeren Endbalken in jeweils 7 verschiedene Stellungen. Von den 192 möglichen Stellungen wurden allerdings nur 92 gut erkennbare Zeichen für die Daten­übertragung verwendet.Mit Fernrohren wurden die benachbarten Telegrafen beobachtet und ggf. gesendete Zeichen übernommen und an die nächste Station weiter gegeben. Im Juli 1794 war die erste Telegra­fenlinie mit einer Länge von 225 km zwischen Paris und Lille fertig gestellt. Sie bestand aus insgesamt 23 Stationen, die zwischen 4 und 15 km voneinander entfernt lagen. Ein einzelnes Zeichen brauchte für diese Strecke knapp 2 Minuten. Bis 1810 reichten die Verbindungen über Brüssel, Antwerpen bis nach Amsterdam. 

In Deutschland gab der preußische König Friedrich Wilhelm III 1832 Order, eine Telegrafenverbindung zwischen Berlin über Köln nach Ko­blenz zu bauen. Der Bau wurde von dem Major Franz August O´Etzel überwacht. Der Signalmast, der aus drei Flügelpaaren bestand, wurde auf das Dach von hoch gelegenen Ge­bäuden oder auf neu zu errichtenden,  zwei­ge­schossigen Türmen gebaut. Im ersten Stock der Türme befand sich das Beobachtungszimmer, in dem zwei Pos­ten ihren Dienst versa­hen. Während der eine alle sechs Minuten Ausschau nach den beiden benachbarten Stationen halten musste, ob ein neues Zeichen ge­stellt war, musste der andere Beamte über einen Hebelmechanismus das Zei­chen nach­stellen.

Fehler oder falsche Weiterleitung von Zeichen wurden hart bestraft. Die Entzifferung der Nachricht war nur den Posten in Berlin, Köln und Koblenz gestattet. Insgesamt bestand die Verbindung aus 62 Stationen.

Wie die bisherigen Beispiele zeigen, wurden Weiterentwicklungen in der Informationstechnik häufig von militärischen Wünschen angestoßen.

Mit den drei Flügelpaaren des preußischen Telegrafen ließen sich theoretisch auf Grund der 4 verschiedenen Positionen jedes der sechs Flügel 4096 verschiedene Stellungen vornehmen. Diese wurden aber in der Praxis nicht ausgenutzt sondern besaßen sogar den Nachteil, dass das Einstellen eines Zeichens länger dauerte als beim chappeschen Telegrafen, so dass die Übertra­gungsgeschwindigkeit von Zeichen bei guter Sicht höchstens zwei Zeichen pro Minute be­trug. Im Normalfall lag sie sogar nur bei 1,5 Zeichen.

Nachteil bei den Telegrafen der damaligen Zeit war, dass sie nur am Tag und bei gutem Wet­ter eingesetzt werden konnten. Auch ließ die Übertragungsgeschwindigkeit zumindest nach heutigen Gesichtspunkten sehr zu wünschen übrig. So dauerte es 7,5 Minuten, bevor ein Zei­chen von Berlin nach Koblenz übertragen worden war.

Aufgabe 1: Berechne, wie lange es dauerte, um mit dem chappeschen Telegrafen ein Telegramm von 300 Zeichen von Paris nach Lille zu übertragen. Wie lange dauerte die Übertragung dieses Telegramms von Berlin nach Koblenz?

Mit dem Aufkommen der Elektrizität am Ende des 18. Jahrhunderts traten die elektrischen  Telegrafen immer mehr in den Vordergrund. Der Franzose Lesanges erfand 1774 den ersten elektrischen Telegrafen. Dieser hatte für jedes Zeichen einen eigenen Draht vom Sender zum Empfänger.

Als Nadel- oder Zeigertelegrafen, die mit einer unterschiedlichen Anzahl an Leitungen 
(1 bis 6 Leitungen) untereinander verbunden waren, wurden in der Folgezeit die verschie­den­sten Modelle entwickelt. Neben dem Modell von Karl August Steinheil (siehe nächste Seite) war vor allem auch der Fünfnadeltelegraf von Wheatstone und Cooke sehr erfolgreich.

Den vollkommensten Apparat aus dieser Telegrafenfamilie entwickelte Werner Siemens, der spätere Gründer des Hauses Siemens. Er verbesserte noch einmal den Telegrafen von Wheatstone. Diese Weiterentwicklung wurde 1847 vom preußischen Generalstab eingeführt. 

Prinzipdarstellung des Schreib­telegrafen von Karl August Steinheil um 1838.

Je nach Stromrichtung in einer Spule schlägt eine der Nadeln aus und drückt eine Schreibspitze (H oder J) gegen den vorbei transportierten Papierstrei­fen.

Steinheil verwandte als Codierung ein spezielles Alphabet, dessen Codierun­gen im Folgenden in Auszügen wie­dergegeben ist:

Ein System, das sich auch Welt weit durchsetzte und als erstes den Namen Fernschreiber ver­dient, stammt von dem Amerikaner Samuel Finley Breese Morse. Er wurde 1791 in Charlestown (Massachusetts) geboren und lebte in Amerika, bis er 1872 in New York starb. Von Beruf war er Maler, und nicht einmal ein schlechter. Seine Bilder sind heute noch begehrt.

Auf einer Schiffsreise von Europa zurück nach New York wurde er 1832 durch einen Mit­rei­senden, der in Paris Vorlesungen über Elektromagnetismus gehört hatte, zum Bau eines ei­ge­nen Telegrafen angeregt. Nach mehreren Modellen und Versuchen wurden am 24. Mai 1844 entlang der Bahnstrecke zwischen Washington und Baltimore auf einer Strecke von 64 km die ersten Nachrichten übermittelt. Der erste telegrafisch übermittelte Satz war das Bibel­zitat: What God Hath Wrought, übersetzt in etwa: Was Gott doch vermochte.

Der Schreibtelegraf, so wie ihn Morse entwickelt hatte, verbreitete sich rasend schnell. Beim Morse-Telegrafen waren Sender und Empfänger durch einen Draht verbunden. Der Sender sendete Spannungsstöße. Das Empfangsgerät hatte einen einzigen Hebel, der sich bei jedem Spannungsstoß bewegte. Daher ergab sich die zwingende Notwendigkeit, die Zeichen der Al­phabete so zu codieren, dass sie mit Hilfe von Spannungsstößen darstellbar waren. Dieser Code ist das berühmte Morse-Alphabet, das auf einer Punkt-Strich-Verschlüsselung basiert.

Der Morse-Code besitzt folgenden Aufbau:

Dabei steht das Zeichen . für ein kurzes und das Zeichen - für ein langes Signal. Gleichzeitig sind kurze Pausen zwischen der Übertragung der einzelnen Zeichen und längere Pausen nach einem Wort vereinbart. Die unterschiedlich langen Pausen sind für die eindeutige Rückgewin­nung der Informationen notwendig. Bei der Decodierung von ". . . ." kann ansonsten nicht ent­schieden werden, ob der Code h oder es oder se oder ii gemeint ist.

Aufgabe 2 Erstelle in deiner Programmierumgebung ein Programm, welches bei dem Betätigen der Taste K einen kurzen Ton und bei dem Betätigen der Taste L einen langen Ton erzeugt. Setze dich zusammen mit deiner Partnerin oder deinem Partner vor den Computer und morse eine Nachricht. Lasse diese Nachricht von deiner Part­nerin oder deinem Partner aufzeichnen und entschlüsseln. Vertauscht danach die Rollen und sendet weitere Nachrichten. Ändere dein Programm so ab, dass anstelle von Tönen kurze oder lange Striche auf dem Bildschirm erscheinen. Erstelle in deiner Programmierumgebung ein Programm, das nach der Ein­gabe eines Zeichens die zugehörige Morse-Tonfolge ausgibt

Verbesserungen bei der Weiterentwicklung von Telegrafen wurden durch Werner Siemens vorgenommen, der zusammen mit Johann Gottfried Halske die Telegrafenbauanstalt Siemens & Halske gründete, den Vorläufer des heutigen Siemens-Elektrokonzerns. Siemens schlug 1847 vor, zur Isolation der Drähte einen kautschukähnlichen Baumsaft zu verwenden, der 1843 von Singapur nach Europa gelangte. Hierdurch konnten die Kabel unterirdisch verlegt werden. Nach der Erfindung des neuen Isolationsmaterials wurde 1860 das erste Untersee­kabel zwischen Europa und Amerika verlegt.

Der englische Physiker David E. Hughes erfand 1855 den ersten Klartext - Druck - Telegrafen, der die empfangenen Zeichen direkt in Druckschrift auf einem Papierstreifen wiedergab. Dem Franzose Jean Maurice Émile Baudot (1845 - 1903) gelang es, die Übertra­gungs­­ge­schwin­digkeiten bei der Telegrafie erheblich zu steigern. Noch heute kannst du bei der Da­tenübertragung als Maß für die Geschwindigkeit die Einheit Baudantreffen.

 Fernschreiber (Siemens T100, 1958)