Übung zu Drahtlose Kommunikation

(1)

Übung zu

Drahtlose Kommunikation

2. Übung

29.10.2012

(2)

Termine

• Übungen

– wöchentlich, Montags – 15 Uhr (s.t.), Raum B 016

• Jede Woche 1 Übungsblatt

→ http://userpages.uni-koblenz.de/~vnuml/drako/uebung/

– Bearbeitung und Abgabe bis zum angegebenen Termin (Freitags 16 Uhr)

– Übungsgruppen: 2 Teilnehmer

– min 50 % der Übungspunkte notwendig für Klausurzulassung – Anmelden der Übungsgruppe und finden von

Gruppenpartnern

→ http://userpages.uni-koblenz.de/~vnuml/drako/anmeldung/

2. Übung – Drahtlose Kommunikation 2

(3)

Einführung Aufgabe 1

• 1. Übungsblatt

• Abgabe: Sonntag, 12 Uhr

• https://svn.uni-koblenz.de/vnuml/drako/wise2012/exercises

• http://svn.uni-koblenz.de/~vnuml/drako/uebung/

• Abgabe über SVN-Repository

https://svn.uni-koblenz.de/vnuml/drako/wise2012/‘gruppenname‘

– solutions (read/write)

– workspace (read/write)

(4)

Mobilfunknetze

Frequenz:

• Anzahl Schwingungen pro Sekunde

• Frequenz = 1/ Periodendauer

• Einheit Hertz (Hz)

-> 1 Hertz = 1 Schwingung pro Sekunde

• Wechelspannung

• im Strommnetz 50 Hz.

(5)

Mobilfunknetze

Wellenabstand ( Lambda ):

• der kleinste Abstand zweier Punkte gleicher Phase einer Welle.

• c Ausbreitungsgeschwindigkeit (Licht c  3 10

⁸

m/s)

• f Frequenz der Welle

𝜆 = 𝑐

𝑓

(6)

Mobilfunknetze

(a) Signal im Zeitbereich (a) Signal im Frequenzbereich

(a) Signal im Phasenzustandsdiagramm

Mobilkommunikation, J. Schiller (S. 50 ff)

(7)

Mobilfunknetze

(8)

Frequenzregulierung

• Die ITU geht zurück auf den am 17. Mai 1865 gegründeten Internationalen Telegraphenverein

• Berliner Radiotelegraphie-Konferenz am am 3. November 1906

• "Funkentelegraphievertrag" den damals 27 seefahrende Staaten unterzeichneten

• Die Staaten verpflichteten sich, den gerade im Aufbau begriffenen Funkverkehr unabhängig von den Eigenerinteressen der Funknetze durchzuführen.

• Außerdem wurde erstmals mit der Festlegung von 500 kHz für den Seenotruf beim Schiffsfunk das Frequenzband reguliert.

• Heute reguliert die ITU im Bereich von 9 kHz bis 400 GHz über 40 verschiedene Funksysteme und bewirtschaftet das

Frequenzspektrum für etwa 2 Millionen Dienste.

http://www.heise.de/newsticker/meldung/100-Jahre-Frequenzregulierung-113217.html

(9)

Frequenzregulierung

M B

=

C 2 ⋅ ⋅ log

₂

(10)

Mobilfunknetze

•

Freiraumdämpfung, Abschattung, Reflexion, Brechung, Streuung, und Beugung sind frequenzabhängig

– Abschattung und Reflexion werden durch Objekte verursacht, die wesentlich größer als die Wellenlänge des Signals sind („Teilchenverhalten“)

• Streuung

des Signals an Objekten in der Größenordnung der Wellenlänge oder darunter

– Aufspalten des Signals in mehrere schwächere Teilsignale

(11)

Mobilfunknetze

Beispiel für Verhalten der Wellen unterschiedlicher Frequenzen

• Wellenlänge λ ist über die Gleichung λ = c/f direkt mit der Frequenz gekoppelt (c ≅ 3 * 108 m/s).

• GSM (890 – 960 MHz, 1710 -1880 MHz), λ = 0,33 m (900 MHz)

• WLAN IEEE 802.11b/g (2,4 GHz), λ = 0,125 m

• WLAN IEEE 802.11a (5 GHz), λ = 0,06 m

• WiMAX IEEE 802.16a (2-11 GHz), λ = 0,03 m (10 GHz)

• WiMAX IEEE 802.16 (10 – 66 GHz), λ = 0,0045 m (66 GHz)

•

Konsequenzen:

–

je höher die Frequenz eines Signals, desto mehr verhält sich dieses wie Licht

• Durchdringung von Objekten wird mit zunehmender Frequenz schlechter

• Direktwellen, Kommunikation in Sichtlinie (Line of Sight)

• Hindernisse kleiner als Wellenlänge spielen nur untergeordnete Rolle

(12)

Antennen

• ermöglichen Übergang zwischen leitungsgebundenen Ausbreitung elektromagnetischer Wellen und Wellenausbreitung im freien Raum.

• Übergang kann in beide Richtungen erfolgen.

• Vorstellung als eine sich langsam (über viele Wellenlängen) auf spreizende Leitung vorstellen.

– Eine Sendeantenne formt die Leitungswelle in eine sich im freien Raum ausbreitende Welle um.

– Bei einer Empfangsantenne wird einer sich im Raum ausbreitenden elektromagnetischen Welle Energie entzogen und in einer Leitungswelle weitergeführt.

(13)

Antennen

Leistungverhältnis:

Leistungsverhältnis = 10

Pegeldifferenz/10

(einheitslos) Pegeldifferenz = 10 log (

^𝑃𝑃_𝑃𝑃

)

Leistungsverähltnisse:

1 <-> 0dB (10

⁰

) =1

10 <-> 10dB (10

¹

) =10

100 <-> 20dB (10

²

) =100

2 <-> 3dB (10

^0,3

)=2

(14)

Antennen

Nachrichtentechnik:

Angaben der Sendeleistungen

in Sendeleistung im Bezug von 1 mW.

Einheit: dBm

20 dBm = 10 log(

^{𝑃00𝑚𝑚}_𝑃𝑚𝑚

)

1 Watt = 1000mW = 30 dbm

(15)

Antennen

a) Richtdiagramm eines idealen Punktstrahlers

b) Richtdiagramm eines einfachen Dipols

d) Einfache Antenne

(16)

Antennen

• Übergang vom geschlossenen zum offenen Schwingkreis:

• Entsteht durch das auseinanderbiegen eines Zweidrahtleiters

• Entspricht Grundprinzip eines

^𝜆_𝑃

- Dipols

Wireless Lan, Jörg Rech, S. 292

(17)

Antennen

• Eine Dipolantenne ist eine gestreckte Antenne, die aus einem (ggf. gefalteten) geraden Metallstab oder Draht besteht, der auch geteilt sein kann.

• Sie wandelt hochfrequenten Wechselstrom und elektromagnetische

Wellen ineinander um, kann zum Senden als auch zum Empfangen eingesetzt werden.

• Die optimale Länge einer λ/2-Dipolantenne ist etwa die Hälfte der Wellenlänge λ des speisenden hochfrequenten Wechselstromes. Eine Verkürzung oder

Verlängerung der Stäbe hat eine Änderung der Resonanzfrequenz zur Folge.

(18)

Antennen

• Frequenzbereich, in dem Antennen als Übertragungsglieder der Funktechnik eingesetzt werden,

– 10 kHz (Längstwellen mit λo = 30 km)

– bis ca. 300 GHz (Millimeterwellen mit λo = 1 mm).

• Prinzipiell ist jede Antenne sowohl als Sende- als auch als Empfangsantenne geeignet.

• Auswahl des Antennentyps und verschiedene konstruktive Gesichtspunkte hängen vom speziellen Anwendungsfall ab.

• Neben den Strahlungseigenschaften sind Gewicht, Volumen und mechanische Stabilität eine wichtig.

• Mit abnehmender Wellenlänge nehmen auch die erforderlichen Antennenabmessungen ab.

(19)

Antennengewinn

• Der Antennengewinn ist ein Maß für die bündelnde Eigenschaft einer Richtantenne im Vergleich zu einer Bezugsantenne.

• Vergleichsantenne:

–

meist der isotrope Kugelstrahler, der keine Vorzugsrichtung aufweist.

–

In der Praxis häufig der Halbwellendipol.

• Der Gewinn G einer Antenne berechnet sich aus Verhältnis

–

der maximalen Empfangsleistung

P_max

der entsprechenden Richtantenne im ebenen Wellenfeld

–

zur Empfangsleistung

P_i

des isotropen Strahlers bei Leistungs- und

(20)

Antennengewinn

(21)

Antennengewinn

• Beamwidth (Bündelbreite / Halbwertsbreite)

(22)