Bei den betrachteten Lambda/x-Antennen ist die Antennengröße proportional zur verwendeten Wellenlänge

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1 Antennengrößen Bei den betrachteten Lambda/x-Antennen ist die Antennengröße proportional zur verwendeten Wellenlänge Beispiel Antenne des TmoteSky-Knote ist etwa 3,125cm lang und beträgt ¼ der Wellenlänge (lambda/4-antenne). Welcher Frequenzbereich wird wohl verwendet? Vereinfacht gesagt gilt für Antennen in Kommunikaitonsystemen: je höher die verwendetet Frequenz desto kleiner kann auch die Antenne sein. 28

2 Weiteres zu grundlegenden Antennentypen Das war hier nur eine kleine Auswahl: eine Liste aller grundlegenden Antennentypen findet man z.b. unter: Aus grundlegenden Antennentypen lassen sich des Weiteren komplexere Antennen bauen: siehe folgendes... 29

3 Antennen: gerichtet und mit Sektoren Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.b. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten) y y z x z x gerichtete Antenne Seitenansicht (xy-ebene) Seitenansicht (yz-ebene) von oben (xz-ebene) z z x x Sektorenantenne von oben, 3 Sektoren von oben, 6 Sektoren 30

4 Antennen: Diversität Gruppierung von 2 oder mehr Antennen Antennenfelder mit mehreren Elementen Antennendiversität Umschaltung/Auswahl Empfänger wählt die Antenne mit dem besten Empfang Kombination Kombination der Antennen für einen besseren Empfang Phasenanpassung um Auslöschung zu vermeiden /4 /2 /4 /2 /2 /2 + + Grundfläche 31

5 MIMO Multiple-Input Multiple-Output Examples Functions Use of several antennas at receiver and transmitter Increased data rates and transmission range without additional transmit power or bandwidth via higher spectral efficiency, higher link robustness, reduced fading IEEE n, LTE, HSPA+, Beamforming : emit the same signal from all antennas to maximize signal power at receiver antenna Spatial multiplexing: split high-rate signal into multiple lower rate streams and transmit over different antennas Diversity coding: transmit single stream over different antennas with (near) orthogonal codes t 3 t t 2 sender 2 Time of flight t 2 =t 1 +d 2 t 3 =t 1 +d 3 Sending time 1: t 0 2: t 0 -d 2 3: t 0 -d 3 receiver 32

6 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung 33

7 Signale I Physikalische Darstellung von Daten Zeitabhängig oder ortsabhängig Signalparameter: Kenngrößen, deren Wert oder Werteverlauf die Daten repräsentieren Einteilung in Klassen nach Eigenschaften: zeitkontinuierlich oder zeitdiskret wertkontinuierlich oder wertdiskret Analogsignal = zeit- und wertkontinuierlich Digitalsignal = zeit- und wertdiskret Signalparameter periodischer Signale: Periode T, Frequenz f=1/t, Amplitude A, Phasenverschiebung Sinusförmige Trägerschwingung als spezielles periodisches Signal: s(t) = A t sin(2 f t t + t ) 34

8 Problem: Wireless = Analog Transmitter Receiver Definition: Transmitter + Receiver = Transceiver Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen WS 12/13 35

9 Bandpass Transmission Principle Carrier wave with carrier frequency f Transmitter Receiver Amplitude Frequency Phase Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen WS 12/13 36

10 Terminology Modulation 1011 Demodulation Bit(s) Symbol Data rate: Number of Bits per seconds Symbol rate: Number of Symbols per second N-ary modulation scheme: number of different symbols! i.e., this can convey log(n) Bits per symbol Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen WS 12/13 37

11 Erinnerung: Fourier-Repräsentation periodischer Signale g( t) 1 2 c n1 a n sin(2nft) n1 b n cos(2nft) ideales periodisches Signal t 0 reale Komposition (basierend auf Harmonischen) t 38

12 Signale II A [V] Verschiedene Darstellungen eines Signals: Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit) Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz) Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel φ werden in Polarkoordinaten aufgetragen) A [V] Q = M sin φ (Quadrature) t[s] f [Hz] Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar Digitalsignale besitzen Rechteckflanken im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale I = M cos φ (In-phase) 39

13 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Motivation Statische Knoten Mobile Knoten Zusammenfassung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung 40

14 Wir wollen folgende hier dargestellte Effekte verstehen; was geht hier schief? Bildquelle: Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, 2nd ed., Prentice Hall,

15 Randbemerkung: Was ist db? Logarithmische Darstellung von im Verhältnis stehenden gleichartigen (d.h. gleiche Einheitengröße) Leistungs- bzw. Energiegrößen Am Beispiel: Für P 1 und P 2 ist das Verhältnis P 2 / P 1 definiert als: 42

16 Note: What is dbm? Logarithmic expression of power in mw Conversion P mw x dbm x dbm P mw 43

17 Examples (from wikipedia) dbm level Power Notes 80 dbm 100 kw Typical transmission power of a FM radio station 60 dbm 1 kw = 1000 W Typical RF power inside a microwave oven 36 dbm 4 W Typical maximum output power for a Citizens' band radio station (27 MHz) in many countries 30 dbm 1 W = 1000 mw Typical RF leakage from a microwave oven - Maximum output power for DCS 1800 MHz mobile phone 27 dbm 500 mw Typical cellular phone transmission power 21 dbm 125 mw Maximum output from a UMTS/3G mobile phone (Power class 4 mobiles) 20 dbm 100 mw Bluetooth Class 1 radio, 100 m range (maximum output power from unlicensed FM transmitter) 4 dbm 2.5 mw Bluetooth Class 2 radio, 10 m range 0dBm 1.0 mw = 1000 µw Bluetooth standard (Class 3) radio, 1 m range 70 dbm 100 pw Typical range ( 60 to 80 dbm) of Wireless signal over a network 111 dbm pw Thermal noise floor for commercial GPS signal bandwidth (2 MHz) db m pw Typical received signal power from a GPS satellite 174 dbm fw Thermal noise floor for 1 Hz bandwidth Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen WS 12/13 44

18 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Motivation Statische Knoten Mobile Knoten Zusammenfassung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung 45

19 Friis-Freiraum-Gleichung An der Tafel notiert 46

20 Wiedervorlage: Fraunhofer-Distanz Wie schon genannt: der hier benutzte Zusammenhang P R = P T / 4 d 2 gilt erst im Fernfeld (Far-Field) Kennt man die größte lineare Ausdehnung D der Antenne und die verwendete Wellenlänge, dann befindet man sich im Fernfeld, wenn: An der Tafel notiert 47