Übung zu Drahtlose Kommunikation 2. Übung 29.10.2012
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
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) corrections 2. Übung Drahtlose Kommunikation 3
Mobilfunknetze Frequenz: Anzahl Schwingungen pro Sekunde Frequenz = 1/ Periodendauer Einheit Hertz (Hz) -> 1 Hertz = 1 Schwingung pro Sekunde Wechelspannung im Strommnetz 50 Hz. 2. Übung Drahtlose Kommunikation 4
Mobilfunknetze Wellenabstand (Lambda): der kleinste Abstand zweier Punkte gleicher Phase einer Welle. λ = c f c Ausbreitungsgeschwindigkeit (Licht c 3 10 8 m/s) f Frequenz der Welle 2. Übung Drahtlose Kommunikation 5
Mobilfunknetze (a) Signal im Zeitbereich (a) Signal im Frequenzbereich (a) Signal im Phasenzustandsdiagramm Mobilkommunikation, J. Schiller (S. 50 ff)
Mobilfunknetze 2. Übung Drahtlose Kommunikation 7
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 2. Übung Drahtlose Kommunikation 8
Frequenzregulierung C = 2 B log2m Quelle Mobilkommunikation, J. Schiller 2. Übung Drahtlose Kommunikation 9
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 2. Übung Drahtlose Kommunikation 10
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 bei GSM gute Durchdringung, nur geringfügige Einflüsse von Objekten der Größe von Blättern und Regentropfen bei WiMAX werden Objekte der Größe von Blättern und Regentropfen zu Hindernissen 2. Übung Drahtlose Kommunikation 11
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. 2. Übung Drahtlose Kommunikation 12
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 2. Übung Drahtlose Kommunikation 13
Antennen Nachrichtentechnik: Angaben der Sendeleistungen in Sendeleistung im Bezug von 1 mw. Einheit: dbm 20 dbm = 10 log( 100mm 1mm ) 1 Watt = 1000mW = 30 dbm 2. Übung Drahtlose Kommunikation 14
Antennen a) Richtdiagramm eines idealen Punktstrahlers d) Einfache Antenne b) Richtdiagramm eines einfachen Dipols c) Richtdiagramm einer Antenne mit Richtcharakteristik 2. Übung Drahtlose Kommunikation Mobilkommunikation, J Schiller, S. 52ff
Antennen Übergang vom geschlossenen zum offenen Schwingkreis: Wireless Lan, Jörg Rech, S. 292 Entsteht durch das auseinanderbiegen eines Zweidrahtleiters Entspricht Grundprinzip eines λ 2 - Dipols
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. 2. Übung Drahtlose Kommunikation 17
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. 1. Übung Drahtlose Kommunikation 18
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 Polarisationsanpassung. Antennengewinn: G = P mmm P i Angabe in Dezibel: gewinn = 10 log G 2. Übung Drahtlose Kommunikation 19
Antennengewinn 2. Übung Drahtlose Kommunikation 20
Antennengewinn Beamwidth (Bündelbreite / Halbwertsbreite)
Antennengewinn 2. Übung Drahtlose Kommunikation 22