beispiel: richtdiagramm des hertzschen dipolsunikorn/lehre/drako/ws13/02... · 20 dbm 100 mw...
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Beispiel einer realen Antenne: Hertzscher Dipol
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Leiter
Leiter
Spalt
Bildquelle: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/0810171.htm
Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Dipolantenne
Schwingkreis
/2
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Beispiel: Richtdiagramm des Hertzschen Dipols
Darstellung der Charakteristik einer Antenne durch ihr Richtdiagramm
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
x
y
z
x
x
z
(Englisch: Radiation-Pattern)
Bildquelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pattern
Beachte: Antennencharakteristik ist bzgl. Senden und Empfangen gleich; Richtdiagramm stellt sowohl Sende als auch Empfangscharakteristik einer Antenne dar
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Größe des Richtdiagramms ist nicht entscheidend
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Beispiele
Unterschied zwischen zwei Richtungen A und B bei isotropischem Strahler?
In welche Richtung A sendet ein gerichteter Strahler nur halb so stark wie in Richtung B?
Größe des Richtdiagramms stellt relative Leistungsunterschiede für unterschiedliche Richtungen dar
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Definition: Bündelbreite
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
im Englischen: „beam width“
Der Winkel in der die Leistung nur noch die Hälfte der Stärksten Richtung der Antenne Beträgt
Beispiel
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Beispiel: was wäre hier der Antennengewinn in die stärkste Richtung?
(Achtung: Leistung in eine Richtung angehoben bedeutet zwangsläufig, dass ineine andere Richtung was abgezogen werden muss;Antennengewinn bedeutet nicht Verstärkung der Gesamtleistung)
Definition: Antennengewinn
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im Englischen: „antenna gain“Verhältnis der Ausgabeleistung in eine betrachtete Richtung im Vergleich zur Leistung einer isotropischen Antenne in diese (und alle anderen) Richtungen, die mit derselben Gesamtleisung sendet.(d.h. Gesamtflächen der beiden Richtungsdiagramme von isotropischer und betrachteter sind gleich)
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Nutzfläche einer Antenne für eine gegebene Richtung (effective-area)Informal: Größe und Form einer Antenne bestimmen dessen effektive
Nutzfläche für eine gegebene Richtung
Für eine gegebene Richtung besteht in Abhängigkeit der Wellenlänge zwischen Antennengewinn G und der Nutzfläche Ae folgender Zusammenhang:
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Transmitantenna
Receiveantenna
Bildquelle: Vorlesungsfolien der Vorlesung Mobilkommunikation von Prof. Dr. Holger Karl
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Was ist die Bündelbreite?
Was ist der Antennengewinn in eine beliebige Richtung?
Quiz: Richtdiagramm des isotropischen Strahlers?
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
x
y
z
x
x
z
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Antennenbeispiel: Beispiel Dipol mit Länge /4 (Marconi-Antenne)
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Bildquelle: http://en.wikibooks.org/wiki/Communication_Systems/Antennas
/4
Fläche Spiegelt den lambda/4 Strahler(Beispiel: Radioantenne auf dem Autodach)
Bildquelle: Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 2003
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Beispiel: Inverted-F Antenna (IFA) bei einem TmoteSky-Knoten
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Wo ist hier die Antenne?
So eine Antenne nennt man auch PCB-Antenne (Printed-Circuit-Board-Antenne)
ekannt
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Beispiel: Richtdiagramme aus dem TmoteSky-Datenblatt
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Horizontale Aufstellung Vertikale Aufstellung
Bildquelle der Richtdiagramme: Tmote Sky Datasheet (2/6/2006)
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Beispiel: Parabolantenne
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
x
y
Fokus
GleicheLängeLe
itger
ade
(Dire
ctrix
)
Parabol-Konstruktion Reflektionsverhalten
x
y
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Beispiel: Richtdiagramm einer Parabolantenne
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
x
y
z
y
x
z
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Bündelbreiten von Parabolantennen
Antennendurchmesser (m) Bündelbreite (in Grad)0,5 3,50,75 2,331,0 1,751,5 1,1662,0 0,8752,5 0,75,0 0,35
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Betrachtete Frequenz 12GHz
Nach der Quelle: R. Freeman, Radio Systems Design for Telecommunications, Wiley, 1997
Parabolantennen haben immer eine Bündelbreite >0, da der Fokus in der Praxis kein idealisierter Punkt ist; Beobachtung: „je größer desto besser“
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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 höherdie verwendetet Frequenz desto kleiner kann auch die Antenne sein.
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Weiteres zu grundlegenden Antennentypen
Das war hier nur eine kleine Auswahl: eine Liste aller grundlegenden Antennentypen findet man z.B. unter: http://www.antenna-theory.com/antennas/main.php
Aus grundlegenden Antennentypen lassen sich des Weiteren komplexere Antennen bauen: siehe folgendes...
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Antennen: gerichtet und mit Sektoren
Seitenansicht (xy-Ebene)
x
y
Seitenansicht (yz-Ebene)
z
y
von oben (xz-Ebene)
x
z
von oben, 3 Sektoren
x
z
von oben, 6 Sektoren
x
z
Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten)
gerichteteAntenne
Sektoren-antenne
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
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
Grundfläche
/2/2
+
/2
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MIMO
Multiple-Input Multiple-Output 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 fadingExamples
IEEE 802.11n, LTE, HSPA+, …Functions
“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
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
sender
receiver
t1
t2
t3
Time of flightt2=t1+d2t3=t1+d3
1
2
3Sending time1: t02: t0-d23: t0-d3
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Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
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) = At sin(2 ft t + t)
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Problem: Wireless = Analog
0110 1001 1000 1010
Transmitter Receiver
0110 1001 1000 1010
Definition: Transmitter + Receiver = TransceiverDrahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 35
Bandpass Transmission Principle
0110 1001 1000 1010
Transmitter Receiver
0110 1001 1000 1010Carrier wave withcarrier frequency f
Amplitude Frequency Phase
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Terminology
1011
Bit(s) Symbol
Modulation
Demodulation
Symbol rate:Number of Symbolsper second
Data rate:Number of Bitsper seconds
N-ary modulation scheme: number of different symbols!i.e., this can convey log(N) Bits per symbol
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Erinnerung: Fourier-Repräsentation periodischer Signale
)2cos()2sin(21)(
11
nftbnftactgn
nn
n
1
0
1
0t t
ideales periodisches Signal reale Komposition(basierend auf Harmonischen)
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Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Verschiedene Darstellungen eines Signals: Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit) Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz) Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel φ
werden in Polarkoordinaten aufgetragen)
Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar
Digitalsignale besitzen Rechteckflanken im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale
Signale II
f [Hz]
A [V]
I = M cos φ(In-phase)
Q = M sin φ (Quadrature)
A [V]
t[s]
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Übersicht
Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitung
Motivation Statische Knoten Mobile Knoten Zusammenfassung
MultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung
Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 40
Wir wollen folgende hier dargestellte Effekte verstehen; was geht hier schief?
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Bildquelle: Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, 2nd ed., Prentice Hall, 2002
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Randbemerkung: Was ist dB?
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Logarithmische Darstellung von im Verhältnis stehenden gleichartigen (d.h. gleiche Einheitengröße) Leistungs- bzw. Energiegrößen
Am Beispiel: Für P1 und P2 ist das Verhältnis P2 / P1 definiert als:
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Note: What is dBm?
Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen
Logarithmic expression of power in mWConversion
P mW x dBm
x dBm P mW
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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
0 dBm 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 0.008 pW Thermal noise floor for commercial GPS signal bandwidth (2 MHz)
−127.5 dBm 0.000178 pW Typical received signal power from a GPS satellite
−174 dBm 0.000004 fW Thermal noise floor for 1 Hz bandwidthDrahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 44