docBeispiel einer realen Antenne: Hertzscher Dipol
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Beispiel einer realen Antenne: Hertzscher Dipol
Beispiel einer realen Antenne: Hertzscher Dipol Leiter Spalt /2 Leiter Schwingkreis Bildquelle: http://www.elektronikkompendium.de/sites/kom/0810171.htm WS 12/13 Bildquelle: http://de.wikipedia.org/ wiki/Dipolantenne Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 15 Darstellung der Charakteristik einer Antenne durch ihr Richtdiagramm (Englisch: Radiation-Pattern) Beachte: Antennencharakteristik ist bzgl. Senden und Empfangen gleich; Richtdiagramm stellt sowohl Sende als auch Empfangscharakteristik einer Antenne dar Bildquelle: http://en.wikipedia.org/ wiki/Radiation_pattern Beispiel: Richtdiagramm des Hertzschen Dipols y x x WS 12/13 z z Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen x 16 Größe des Richtdiagramms ist nicht entscheidend Größe des Richtdiagramms stellt relative Leistungsunterschiede für unterschiedliche Richtungen dar Beispiele Unterschied zwischen zwei Richtungen A und B bei isotropischem Strahler? WS 12/13 In welche Richtung A sendet ein gerichteter Strahler nur halb so stark wie in Richtung B? Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 17 Definition: Bündelbreite im Englischen: „beam width“ Der Winkel in der die Leistung nur noch die Hälfte der Stärksten Richtung der Antenne Beträgt Beispiel WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 18 Definition: Antennengewinn 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) Beispiel: was wäre hier der Antennengewinn in die stärkste Richtung? (Achtung: Leistung in eine Richtung angehoben bedeutet zwangsläufig, dass in eine andere Richtung was abgezogen werden muss; Antennengewinn bedeutet nicht Verstärkung der Gesamtleistung) WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 19 Nutzfläche einer Antenne für eine gegebene Richtung (effective-area) Informal: Größe und Form einer Antenne bestimmen dessen effektive Nutzfläche für eine gegebene Richtung Receive antenna Transmit antenna Für eine gegebene Richtung besteht in Abhängigkeit der Wellenlänge zwischen Antennengewinn G und der Nutzfläche Ae folgender Zusammenhang: Bildquelle: Vorlesungsfolien der Vorlesung Mobilkommunikation von Prof. Dr. Holger Karl WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 20 Quiz: Richtdiagramm des isotropischen Strahlers? y x x z z x Was ist die Bündelbreite? Was ist der Antennengewinn in eine beliebige Richtung? WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 21 Antennenbeispiel: Beispiel Dipol mit Länge /4 (MarconiAntenne) /4 Fläche Spiegelt den lambda/4 Strahler (Beispiel: Radioantenne auf dem Autodach) Bildquelle: Jochen Schiller, „Mobilkommunikation“, 2te überarbeitete Auflage, 2003 WS 12/13 Bildquelle: http://en.wikibooks.org/wiki/ Communication_Systems/Antennas Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 22 Beispiel: Inverted-F Antenna (IFA) bei einem TmoteSkyKnoten Wo ist hier die Antenne? ekannt WS 12/13 So eine Antenne nennt man auch PCB-Antenne (PrintedCircuit-Board-Antenne) Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 23 Beispiel: Richtdiagramme aus dem TmoteSky-Datenblatt Horizontale Aufstellung Vertikale Aufstellung Bildquelle der Richtdiagramme: Tmote Sky Datasheet (2/6/2006) WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 24 Beispiel: Parabolantenne y y Leitgerade (Directrix) Fokus x Gleiche Länge Parabol-Konstruktion WS 12/13 x Reflektionsverhalten Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 25 Beispiel: Richtdiagramm einer Parabolantenne y y x WS 12/13 z z Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen x 26 Bündelbreiten von Parabolantennen Betrachtete Frequenz 12GHz Antennendurchmesser (m) Bündelbreite (in Grad) 0,5 3,5 0,75 2,33 1,0 1,75 1,5 1,166 2,0 0,875 2,5 0,7 5,0 0,35 Parabolantennen haben immer eine Bündelbreite >0, da der Fokus in der Praxis kein idealisierter Punkt ist; Beobachtung: „je größer desto besser“ Nach der Quelle: R. Freeman, Radio Systems Design for Telecommunications, Wiley, 1997 WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 27 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. WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 28 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... WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 29 Antennen: gerichtet und mit Sektoren Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.B. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten) y y x z Seitenansicht (xy-Ebene) x Seitenansicht (yz-Ebene) gerichtete Antenne von oben (xz-Ebene) z z x von oben, 3 Sektoren WS 12/13 z x Sektorenantenne von oben, 6 Sektoren Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 30 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 /2 /4 /2 + /4 /2 /2 + Grundfläche WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 31 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 fading Examples 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 t1 t3 3 sender WS 12/13 t2 1 2 Time of flight t2=t1+d2 t3=t1+d3 Sending time 1: t0 2: t0-d2 3: t0-d3 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen receiver 32 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 33 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) WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 34 Problem: Wireless = Analog 0110 1001 1000 1010 0110 1001 1000 1010 Transmitter Receiver Definition: Transmitter + Receiver = Transceiver WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 35 Bandpass Transmission Principle 0110 1001 1000 1010 Carrier wave with carrier frequency f 0110 1001 1000 1010 Transmitter Amplitude WS 12/13 Receiver Frequency Phase Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 36 Terminology Modulation 1011 Demodulation Bit(s) Data rate: Number of Bits per seconds Symbol 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 WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 37 Erinnerung: Fourier-Repräsentation periodischer Signale 1 g (t ) c an sin( 2nft ) bn cos( 2nft ) 2 n 1 n 1 1 1 0 0 t ideales periodisches Signal WS 12/13 t reale Komposition (basierend auf Harmonischen) Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 38 Signale II Verschiedene Darstellungen eines Signals: Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit) Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz) Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel φ werden in Polarkoordinaten aufgetragen) Q = M sin φ (Quadrature) A [V] A [V] t[s] I = M cos φ (In-phase) f [Hz] Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar Digitalsignale besitzen Rechteckflanken im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 39 Übersicht Elektromagnetische Wellen Frequenzen und Regulierungen Antennen Signale Signalausbreitung Motivation Statische Knoten Mobile Knoten Zusammenfassung Multiplex Modulation Bandspreizverfahren Codierung WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 40 Wir wollen folgende hier dargestellte Effekte verstehen; was geht hier schief? Bildquelle: Theodore S. Rappaport, Wireless Communications, 2nd ed., Prentice Hall, 2002 WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 41 Randbemerkung: Was ist dB? 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: WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 42 Note: What is dBm? Logarithmic expression of power in mW Conversion P mW x dBm x dBm P mW WS 12/13 Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 43 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 4W 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 dB m 0.000178 pW Typical received signal power from a GPS satellite 0.000004 fW Thermal noise floor for 1 Hz bandwidth Drahtlose Kommunikation - Technische Grundlagen 44 −174 dBm WS 12/13
