Beispiel: Richtdiagramm des Hertzschen Dipolsunikorn/lehre/drako/ws13/02... · 20 dBm 100 mW...

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


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


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

WS 12/13 17

Definition: Bündelbreite


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


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:


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?


x

y

z

x

x

z

WS 12/13 21

Antennenbeispiel: Beispiel Dipol mit Länge /4 (Marconi-Antenne)


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

WS 12/13 22

Beispiel: Inverted-F Antenna (IFA) bei einem TmoteSky-Knoten


Wo ist hier die Antenne?

So eine Antenne nennt man auch PCB-Antenne (Printed-Circuit-Board-Antenne)

ekannt

WS 12/13 23

Beispiel: Richtdiagramme aus dem TmoteSky-Datenblatt


Horizontale Aufstellung Vertikale Aufstellung

Bildquelle der Richtdiagramme: Tmote Sky Datasheet (2/6/2006)

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Beispiel: Parabolantenne


x

y

Fokus

GleicheLängeLe

itger

ade

(Dire

ctrix

)

Parabol-Konstruktion Reflektionsverhalten

x

y

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Beispiel: Richtdiagramm einer Parabolantenne


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


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.

Drahtlose Kommunikation - Technische GrundlagenWS 12/13 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...



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

WS 12/13 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

+

/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


sender

receiver

t1

t2

t3

Time of flightt2=t1+d2t3=t1+d3

1

2

3Sending time1: t02: t0-d23: t0-d3

WS 12/13 32

Übersicht

Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitungMultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung



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 34

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


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



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)

WS 12/13 38


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]

WS 12/13 39

Übersicht

Elektromagnetische WellenFrequenzen und RegulierungenAntennenSignaleSignalausbreitung

Motivation Statische Knoten Mobile Knoten Zusammenfassung

MultiplexModulationBandspreizverfahrenCodierung


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 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:

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Note: What is dBm?


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

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