3. Drahtlose Daten¼bertragung

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3. Drahtlose Datenübertragung. Drahtlose Datenübertragung erfolgt mit elektromagnetischen Wellen. Ihre Ursprünge liegen am Ende des 19. Jahrhunderts. Ohne Sie ist Rundfunk, Fernsehen, Telefonieren, Navigieren mit GPS, Radar, Fernsteuern, Raumfahrt usw. nicht möglich. - PowerPoint PPT Presentation

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  • 3. Drahtlose DatenbertragungDrahtlose Datenbertragung erfolgt mit elektromagnetischen Wellen.Ihre Ursprnge liegen am Ende des 19. Jahrhunderts.Ohne Sie ist Rundfunk, Fernsehen, Telefonieren, Navigieren mit GPS, Radar, Fernsteuern, Raumfahrt usw. nicht mglich. Die Grundvorgnge sind Modulieren, Senden, Empfangen, Demodulieren.Die Menschen haben sich weltweit mit Hilfe der Drahtlosen Datenbertragung vernetzt.Wir sind intensiver mit dieser Technik konfrontiert, als uns bewusst ist. Lediglich bei spektakulren Themen wie Elektrosmog bemerken wir eine Bedeutung.Im folgenden geht es darum, wie die Systeme der Funktechnik funktionieren.

  • 3.1 Erzeugung und Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen3.1.1 Das elektromagnetische SpektrumAusbreitungsgeschwindigkeit c elektro- magnetischer Wellen im Vakuum und in der Luft: c = 300 000 kms-1Wellenlnge f: Frequenz

  • 3.1.2 Erzeugung elektromagnetischer WellenZur drahtlosen Datenbertragung mssen elektromagnetische Wellen erzeugt werden. Dazu werden Systeme verwendet, deren Frequenz bestimmenden Elemente Schwingkreise sind.Funktion von Schwingkreisen: Selektion elektromagnetischer Schwingungen definierter FrequenzenOhne Schwingkreise ist die Entwicklung der Funktechnik und anderer technischer Bereiche nicht denkbar. Mit dem Schwingkreis gelingt es, aus der Vielzahl der von Sendern abgestrahlten elektromagnetischen Wellen genau die des gewnschten Senders zu selektieren. Andererseits setzt die Erzeugung elektromagnetischer Wellen in bestimmten Frequenzbereichen die Nutzung von Schwingkreisen voraus.Schwingkreise sind Reihen- oder Parallelschaltungen von Spulen und Kondensatoren.Wirkprinzip: Ein schwingungsfhiges System schwingt mit seiner Eigenfrequenz und gedmpfter Amplitude. Wenn das System von auen angestoen wird, und wenn die Anstofrequenz so gro ist wie die Eigenfrequenz des Systems, entsteht eine Schwingung mit ungedmpfter Amplitude. In diesem Fall spricht man von Resonanz.Die folgenden Abbildungen erklren die Schwingungsvorgnge fr den mechanischen und den elektromagnetischen Fall. Dabei hilft die Analogie der ablaufenden Energieumwandlungen beim Verstehen.

  • FederspannenergieBewegungsenergie der MasseLageenergie der MasseBeim Federschwinger wandelt sich die Lageenergie (potentielle Energie) des schwingenden Krpers periodisch ber seine Geschwindigkeitsenergie (kinetische Energie) in Federspannenergie (potentielle Energie) um.Beim Schwingkreis wandelt sich das elektrische Feld (potentielle Energie) des Kondensators periodisch in das magnetische Feld der Spule (kinetische Energie) und danach wieder in das elektrische Feld Kondensators (potentielle Energie) um.Lageenergie der MasseBewegungsenergie der Masseelektrisches Feldelektrisches Feldelektrisches FeldmagnetischesFeldmagnetischesFeld

  • Geschlossener und offener SchwingkreisIn einem Parallelschwingkreis pendelt die Energie zwischen Spule und Kondensator. Verkleinert man die Spule zu einer Windung und zieht man die Platten des Kondensators auseinander, so erhlt man einen offenen Schwingkreis. Beim geschlossenen Schwingkreis sind die Induktivitten und Kapazitten in den Bauelementen enthalten. Beim offenen Schwingkreis enthlt sie ein Draht. Deshalb knnen beim offenen Schwingkreis die Felder nur den Raum durchdringen.Einen offenen Schwingkreis zum Senden hochfrequenter Strahlung nennt man Sendeantenne. Wird ber einen Transformator der Sendeantenne hochfrequente Energie zugefhrt, dann strahlt diese die Energie in Form eines ringfrmigen Magnetfeldes bzw. eines elektrischen Feldes ab.

  • Imagnetisches FeldelektrischesFeldUDie magnetischen und elektrischen Felder durchdringen einander senkrecht und bilden die elektromagnetische Strahlung der Antenne. Elektromagnetische Felder breiten sich kugelfrmig um die Antenne aus. Abgestrahlte elektromagnetische Felder bezeichnet man auch als elektromagnetische Wellen.

  • ber der Antenne liegt Spannung an, die ein elektrisches Feld zur Folge hat.Mechanismus der Wellenentstehungt=T/4 Zeit geschlossener Schwingkreisoffener Schwingkreist = 0

    Die Spannung bewirkt einen Strom in der Antenne, der ein Magnetfeld um die Antenne aufbaut.Wenn der Strom sein Maximum erreicht hat, ist die Spannung Null.Das elektrische Feld entfernt sich mit c von der Antenne.

  • Zeit geschlossener Schwingkreisoffener Schwingkreist=T/2ber der Antenne liegt eine Spannung mit entgegen gesetzter Richtung an, die ein entgegen gesetzt gerichtetes elektrisches Feld aufbaut.Das neue elektrische Feld verschiebt das elektrische Feld der vorangegangenen Halbwelle nach auen.t=3T/4Das jetzt entstandene Magnetfeld verschiebt erneut das vorher entstandene Magnetfeld, usw. usf.Je hher die Frequenz, desto intensiver die Ablsung der Strahlung.

  • 3.1.3 Ausbreitung elektromagnetischer WellenElektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Art der Ausbreitung hngt von der Frequenz ab.Ein Teil der Wellen breitet sich an der Erdoberflche aus, der andere im Raum. Man bezeichnet sie deshalb als Boden- und Raumwellen.

    BereichBodenwelleRaumwelleBenutzte WellenartDmpfungReichweiteDmpfungReflexionLWgering 1000kmsehr starkfast vollstndigBodenwelleMWstark 300kmstarksehr starkBoden- und RaumwelleKWsehr stark 100kmgeringstarkRaumwelleUKWUHFVHFvollstndig 0kmsehr geringzeitweiseSichtweite

  • 3.1.4 ModulationAntennen sind nur in der Lage, hochfrequente elektromagnetische Energie abzustrahlen und zu empfangen. Niederfrequente Schwingungen, etwa Tonfrequenz (30 Hz 12 kHz) knnen nicht mit ausreichender Energie abgestrahlt werden. Eine hochfrequente Strahlung allein bertrgt keine Signale. Ihr knnen aber Signale, z.B. Tonfrequenzen, aufgeprgt werden. Ein solches Verfahren nennt man Modulation. Es gibt zahlreiche Modulationsverfahren. Das lteste und einfachste ist die Amplitudenmodulation.Die Amplitudenmodulation wird in der Rundfunktechnik im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich und in der Fernsehtechnik zur bertragung des Bildsignals angewandt. In der Schulpraxis und im Hobbybereich eignet sie sich zum Einstieg in die Fernsteuertechnik.Bei der Amplitidenmodulation wird die hochfrequente Trgerschwingung durch die niederfrequente Signalschwingung verndert. Die Frequenz der Trgerschwingung bleibt konstant, die Signalschwingung ndert sich. hochfrequente TrgerschwingungSignalschwingung

    Diagramm1

    0

    0.8986591049

    1.7401247614

    2.4459930373

    2.9481667918

    3.1954301644

    3.1586396082

    2.834004935

    2.2440986379

    1.4364361112

    0.479694826

    -0.542134046

    -1.5371643932

    -2.4139455045

    -3.0899423336

    -3.4993714565

    -3.5996411311

    -3.3757594414

    -2.842253585

    -2.0423700646

    -1.0445790224

    0.0633377345

    1.182101017

    2.2099473323

    3.0520117687

    3.6292034998

    3.8857317065

    3.7945558063

    3.3602210481

    2.6187817064

    1.6347867144

    0.4955807054

    -0.696569667

    -1.833803564

    -2.8125836372

    -3.5432768457

    -3.9584973317

    -4.0194220412

    -3.7194774559

    -3.0850417476

    -2.173087483

    -1.0659788342

    0.1360936485

    1.324334131

    2.3913554874

    3.2410489363

    3.7973869931

    4.0113399751

    3.8652664749

    3.3743785181

    2.5851592875

    1.5708986375

    0.4247815924

    -0.7488080888

    -1.8439447462

    -2.7628705132

    -3.4248539906

    -3.773383136

    -3.7810427939

    -3.4516519226

    -2.819497532

    -1.9457761908

    -0.9126134833

    0.1847474866

    1.2468358873

    2.1790805646

    2.9003269589

    3.349967858

    3.4930561944

    3.3229683883

    2.8614233191

    2.1559117311

    1.2748298618

    0.3008170323

    -0.6770487458

    -1.5714536375

    -2.30468794

    -2.8154151811

    -3.063780167

    -3.0344349623

    -2.7372650225

    -2.2058149769

    -1.493624167

    -0.6688665956

    0.1921678282

    1.0121256921

    1.7195231864

    2.2549397503

    2.5759402462

    2.6603269429

    2.5074870391

    2.1377807748

    1.5900924305

    0.9178256936

    0.1837523865

    -0.545790687

    -1.2068237975

    -1.743242797

    -2.1114676603

    -2.2838490435

    -2.2505834213

    -2.0200260158

    -1.6174326095

    -1.0822940531

    -0.4645399784

    0.1800275944

    0.7946599489

    1.3265221459

    1.7310856152

    1.9757039081

    2.0421021794

    1.92760857

    1.6450627424

    1.2214445449

    0.695365908

    0.1136543972

    -0.4726782708

    -1.0127488542

    -1.4600481091

    -1.7762828834

    -1.9345149379

    -1.9213544565

    -1.7380408412

    -1.4003294359

    -0.9371942729

    -0.3884475025

    0.1985403392

    0.7727644542

    1.2838468695

    1.686296401

    1.943423507

    2.0305860816

    1.9374876899

    1.6693182358

    1.2466144183

    0.7038177069

    0.0866137485

    -0.5517590774

    -1.1549513357

    -1.6683400767

    -2.0438605015

    -2.2444145182

    -2.2474584998

    -2.0474274288

    -1.6567400667

    -1.105243924

    -0.4380909852

    0.2878254979

    1.0086085054

    1.6588875899

    2.1776729572

    2.5140152791

    2.6319495892

    2.5142458596

    2.1645792079

    1.6078629164

    0.8886471754

    0.0676620015

    -0.7832417831

    -1.5873409139

    -2.2699386318

    -2.7652952011

    -3.0229461801

    -3.0127998269

    -2.7284991864

    -2.1886807054

    -1.4359475331

    -0.5335854894

    0.4397363358

    1.3968407142

    2.2498917014

    2.9185077018

    3.3373830391

    3.4626893318

    3.2766247864

    2.7896393164

    2.0400723947

    1.0911798373

    0.0257729219

    -1.0610753299

    -2.070608946

    -2.9094701591

    -3.4984374852