WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung 1 3. Drahtlose Datenübertragung Drahtlose Datenübertragung

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – HeinInformationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung 1

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.

Die Grundvorgänge sind Modulieren, Senden, Empfangen, Demodulieren.

Die Menschen haben sich weltweit mit Hilfe der Drahtlosen Datenübertragung vernetzt.

Wir sind intensiver mit dieser Technik konfrontiert, als uns bewusst ist.

Lediglich bei spektakulären Themen wie „Elektrosmog“ bemerken wir eine Bedeutung.

Im folgenden geht es darum, wie die Systeme der „Funktechnik“ funktionieren.


3.1 Erzeugung und Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen

3.1.1 Das elektromagnetische Spektrum

Ausbreitungsgeschwindigkeit c elektromagnetischer Wellen im Vakuum und in der Luft:

c = 300 000 kms-1

Wellenlänge f

kms

f

c 1300000

f: Frequenz


3.1.2 Erzeugung elektromagnetischer Wellen

Zur drahtlosen Datenübertragung müssen elektromagnetische Wellen erzeugt werden. Dazu werden Systeme verwendet, deren Frequenz bestimmenden Elemente Schwingkreise sind.

Funktion von Schwingkreisen: Selektion elektromagnetischer Schwingungen definierter Frequenzen

Ohne 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 gewünschten 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 schwingungsfähiges System schwingt mit seiner Eigenfrequenz und gedämpfter Amplitude. Wenn das System von außen angestoßen wird, und wenn die Anstoßfrequenz so

groß ist wie die Eigenfrequenz des Systems, entsteht eine Schwingung mit ungedämpfter Amplitude. In diesem Fall spricht man von Resonanz.

Die folgenden Abbildungen erklären die Schwingungsvorgänge für den mechanischen und den elektromagnetischen Fall. Dabei hilft die Analogie der ablaufenden Energieumwandlungen beim Verstehen.


Federspannenergie

Bewegungsenergie der Masse

Lageenergie der Masse

Beim Federschwinger wandelt sich die Lageenergie (potentielle Energie) des schwingenden Körpers periodisch über 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 Masse

Bewegungsenergie der Masse

elektrisches Feld

elektrisches Feld

elektrisches Feld

magnetischesFeld

magnetischesFeld

+_

_

++_

t

U

I


Geschlossener und offener Schwingkreis

In 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 erhält man einen offenen Schwingkreis.

Beim geschlossenen Schwingkreis sind die Induktivitäten und Kapazitäten in den Bauelementen enthalten. Beim offenen Schwingkreis enthält sie ein Draht. Deshalb können beim offenen Schwingkreis die Felder nur den Raum durchdringen.

Einen offenen Schwingkreis zum Senden hochfrequenter Strahlung nennt man Sendeantenne. Wird über einen Transformator der Sendeantenne hochfrequente Energie zugeführt, dann strahlt diese die Energie in Form eines ringförmigen Magnetfeldes bzw. eines elektrischen Feldes ab.


GHF

GHF

I

magnetisches Feld elektrisches

Feld

U

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


Über der Antenne liegt Spannung an, die ein elektrisches Feld zur Folge hat.

Mechanismus der Wellenentstehung

It=T/4

Zeit geschlossener Schwingkreis offener Schwingkreis

+U-

t = 0

+ U-

I = 0

I

U = 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 Schwingkreis offener Schwingkreis

t=T/2- U+

I = 0-U+

Über 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 außen.

t=3T/4

I

U = 0

I

Das jetzt entstandene Magnetfeld verschiebt erneut das vorher entstandene Magnetfeld, usw. usf.

Je höher die Frequenz, desto intensiver die Ablösung der Strahlung.


3.1.3 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Art der Ausbreitung hängt von der Frequenz ab.

Ein Teil der Wellen breitet sich an der Erdoberfläche aus, der andere im Raum. Man bezeichnet sie deshalb als Boden- und Raumwellen.

Bodenwelle

Bereich Bodenwelle Raumwelle Benutzte Wellenart

Dämpfung Reichweite Dämpfung Reflexion

LW gering 1000km sehr stark fast vollständig

Bodenwelle

MW stark 300km stark sehr stark Boden- und Raumwelle

KW sehr stark 100km gering stark Raumwelle

UKWUHFVHF

vollständig 0km sehr gering

zeitweise Sichtweite

Raumwelle


3.1.4 Modulation

Antennen sind nur in der Lage, hochfrequente elektromagnetische Energie abzustrahlen und zu empfangen. Niederfrequente Schwingungen, etwa Tonfrequenz (30 Hz – 12 kHz) können nicht mit ausreichender Energie abgestrahlt werden. Eine hochfrequente Strahlung allein überträgt keine Signale. Ihr können aber Signale, z.B. Tonfrequenzen, aufgeprägt werden. Ein solches Verfahren nennt man Modulation. Es gibt zahlreiche Modulationsverfahren. Das älteste und einfachste ist die Amplitudenmodulation.

Die Amplitudenmodulation wird in der Rundfunktechnik im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich und in der Fernsehtechnik zur Übertragung des Bildsignals angewandt. In der Schulpraxis und im Hobbybereich eignet sie sich zum Einstieg in die Fernsteuertechnik.Bei der Amplitidenmodulation wird die hochfrequente Trägerschwingung durch die niederfrequente Signalschwingung verändert. Die Frequenz der Trägerschwingung bleibt konstant, die Signalschwingung ändert sich.

u

t

hochfrequente Trägerschwingung

Signalschwingung Hüllkurve


Zerlegt man eine amplitudenmodulierte Schwingung, die mit einem sinusförmigen Signal moduliert ist, in ihre Teilschwingungen, so erhält man die Trägerschwingung und zwei weitere Schwingungen, die Seitenschwingungen. Die Frequenz der einen Seitenschwingung ist gleich der Differenz aus Trägerfrequenz und Signalfrequenz, die Frequenz der anderen Seitenschwingung ist gleich der Summe aus Träger- und Signalfrequenz.

Besteht ein Signal, z.B. ein Klang, aus einer Summe von mehreren Sinusschwingungen, so entstehen bei der Amplitudenmodulation zu jeder Sinusschwingung zwei Seitenschwingungen.

0 1 2 3 4 547 548 549 550 551 552 553 554 f in kHz

Klang

HF-Träger

unteres Seitenband

oberes Seitenband

•Die Seitenschwingungen der Signale mit tiefen Frequenzen liegen zu beiden Seiten des Trägers in der Nähe der Trägerfrequenz, die Seitenschwingungen mit den hohen Frequenzen liegen vom Träger weit entfernt.

•Ihre Amplituden sind jeweils halb so groß wie die der zugehörigen Sinusschwingung.

•Zu beiden Seiten des Trägers entsteht ein Seitenband. Zur Übertragung der Seitenbänder ist die doppelte Bandbreite des Signals erforderlich.


Zeigerbild

Trägerfrequenz

Frequenz des Signals

untere Seitenschwingung

Obere Seitenschwingung

Modulie

rte

Amplit

ude des

Träger

s

Amplit

ude

des T

räger

s

•Die Änderung der Länge des Zeigers entspricht der Änderung der Amplitude der Trägerschwingung durch die Signalschwingung. Die Frequenz der Trägerschwingung bleibt unverändert.

•Ein Zeiger, mit der Länge der Amplitude der Trägerschwingung läuft mit der Trägerfrequenz um.

•An der Spitze dieses Zeigers drehen sich bei der Modulation mit einem sinusförmigen Signal zwei Zeiger jeweils mit der Signalfrequenz symmetrisch in entgegen gesetzter Richtung zueinander.•Die Länge der Zeiger entspricht der halben Amplitude der Signalschwingung. Sie stellen die Seitenschwingungen dar.

•Addiert man die beiden Zeiger in jedem Moment geometrisch, und addiert man ihre Resultierende mit dem Zeiger der Trägerschwingung, so wird dieser in der Länge verändert.


Modulationsgrad m

Der Modulationsgrad ist das Verhältnis der Amplitude der Signalschwingung zur Amplitude der unmodulierten Trägerschwingung.

Bei Rundfunkempfängern wird die Lautstärke durch den Modulationsgrad, die Tonhöhe durch die Frequenz der Signalschwingung bestimmt.

u

t

USSmaxUSSmin max min

max min

SS SS

SS SS

U Um

U U


3.1.5 ModulationsschaltungenÜberlagerung zweier Schwingungen (keine Modulation)

G2

G1

1kHzU2

10 kHzU1

R t

U = U1 + U2

Die Spannungen beider Generatoren addieren sich. Die Stromstärke durch R ist der Gesamtspannung proportional. Dadurch nimmt der Spannungsabfall U am Widerstand R den mit U = U1 + U2 rot dargestellten Verlauf an.

U

Modulierte Spannung an einem Schwingkreis

U

1kHzU2

10 kHzU1

G2

G1

U

t

•Schwingkreis und Generator 1 haben die selbe Frequenz (z.B. 10 kHz).

•Die Gesamtspannung beider Generatoren wird so gewählt, dass die Diode im nichtlinearen Bereich (im „Knick“) betrieben wird.

•Wenn die Gesamtspannung der Generatoren durch U2 steigt, dann wird der Widerstand der Diode geringer, die Stromstärke größer und die Amplitude der Spannung U über dem Schwingkreis steigt. •Wenn sich die Gesamtspannung durch U2 verringert, dann vergrößert sich der Widerstand der Diode, die Stromstärke verkleinert sich und mit ihr die Spannung U am Schwingkreis.


3.1.6 Der Sende- und Empfangsvorgang

Eine senkrecht angeordnete Antenne strahlt ein elektromagnetisches Feld ab, dessen elektrische Feldrichtung senkrecht und dessen magnetische Feldrichtung waagerecht verlaufen. Gelangt die elektromagnetische Welle zu einer senkrechten Empfangs – Stabantenne, so ruft das elektrische Feld in ihr eine Spannung hervor. Diese Spannung lässt einen nacheilenden Strom in der Antenne entstehen. Das magnetische Feld beeinflusst diese Antenne nicht. Dagegen induziert das sich ausbreitende magnetische Feld in einer Spule eine Spannung.

Strom- und Spannungsverteilung an der Antenne

Sendeantenne Empfangsantenne

Elektrische Feldlinien

U

Sendeantenne Empfangsantenne

Magnetische Feldlinien

U

In der Antenne pendelt ein hochfrequenter Wechselstrom. An der Antennenspitze können die Elektronen nicht pendeln.


Ist die Antennenlänge h gegenüber der Wellenlänge klein, dann nimmt die Stromstärke zum Fußpunkt hin zu. Gegenüber dem Fußpunkt hat die Antennensitze dagegen die größte Wechsel-spannung. Die Wechselspannung nimmt zum Fußpunkt hin ab.

4h

4

h

4

h

Resonanz liegt bei /4 – Antennen vor. Bei ihnen ist der Strom am Antennenfußpunkt am größten.


3.1.7 Empfang und Demodulation elektromagnetischer Wellen

Zum Empfang modulierter hochfrequenter Wellen benötigt man eine Antenne, einen Schwingkreis, der sich in Resonanz mit Trägerschwingung befindet und einen Demodulator.Um die empfangene HF – Spannung zu demodulieren, benötigt diese eine Amplitude von mindestens 1V, weil die Schleusenspannung von Siliziumdioden 0,7V beträgt. Verwendet man eine Gemaniumdiode, kann die Empfangsspannung etwas geringer sein, die Schleusenspannung beträgt hier nur 0,3V. Sind die Sender weit entfernt oder nicht leistungsstark, muss die empfangene Spannung verstärkt werden.

Aufbau der einfachste Empfängerschaltung

Antennen-spule 30 Wdg.

Schwing-kreisspule80 Wdg.

Drehkondensator500 pF HF-Unterdrückung

10 nF

DemodulatordiodeGA 100 o.ä.

Ohrhöreretwa 4 k

Das bestimmende Element ist der Schwing-kreis. An diesen ist über den Übertrager die Antenne angekoppelt.

Der Schwingkreiskondensator ist einstellbar, so dass der Schwingkreis auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen eingestellt werden kann.

An den Windungszahlen ist zu erkennen, dass die empfangene und selektierte HF - Spannung herauf transformiert wird. Der Kern des Transformators ist ein Ferritstab.


Wirkungsweise der einfachste Empfängerschaltung

Das Signal im Punkt A zeigt folgenden Verlauf:

A

Vom Schwingkreis selektiertes Signal eines Senders

Im Punkt B ist die gleichgerichtete hochfrequente Spannung zu erkennen. Die Demodulation ist erfolgt.

B C

Zur Darstellung dieses Signals darf der Kondensator (10 nF) nicht in der Schaltung sein!

Punkt C: Der Kondensator (10 nF) bildet für den hochfrequenten Rest der Trägerschwingung einen kleinen Widerstand, für das modulierte NF-Signal jedoch einen großen. Der HF-Träger wird nach Masse abgeführt, das demodulierte Signal ist im Hörer wahrzunehmen.


Bei beiden Schwingungsvorgängen sind die Richtungen der pendelnden Größen zu beachten.

Bei beiden Schwingern treten Verluste auf, die einem durch einen mechanischen oder elektrischen Impuls erregten Schwinger nur eine gedämpfte Schwingung erlauben. Dieser Sachverhalt ist in der vorangegangenen Abbildung nicht zu erkennen.

Die die Phasenverschiebung von Strom und Spannung um 90° beim elektrischen Schwingungs-vorgang findet sich analog in der Geschwindigkeit der Masse und der Spannkraft der Feder beim mechanischen Vorgang wieder.

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