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2015 | Book

Einleitung Read chapter Read first chapter

Wellenausbreitung

Grundlagen – Modelle – Messtechnik – Verfahren

Author: Bernhard Rembold

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Die Wellenausbreitung bestimmt maßgebend die Übertragungsverfahren in der Funkkommunikation und beeinflusst in vielen anderen HF-Anwendungen die Systemauslegung. Grundlegende Kenntnisse über das, was zwischen Sende- und Empfangsantenne geschieht, sind deshalb für eine plangemäße Funktion entscheidend. Ziel des Buches ist, dem Leser diese Kenntnisse zu vermitteln sowie ihn in die Lage zu versetzen, Probleme und Möglichkeiten in Zusammenhang mit der Wellenausbreitung zu verstehen und beurteilen zu können.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Viele Anwendungen der Hochfrequenztechnik sind durch Phänomene der Wellenausbreitung geprägt. Hierbei spielen die Eigenschaften des Übertragungsmediums eine entscheidende Rolle. Diese Eigenschaften sind primär von der verwendeten Frequenz der Funkübertragung abhängig, die sich über einen weiten Bereich von etwa 10 kHz bis über 100 GHz erstreckt. Die Einleitung gibt deshalb zunächst einen Überblick über die Bezeichnung und wesentlichen Charakteristika der technisch verwendeten Frequenzbereiche und nennt typische Anwendungen. Da auch die Höhe für die Wellenausbreitung eine Rolle spielt, werden die wesentlichen Einflüsse der Bereiche von jenseits der Ionosphäre bis herab zur Unterwasserausbreitung genannt. Es wird gezeigt, dass für eine flächendeckende Funkversorgung und eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung unterschiedliche Frequenzbereiche sinnvoll sind.
Bernhard Rembold
2. Physikalische Eigenschaften von Übertragungsmedien
Zusammenfassung
Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wird durch die physikalischen Eigenschaften des Übertragungsmediums bestimmt. Die Kenntnis dieser Eigenschaften ist für das weitere Verständnis der Methoden zur Vorhersage und Kompensation der Effekte von Bedeutung. Ein dominierender Effekt in der Wellenausbreitung ist die Reflexion an Oberflächen von Objekten. Transmission durch geschichtete Medien, Kantenbeugung und Streuung an rauen und/oder kleinen Flächen schließen sich an. Große Bedeutung für Frequenzen im GHz-Bereich hat die atmosphärische Beeinflussung der Wellenausbreitung, insbesondere durch Regen, aber auch durch Nebel und Gasresonanzen. Eine Besonderheit ist die Wellenausbreitung in der Ionosphäre. Sie ermöglicht eine weltweite Funkkommunikation, ihre Eigenschaften sind aber bei der Auslegung von satellitengestützten Funkdiensten zu berücksichtigen.
Bernhard Rembold
3. Mehrwegeausbreitung
Zusammenfassung
Ein wichtiger und häufig vorkommender Effekt in der Funkkommunikation oder Radartechnik ist die gleichzeitige Übertragung auf zwei oder mehreren Pfaden.
Im Folgenden wird der Einfluss der Mehrwegeausbreitung auf das übertragene Signal untersucht. Als einfachstes Modell mit gleichzeitig hoher Bedeutung für die Praxis wird zunächst die Zweiwegeausbreitung behandelt und ihre Auswirkung auf den Signalpegel im Empfänger diskutiert.. Anschließend werden Begriffe zur statistischen Beschreibung der Mehrwegeausbreitung erläutert sowie Ausbreitungsszenarien nach unterschiedlichen Klassen unterschieden. Ferner werden typische Verteilungsfunktionen für durch Mehrwegeausbreitung verursachte Empfangspegel hergeleitet und erläutert.
Bernhard Rembold
4. Modellierung von Funkkanälen
Zusammenfassung
Der wichtigste Parameter bei der Auslegung einer Funkkommunikation ist der Funkkanal. Er bestimmt nicht nur den Systemwert (\(=\) Differenz zwischen notweniger Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit) sondern auch das Übertragungsverfahren. Betrachtet man die Fülle sehr unterschiedlicher Dienste, ist erkennbar, dass die Kanalmodelle und auch die Methodik zur Ermittlung der Kanalparameter unterschiedlich sind. Kanalkenntnisse erhält man entweder durch Messungen oder durch theoretische Untersuchungen anhand von Kanalmodellen. Hierbei unterscheidet man zwischen empirischen und deterministischen Kanalmodellen.
Das Kapitel zeigt typische Beispiele für empirische Modelle: ITU-Recommendations, Hata/Okumura, Cost 259. Die Modelle basieren auf Messungen, die man mit einfachen Diagrammen und Formeln approximiert. Deterministische Kanalmodelle benötigen ein Szenarienmodell, innerhalb dessen die Wellenausbreitung bei Vorgabe der Sender- und Empfängerpositionen untersucht wird. Beispiele für die Ermittlung der Ausbreitungspfade und der Berechnung der Übertragung und Auswertung werden gegeben und Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Verfahren diskutiert.
Bernhard Rembold
5. Messverfahren für den Funkkanal
Zusammenfassung
Messtechnische Untersuchungen des Funkkanals sind für eine Vielzahl von Aufgaben notwendig. Im Vordergrund steht die Parametrisierung empirischer Kanalmodelle. Messungen sind ferner wichtig zur Überprüfung deterministischer Modelle, z. B. eines Ray-Tracers. Auch zur Verifizierung neuer Übertragungsverfahren sind Messungen angebracht, obgleich Simulationen bereits viele Messungen ersetzen können. Die Erforschung neuer Frequenzbereiche erfordert weitere messtechnische Untersuchungen. Schließlich verhilft eine Messung bei konkreten Projekten zu abgesicherten Planungsgrundlagen.
Es werden einige Messmethoden beschrieben: Periodic Pulse Sounding, Chirp-Technik mit inverser FFT und Pulskompressionsverfahren. Für letzteres werden verschiedene Korrelationsempfänger vorgestellt. Vor- und Nachteile der Verfahren werden behandelt.
Bernhard Rembold
6. Bestimmung der Richtung einfallender Wellen durch Peilung
Zusammenfassung
Die Bestimmung der Richtung einer einfallenden Welle durch Peilung spielt bei vielen Aufgaben eine wichtige Rolle. Ursprünglich im militärischen Bereich bei der Funkaufklärung und in der Spionageabwehr angesiedelt, hilft die Peilung heute auch zur Sicherung und Wartung kommerzieller Netze. Die Suche nach Störquellen oder nichtlizensierten Sendern ist die vorwiegende Anwendung. Anwendungen für die Peilung findet man auch bei der Vermessung der Pfadauflösung von MIMO-Kanälen, bei der Verfolgung von Peilsendern, z. B. bei Wildtieren oder in der Observierung. Das Kapitel gibt zunächst einen Überblick über klassische Peilmethoden und behandelt dann Verfahren, die auf Gruppenantennen basieren, u.a. den MUSiC- und den ESPRIT-Algorithmus.
Bernhard Rembold
7. Mehrantennensysteme im Mobilfunk
Zusammenfassung
Die Verwendung von zwei oder mehreren Antennen auf einer oder jeder Seite des Funkkanals im Mobilfunk hat eine Reihe von Vorteilen, die in diesem Kapitel beschrieben werden. Die klassische Antennendiversität verwendet mehrere Antennen auf der Empfangsseite. Die damit erzielbaren Gewinne bzw. Verbesserungen der Empfangswahrscheinlichkeiten werden hergeleitet. Ferner befasst sich das Kapitel mit der räumlichen Entzerrung (MIMO), beschreibt die wichtigsten Verfahren (Zero-Forcing, MMSE, Matched-Filter) und behandelt die Korrelation der Antennencharakteristik sowie die Kalibrierung von MIMO-Systemen. Hinweise auf Video-Demonstrationen der räumlichen Entzerrung schließen das Kapitel ab.
Bernhard Rembold
8. Anhang
Zusammenfassung
Die Wellenausbreitung ist eng mit den System-Eigenschaften der Antennen verbunden. Im Anhang dieses Buches wird deshalb auf diese Eigenschaften eingegangen. Insbesondere werden die Abstrahlung von einer Antenne, der Empfang sowie der Übertragungsfaktor zwischen zwei Antennen ausführlich behandelt. In Ergänzung der i.A. bekannten Anwendungen befindet sich im Anhang ferner eine kurze Beschreibung der weniger bekannten Mikrowellenradiometrie. Eine Formel zur Berechnung der Reichweite eines radiometrischen Abbildungssystems wird hergeleitet und ein Beispiel gebracht.
Bernhard Rembold
Backmatter
Metadata
Title
Wellenausbreitung
Author
Bernhard Rembold
Copyright Year
2015
Electronic ISBN
978-3-658-08642-8
Print ISBN
978-3-658-08641-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-08642-8