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

2. 3.1 Erzeugung und Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen 3.1.1 Das elektromagnetische Spektrum Ausbreitungsgeschwindigkeit c elektro- magnetischer Wellen im Vakuum und in der Luft: c = 300 000 kms-1 Wellenlänge  f: Frequenz WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

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

4. _ + + _ + _ U I t Lageenergie der Masse Lageenergie der Masse Bewegungsenergie der Masse Bewegungsenergie der Masse Federspannenergie Beim Federschwinger wandelt sich die Lageenergie (potentielle Energie) des schwingenden Körpers periodisch über seine Geschwindigkeitsenergie (kinetische Energie) in Federspannenergie (potentielle Energie) um. elektrisches Feld magnetisches Feld magnetisches Feld elektrisches Feld elektrisches Feld 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

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

6. G HF G HF magnetisches Feld elektrisches Feld U I 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

7. + U - I = 0 + U - U = 0 I I Mechanismus der Wellenentstehung Zeit geschlossener Schwingkreis offener Schwingkreis t = 0 Über der Antenne liegt Spannung an, die ein elektrisches Feld zur Folge hat. t=T/4 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

8. - U + - U + I = 0 U = 0 I I Zeit geschlossener Schwingkreis offener Schwingkreis t=T/2 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 Das jetzt entstandene Magnetfeld verschiebt erneut das vorher entstandene Magnetfeld, usw. usf. Je höher die Frequenz, desto intensiver die Ablösung der Strahlung. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

9. Raumwelle Bodenwelle 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

10. u Hüllkurve t 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. Signalschwingung hochfrequente Trägerschwingung 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

11. 0 1 2 3 4 547 548 549 550 551 552 553 554 f in kHz 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. HF-Träger Klang oberes Seitenband unteres Seitenband • Ihre Amplituden sind jeweils halb so groß wie die der zugehörigen Sinusschwingung. • 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. • Zu beiden Seiten des Trägers entsteht ein Seitenband. Zur Übertragung der Seitenbänder ist die doppelte Bandbreite des Signals erforderlich. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

12. Obere Seitenschwingung Modulierte Amplitude des Trägers untere Seitenschwingung Amplitude des Trägers Trägerfrequenz Zeigerbild Frequenz des Signals • 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. • Die Änderung der Länge des Zeigers entspricht der Änderung der Amplitude der Trägerschwingung • durch die Signalschwingung. Die Frequenz der Trägerschwingung bleibt unverändert. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

13. u USSmin USSmax t 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

14. R U t G2  1kHz U2 10 kHz U1 U U G1  t 3.1.5 Modulationsschaltungen Überlagerung zweier Schwingungen (keine Modulation) U = U1 + U2 G2  1kHz U2 10 kHz U1 G1  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. Modulierte Spannung an einem Schwingkreis • 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

15. Sendeantenne Empfangsantenne Sendeantenne Empfangsantenne U U 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 Magnetische Feldlinien Elektrische Feldlinien In der Antenne pendelt ein hochfrequenter Wechselstrom. An der Antennenspitze können die Elektronen nicht pendeln. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

16. 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. Resonanz liegt bei /4 – Antennen vor. Bei ihnen ist der Strom am Antennenfußpunkt am größten. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

17. 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 Das bestimmende Element ist der Schwing-kreis. An diesen ist über den Übertrager die Antenne angekoppelt. Demodulatordiode GA 100 o.ä. Schwing- kreisspule 80 Wdg. An den Windungszahlen ist zu erkennen, dass die empfangene und selektierte HF - Spannung herauf transformiert wird. Der Kern des Transformators ist ein Ferritstab. Antennen- spule 30 Wdg. Ohrhörer etwa 4 k Der Schwingkreiskondensator ist einstellbar, so dass der Schwingkreis auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen eingestellt werden kann. Drehkondensator 500 pF HF-Unterdrückung 10 nF WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

18. A B C Wirkungsweise der einfachste Empfängerschaltung Das Signal im Punkt A zeigt folgenden Verlauf: Vom Schwingkreis selektiertes Signal eines Senders 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. Im Punkt B ist die gleichgerichtete hochfrequente Spannung zu erkennen. Die Demodulation ist erfolgt. Zur Darstellung dieses Signals darf der Kondensator (10 nF) nicht in der Schaltung sein! WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik – 3. Drahtlose Datenübertragung

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