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Antennendiversität englisch antenna diversity bezeichnet in der Funktechnik die Verwendung mehrerer Antennen pro Sender
Antennendiversität
Antennendiversität (englisch antenna diversity) bezeichnet in der Funktechnik die Verwendung mehrerer Antennen pro Sender oder Empfänger. Mit der erzielten Diversität können störende Interferenzen reduziert werden. Dies ist besonders bei mobilen Funkanwendungen sinnvoll.
Es wird zwischen der , bei der die Antennen teils weit mehr als hundert Meter und mehr als einige 100 Wellenlängen auseinander liegen, und der , bei der die Antennen im Bereich einer oder einiger weniger Wellenlängen angeordnet sind, unterschieden.
Empfangsdiversität
Bei der Ausbreitung von Funkwellen treten Reflexionen der Funkwelle an Gebäudewänden oder dem Erdboden auf, ähnlich wie beim Schall Echos in den Bergen. Es kann dann passieren, dass sich die direkte Funkwelle mit einer reflektierten Funkwelle an einer bestimmten Stelle auslöscht, dies wird als destruktive Interferenz bezeichnet, da es zwischen beiden aufgrund der unterschiedlichen Weglänge zu einem Laufzeitunterschied und damit zu einer Phasenverschiebung kommt. Beträgt die Phasenverschiebung eine halbe Wellenlänge, kommt es zur Auslöschung. Bei davon gering abweichenden Phasenverschiebungen zu einer Schwächung des Signals.
Benutzt man nun mehrere Empfangsantennen, so ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich mindestens eine der Antennen an einer Stelle befindet, die nicht von der Signalauslöschung betroffen ist. Entsprechend ist im Empfänger eine Funktion erforderlich, die erkennt, welche der Antennen gerade das beste Signal empfängt und dann deren Signal verwendet. Unabhängig davon kommen noch allgemeine Störungen und Fading hinzu.
Funktionsprinzip
Das Bild zeigt ein Verfahren mit Umschaltung im Basisband, bei welchem jede Antenne einen eigenen Empfänger besitzt, der das Antennensignal misst. Das Messergebnis geht dann zu einem Auswerter, der einen elektronischen Schalter steuert und dem Hauptempfänger (zum Beispiel einem Radio) die Antenne zuschaltet, die den höchsten Pegel beziehungsweise den besten Rauschabstand erzeugt („Selection Diversity“). Zusätzlich zu den Empfängern in den Antennenzweigen gibt es also einen dritten Empfänger, der dann das Signal zum Beispiel als Bild oder Ton weiterverarbeitet.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, Antennen unabhängig voneinander messen zu können, ohne dass ein Antennenwechsel erfolgen muss. Einer der Nachteile besteht darin, dass für jede Antenne ein eigener Empfangszweig vorhanden sein muss. Dies ist mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden, welcher gerade in mobilen Endgeräten (zum Beispiel in der Automobilindustrie, im Mobilfunk, …) möglichst gemieden wird.
Im Bereich der funktechnischen Übertragung von Mikrofonsignalen ist die Konstruktion mit mehreren Empfängern ein Qualitätsmerkmal und wird mit „True Diversity“ bezeichnet. Hochwertige Funkmikrofone beziehungsweise deren Empfangsteile sind in der Regel nach diesem Prinzip aufgebaut.
Der Begriff „Scanning-Diversity“ bezeichnet ein Verfahren, welches das Umschalten verschiedener Antennen an einen Empfänger beinhaltet. Unterschreitet die momentan aufgeschaltete Antenne einen festgelegten Wert oder weist die Antenne ein Störsignal auf, so wird dem Empfänger die nächste, das Kriterium erfüllende Antenne angeboten. Weitere Antennen lassen sich problemlos integrieren (ein weiterer Port am Umschalter vor dem Empfänger und der Auswertelogik). Im gesamten System ist lediglich ein Empfänger vorhanden, welcher neben der Nachrichtenübermittlung auch der Signalauswertung für die Diversitäts-Logik dient.
Die genannten Verfahren setzen eine HF-Signalverarbeitung voraus, Mischformen sind möglich.
Der Begriff „Digital-Diversity“ wird für ein Verfahren genutzt, bei welchem das hochfrequente Antennensignal in das Basisband heruntergemischt und anschließend digitalisiert wird. Die weitere Verarbeitung im Empfänger erfolgt vollständig digital, mit allen sich bietenden Vor- und Nachteilen. Ein Vorteil besteht beispielsweise in der Anwendung digitaler Filter zur präzisen Kanaltrennung bei Nachbarkanalstörungen, ein Nachteil ist der enorme Kostenaufwand zur Integration weiterer Antennen (siehe oben, steigende Anzahl von Empfängerzweigen). Mit aufwendigeren Verfahren, wie sie zum Beispiel beim Mobilfunkstandard UMTS benutzt werden, können die Signale mehrerer Antennen gewichtet addiert werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu optimieren. Basisstationen haben zu diesem Zweck gewöhnlich mehrere (oft zwei) Empfangsantennen für eine Zelle. Auf Mobiltelefonseite ist es weitaus schwieriger und teurer, mehr als eine Antenne in ein Gerät zu integrieren. Infineon hat einen solchen HF-Chip (namens SMARTi™ UE+) 2008 das erste Mal präsentiert.
Sendediversität
Da bei manchen Funkgeräten (zum Beispiel Mobiltelefonen) die Realisierung von Empfangsdiversität zu aufwändig ist, kann auch senderseitig (hier: Mobilfunk-Basisstation) mit mehreren Antennen gearbeitet werden. Da das gleichzeitige Aussenden eines Funksignals über mehrere Antennen zu (unerwünschten) Richtwirkungen führen würde, muss entweder schnell zwischen den Sendeantennen umgeschaltet werden oder es wird zeitversetzt gesendet, was aus Sicht des Empfängers einer Mehrwegeausbreitung entspricht. Dies ist jedoch nur sinnvoll, wenn der Empfänger in der Lage ist, die Signale von mehreren Ausbreitungswegen zu kombinieren.
Antennenanordnungen
Es wird zwischen Raumdiversität und Polarisationsdiversität unterschieden.
Bei der Raumdiversität werden (identische) Antennen in gewissem Abstand zueinander aber mit gleicher Ausrichtung montiert. Ein Mindestabstand von zehn Wellenlängen (= Faustformel) sollte eingehalten werden, um den Diversitätsgewinn voll auszunutzen.
Bei der Polarisationsdiversität werden zwei Antennen mit einem Winkelunterschied von 90° zueinander montiert. Da sich Interferenz zu einem bestimmten Zeitpunkt und Ort meist nur auf eine Polarisationsrichtung auswirkt, kann mit gekreuzten Antennen ein Diversitätsgewinn erzielt werden. Das hängt damit zusammen, dass (bei linearer Polarisation) durch Beugung oder Reflexion an Gegenständen die Polarisationsebene gedreht werden kann. Bei rotierender Polarisation kann durch Reflexion die Rotationsrichtung verändert werden. Hier kommen dann zwei Antennen mit unterschiedlicher Rotationsrichtung zum Einsatz.
Im Gegensatz zur Diversität werden bei speziellen Antennenpaaren die Interferenzen nicht verringert, sondern verstärkt und zu Richtungsmessungen benützt.
Anwendungsbeispiele
Moderne Autos haben beispielsweise oft die Antennen in den Front-, Heck- oder auch Seitenscheiben und zum Teil auch in den Stoßstangen eingebaut.
Bei vielen WLAN-Access-Points werden inzwischen mehrere Antennen verwendet, diese übertragen jedoch verschiedene Signale um mittels MIMO die Datenrate zu erhöhen.
GSM- und UMTS-Basisstationen verwenden meistens Empfangsdiversität. Einige Hersteller von Netztechnik bieten bereits zusätzlich Sendediversität an.
Kabellose Mikrofone sind schon wegen ihrer Bewegung im Übertragungsraum auf Diversität angewiesen, um ein unterbrechungsfreies Signal zu liefern. Hier haben die Empfangsgeräte zwei separate Empfangsteile und schalten unhörbar auf das jeweils bessere Signal um.
Smart Antennas
Einen Schritt weiter als Diversität geht das Prinzip der Smart Antennas. Hierbei wird ein Array von vier oder mehr Antennen eingesetzt. Die Signale der Einzelelemente werden über einstellbare Phasenschieber kombiniert. Hierdurch entsteht eine Richtwirkung, die elektrisch eingestellt werden kann. Dazu dient das Prinzip der Phased-Array-Antenne.
Eine weitere Anwendung findet Diversität im Rahmen von HSDPA-Datenkarten.
DVB-T in Fahrzeugen
Dank Diversitäts-Empfängern ist auch der DVB-T-Empfang in einem bewegten Fahrzeug möglich. Je nach Kanal kann eventuell ein störungsfreies TV-Signal empfangen werden. Das funktioniert in den unteren Kanälen bis etwa 160 km/h.
Siehe auch
- MIMO (Nachrichtentechnik)
Literatur
- Eberhard Spindlert: Das große Antennen-Buch. 11. Auflage, Franzis-Verlag, München 1987, ISBN 3-7723-8761-6
- Jürgen Detlefsen, Uwe Siart: Grundlagen der Hochfrequenztechnik. 2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München / Wien 2006, ISBN 3-486-57866-9
- Hans Lobensommer: Handbuch der modernen Funktechnik. 1. Auflage, Franzis Verlag, Poing, 1995, ISBN 3-7723-4262-0
Weblinks
- Beschreibung verschiedener Prinzipien von Antennendiversität mit Bildern und Formeln
Einzelnachweise
- Produktbeschreibung infineon.com
- Pressebericht, 11. Februar 2008 infineon.com
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Antennendiversitat englisch antenna diversity bezeichnet in der Funktechnik die Verwendung mehrerer Antennen pro Sender oder Empfanger Mit der erzielten Diversitat konnen storende Interferenzen reduziert werden Dies ist besonders bei mobilen Funkanwendungen sinnvoll Zwei Richtfunkantennen im roten Rechteck um storende Bodenreflexionen entlang der Richtfunkstrecke mittels Raumdiversitat zu kompensieren Es wird zwischen der bei der die Antennen teils weit mehr als hundert Meter und mehr als einige 100 Wellenlangen auseinander liegen und der bei der die Antennen im Bereich einer oder einiger weniger Wellenlangen angeordnet sind unterschieden EmpfangsdiversitatBei der Ausbreitung von Funkwellen treten Reflexionen der Funkwelle an Gebaudewanden oder dem Erdboden auf ahnlich wie beim Schall Echos in den Bergen Es kann dann passieren dass sich die direkte Funkwelle mit einer reflektierten Funkwelle an einer bestimmten Stelle ausloscht dies wird als destruktive Interferenz bezeichnet da es zwischen beiden aufgrund der unterschiedlichen Weglange zu einem Laufzeitunterschied und damit zu einer Phasenverschiebung kommt Betragt die Phasenverschiebung eine halbe Wellenlange kommt es zur Ausloschung Bei davon gering abweichenden Phasenverschiebungen zu einer Schwachung des Signals Benutzt man nun mehrere Empfangsantennen so ist die Wahrscheinlichkeit hoch dass sich mindestens eine der Antennen an einer Stelle befindet die nicht von der Signalausloschung betroffen ist Entsprechend ist im Empfanger eine Funktion erforderlich die erkennt welche der Antennen gerade das beste Signal empfangt und dann deren Signal verwendet Unabhangig davon kommen noch allgemeine Storungen und Fading hinzu Funktionsprinzip Blockschaltbild Antennendiversitat mit zwei Antennen Das Bild zeigt ein Verfahren mit Umschaltung im Basisband bei welchem jede Antenne einen eigenen Empfanger besitzt der das Antennensignal misst Das Messergebnis geht dann zu einem Auswerter der einen elektronischen Schalter steuert und dem Hauptempfanger zum Beispiel einem Radio die Antenne zuschaltet die den hochsten Pegel beziehungsweise den besten Rauschabstand erzeugt Selection Diversity Zusatzlich zu den Empfangern in den Antennenzweigen gibt es also einen dritten Empfanger der dann das Signal zum Beispiel als Bild oder Ton weiterverarbeitet Dieses Verfahren hat den Vorteil Antennen unabhangig voneinander messen zu konnen ohne dass ein Antennenwechsel erfolgen muss Einer der Nachteile besteht darin dass fur jede Antenne ein eigener Empfangszweig vorhanden sein muss Dies ist mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden welcher gerade in mobilen Endgeraten zum Beispiel in der Automobilindustrie im Mobilfunk moglichst gemieden wird Im Bereich der funktechnischen Ubertragung von Mikrofonsignalen ist die Konstruktion mit mehreren Empfangern ein Qualitatsmerkmal und wird mit True Diversity bezeichnet Hochwertige Funkmikrofone beziehungsweise deren Empfangsteile sind in der Regel nach diesem Prinzip aufgebaut Der Begriff Scanning Diversity bezeichnet ein Verfahren welches das Umschalten verschiedener Antennen an einen Empfanger beinhaltet Unterschreitet die momentan aufgeschaltete Antenne einen festgelegten Wert oder weist die Antenne ein Storsignal auf so wird dem Empfanger die nachste das Kriterium erfullende Antenne angeboten Weitere Antennen lassen sich problemlos integrieren ein weiterer Port am Umschalter vor dem Empfanger und der Auswertelogik Im gesamten System ist lediglich ein Empfanger vorhanden welcher neben der Nachrichtenubermittlung auch der Signalauswertung fur die Diversitats Logik dient Die genannten Verfahren setzen eine HF Signalverarbeitung voraus Mischformen sind moglich Der Begriff Digital Diversity wird fur ein Verfahren genutzt bei welchem das hochfrequente Antennensignal in das Basisband heruntergemischt und anschliessend digitalisiert wird Die weitere Verarbeitung im Empfanger erfolgt vollstandig digital mit allen sich bietenden Vor und Nachteilen Ein Vorteil besteht beispielsweise in der Anwendung digitaler Filter zur prazisen Kanaltrennung bei Nachbarkanalstorungen ein Nachteil ist der enorme Kostenaufwand zur Integration weiterer Antennen siehe oben steigende Anzahl von Empfangerzweigen Mit aufwendigeren Verfahren wie sie zum Beispiel beim Mobilfunkstandard UMTS benutzt werden konnen die Signale mehrerer Antennen gewichtet addiert werden um das Signal Rausch Verhaltnis zu optimieren Basisstationen haben zu diesem Zweck gewohnlich mehrere oft zwei Empfangsantennen fur eine Zelle Auf Mobiltelefonseite ist es weitaus schwieriger und teurer mehr als eine Antenne in ein Gerat zu integrieren Infineon hat einen solchen HF Chip namens SMARTi UE 2008 das erste Mal prasentiert SendediversitatDa bei manchen Funkgeraten zum Beispiel Mobiltelefonen die Realisierung von Empfangsdiversitat zu aufwandig ist kann auch senderseitig hier Mobilfunk Basisstation mit mehreren Antennen gearbeitet werden Da das gleichzeitige Aussenden eines Funksignals uber mehrere Antennen zu unerwunschten Richtwirkungen fuhren wurde muss entweder schnell zwischen den Sendeantennen umgeschaltet werden oder es wird zeitversetzt gesendet was aus Sicht des Empfangers einer Mehrwegeausbreitung entspricht Dies ist jedoch nur sinnvoll wenn der Empfanger in der Lage ist die Signale von mehreren Ausbreitungswegen zu kombinieren AntennenanordnungenEs wird zwischen Raumdiversitat und Polarisationsdiversitat unterschieden Bei der Raumdiversitat werden identische Antennen in gewissem Abstand zueinander aber mit gleicher Ausrichtung montiert Ein Mindestabstand von zehn Wellenlangen Faustformel sollte eingehalten werden um den Diversitatsgewinn voll auszunutzen Bei der Polarisationsdiversitat werden zwei Antennen mit einem Winkelunterschied von 90 zueinander montiert Da sich Interferenz zu einem bestimmten Zeitpunkt und Ort meist nur auf eine Polarisationsrichtung auswirkt kann mit gekreuzten Antennen ein Diversitatsgewinn erzielt werden Das hangt damit zusammen dass bei linearer Polarisation durch Beugung oder Reflexion an Gegenstanden die Polarisationsebene gedreht werden kann Bei rotierender Polarisation kann durch Reflexion die Rotationsrichtung verandert werden Hier kommen dann zwei Antennen mit unterschiedlicher Rotationsrichtung zum Einsatz Im Gegensatz zur Diversitat werden bei speziellen Antennenpaaren die Interferenzen nicht verringert sondern verstarkt und zu Richtungsmessungen benutzt AnwendungsbeispieleWLAN Access Point mit drei Antennen Moderne Autos haben beispielsweise oft die Antennen in den Front Heck oder auch Seitenscheiben und zum Teil auch in den Stossstangen eingebaut Bei vielen WLAN Access Points werden inzwischen mehrere Antennen verwendet diese ubertragen jedoch verschiedene Signale um mittels MIMO die Datenrate zu erhohen GSM und UMTS Basisstationen verwenden meistens Empfangsdiversitat Einige Hersteller von Netztechnik bieten bereits zusatzlich Sendediversitat an Kabellose Mikrofone sind schon wegen ihrer Bewegung im Ubertragungsraum auf Diversitat angewiesen um ein unterbrechungsfreies Signal zu liefern Hier haben die Empfangsgerate zwei separate Empfangsteile und schalten unhorbar auf das jeweils bessere Signal um Smart AntennasEinen Schritt weiter als Diversitat geht das Prinzip der Smart Antennas Hierbei wird ein Array von vier oder mehr Antennen eingesetzt Die Signale der Einzelelemente werden uber einstellbare Phasenschieber kombiniert Hierdurch entsteht eine Richtwirkung die elektrisch eingestellt werden kann Dazu dient das Prinzip der Phased Array Antenne Eine weitere Anwendung findet Diversitat im Rahmen von HSDPA Datenkarten DVB T in FahrzeugenDank Diversitats Empfangern ist auch der DVB T Empfang in einem bewegten Fahrzeug moglich Je nach Kanal kann eventuell ein storungsfreies TV Signal empfangen werden Das funktioniert in den unteren Kanalen bis etwa 160 km h Siehe auchMIMO Nachrichtentechnik LiteraturEberhard Spindlert Das grosse Antennen Buch 11 Auflage Franzis Verlag Munchen 1987 ISBN 3 7723 8761 6 Jurgen Detlefsen Uwe Siart Grundlagen der Hochfrequenztechnik 2 Auflage Oldenbourg Verlag Munchen Wien 2006 ISBN 3 486 57866 9 Hans Lobensommer Handbuch der modernen Funktechnik 1 Auflage Franzis Verlag Poing 1995 ISBN 3 7723 4262 0WeblinksBeschreibung verschiedener Prinzipien von Antennendiversitat mit Bildern und FormelnEinzelnachweiseProduktbeschreibung infineon com Pressebericht 11 Februar 2008 infineon com