Funkkommunikation & Avionik: Antennen, Propagation, Systeme

Grundlagen der Funkkommunikation

Antennen und ihre Eigenschaften

• Antenne: Eine Antenne zeichnet sich durch hohe Richtwirkung und Gewinn aus. Sie konzentriert die elektromagnetische Energie (EM) auf den Empfänger (Rx). Eine Antenne besteht nicht nur aus einem einzelnen Element.
• Strahlungsdiagramm (Radiation Pattern): Beschreibt die gemessene Fernfeld-Region im Raum, in der die abgestrahlte Leistung unabhängig von der Distanz ist.
• Freiraumdämpfung und Gewinn:
  • Formel: Gf = 1/Lf = (λ / 4πr)²
• Friis-Übertragungsgleichung (in dB): Pr = Pt + Gt + Gr - Lf (wobei Pr = Empfangsleistung, Pt = Sendeleistung, Gt = Gewinn der Sendeantenne, Gr = Gewinn der Empfangsantenne, Lf = Freiraumdämpfung).
• Leistungseinheiten:
  • P [dBW] = 10 * log₁₀ (P [W])
  • P [dBm] = 10 * log₁₀ (P [mW] / 1mW)
• Bandbreite und Gütefaktor:
  • Relative Bandbreite (FBW): (f_max - f_min) / f_Mitte * 100 %
  • Gütefaktor (Q): f_Mitte / (f_max - f_min)
• Multiband- und Breitbandantennen:
  • Für den Betrieb in mehreren Frequenzbändern wäre es unpraktisch, für jedes Band eine separate Antenne zu verwenden.
  • Lösung:
    • Multiband-Antennen: Abgestimmt auf mehrere, voneinander unabhängige Frequenzbänder.
    • Breitbandantennen: Abgestimmt auf eine breite Frequenzbandbreite.
• Dipolantennen (Beispiele für Länge und Gewinn/Direktivität):
  • λ/4 Dipol: D = 1.64
  • 3λ/8 Dipol: D = 1.94
  • 5λ/8 Dipol: D = 3.33
  • λ/2 Dipol: D = 2.41
  • 3λ/4 Dipol: D = 2.17
  • λ Dipol: D = 2.52

Funkwellenausbreitung und Dämpfung

• Reichweite ist abhängig von:
  • Sendeleistung (Pot. Tx) und Empfängerempfindlichkeit (Sensibilität)
  • Art der verwendeten Antennen
  • Standort und Topografie
  • Dämpfung
• Dämpfung durch Regen:
  • Betrifft terrestrische und Satellitenfunkverbindungen.
  • Beeinflusst Frequenzen ab ca. 6 GHz.
  • Die Dämpfung steigt mit der Frequenz, insbesondere wenn die Tropfengröße der Wellenlänge (λ) ähnelt.
  • Formel: L (dB) = α (dB/km) * Distanz (km)
• Äquivalente Rauschleistung am Empfängereingang: Pn = k * T * B (wobei k = Boltzmann-Konstante, T = Temperatur, B = Bandbreite).
• Troposphärische Streuung:
  • Vorteil: Ermöglicht große Reichweiten.
  • Nachteile:
    • Erfordert hohe Sendeleistung.
    • Starkes Fading durch Mehrwegeausbreitung.
    • Vorübergehende Instabilität.
• Ionosphärische Kommunikation (HF):
  • Die Ionosphäre hat großen Einfluss auf die Reichweite, da sie von Reflexion und Himmelwellenausbreitung abhängt.
  • Veränderungen in der Ionosphäre beeinflussen die Ausbreitung von Funkwellen.
  • Verwendet oft zwei Trägerfrequenzen (z.B. 8 bis 22 MHz) mit SSB-Modulation.
  • Zur Abdeckung großer Entfernungen, aber nicht immer zuverlässig für kontinuierliche Übertragung.
  • Starke tages- und nachtzeitliche Ausbreitungsänderungen.
  • Einzigartiges System ermöglicht direkte Verbindung zur Bodenstation.
• Atmosphärischer Brechungsindex: Ein höherer atmosphärischer Brechungsindex kann zu einer größeren Reichweite führen. Es können jedoch auch Kohärenzinterferenzen bei geringen Abständen auftreten, und das Sendesignal wird über die Distanz stark gedämpft.

Multiple Access Verfahren

• TDMA (Time Division Multiple Access):
  • Erfordert Zeitsynchronisation.
  • Nur für digitale Modulationen geeignet.
  • Basierend auf zeitlich geteilter Übertragung (Bursts).
• CDMA (Code Division Multiple Access):
  • Der Code erzeugt eine Bandspreizung.
  • Erfordert Codesynchronisation zwischen Sender (Tx) und Empfänger (Rx).
  • Benötigt Leistungsregelung.
  • Ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt.

Aeronautical Communication Systems (Avionik)

• CPDLC (Controller-Pilot Data Link Communications):
  • Verbessert die Geschwindigkeit und das Verständnis von Mitteilungen zwischen Fluglotsen und Piloten.
  • Reduziert die Notwendigkeit von Sprachfunk (Tx ATC).
  • Verwendete Technologien: VHF, HF.
• ADS (Automatic Dependent Surveillance):
  • Überwachungs- und Kontrollsystem, das auf zuvor erhaltenen Positionsinformationen basiert.
  • Positionen werden automatisch erfasst.
• Intermodulationsblockierung: Die UKW-Rundfunkband (88-108 MHz) kann Intermodulationsstörungen verursachen.
• AMSS (Aeronautical Mobile Satellite Service):
  • Geostationäre Satelliten (ca. 36.000 km Höhe).
  • Verbindung zu Bodenstationen über Satelliten.
• VHF/HF Sprachkommunikation:
  • VHF: In Terminalbereichen (Kanalabstand 25 kHz, in Europa 8,33 kHz).
  • HF: In abgelegenen Gebieten.
• HFDL (HF Data Link):
  • Ergänzung zu AMSS.
  • Jede Bodenstation überwacht 3 oder 4 HF-Frequenzen, misst die Qualität der Sender und wählt die passende Frequenz.
  • Datenübertragungsgeschwindigkeit: 300-1800 bps.
  • Vertikale Polarisation.
• 8,33 kHz Kanalabstand:
  • Kann nicht auf 25 kHz reduziert werden ohne Technologieänderung.
  • Wird schrittweise durch VDL-Systeme ersetzt.
• VHF Data Link (VDL) Systeme:
  • VDL2:
    • Frequenzband: 118 bis 136,9 MHz (25 kHz Kanalabstand).
    • Modulation: D8PSK.
    • Geschwindigkeit: 31,5 kbit/s.
    • Bietet Flugzeug-Boden Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
    • Einschränkung: Erfüllt die Anforderungen in Gebieten mit hoher Verkehrsdichte nicht vollständig.
  • VDL3:
    • Frequenzband: 118 bis 136,9 MHz.
    • Modulation: D8PSK.
    • Geschwindigkeit: 31,4 kbit/s.
    • Unterstützt Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen.
  • VDL4:
    • Frequenzband: 108 bis 136,9 MHz.
    • Modulation: GFSK.
    • Geschwindigkeit: 19,2 kbit/s.
    • Ermöglicht Flugzeug-Boden Punkt-zu-Punkt, Punkt-zu-Mehrpunkt und Flugzeug-Flugzeug Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
    • Erfüllt ATC-Anforderungen.
    • Band für Überwachung reserviert und dient zur Übertragung von ADS-B Positionsdaten.
• GPS-Signale und Polarisation:
  • GPS-Signale werden mit rechtshändiger zirkularer Polarisation (RHCP) abgestrahlt.
  • Wenn ein Empfänger ein linear vertikal oder horizontal polarisiertes Signal empfängt, gehen im Vergleich zur maximalen Leistung 3 dB verloren.
  • Um die maximale Leistung zu erhalten, sollte der Empfänger ebenfalls RHCP-polarisiert sein.
• Kommunikation Flugzeug-Boden (T/A): Leidet Tag und Nacht unter Reflexionen.
• Frequenzmanagement bei mehreren Bodenstationen: Wenn für einen Sektor die Verwendung mehrerer, frequenzversetzter Bodenstationen notwendig ist, überträgt das Luftfahrzeug auf der gleichen Frequenz. Die Bodenstation wählt das Signal mit der höchsten Qualität aus.

Satellitenkommunikation

• Satellitenverbindung zum Netzwerk:
  • Die Leistung kann durch Regen und die Anzahl der Nutzer eingeschränkt sein, insbesondere im Downlink.
• Einfluss von Regen auf Satellitenkommunikation:
  • Im Uplink verursacht Regen eine Reduktion des Träger-Rausch-Verhältnisses (C/N)_Uplink.
  • Der Downlink ist in der Regel durch die Sendeleistung des Satelliten begrenzt.
• Bodenstationen und Abdeckungsbereich: Der genaue Standort der Bodenstation hat keinen großen Einfluss auf den Abdeckungsbereich des Satelliten.
• Antennendurchmesser und Öffnungswinkel: Antennen mit gleichem Durchmesser auf der Erde (für Satellitenkommunikation) haben einen kleineren Öffnungswinkel als die Uplink-Antenne auf dem Satelliten.