Gourt Home::Gourt :: Antenna Diversity
Der englische Begriff Antenna diversity bezeichnet ein Verfahren, bei dem mehrere Antennen pro Sender oder Empfänger verwendet werden, um Interferenz-Effekte bei der Funkübertragung zu reduzieren. Dies ist besonders bei mobilen Funkanwendungen sinnvoll.
Empfangsdiversity
Bei der Ausbreitung von Funkwellen treten Reflexionen der Funkwelle an Gebäuden 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 (Interferenz), da beide dieselbe Frequenz haben.
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. Dazu kommen noch allgemeine Störungen und Pegelschwankungen.
Funktionsprinzip
Das Bild zeigt ein Verfahren, 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 die Antenne dem Radio zuschaltet, die den höchsten Pegel, die geringsten Störungen beziehungsweise Interferenzen hat ("Selection Diversity"). Zusätzlich zu den Empfängern in den Antennenzweigen weist hier auch das Radio einen eigenen Empfänger auf (->drei Empfänger im System).
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 der Automobilindustrie möglichst gemieden wird.
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 der Empfänger des Radios vorhanden, welcher auch der Signalauswertung für die Diversity-Logik dient.
Es können auch mit aufwendigeren Verfahren die Signale aus mehreren Antennen gewichtet addiert werden, um den optimalen Signal-Rausch-Abstand zu erhalten.
Die o.a. 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 (s.o., steigende Anzahl von Empfängerzweigen).
Sendediversity
Da bei manchen Funkgeräten (z.B. Mobiltelefonen) die Realisierung von Empfangsdiversity 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 Raumdiversity und Polarisationsdiversity unterschieden.
Beim Raumdiversity werden (identische) Antennen in gewissem Abstand zueinander aber mit gleicher Ausrichtung montiert. Ein Mindestabstand von zehn Wellenlängen (= Faustformel) sollte eingehalten werden, um den Diversitygewinn voll auszunutzen.
Beim Polarisationsdiversity 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 Diversitygewinn erzielt werden.
Anwendungsbeispiele
Moderne Autos haben beispielsweise oft die Antennen in den Front-, Heck- oder auch Seitenscheiben und zum Teil auch in den Stoßstangen eingebaut.
Bei fast allen WLAN-Accesspoints werden inzwischen zwei Antennen verwendet.
GSM- und UMTS-Basisstationen verwenden meistens Empfangsdiversity. Einige Hersteller von Netztechnik bieten bereits zusätzlich Sendediversity an.
Smart antennas
Einen Schritt weiter als Diversity 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.
DVB-T in Fahrzeugen
Dank Diversity Empfängern ist auch der DVB-T Empfang in einem bewegten Fahrzeug möglich. Je nach Kanal ist der Empfang von einem störungsfreien TV-Signal möglich. In den unteren Kanälen können etwa 160 km/h erreicht werden. Die zur Zeit verfügbaren Empfänger für Autos sind allerdings noch recht teuer.
"Antenna Diversity"