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Grundlagen der Funkkommunikation

Wellenlänge und Frequenz, dBm und Link-Budget, Freiraumdämpfung und Fading, ASK, PSK und QAM mit Symbolraten, das Shannon-Hartley-Gesetz, OFDM und OFDMA, MIMO und Beamforming, das Hidden-Station-Problem im WLAN, BLE, LPWA und NFC, LNA, Mischer, PA und Rauschmaß sowie Superheterodyn- und Direktmischempfänger, erarbeitet mit Multiple-Choice-Fragen.

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Grundlagen der Funkkommunikation: Kernpunkte

Smartphones, WLAN und IoT-Geräte übertragen Informationen mit Funkwellen und holen äußerst schwache Signale aus dem Rauschen heraus. Ihre Leistungsfähigkeit ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Übertragungsverfahren wie Modulation und Vielfachzugriff, Hochfrequenzschaltungen wie Verstärkern, Mischern und Filtern sowie den Halbleiterbauelementen, mit denen diese Schaltungen verwirklicht werden.

Behandelt werden, auch mit Rechenaufgaben, Grundlagen der Funkwellen wie Frequenz und Wellenlänge, Link-Budgets in dB und dBm, Freiraumdämpfung, Mehrwege-Fading und Doppler-Verschiebung, außerdem ASK, FSK, PSK und QAM, Symbolrate und Bitrate, das Shannon-Hartley-Gesetz, OFDM und das zyklische Präfix, CDMA und OFDMA sowie MIMO und Beamforming. Hinzu kommen WLAN-Standards und das Hidden-Station-Problem, WPA3, BLE, LPWA, NFC und GNSS, die Konzepte von 4G LTE und 5G NR, die Aufgaben von LNA, Mischer, PA und Duplexer, Rauschmaß und Friis-Formel, Empfindlichkeit, Superheterodyn- und Direktmischempfänger sowie die Gründe, warum für PAs Verbindungshalbleiter verwendet werden.

Alle Fragen zu Grundlagen der Funkkommunikation (40)
  1. Die Lichtgeschwindigkeit sei 3×10⁸ m/s. Welcher Wert liegt der Wellenlänge einer Funkwelle mit 2,4 GHz im Vakuum am nächsten?
  2. Ein Funkgerät sendet mit 20 dBm. Welcher Wert entspricht dieser Leistung in mW?
  3. Welche Beschreibung der Einheit dBi für den Antennengewinn trifft zu?
  4. Sende- und Empfangsantenne haben einen Gewinn von 0 dBi. Welcher Wert liegt der Freiraumdämpfung am nächsten, wenn sich eine Funkwelle mit 2,4 GHz (Wellenlänge 0,125 m) 100 m weit im freien Raum ausbreitet?
  5. Die Sendeleistung beträgt 20 dBm, der Gewinn der Sendeantenne 2 dBi, der Gewinn der Empfangsantenne 2 dBi, die Ausbreitungsdämpfung 100 dB und die Kabelverluste auf Sende- und Empfangsseite zusammen 4 dB. Wie groß ist die Empfangsleistung?
  6. Wie heißt in der Funkkommunikation die Erscheinung, dass an Gebäuden und anderen Objekten reflektierte Funkwellen wegen unterschiedlicher Weglängen verzögert eintreffen, mit der direkt eintreffenden Welle interferieren und die Empfangsleistung an bestimmten Orten oder Frequenzen stark einbrechen lassen?
  7. Ein Endgerät, das eine Funkwelle mit 2 GHz empfängt, bewegt sich mit 30 m/s (108 km/h) auf die Basisstation zu. Die Lichtgeschwindigkeit sei 3×10⁸ m/s. Welcher Wert liegt dem Betrag der Frequenzverschiebung (Doppler-Verschiebung) der empfangenen Welle am nächsten?
  8. Welche Beschreibung trifft allgemein auf Funkwellen in Millimeterwellenbändern wie dem in 5G genutzten 28-GHz-Band im Vergleich zu Bändern unter 6 GHz zu?
  9. Welches digitale Modulationsverfahren stellt Daten dar, indem es die Phase ändert, während Amplitude und Frequenz der Trägerwelle konstant bleiben?
  10. Wie viele Bit lassen sich bei 64QAM mit einem Symbol übertragen?
  11. Wie hoch ist die Bitrate bei 16QAM mit einer Symbolrate von 5 M Symbolen pro Sekunde (5 MBaud)?
  12. Welche Aussage über die allgemeinen Eigenschaften beim Wechsel der Modulation von 16QAM auf 256QAM bei gleicher Symbolrate ist zutreffend?
  13. Welcher Wert liegt für einen Kanal mit 20 MHz Bandbreite und einem S/N (Signal-Rausch-Verhältnis) von 30 dB der Kanalkapazität (der theoretischen Obergrenze der fehlerfrei übertragbaren Datenrate) nach dem Shannon-Hartley-Gesetz am nächsten?
  14. Welche Beschreibung von OFDM (orthogonales Frequenzmultiplexverfahren) trifft zu?
  15. Was ist bei OFDM der Hauptzweck des zyklischen Präfixes (CP), bei dem ein Teil vom Ende jedes Symbols kopiert und dem Symbol vorangestellt wird?
  16. Bei OFDM ist die Symboldauer ohne CP der Kehrwert des Unterträgerabstands. Welcher Wert liegt der Symboldauer ohne CP am nächsten, wenn der Unterträgerabstand von 15 kHz auf 60 kHz vergrößert wird?
  17. Welche Beschreibung des Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS, Direktsequenz-Spreizverfahren) trifft zu?
  18. Bei welchem Vielfachzugriffsverfahren nutzen mehrere Nutzer dieselbe Frequenz zur selben Zeit, und ihre Signale werden durch einen für jeden Nutzer anderen Code unterschieden?
  19. Welche Beschreibung von OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) trifft zu?
  20. Wie groß ist bei MIMO mit 4 Sendeantennen und 2 Empfangsantennen höchstens die Zahl der unabhängigen Datenflüsse (Streams), die durch räumliches Multiplexing auf derselben Frequenz zur selben Zeit gesendet werden können?
  21. Welche Technik passt die Phase (und Amplitude) des von jedem von mehreren Antennenelementen gesendeten Signals an, sodass sich die Funkwellen in einer bestimmten Richtung gegenseitig verstärken?
  22. Was ist der zutreffendste Hauptgrund dafür, dass in Basisstationen und Endgeräten für 5G-Millimeterwellen Beamforming mit Gruppenantennen aus vielen Elementen eingesetzt wird?
  23. Was ist im zellularen Mobilfunk der Hauptgrund dafür, das Versorgungsgebiet in viele kleine Bereiche (Funkzellen) mit jeweils einer eigenen Basisstation aufzuteilen?
  24. Was ist der zutreffendste Hauptgrund dafür, dass im Uplink von 4G LTE (Senderichtung vom Endgerät zur Basisstation) SC-FDMA (DFT-gespreiztes OFDM) statt des im Downlink verwendeten OFDMA eingeführt wurde?
  25. Welches Frequenzband nutzt ein WLAN nach IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5)?
  26. Welche Beschreibung des RTS/CTS-Mechanismus, mit dem das Hidden-Station-Problem im WLAN entschärft wird, trifft zu?
  27. Welches Authentifizierungs- und Schlüsselaustauschverfahren ersetzt im Personal-Modus des WLAN-Sicherheitsstandards WPA3 das Verfahren mit Pre-Shared Key (PSK) von WPA2 und erschwert es, das Passwort per Offline-Wörterbuchangriff zu erraten, selbst wenn der Datenverkehr mitgeschnitten wird?
  28. Welche Beschreibung von Bluetooth Low Energy (BLE) trifft zu?
  29. Welche Beschreibung der im IoT eingesetzten Funkkommunikation LPWA (Low Power Wide Area) trifft zu?
  30. Welche Beschreibung von NFC, das für kontaktlose Fahrkarten (IC-Karten) und kontaktloses Bezahlen mit dem Smartphone verwendet wird, trifft zu?
  31. Wie viele Satelliten braucht ein Empfänger für ein GNSS (globales Navigationssatellitensystem) wie GPS mindestens, um seine dreidimensionale Position zu bestimmen und dabei auch den Fehler seiner eigenen Uhr zu ermitteln?
  32. Welche Schaltung sitzt in einem Funkempfänger direkt hinter der Antenne und verstärkt das schwache Empfangssignal, wobei sie möglichst wenig eigenes Rauschen hinzufügt?
  33. Welche Schaltung multipliziert in einem Empfänger das Empfangssignal mit dem Signal des Lokaloszillators (LO), erzeugt ein Signal mit der Differenz (oder Summe) der beiden Frequenzen und setzt so die Frequenz um?
  34. Ein Superheterodynempfänger empfängt ein Signal mit 900 MHz, indem er den Lokaloszillator (LO) auf 800 MHz einstellt und auf eine Zwischenfrequenz (ZF) von 100 MHz umsetzt. Welches ist die Spiegelfrequenz, die ebenfalls auf dieselbe ZF von 100 MHz umgesetzt würde?
  35. Welche Beschreibung trifft im Vergleich zum Superheterodynempfänger auf den Direktmischempfänger zu, der den Lokaloszillator (LO) auf dieselbe Frequenz wie das Empfangssignal einstellt und ohne Zwischenfrequenz direkt ins Basisband umsetzt?
  36. Was ist bei einem Sender für OFDM- oder höherwertige QAM-Signale der Hauptgrund dafür, den Leistungsverstärker (PA) in einem Arbeitspunkt unterhalb der Sättigung seiner Ausgangsleistung (mit Back-off) zu betreiben?
  37. In der ersten Stufe eines Empfängers sitzt ein LNA mit einem Rauschmaß von 1,5 dB und einer Verstärkung von 15 dB, gefolgt von einer Schaltung mit einem Rauschmaß von 10 dB. Welcher Wert liegt dem Rauschmaß der beiden Stufen zusammen am nächsten?
  38. Für thermisches Rauschen bei 290 K gelte eine Leistungsdichte von −174 dBm/Hz. Ein Empfänger hat eine Bandbreite von 1 MHz und ein Rauschmaß von 6 dB und benötigt zum Demodulieren ein S/N von 10 dB. Welcher Wert liegt der Empfindlichkeit (der kleinsten empfangbaren Signalleistung) am nächsten?
  39. Welches Bauteil trennt in einem Mobiltelefon mit FDD, das gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzen sendet und empfängt, Sende- und Empfangssignal anhand ihres Frequenzunterschieds, sodass eine Antenne für Senden und Empfangen gemeinsam genutzt werden kann?
  40. In der Funkschaltung eines Smartphones wird der Transceiver mit LNA, Mischer, PLL usw. oft auf einem CMOS-Chip integriert, während für den Sende-PA oft Verbindungshalbleiter wie GaAs-HBT verwendet werden. Was ist der zutreffendste Hauptgrund dafür?

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