3.12 Dezibel, Antennengewinn, EIRP und ERP In der Funktechnik und Netzwerktechnik begegnen dir häufig Begriffe wie: dB dBm dBi Antennengewinn EIRP ERP Diese Begriffe sind wichtig, wenn es um WLAN, Funkleistung, Antennen und erlaubte Sendeleistung geht. Wichtig: Eine Antenne erzeugt keine zusätzliche Energie. Sie kann Energie nur in bestimmte Richtungen stärker bündeln. Begriff: Dezibel Dezibel wird mit dB abgekürzt. dB beschreibt ein Verhältnis. Das bedeutet: dB gibt an, wie viel stärker oder schwächer ein Signal im Vergleich zu einem anderen Signal ist. Wichtig: dB ist keine normale Längeneinheit. dB beschreibt ein logarithmisches Verhältnis. Vereinfacht gesagt: dB zeigt, um welchen Faktor sich eine Leistung verändert. Merksatz: dB = Verhältniswert. Warum verwendet man dB? In der Funk- und Netzwerktechnik können Unterschiede sehr groß sein. Beispiele: - ein Signal wird 10-mal stärker - ein Signal wird 100-mal stärker - ein Signal wird 1000-mal stärker - ein Signal wird auf einer Strecke schwächer Mit normalen Zahlen werden solche Unterschiede schnell unübersichtlich. Dezibel macht große Verhältnisse kompakter darstellbar. Merksatz: dB macht große Signalverhältnisse übersichtlicher. dB bei Leistung Bei Leistungswerten gilt vereinfacht: dB-Wert Faktor 3 dB ungefähr Faktor 2 10 dB Faktor 10 13 dB ungefähr Faktor 20 20 dB Faktor 100 30 dB Faktor 1000 40 dB Faktor 10000 Wichtig: +10 dB bedeutet bei Leistung: zehnfache Leistung. -10 dB bedeutet bei Leistung: ein Zehntel der Leistung. Merksatz: 10 dB = Faktor 10 bei Leistung. Positive und negative dB-Werte dB-Werte können positiv oder negativ sein. dB-Wert Bedeutung positiver dB-Wert Verstärkung oder Gewinn negativer dB-Wert Dämpfung oder Verlust Beispiele: +10 dB = Signal wird stärker -10 dB = Signal wird schwächer In der Praxis: Antennengewinn wird oft positiv angegeben. Kabelverluste oder Dämpfung werden oft als Verlust angegeben. Merksatz: Plus-dB = mehr. Minus-dB = weniger. Begriff: Dämpfung Dämpfung bedeutet: Ein Signal wird schwächer. Dämpfung kann entstehen durch: - Kabellänge - Steckverbindungen - Wände - Luftstrecke - Störungen - schlechte Kabel - schlechte Antennenposition - verschmutzte Glasfaserstecker Bei Funk und WLAN bedeutet Dämpfung: Das Funksignal kommt schwächer beim Empfänger an. Merksatz: Dämpfung = Signalverlust. Begriff: Verstärkung Verstärkung bedeutet: Ein Signal wird stärker. In der Funktechnik muss man genau unterscheiden: Ein Verstärker kann ein Signal aktiv stärker machen. Eine Antenne verstärkt nicht aktiv, sondern bündelt die vorhandene Energie. Wichtig: Antennengewinn ist keine Energieerzeugung. Merksatz: Verstärker erhöht aktiv. Antenne bündelt passiv. Antennengewinn Antennengewinn beschreibt, wie stark eine Antenne die abgestrahlte Energie in eine bestimmte Richtung bündelt. Eine Antenne kann keine Leistung erzeugen. Sie kann nur die vorhandene Leistung anders verteilen. Vereinfacht gesagt: In eine Richtung wird mehr abgestrahlt. In andere Richtungen wird dafür weniger abgestrahlt. Merksatz: Antennengewinn = Bündelung der Funkenergie. Taschenlampen-Vergleich Eine Antenne kann man vereinfacht mit einer Taschenlampe vergleichen. Ohne Reflektor: Das Licht verteilt sich in viele Richtungen. Es ist überall etwas hell, aber nirgends besonders stark. Mit Reflektor: Das Licht wird in eine Richtung gebündelt. In diese Richtung ist es deutlich heller. Übertragen auf Antennen: Eine Antenne erzeugt keine neue Energie. Sie bündelt die vorhandene Energie in bestimmte Richtungen. Merksatz: Antenne = kein zusätzlicher Strom, sondern gezieltere Abstrahlung. Rundstrahlantenne Eine Rundstrahlantenne strahlt vereinfacht in alle horizontalen Richtungen ab. Typischer Einsatz: - WLAN-Access-Point - Heimrouter - allgemeine Funkabdeckung - Räume oder kleinere Bereiche Vorteil: mehrere Richtungen werden abgedeckt Nachteil: weniger gezielte Reichweite in eine bestimmte Richtung Merksatz: Rundstrahlantenne = breite Abdeckung. Richtantenne Eine Richtantenne bündelt die Funkenergie stärker in eine bestimmte Richtung. Typischer Einsatz: - Punkt-zu-Punkt-Verbindung - Gebäudeverbindung - gezielte Funkstrecke - Außenbereich - Richtfunk Vorteil: höhere Reichweite in eine Richtung Nachteil: andere Richtungen werden weniger gut versorgt Merksatz: Richtantenne = gezielte Funkstrecke. dBi dBi beschreibt den Antennengewinn bezogen auf einen idealen isotropen Strahler. Ein isotroper Strahler ist ein theoretischer Bezugspunkt. Er strahlt ideal gleichmäßig in alle Richtungen. Wichtig: dBi ist eine Angabe für Antennengewinn. Beispiel: Antennengewinn: 5 dBi Das bedeutet: Die Antenne bündelt im Vergleich zu einem idealen Rundumstrahler stärker in bestimmte Richtungen. Merksatz: dBi = Antennengewinn bezogen auf isotropen Strahler. dBd dBd beschreibt den Antennengewinn bezogen auf einen Halbwellendipol. Ein Dipol ist eine reale Antennenform, die als Bezugspunkt verwendet werden kann. Wichtig: dBi und dBd sind nicht dasselbe. Näherungsweise gilt: 0 dBd ≈ 2,15 dBi Oder anders gesagt: dBi-Wert ≈ dBd-Wert + 2,15 dB Merksatz: dBi und dBd haben unterschiedliche Bezugspunkte. dBm dBm ist eine Leistungsangabe. dBm bezieht sich auf: 1 Milliwatt Wichtig: dB beschreibt ein Verhältnis. dBm beschreibt eine absolute Leistung bezogen auf 1 mW. Typische Werte: Leistung dBm 1 mW 0 dBm 10 mW 10 dBm 100 mW 20 dBm 1000 mW 30 dBm Merksatz: dBm = absolute Leistung bezogen auf 1 mW. dB, dBi und dBm unterscheiden Diese Begriffe werden häufig verwechselt. Begriff Bedeutung dB Verhältniswert dBi Antennengewinn bezogen auf isotropen Strahler dBd Antennengewinn bezogen auf Dipol dBm absolute Leistung bezogen auf 1 mW Prüfungshinweis: dB ist ein Verhältnis. dBm ist eine Leistung. dBi ist ein Antennengewinn. Merksatz: dB ≠ dBm ≠ dBi. EIRP EIRP steht für: Equivalent Isotropically Radiated Power Auf Deutsch sinngemäß: äquivalente isotrope Strahlungsleistung EIRP beschreibt die abgestrahlte Leistung bezogen auf einen idealen isotropen Strahler. EIRP berücksichtigt: - Sendeleistung - Antennengewinn - Leitungs- und Steckerverluste Fachlich wichtig: EIRP ist entscheidend, wenn es um gesetzlich erlaubte Sendeleistung bei Funk geht. Merksatz: EIRP = wirksame abgestrahlte Leistung bezogen auf isotropen Strahler. ERP ERP steht für: Effective Radiated Power Auf Deutsch sinngemäß: effektive Strahlungsleistung ERP ist ähnlich wie EIRP, verwendet aber einen anderen Bezugspunkt. ERP bezieht sich auf einen Halbwellendipol. Wichtig: EIRP und ERP sind nicht identisch. Näherungsweise gilt: EIRP = ERP + 2,15 dB Oder: ERP = EIRP - 2,15 dB Merksatz: EIRP bezieht sich auf isotrop. ERP bezieht sich auf Dipol. Warum sind EIRP und ERP wichtig? Bei Funk darf nicht beliebig stark gesendet werden. Der Gesetzgeber begrenzt die maximal erlaubte abgestrahlte Leistung. Grund: Andere Funkdienste sollen nicht gestört werden. WLANs sollen sich gegenseitig nicht unnötig stark stören. Funkbereiche müssen gemeinsam nutzbar bleiben. Wichtig: Nicht nur die Sendeleistung des Geräts zählt. Auch der Antennengewinn zählt mit. Merksatz: Starke Antenne kann bedeuten: Sendeleistung muss reduziert werden. Vereinfachte Berechnung von EIRP In dB-Werten kann man vereinfacht rechnen: EIRP = Sendeleistung + Antennengewinn - Verluste Fachlich als dB-Rechnung: EIRP in dBm = Sendeleistung in dBm + Antennengewinn in dBi - Kabelverluste in dB Beispiel: Sendeleistung: 10 dBm Antennengewinn: 5 dBi Kabelverlust: 1 dB Rechnung: 10 dBm + 5 dBi - 1 dB = 14 dBm EIRP Merksatz: Leistung plus Gewinn minus Verlust ergibt EIRP. Beispiel mit 100 mW und 13 dB Antennengewinn Angenommen: maximal erlaubte EIRP: 100 mW Antennengewinn: 13 dB 13 dB entsprechen ungefähr: Faktor 20 Wenn die Antenne das Signal ungefähr um Faktor 20 bündelt, darf die zugeführte Sendeleistung entsprechend kleiner sein. Vereinfacht: 100 mW / 20 = 5 mW Das bedeutet: Bei 13 dB Antennengewinn dürfte der Sender vereinfacht nur etwa 5 mW an die Antenne liefern, wenn maximal 100 mW EIRP erlaubt sind und keine weiteren Verluste berücksichtigt werden. Wichtig: In der Praxis müssen zusätzlich Kabelverluste, genaue Antennenangaben, Frequenzbereich und gesetzliche Vorgaben berücksichtigt werden. Merksatz: Je höher der Antennengewinn, desto niedriger muss oft die Sendeleistung eingestellt werden. Einfache Faktor-Tabelle dB ungefährer Leistungsfaktor 3 dB 2 6 dB 4 10 dB 10 13 dB 20 16 dB 40 20 dB 100 30 dB 1000 Wichtig: Diese Werte dienen als Orientierung. Für genaue Berechnungen nutzt man logarithmische Formeln. Merksatz: 3 dB ungefähr doppelt, 10 dB zehnfach. Antennengewinn und Abstrahlrichtung Eine Antenne mit höherem Gewinn strahlt nicht automatisch überall stärker. Sie bündelt die Energie stärker in bestimmte Richtungen. Das bedeutet: In Hauptrichtung stärker. In andere Richtungen schwächer. Beispiel: Eine Richtantenne kann weit in eine Richtung senden, versorgt aber seitlich oder nach hinten schlechter. Merksatz: Antennengewinn verändert die Verteilung der Energie. Antennengewinn und WLAN-Abdeckung Ein hoher Antennengewinn ist nicht immer besser. Bei WLAN im Gebäude kann eine zu stark gerichtete oder ungünstig ausgerichtete Antenne sogar Probleme verursachen. Mögliche Probleme: - ungleichmäßige Abdeckung - Funklöcher - Störungen in entfernten Bereichen - schlechte Versorgung direkt unter oder neben der Antenne - Überschneidungen mit anderen Funkzellen Wichtig: Gute WLAN-Abdeckung entsteht durch Planung, nicht nur durch hohe Sendeleistung. Merksatz: Mehr Antennengewinn ist nicht automatisch besseres WLAN. Sendeleistung Sendeleistung ist die Leistung, mit der ein Funkgerät ein Signal erzeugt. Beispiele: Access Point WLAN-Router Funkmodul Die Sendeleistung allein sagt aber noch nicht, wie stark das Signal in eine Richtung abgestrahlt wird. Dafür müssen zusätzlich betrachtet werden: - Antennengewinn - Kabelverluste - Stecker - Frequenzband - Umgebung Merksatz: Sendeleistung ist nur ein Teil der Funkstrecke. Kabelverlust Zwischen Funkgerät und Antenne kann ein Kabel liegen. Dieses Kabel verursacht Verluste. Diese Verluste werden meist in dB angegeben. Beispiel: Sendeleistung: 20 dBm Kabelverlust: 2 dB Antennengewinn: 5 dBi EIRP: 20 dBm - 2 dB + 5 dBi = 23 dBm EIRP Merksatz: Kabelverluste verringern die wirksame abgestrahlte Leistung. Freiraumdämpfung Freiraumdämpfung beschreibt die Abschwächung eines Funksignals über Entfernung im freien Raum. Je weiter der Empfänger entfernt ist, desto schwächer wird das Signal. Wichtig: Höhere Frequenzen haben bei gleicher Entfernung oft andere Ausbreitungseigenschaften als niedrigere Frequenzen. Für WLAN bedeutet das vereinfacht: 2,4 GHz hat meist größere Reichweite. 5 GHz und 6 GHz haben meist geringere Reichweite, können aber höhere Datenraten ermöglichen. Merksatz: Entfernung schwächt Funk signal deutlich. Signalstärke bei WLAN WLAN-Signalstärke wird häufig in dBm angezeigt. Typische Anzeige: -40 dBm -60 dBm -80 dBm Wichtig: Diese Werte sind negativ, weil die empfangene Leistung sehr klein ist. Grob vereinfacht: Signalwert grobe Einordnung -40 dBm sehr stark -60 dBm gut -70 dBm noch brauchbar -80 dBm schwach -90 dBm sehr schwach Wichtig: Die genaue Bewertung hängt von Anwendung, Störungen, Datenrate und Gerät ab. Merksatz: Bei WLAN ist -50 dBm stärker als -80 dBm. SNR bei WLAN SNR steht für: Signal-to-Noise Ratio Auf Deutsch: Signal-Rausch-Abstand SNR beschreibt das Verhältnis zwischen Nutzsignal und Störrauschen. Je höher der SNR-Wert, desto besser kann das Signal ausgewertet werden. Wichtig: Gute Signalstärke allein reicht nicht, wenn gleichzeitig viel Rauschen oder Störung vorhanden ist. Merksatz: SNR = Abstand zwischen Nutzsignal und Störung. Antennengewinn und gesetzliche Grenzen Bei WLAN gelten je nach Land und Frequenzbereich gesetzliche Grenzwerte. Diese Grenzwerte beziehen sich häufig auf die maximal erlaubte EIRP. Das bedeutet: Gerät, Antenne und Verluste müssen zusammen betrachtet werden. Wichtig: Eine stärkere Antenne kann dazu führen, dass die Sendeleistung reduziert werden muss. Merksatz: Gesetzliche Grenzen beziehen sich auf die wirksame abgestrahlte Leistung. Warum darf man nicht einfach stärker senden? Zu hohe Sendeleistung kann Probleme verursachen. Mögliche Folgen: - Störung anderer WLANs - Störung anderer Funkdienste - größere Funkzellen als geplant - mehr Überschneidungen - schlechteres Roaming - rechtliche Probleme - asymmetrische Verbindung Asymmetrisch bedeutet hier: Der Access Point sendet stark, aber der Client kann nicht stark genug zurücksenden. Dann sieht der Client zwar das WLAN, aber die Verbindung funktioniert schlecht. Merksatz: Stark senden allein löst WLAN-Probleme nicht. Asymmetrische WLAN-Verbindung Bei WLAN müssen beide Seiten senden und empfangen können. Beispiel: Access Point hat hohe Sendeleistung. Smartphone hat geringe Sendeleistung. Dann kann es passieren: Das Smartphone sieht den Access Point. Der Access Point empfängt das Smartphone aber schlecht. Ergebnis: instabile Verbindung niedriger Durchsatz Verbindungsabbrüche Merksatz: WLAN ist Kommunikation in beide Richtungen. Einordnung in das Schichtenmodell Dezibel, Antennengewinn, EIRP und ERP gehören vor allem zur Funktechnik. Thema Einordnung Funkwellen OSI-Schicht 1 Sendeleistung OSI-Schicht 1 Antenne OSI-Schicht 1 dB, dBi, dBm physikalische Funkgrößen EIRP / ERP wirksame abgestrahlte Leistung WLAN-Zugriff OSI-Schicht 2 IP-Adresse OSI-Schicht 3 TCP / UDP OSI-Schicht 4 Wichtig: Antennengewinn verändert nicht IP-Adressen, MAC-Adressen oder Ports. Merksatz: Antennentechnik gehört zur Funkübertragung, nicht zu IP oder TCP. Typische Rechenaufgaben In Prüfungen oder Übungen kann zum Beispiel gefragt werden: - Welcher Faktor gehört zu einem dB-Wert? - Wie wirkt sich Antennengewinn auf die erlaubte Sendeleistung aus? - Was bedeutet 10 dB? - Was bedeutet 20 dB? - Wie berechnet man vereinfacht EIRP? - Warum darf man bei hoher Antennenverstärkung die Sendeleistung nicht beliebig lassen? Beispiel: erlaubte EIRP: 100 mW Antennengewinn: 10 dB 10 dB entspricht Faktor 10. Vereinfachte Rechnung: 100 mW / 10 = 10 mW Ergebnis: Der Sender dürfte vereinfacht 10 mW an die Antenne liefern, wenn keine weiteren Verluste berücksichtigt werden. Typische IHK-Fragen In AP1 und AP2 kann zum Beispiel gefragt werden: - Was bedeutet dB? - Was beschreibt Antennengewinn? - Warum erzeugt eine Antenne keine zusätzliche Energie? - Was ist EIRP? - Was ist ERP? - Warum ist die gesetzlich erlaubte Sendeleistung begrenzt? - Warum muss bei hohem Antennengewinn die Sendeleistung reduziert werden? - Was bedeutet dBm? - Was ist der Unterschied zwischen dB, dBi und dBm? - Warum ist mehr Sendeleistung nicht automatisch besseres WLAN? - Was bedeutet asymmetrische WLAN-Verbindung? Typische Prüfungsfallen dB ist ein Verhältnis, keine absolute Leistung. dBm ist eine absolute Leistung bezogen auf 1 mW. dBi ist Antennengewinn bezogen auf einen isotropen Strahler. Eine Antenne erzeugt keine zusätzliche Energie. Antennengewinn bedeutet Bündelung. Höherer Antennengewinn kann eine geringere erlaubte Sendeleistung bedeuten. EIRP berücksichtigt Sendeleistung, Antennengewinn und Verluste. Mehr Sendeleistung bedeutet nicht automatisch besseres WLAN. WLAN braucht Kommunikation in beide Richtungen. Ein Client muss auch zurücksenden können. EIRP und ERP haben unterschiedliche Bezugspunkte. Wichtige Begriffe kurz erklärt Begriff Kurze Erklärung dB Dezibel, Verhältniswert dBm Leistungswert bezogen auf 1 mW dBi Antennengewinn bezogen auf isotropen Strahler dBd Antennengewinn bezogen auf Dipol Dämpfung Abschwächung eines Signals Verstärkung Erhöhung einer Signalstärke Antennengewinn Bündelung der abgestrahlten Energie Rundstrahlantenne Antenne mit breiter horizontaler Abstrahlung Richtantenne Antenne mit gezielter Abstrahlung in eine Richtung EIRP wirksame abgestrahlte Leistung bezogen auf isotropen Strahler ERP wirksame abgestrahlte Leistung bezogen auf Dipol Sendeleistung Leistung, mit der ein Funkgerät sendet Kabelverlust Leistungsverlust zwischen Sender und Antenne Freiraumdämpfung Abschwächung eines Funksignals über Entfernung SNR Signal-Rausch-Abstand asymmetrische Verbindung eine Seite sendet deutlich stärker als die andere IHK-sichere Kurzformulierung Dezibel, kurz dB, beschreibt ein logarithmisches Verhältnis, zum Beispiel eine Dämpfung oder einen Gewinn. Bei Leistungswerten entspricht 10 dB dem Faktor 10 und 20 dB dem Faktor 100. Antennengewinn bedeutet nicht, dass eine Antenne zusätzliche Energie erzeugt, sondern dass vorhandene Energie stärker in bestimmte Richtungen gebündelt wird. EIRP beschreibt die wirksame abgestrahlte Leistung bezogen auf einen idealen isotropen Strahler. Dabei werden Sendeleistung, Antennengewinn und Leitungsverluste berücksichtigt. Bei WLAN und anderen Funktechniken müssen gesetzliche Grenzwerte eingehalten werden. Merksätze dB = Verhältniswert. dBm = Leistung bezogen auf 1 mW. dBi = Antennengewinn bezogen auf isotropen Strahler. dBd = Antennengewinn bezogen auf Dipol. 3 dB ≈ Faktor 2. 10 dB = Faktor 10. 20 dB = Faktor 100. Dämpfung = Signal wird schwächer. Antennengewinn = Bündelung, nicht Energieerzeugung. Eine Antenne kann nichts „gewinnen“, sie verteilt Energie nur anders. EIRP = Sendeleistung + Antennengewinn - Verluste. Hoher Antennengewinn kann geringere Sendeleistung erfordern. Mehr Sendeleistung ist nicht automatisch besseres WLAN. WLAN muss in beide Richtungen funktionieren. Antennentechnik gehört zur Funkübertragung, nicht zu IP oder TCP.