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# System prepended metadata

title: CriCom
tags: [recap, CriCom, crisis communication, '2018']

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title: CriCom
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<font id=h>CriCom Stichpunkte</font><hr>


[toc]

# Fragen aus der Sophie-Zusammenfassung, die wir vielleicht zusammen klären können
1. DSSS
    > Am Ende von Kapitel 2 wird DSSS als Art genannt um eine Übertragung vor Abhören zu schützen.
    > DSSS verbessert aber doch nur die Zuverlässigkeit oder?
    > > [color=red] Naja wenn die Chip spreading sequence nicht bekannt ist, ist das schon eine form von abhörschutz. wenn auch nicht die beste. sobald man die länge der chip sequence herausgefunden hat, kann man nämlich einfach die X symbole identifizieren und remappen.... Also glaube ich dass sie da nen Fehler gemacht hat. [name=Bartosz Milejski]
2. Frage 1.9 S. 3: Alice und Bob möchten kommunizieren. Bob ist in Alice’ toter Zone. Begründe, ob die tote Zone durch Erhöhung der Sendelseitung überbrückt werden kann.
    > Eigentlich ja oder?
    > > [color=orange] Also FSPL hängt ja eigentlich lediglich von der Frequenz ab, nicht von der Sendeleistung...





# Notfunk und Wellenausbreitung
## Amateurfunk und Notfunk
Normalerweise dürfen Funkamateure nur untereinander funken und keine Nachrichten übermitteln. Dies gilt aber nicht im Not- und Katastrophenfall.
## Frequenzbereiche
| Abkürzung | Name            | Größe  | Besonderheit                                   |
| --------- | --------------- | ------ | ---------------------------------------------- |
| LF        | Langwelle       | ~2200m |                                                |
| MF        | Grenzwelle      | ~160m  |                                                |
| HF        | Kurzwelle       | 10-80m |                                                |
| VHF       | Ultrakurzwelle  | 2-6m   | Relays notwendig für längere Strecken          |
| UHF       | Dezimeterwelle  |        |                                                |
| SHF       | Zentimeterwelle |        |                                                |
| EHF       | Millimeterwelle |        | Vollständige Blockierung der Wälle durch Wände |

## Wellenausbreitung
Ausbreitungswege: Absorption, Reflexion, Brechung, Streuung, Beugung.

### Definitionen
:::warning
**Free Space Path Loss**
$\textit{FSPL} = 20 \cdot \lg(\frac{4 \cdot \pi}{c \cdot d \cdot f})$
:::
Das **Fresnel-Ellipsoid** ist eine Ellipse zwischen Sender und Empfänger. Hier werden ca. 90% der Energie übertragen.

Die **Ionosphäre** bildet sich durch Sonneneinstrahlung. Sie reflektiert Kurzwellen und kann zur Kommuniaktion genutzt werden. Ihre Höhe und Beschaffenheit ist abhängig von Tageszeit (tagsüber, nachts) und Jahreszeit (Sommer, Winter). Sie besteht aus mehreren Schichten.

Eine **Raumwelle** kann an der Ionosphäre reflektiert werden, während eine **Bodenwelle** der Erdkrümmung folgt. Aufgrund des $F\!S\!P\!L$ kann eine **tote Zone** entstehen, die nicht mehr durch Bodenwellen erreicht wird und auch noch nicht durch Raumwellen.

**Relays** können genutzt werden um ein Signal zu empfangen und es wieder verstärkt auszusenden.

Die **kritische Frequenz** $f_k$ ist die senkrecht höchste noch reflektierte Frequenz. Je höher die Frequenz, desto höher wird die Welle in der Ionosphäre reflektiert. Die Maximum Usable Frequency **(MUF)** ist ähnlich, allerdings für beliebigen Winkel $\alpha$ definiert. Formel siehe Formelsammlung.

## Sonderbedingungen
Sonderbedingungen, die (z.T. durch Ionisierung der Ionosphäre, z.T. ohne) für bessere Reflexion genutzt werden können. Beispiele:

- Meteoritenströme
- Aurora borealis (Polarlicht)
- Reflexion an Mond / Flugzeugen


# Wireless signals
# ET 1 + 2
# Digitale Signale
## Morse-Code
- Kürzeste Einheit: 1 dit. 3 dit = 1 dah.
- 4 Mögliche Symbole: 1 dit ON, 1 dit OFF, 1 dah ON, 1 dah OFF
- Ein Buchstabe: Mehrere ON-dits und ON-dahs, getrennt von OFF-dits
- Ein Wort: OFF-dah repräsentiert Leerzeichen. Worte befinden sich dazwischen.
- Ende der Kommuniaktion: 7 dit.

## PSK31
Textübertragung, ca. 50 Wörter pro Minute. Varicode ist eine effiziente Codierung für Text in der häufige Buchstaben kürzer dargestellt werden. Beginn der Übertragung: 0es, Ende: 1es.

### Schritte zum Decoding in matlab
1. Hüllkurve bilden (abs(hilbert(signal)))
2. Mitte des ersten Symbols im Signal bestimmen
3. Amplitudenkorrektur
4. Phasenkorrektur (Mitte des Symbols in Mitte des aktuellen Windows schieben)

### DCF77
Signal zur Kodierung der Uhrzeit und und Datum. Inzwischen auch Wetterinformationen und Warninformationen des Bundes. Langwelle. Reichweite bis zu 2000km
- Eigentliches Signal synchonisiert Uhren jede Sekunde durch Flanke und jede Minute durch ausbleibende Flanke
- Zusätzlich wird mit jeder Flanke eine information übertragen: 100ms gesenkte Amplitude bedeuten 0, 200ms gesenkte Amplitude bedeuten 1.

### APRS
(=Automatic Packet Reporting System). Automatisches Mitteilen von Positionen. Digitale Datenübertragung. Prüfsumme vorhanden. Anwendungsfall: Stratosphärenballon.

### WLAN
48 Carrier pro Channel. Ein Channel hat 20MHz. Channel überlagern sich aber untereinander. Max 3 Channel ohne Überlagerung nutzbar.
- In einem subcarrier wird QAM moduliert (Amplituden und Phasenmodulation kombiniert)

#### OFDM
Man trennt Symbole erst im Zeitbereich. Innerhalb dieses Fensters analysiert man sie im Frequenzbereich. An einem Punkt sind alle Subcarrier außer einem 0. So ist eine Dekodierung möglich. Man sagt die Subcarrier sind orthogonal zueinander. Ein cyclic prefix wird genutzt um den Einfluss von Reflexionen und Multipath propagation zu minimieren.



# Transistoren

## Formeln
* Stromfluss
  $I_C= \beta \cdot I_B$

## Bereiche

![](https://i.imgur.com/HoK0QU8.png)

* Sperrbereich
    * Kollektor- & Emitter-Diode sperren
    * entspricht offenem Schalter
    * In Praxis fließt geringer Strom (vernachlässigbar)
* Verstärkungsbereich
    *  $I_C= \beta \cdot I_B$
* Sättigungsbereich
    * geschlossener Schalter
    * kleiner, geringer Widerstandy

## Schaltungen

![](https://i.imgur.com/05NaObL.png)


### Emitterschaltung
Man kann sich den Transistor als einen über den Basisstrom steuerbaren Widerstand vorstellen.

Als wir den Transistor als Schalter betrieben haben, handelte es sich um eine Emitterschaltung.
Allerdings hat die Emitterschaltung auch noch einen Zwischenzustand, in dem der Transistor als variabler Widerstand betrachtet werden kann.

### Kollektorschaltung
![](https://i.imgur.com/Mnas8Oe.png)

Allgemein:
U_A=U_RE=U_E-U_BÉ
Spannung, die am Ausgangswiderstand anliegt, hängt direkt vom Eingang ab ohne
Verstärkungswirkung!
Davon ausgehend, dass U_BE=0.7V relativ konstant ist bzw. sich nur sehr gering ändert im Verhältnis
zur Eingangsspannung.

### Basisschaltung

Intuitiv: Stromverstärkung wird nicht abgeändert, weil Ib konstant ist.
Spannungsverstärkung hängt vom Eingang ab, also ob die benötigte Ube
aufgebaut werden kann.

# HF-Verstärker und Oszillatoren
## Phase Locked Loop (PLL)
Eine Schaltung, die die Frequenz eines veränderbaren Oszillators beeinflusst, sodass die Phasenabweichung zwischen Oszilator und einem äußeren Referenzsignal möglichst klein ist.

**Alternative:** Direct Digital Synthesis (DDS). Dient zur Erzeugung periodischer, bandbegrenzter Signale. Enthält einen DAC als Bauteil...
# Antennen
## Ziele
Maxwell-Gleichungen:
> Understand purpose and functioning of Maxwell equations

Antennen:
> What is the optimal length?

> How does the radiation pattern look like?

> What can be done to direct the radiated power?
> - Radiated power vs input power
> - Avoiding reflections at the antenna terminals
> - What is the Standing Wave Ratio (SWR)?


## Maxwell-Gleichungen
| Definition                    | Symbol         |
|:----------------------------- | -------------- |
| Elektrisches Feld             | $\vec{E}$      |
| Magnetfeld                    | $\vec{B}$      |
| Divergenz von bspw. $\vec{E}$ | $\ div\vec{E}$ |
| Rotations-Operator            | $rot\vec{E}$   |

**Gaußsches Gesetz**
Elektische Feldlinien divergieren unter Anwesenheit von elektrischer Ladung. Die Ladung ist Quelle des Elektrischen Feldes. Im leeren Raum ist die Ladung 0, daher gibt es auch keine Divergenz.

**Gaußsches Gesetz für Magnetfelder**
Magnetische Feldlinien divergieren nicht, das Feld der magnetischen Flussdichte ist quellenfrei, es gibt keine magnetischen Monopole.

**Induktionsgesetz**
Änderungen der magnetischen Flussdichte führen zu einem rotierenden elektrischen Feld und vice versa.

**Ampere's circuit law (Erweitertes Durchflutungsgesetz)**
Änderungen im elektrischen Feld (bspw. einem Kondesator bei Wechselstrom) führen zu einem rotierenden magnetischen Feld. Die Stromdichte führt auch zu einem rotierenden magnetischen Feld. Durch leeren Raum fließt kein Strom, daher fällt der Teil mit der Stromdichte weg.

#### Zusammenfassung im leeren Raum:
Änderungen im Magnetfeld führen zu einem rotierenden elektrischen Feld und Änderungen im elektrischen Feld wiederrum zu einem rotierenden Magnetfeld.

![](https://i.imgur.com/K9c6nrw.png =38%x)



#### Von Maxwell-Gleichungen zu Wellengleichungen
Alternative Form der Maxwell-Gleichungen mit Vektor partieller Ableitungen $\nabla$:

![](https://i.imgur.com/U4N4Xfs.png =60%x)

Umformung in Wellengleichungen durch Multiplikation mit $\nabla$ von links und Einsetzen der jeweils anderen Gleichung.

#### Lösung der Wellengleichungen
Lösungen der Wellengleichungen sind Funktionen. Einfachste Lösung:
$$
\vec{E}(\vec{r},t) = E_0 \cos(\omega t - \vec{k}\cdot \vec{r} + \phi_0) \\
\vec{B}(\vec{r},t) = B_0 \cos(\omega t - \vec{k}\cdot \vec{r} + \phi_0) \\
\omega = 2\pi f \\
k = \frac{2\pi}{\lambda}
$$

### Radiation Pattern
Für Dipolantennen: Doughnut.

### Maximizing efficiency
Spannungsquellen haben interne Impedanzen $Z_S$. Antennen können als Lastimpedanz $Z_L$ (auch Abschlusswiderstand genannt) dargestellt werden.

Um die abgestrahlte Energie $P_{rad}$ zu maximieren, maximieren wir die über dem Abschlusswiderstand abgegebene Leistung $P_{R_L}$. Hierfür muss der imaginäre Widerstand der Antenne gleich dem imaginären der Spannungsquelle gesetzt werden.

![](https://i.imgur.com/7dWnJvO.png =55%x)

Es folgt aus einer Extremwertbestimmung der abgestrahlten Leistung $P_{R_L}$, dass
$$R_L = R_S \\
Z_L = Z_S^*$$
Somit wird $Z_L$ also komplex konjugiert an den Widerstand der Spannungsquelle angepasst.

$Z_S$ sind üblicherweise $50\Omega$ als Kompromiss aus High-Power und High-Voltage Übertragung). $30\Omega$ wären optimal für High-Power und $60\Omega$ für High-Voltage. Der Widerstand einer Antenne ist proportional zu seiner elektrischen Länge.

#### Optimale Länge
Die optimale (elektrische) Länge der Antenne hängt vom Fußpunktwiderstand ab. Es gilt
$$R_{Fußpunkt} = R_{Strahlung} + R_{Verlust}
$$
In den Verlustwiderstand fließt unter anderem der Widerstand der Leitungsdrähte ein (abhängig von physischer Länge der Antenne) und der Verlust im Anpassungsnetzwerk.

Weiterhin sollte man noch versuchen das SWR zu minimieren um die Effizienz zu maximieren.

### Stehende Wellen (Standing Wave Ratio SWR)
Stehende Wellen entstehen als Konsequenz zweier gegenläufiger Wellen gleicher Amplitude und Frequenz. Sie sind unerwünscht, da nicht die gesamte Leistung abgestrahlt wird und es zu Beschädigungen an der Hardware kommen kann. Ein SWR von 1 ist optimal. Hierfür können Anpassungsnetzwerke genutzt werden.

Wenn stehende Wellen existieren, sind Reflexionen vorhanden. Um Reflexionen zu verhindern, hilft also ein SWR von $1$.

*Matching networks:*
Ein Anpassungsnetzwerk (=Antennentuner) verändert die elektische Länge der Antenne ohne die physische zu verändern. In der Regel werden hierzu schaltbare oder variable Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände genutzt.

### Directing the radiated power
Mit einem Draht kann bei einer Dipolantenne der Gain-Doughnut in eine Richtung verändert werden (von dem Draht weg). Alternativ gibt es noch parabolische Antennen, Hornantennen u.v.m.

# Labs und Hausübungen
## H1: Morse Decoder
> Ich glaube, hier ist nur wichtig grob zu wissen wie Morse funktioniert.
> Ansonsten, wie man von einem Signal zu den Werten kommt, kann man sich nochmal in Erinnerung rufen, mit Hilbert usw, aber ich glaube der genaue Code ist eher nebensächlich. [name=Nicolas]


## H2: Kartoffelbatterie
Beispiel: Zink und Kupfer:

Zink und Kupfer sind unterschiedlich „edel“. Werden zwei so unterschiedliche Metalle in die Lösung eines Elektrolyten gebracht (die Kartoffel), verwandeln sie sich in Elektroden – also in einen Plus- und einen Minuspol. Weil die Zinkatome ihre Elektronen weniger fest an sich binden als Kupferatome, gibt der Zink Elektronen an das Kupfer ab. Und dieser Elektronenfluss ist nichts anderes als
Strom.



## H3: Mutliple-Choice E-Technik
## Lab 1: AM-Sender
> Hier können wir nochmal den Aufbau zusammen durchsprechen
## Lab 2: Signale
## Lab 3: FM-Sender
> Hier können wir nochmal den Aufbau zusammen durchsprechen
## Lab 4: Antennen
**Bandbreite** einer Antenne ist die Frequenz bei welcher der Reflexionskoeffizient $r$ oder $\Gamma$ unter $-10\ dB$ liegt.

Ein **Reflexionskoeffizient** von $\Gamma = -1$ bedeutet komplette negative Reflexion und entspricht einem Kurzschluss. $\Gamma = 0$ bedeutet keine Reflexion und eine perfekt angepasste Antenne. $\Gamma = +1$ entspricht kompletter positiver Reflexion, also offenen Kabelenden.

Die **Half-Power-Points** sind diejenigen Punkte, an denen die Leistung halb so groß ist wie in Hauptstrahlrichtung, also $3\ dB$ geringer. Die **Halbwertsbreite** ist die der Winkel zwischen den Half-Power-Points.

* Wichtig war auch noch die Ausrichtung von Sende- und Empfang-Antenne, Also dass beide Senk-/Waage-recht waren.

Denkst du in der Klausur gilt "einen iMac sinnvoll positionieren" als richtige Antwort um Signalempfang zu verbessern? :laughing: 

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