Was bedeutet Bandbreite allgemein und im Zusammenhang mit den folgenden Beispielen?

Bandbreite ist ein Begriff, der zur Beschreibung des analogen Verhaltens eines Systems verwendet wird. Wann immer Sie eine Bandbreite haben, haben Sie ein Band – eine Reihe von Frequenzen, auf denen Sie senden. Die Bandbreite ist die Differenz zwischen diesen Frequenzen.

Um Ihre Frage aus den Kommentaren speziell zu beantworten, gibt es praktische Gründe, warum wir Bandbreitenanteile von hohen Frequenzen anstelle von niedrigen Frequenzen verwenden.

Danke für die Antwort. Gibt es in Ihrem letzten Absatz ein Problem, wenn wir 100 Personen 0 Hz bis 10.000 MHz zuweisen, die jeweils 100 MHz breit sind, anstatt 20 GHz bis 30 GHz?

Du kannst das. Es wird klappen. Es gibt jedoch physikalische Gründe, dies nicht zu tun. Der Hauptgrund, warum Sie die Niederfrequenzbandbreite nicht auf diese Weise zuweisen, ist, dass unsere Filter normalerweise in Bezug auf relative Frequenzen arbeiten. Ein einfaches Tiefpassfilter 1. Ordnung liefert 20 dB Dämpfung pro Dekade. Das heißt, wenn Sie einen Tiefpassfilter mit einer Eckfrequenz von 100 MHz haben, lässt er theoretisch 100 MHz perfekt durch, 1000 MHz mit 20 dB Dämpfung und 10000 MHz mit 40 dB Dämpfung.

Wenn Sie jeder Person nur eine einzige Band zuweisen möchten, würde dies kein allzu großes Problem darstellen. Was aber, wenn diese Leute Bandbreite teilen wollten? Was wäre, wenn Sie ein Radio haben wollten, das auf verschiedene Radiosender eingestellt werden könnte? Radiosender benötigen eine Bandbreite von ca. 20kHz. Sie könnten einem von ihnen das Band von 20-40 kHz zuweisen, dann einem 40-60 kHz, dem keinen von 60-80 kHz und so weiter. Wenn Sie 10 solcher Kanäle hätten, würden Sie eine Bandbreite von 200 kHz benötigen, die von 20 kHz bis 220 kHz reicht. Das sind etwa 3,5 Oktaven. Wenn Sie stattdessen den ersten Radiosender mit 100 MHz gestartet hätten, dann 100,020 MHz, 100,040 MHz usw., würden Sie immer noch 200 kHz Bandbreite benötigen, aber sie würde von 100 MHz bis 100,220 MHz reichen. Das sind nur 0,003 Oktaven! Es ist vielEs ist einfacher, eine Antenne so zu konstruieren, dass sie weit über 0,003 Oktaven schwingt, als eine Antenne zu bauen, die weit über 3,5 Oktaven schwingt.

Der andere wichtige Grund für die Zuweisung höherer Frequenzbänder ist die Einheitlichkeit. Die Auswirkungen der Atmosphäre und anderer Wechselwirkungen mit der Umgebung sind ziemlich gut in einem logarithmischen Raum verteilt. Warum? Es ist der gleiche Grund wie oben: Die Effekte neigen dazu, proportional zur Frequenz zu arbeiten, genau wie unser einfacher Tiefpassfilter 1. Ordnung es tat.

Beim Entwerfen eines HF-Systems möchten wir normalerweise ein Fenster finden, in dem die Dämpfung für unsere Anwendung akzeptabel ist. Wenn wir eine feste Bandbreite benötigen (z. B. 200 kHz), ist es einfacher, ein 200-kHz-Fenster mit denselben Eigenschaften bei hohen Frequenzen zu finden, als ein so einfaches Fenster bei niedrigen Frequenzen.

Eine letzte zu berücksichtigende Frage: Größe. Niedrigere Frequenzen bedeuten größere Wellenlängen. Größere Wellenlängen bedeuten, dass Sie größere Antennen benötigen, um effizient zu senden und zu empfangen.

Ein Beispiel für die Niederfrequenznutzung sind U-Boote. Es ist bekannt, dass U-Boote in der ELF-Region gesendet haben – Extreme Low Frequency. Die US-Marine betrieb einen Sender, Seafarer, der mit 76 Hz arbeitete! Ich konnte nichts über die Bandbreite für dieses spezielle System finden, aber die Sendeantennen mussten 56 km lang sein! Die Subs können nicht einmal Antworten senden, da die Sendeantennen zu groß und zu leistungshungrig für den Sub sind!

"Bandbreite" ist im Allgemeinen die Breite des Bandes, dh die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Frequenz.

Wenn wir von einem Signal sprechen, meinen wir den Frequenzbereich, der zur Codierung von Informationen verwendet wird. Wenn wir von Verstärker, Kabel, Antenne usw. sprechen, meinen wir den Frequenzbereich, über den die Leistung akzeptabel ist.

Was genau mit akzeptabel gemeint ist, ist unterschiedlich, aber eine gängige Konvention ist die Verwendung der „-3dB“-Bandbreite. Das sind die Punkte, an denen die Signalleistung um den Faktor zwei reduziert wird (Signalspannung um Faktor 2 reduziert).$\sqrt{2}$) von seinem Maximalwert.

2. Die Bandbreite eines übertragenen amplitudenmodulierten Signals

Unter der Annahme einer einfachen Amplitudenmodulation ist die Bandbreite des AM-Signals doppelt so hoch wie die höchste Frequenz im modulierenden Signal.

Dies liegt daran, dass Sie bei der Multiplikation zweier Signale Komponenten bei der Summe und Differenz der beiden Frequenzen erhalten. Die niedrigste Frequenz im modulierten Signal ist also die Trägerfrequenz minus der höchsten Frequenz im modulierten Signal, und die höchste Frequenz im modulierten Signal ist die Trägerfrequenz plus die Modulationsfrequenz.

Dies ist ein ineffizientes Modulationsschema, da die Informationen im ursprünglichen Signal im Wesentlichen dupliziert werden. Es gibt Varianten der Amplitudenmodulation, die versuchen, diese Ineffizienz entweder durch Unterdrücken eines der Seitenbänder des modulierten Signals (SSB/VSB) oder durch Codieren zweier separater Signale auf verschiedenen Phasen desselben Trägers (QAM) zu verringern.

3. Die Bandbreite eines Signals, das in Koaxialkabeln / Glasfaserkabeln verwendet wird

Wie oben der Frequenzbereich, der zum Übertragen der Informationen verwendet wird. Je nach Kontext kann es auch Schutzbänder enthalten, die hinzugefügt wurden, um eine unvollständige Filterung zu ermöglichen.

Beachten Sie auch für Glasfaser, dass wir über die elektrische Bandbreite (die Bandbreite des Signals, das zum Modulieren der Lichtquelle verwendet wird) oder die optische Bandbreite (der Frequenzbereich im optischen System) sprechen können. Wenn der Laser amplitudenmoduliert wird, ist die optische Bandbreite doppelt so groß wie die elektrische Bandbreite.

In manchen Fällen bedeutet „Bandbreite“ auch die Datenrate. Die erreichbare Datenrate einer Kommunikationsverbindung ist stark von der Bandbreite abhängig.

4. Die Bandbreite eines für die Satellitenkommunikation verwendeten Signals

Fast die gleiche Antwort wie oben.

Warum bedeutet eine hohe Trägerfrequenz eine große Bandbreite?

Wenn es um Funksysteme geht, bedeutet eine hohe Trägerfrequenz nicht unbedingt eine hohe Bandbreite, aber eine niedrige Trägerfrequenz bedeutet mit ziemlicher Sicherheit eine niedrige Bandbreite. Dafür gibt es mehrere Gründe.

Einer davon ist das Antennendesign. Im Allgemeinen wird das Antennendesign schwieriger, wenn das Verhältnis der höchsten und niedrigsten Frequenzen zunimmt. Es wäre praktisch unmöglich, eine Antenne herzustellen, die über den Bereich von 0 Hz bis 100 MHz annehmbar arbeitet, aber es ist relativ einfach, eine anzufertigen, die über den Bereich von 1 GHz bis 1,1 GHz annehmbar arbeitet.

Der andere Grund ist, dass Funkfrequenzen eine gemeinsam genutzte Ressource sind. Sicher, wenn Sie ein Diktator wären, könnten Sie einem Dienst 0 Hz bis 100 MHz zuweisen, aber was ist mit allen anderen? OTOH zwischen 20 GHz und 30 GHz wäre Platz für 100 Kanäle mit jeweils 100 MHz Breite.

Zu den ersten beiden:

1) Wenn sich ein Operationsverstärker-Datenblatt auf die Bandbreite bezieht, bezieht er sich auf die maximale Frequenz, mit der er verwendet werden kann, ohne Berücksichtigung der Einschränkungen, die durch andere Komponenten auferlegt werden, die in Verbindung mit dem Operationsverstärker verwendet werden können.

2) Die Bandbreite eines AM-Signals ist die höchste Frequenz, die sich ergibt, wenn die Mittenfrequenz mit Informationen moduliert wird (z. B. gemischt mit einer Stimme), abzüglich der niedrigsten Frequenz, die sich ergibt, wenn die Mittenfrequenz moduliert wird. Sie kann je nach Kontext variieren, spiegelt aber im Allgemeinen wider, wie viel Anteil des Funkspektrums vom AM-Signal belegt wird. Ein einzelnes reines Funk-(Träger-)Signal ohne Modulation belegt theoretisch nur eine Frequenz. Aber wenn ein modulierendes Signal huckepack darauf gelegt wird, wird eine Reihe von Frequenzen über und unter dem Träger erzeugt. Die Größe dieses Bereichs zwischen den höchsten und niedrigsten erzeugten Frequenzen ist die Bandbreite.

Beispielsweise gab es im AM-Rundfunk nur so viele öffentliche Funkfrequenzen, auf denen gesendet werden konnte, dass Sie sich vorstellen konnten, dass eine alte Radioskala begrenzt war und von 540 bis 1600 (was kHz darstellt) reichte. Jeder Station wird eine Frequenz zugewiesen, die mindestens 10 (kHz) von ihrem nächsten Nachbarn auf dem Zifferblatt entfernt ist. Solange die zugewiesene Mittenfrequenz (ein Träger) beim Mischen mit den Modulationsinformationen (z. B. Sprache oder Musik) keine Frequenzen außerhalb der zugewiesenen Bandbreite von 10 kHz erzeugt, stören sie ihre Nachbarn auf dem Zifferblatt nicht . Wenn zwei Frequenzen gemischt werden, erzeugen sie andere Frequenzen. In diesem Beispiel werden die anderen Frequenzen sehr nahe an der Trägerfrequenz geclustert, darüber und darunter. Die Bandbreite ist die höchste Frequenz im Cluster abzüglich der niedrigsten Frequenz im Cluster. oder wie viel Platz sie auf dem Radiozifferblatt einnehmen. Denken Sie daran, dass die vorhandenen Frequenzen dynamisch sind und sich schnell ändern und verschieben, wenn sich die Art der modulierenden Information (Musik oder was auch immer) ändert. In diesem Beispiel können die der Station zugeteilte Bandbreite und die gemessene Momentanbandbreite unterschiedlich sein. Wenn es einen Moment der Stille gibt, kann die momentane Bandbreite 500 Hz betragen, aber der Ton einer spielenden Piccoloflöte kann die momentane Bandbreite auf 6 kHz erhöhen.