Radar, RFID and Wireless Sensor Systems (RWS) - Cheatsheet

Radarsysteme und -architekturen

Definition:

Untersuche Funktionsprinzipien, Anwendungen und Gestaltungsaspekte von Radarsystemen.

Details:

• Hochfrequenzsignale zur Objekterkennung und Entfernungsmessung
• Wesentliche Komponenten: Sendeantenne, Empfangsantenne, Signalverarbeitung
• Dopplereffekt zur Geschwindigkeitsmessung
• Typische Architekturen: Pulsradar, CW-Radar, FMCW-Radar
• Frequenzbänder: L-Band, S-Band, X-Band und andere
• Anwendungen: Verkehrsüberwachung, Wettervorhersage, Navigation
• Grundformel der Radargleichung: \[ P_r = \frac{P_t G_t G_r \lambda^2 \sigma}{(4 \pi)^3 R^4} \]

RFID-Tag-Typen und -Kategorien

Definition:

Verschiedene Arten von RFID-Tags, die nach ihrer Betriebsweise und Frequenzkategorie klassifiziert werden.

Details:

• Aktive Tags: Besitzen eigene Energiequelle, größerer Bereich
• Passive Tags: Werden durch das Lesegerät mit Energie versorgt, kürzerer Bereich
• Semi-passive Tags: Haben Batterie für Sensoren, Kommunikation wie passive Tags
• LF (Low Frequency, 30 kHz – 300 kHz): Kurze Reichweite, robust gegenüber Umwelteinflüssen
• HF (High Frequency, 3 MHz – 30 MHz): Mittlere Reichweite, oft in Zugangskontrollen
• UHF (Ultra High Frequency, 300 MHz – 3 GHz): Längste Reichweite, hohe Datentransferrate
• Microwave (2.4 GHz und höher): Sehr hohe Datenrate, empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen

Antikollisionsverfahren bei RFID

Definition:

Methoden zur Vermeidung der Kollision von Signalen mehrerer RFID-Tags im Lesebereich eines Readers.

Details:

• FDM (Frequency Division Multiplexing): Verwendet verschiedene Frequenzen für verschiedene Tags.
• TDM (Time Division Multiplexing): Tags senden zu verschiedenen Zeiten.
• Code Division Multiple Access (CDMA): Tags haben unterschiedliche Codes.
• ALOHA: Zufälliges Senden und erneutes Senden bei Kollision.
• Schlitz-ALOHA: Zeit wird in Slots unterteilt. Tags senden in zufälligen Slots.
• Baumverfahren: Hierarchische Identifikation der Tags.

Energieverwaltung und -optimierung in Sensornetzwerken

Definition:

Energieverwaltung und -optimierung in Sensornetzwerken umfasst alle Techniken, die darauf abzielen, den Energieverbrauch von Sensorknoten zu minimieren und ihre Lebensdauer zu maximieren.

Details:

• Ziel: Maximierung der Lebensdauer des Netzwerks durch Reduktion des Energieverbrauchs.
• Techniken: Duty Cycling, Data Aggregation, Adaptive Sampling.
• Duty Cycling: Knoten sind nur periodisch aktiv, um Energie zu sparen.
• Data Aggregation: Daten von verschiedenen Knoten werden zusammengefasst, bevor sie übertragen werden.
• Adaptive Sampling: Anpassung der Abtastrate basierend auf den Umgebungsbedingungen.
• Nutzung von Energieharvesting: Energie aus der Umgebung (z.B. Solarenergie) wird genutzt.
• Energieverbrauchsmodell: \text{Energieverbrauch} = \text{Leistung} \times \text{Zeit}

Fourieranalyse und Filterung

Definition:

Fourier-Transformation zur Analyse von Frequenzkomponenten eines Signals, Filterung zur Extraktion bestimmter Frequenzbereiche

Details:

• Fourier-Transformation: Umwandlung eines Signals vom Zeitbereich in den Frequenzbereich
• Formeln: \( F(f) = \int_{-\infty}^{\infty} f(t) e^{-j 2 \pi ft} \, dt \)
• Inverse Fourier-Transformation: \( f(t) = \int_{-\infty}^{\infty} F(f) e^{j 2 \pi ft} \, df \)
• Filtertypen: Tiefpass, Hochpass, Bandpass, Bandsperre
• Anwendung: Rauschentfernung, Signalaufbereitung

Algorithmen zur Mustererkennung in der Signalverarbeitung

Definition:

Algorithmen zur Mustererkennung identifizieren spezifische Muster in Signalen, um relevante Informationen zu extrahieren.

Details:

• Typen: Fourier-Transformation, Wavelet-Transformation, Korrelationsmethoden
• Verwendung: Rauschentfernung, Sprach- und Bilderkennung, Radar- und RFID-Systeme
• Schritte: Vorverarbeitung, Merkmalsextraktion, Klassifikation
• Wichtige Algorithmen: K-Schwerpunkt-Algorithmus, Neuronale Netzwerke, Support Vector Machines (SVM)
• Mathematische Basis: Signalmodellierung, statistische Methoden

Strahlungsdiagramme und Antennencharakteristika

Definition:

Strahlungsdiagramme zeigen die räumliche Verteilung der abgestrahlten Leistung einer Antenne. Antennencharakteristika beschreiben Parameter wie Richtwirkung, Gewinn, und Polarisation.

Details:

• Richtwirkung: Konzentration der abgestrahlten Energie in eine bestimmte Richtung.
• Gewinn: Verhältnis der abgestrahlten Leistung in eine bestimmte Richtung zur isotropen Strahlung, gemessen in dBi.
• Halbwertsbreite: Winkel, bei dem die Strahlungsintensität auf die Hälfte des Maximums abfällt (in Grad).
• Polarisation: Orientierung des elektrischen Feldvektors, z.B. linear oder zirkular.
• Strahlungsdiagramm: Darstellt in 2D oder 3D, oft in einer Polarkoordinaten- oder Kugelkoordinatendarstellung.
• Wichtige Formeln:
  • Gewinn:
  • Richtwirkung:
  • Strahlungseffizienz:

Anwendungen von Radarsystemen in der Praxis

Definition:

Praktische Anwendungen von Radarsystemen in verschiedenen Bereichen.

Details:

• Automobilindustrie: Abstands- und Geschwindigkeitsmessung, Kollisionsvermeidung.
• Luftfahrt: Flugzeug- und Wetterradar, Überwachung des Luftraums.
• Seefahrt: Navigation und Kollisionsvermeidung.
• Sicherheits- und Überwachungssysteme: Bewegungs- und Objekterkennung.
• Geologie: Bodenuntersuchung mittels GPR (Ground Penetrating Radar).
• Umweltüberwachung: Wetterbeobachtung und Klimaforschung.
• Medizin: Überwachung von Vitalzeichen, z.B. Herzschlag und Atmung.
• Industrie: Füllstandmessung in Tanks, Qualitätskontrolle in der Produktionslinie.