Difference between revisions of "Applets:The Doppler Effect"

Revision as of 14:54, 19 June 2020

Applet Description

The applet is intended to illustrate the „Doppler effect”, named after the Austrian mathematician, physicist and astronomer Christian Andreas Doppler. This predicts the change in the perceived frequency of waves of any kind, which occurs when the source (transmitter) and observer (receiver) move relative to each other. Because of this, the reception frequency $f_{\rm E}$ differs from the transmission frequency $f_{\rm S}$. The Doppler frequency $f_{\rm D}=f_{\rm E}-f_{\rm S}$ is positive if the observer and the source approach each other, otherwise the observer perceives a lower frequency than which was actually transmitted.

The exact equation for the reception frequency $f_{\rm E}$ considering the theory of relativity is:

$$f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\text{ exact equation}}.$$

Here is $v$ the relative speed between transmitter and receiver, while $c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$ indicates the speed of light.
$\alpha$ is the angle between the direction of movement and the connecting line between transmitter and receiver.
$\varphi$ denotes the angle between the direction of movement and the horizontal in the applet. In general, $\alpha \ne \varphi$.

At realistic speeds $(v/c \ll 1)$ the following approximation is sufficient, ignoring the effects of relativity:

$$f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \big [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \big ] \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{\text{ approximation}}\hspace{0.05cm}.$$

For example, in the case of mobile communications, the deviations between $f_{\rm E}$ and $f_{\rm S}$ – the Doppler frequency $f_{\rm D}$ – only a fraction of the transmission frequency.

Theoretical Background

Phänomenologische Beschreibung des Dopplereffekts

$\text{Definition:}$ Als $\rm Dopplereffekt$ bezeichnet man die Veränderung der wahrgenommenen Frequenz von Wellen jeder Art, die sich dann ergibt, wenn sich Quelle (Sender) und Beobachter (Empfänger) relativ zueinander bewegen. Dieser wurde Mitte des 19. Jahrhunderts von dem österreichischen Mathematiker, Physiker und Astronomen Christian Andreas Doppler theoretisch vorhergesagt und nach ihm benannt.

Qualitativ lässt sich der Dopplerreffekt wie folgt beschreiben:

Nähern sich Beobachter und Quelle einander an, so erhöht sich aus Sicht des Beobachters die Frequenz, egal, ob sich der Beobachter bewegt oder die Quelle oder beide.

Entfernt sich die Quelle vom Beobachter oder der Beobachter von der Quelle, so nimmt der Beobachter eine niedrigere Frequenz wahr, als tatsächlich gesendet wurde.

$\text{Beispiel 1:}$ Wir betrachten die Tonhöhenänderung des „Martinhorns” eines Rettungswagens. Solange sich das Fahrzeug annähert, hört der Beobachter einen höheren Ton als bei stehendem Wagen. Entfernt sich der Rettungswagen, so wird ein tieferer Ton wahrgenommen.

Den gleichen Effekt stellt man auch bei einem Autorennen fest. Die Frequenzänderungen und der „Sound” sind dabei um so deutlicher, je schneller die Autos fahren.

Ausgangslage: $\rm (S)$ und $\rm (E)$ bewegen sich nicht

$\text{Beispiel 2:}$ Einige Eigenschaften dieses noch aus dem Physikunterricht bekannten Effekts sollen nun anhand von Bildschirmabzügen einer früheren Version des vorliegenden Applets dargestellt werden, wobei natürlich die dynamischen Programmeigenschaften verloren gehen.

Die erste Grafik zeigt die Ausgangssituation:

Der ruhende Sender $\rm (S)$ gibt die konstante Frequenz $f_{\rm S}$ ab.
Die Wellenausbreitung ist in der Grafik durch konzentrische Kreise um $\rm (S)$ veranschaulicht.
Beim ebenfalls ruhenden Empfänger $\rm (E)$ kommt dann natürlich die Frequenz $f_{\rm E} = f_{\rm S}$ an.

$\text{Beispiel 3:}$ Bei diesem Schnappschuss hat sich der Sender $\rm (S)$ mit konstanter Geschwindigkeit $v$ von seinem Startpunkt $\rm (S_0)$ auf den Empfänger $\rm (E)$ zu bewegt.

Dopplereffekt: $\rm (S)$ bewegt sich auf ruhenden $\rm (E)$ zu

Das rechte Diagramm zeigt, dass die vom Empfänger wahrgenommene Frequenz $f_{\rm E}$ (blaue Schwingung) um etwa $20\%$ größer ist als die Frequenz $f_{\rm S}$ am Sender (rote Schwingung).
Aufgrund der Bewegung des Senders sind nun die Kreise nicht mehr konzentrisch.

Dopplereffekt: $\rm (S)$ entfernt sich vom ruhenden $\rm (E)$

Das linke Szenerio ergibt sich, wenn sich der Sender $\rm (S)$ vom Empfänger $\rm (E)$ entfernt:
Dann ist die Empfangsfrequenz $f_{\rm E}$ (blaue Schwingung) um etwa $20\%$ kleiner als die Sendefrequenz $f_{\rm S}$.

Dopplerfrequenz als Funktion von Geschwindigkeit und Winkel der Verbindungslinie

Wir vereinbaren: Gesendet wird die Frequenz $f_{\rm S}$ und empfangen die Frequenz $f_{\rm E}$. Als Dopplerfrequenz bezeichnet man die Differenz $f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S}$ aufgrund der Relativbewegung zwischen Sender (Quelle) und Empfänger (Beobachter).

Eine positive Dopplerfrequenz $(f_{\rm E} > f_{\rm S})$ ergibt sich dann, wenn sich Sender und Empfänger (relativ) aufeinander zu bewegen.
Eine negative Dopplerfrequenz $(f_{\rm E} < f_{\rm S})$ bedeutet, dass sich Sender und Empfänger (direkt oder unter einem Winkel) voneinander entfernen.

Die exakte Gleichung für die Empfangsfrequenz $f_{\rm E}$ unter Einbeziehung eines Winkels $\alpha$ zwischen Bewegungsrichtung und der Verbindungslinie Sender–Empfänger lautet:

\[f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c \cdot \cos(\alpha)}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {\text{ Exakte Gleichung}}.\]

Hierbei bezeichnet $v$ die Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger, während $c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$ die Lichtgeschwindigkeit angibt.

Die Grafiken im $\text{Beispiel 3}$ gelten für die unrealistisch große Geschwindigkeit $v = c/5 = 60000\, {\rm km/s}$, die zu den Dopplerfrequenzen $f_{\rm D} = \pm 0.2\cdot f_{\rm S}$ führen.

Beim Mobilfunk sind die Abweichungen zwischen $f_{\rm S}$ und $f_{\rm E}$ dagegen meist nur ein Bruchteil der Sendefrequenz. Bei solchen realistischen Geschwindigkeiten $(v \ll c)$ kann man von der folgenden Näherung ausgehen, bei der die durch die Relativitätstheorie beschriebenen Effekte unberücksichtigt bleiben:

\[f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \big [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \big ] \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{\text{ Näherung}}\hspace{0.05cm}.\]

$\text{Beispiel 4:}$ Wir gehen hier von einem festen Sender aus. Der Empfänger nähert sich dem Sender unter dem Winkel $\alpha = 0$.

Untersucht werden sollen verschiedene Geschwindigkeiten:

eine unrealistisch große Geschwindigkeit $v_1 = 0.6 \cdot c = 1.8 \cdot 10^8 \ {\rm m/s}$ $\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_1/c = 0.6$,
die Maximalgeschwindigkeit $v_2 = 3 \ {\rm km/s} \ \ (10800 \ {\rm km/h})$ bei unbemanntem Testflug $\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_2/c = 10^{-5}$,
etwa die Höchstgeschwindigkeit $v_3 = 30 \ {\rm m/s} = 108 \ \rm km/h$ auf Bundesstraßen $\hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_3/c = 10^{-7}$.

(1) Nach der exakten, relativistischen ersten Gleichung gilt:

$$f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c } \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm S} \cdot \left [ \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c } - 1 \right ]$$

$$\hspace{4.8cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{f_{\rm D} }/{f_{\rm S} } = \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 - v/c } - 1 \hspace{0.05cm}.$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_1/c = 0.6\text{:}\hspace{0.5cm}{f_{\rm D} }/{f_{\rm S} } = \frac{\sqrt{1 - 0.6^2} }{1 - 0.6 } - 1 = \frac{0.8}{0.4 } - 1 \hspace{0.15cm} \underline{ = 1}$$

$$ \hspace{2.6cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} {f_{\rm E} }/{f_{\rm S} } = 2 \hspace{0.05cm}.$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_2/c = 10^{\rm -5}\text{:}\hspace{0.5cm}{f_{\rm D} }/{f_{\rm S} } = \frac{\sqrt{1 - (10^{-5})^2} }{1 - (10^{-5}) } - 1 \approx 1 + 10^{-5} - 1 \hspace{0.15cm} \underline{ = 10^{-5} }$$

$$\hspace{2.85cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} {f_{\rm E} }/{f_{\rm S} } = 1.00001 \hspace{0.05cm}.$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_3/c = 10^{\rm -7}\text{:}\hspace{0.5cm}{f_{\rm D} }/{f_{\rm S} } = \frac{\sqrt{1 - (10^{-7})^2} }{1 - (10^{-7}) } - 1 \approx 1 + 10^{-7} - 1 \hspace{0.15cm} \underline{ = 10^{-7} }$$

$$\hspace{2.85cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} {f_{\rm E} }/{f_{\rm S} } = 1.0000001 \hspace{0.05cm}.$$

(2) Dagegen gilt nach der Näherung, also ohne Berücksichtigung der Relativitätstheorie:

$$f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \big [ 1 + {v}/{c} \big ] \Rightarrow \hspace{0.3cm}{f_{\rm D} }/{f_{\rm S} } = {v}/{c} \hspace{0.05cm}.$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_1/c = 0.6\text{:}\hspace{0.7cm} f_{\rm D}/f_{\rm S} \ \ = \ 0.6 \hspace{0.5cm} ⇒ \ \ \ f_{\rm E}/f_{\rm S} = 1.6,$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_2/c = 10^{-5}\text{:}\hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ 10^{-5} \ \ \ ⇒ \ \ \ f_{\rm E}/f_{\rm S} = 1.00001,$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_3/c = 10^{-7}\text{:}\hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ 10^{-5} \ \ \ ⇒ \ \ \ f_{\rm E}/f_{\rm S} = 1.0000001.$$

$\text{Fazit:}$

Für „kleine” Geschwindigkeiten liefert die Näherung bis hin zur Genauigkeit eines Taschenrechners das gleiche Ergebnis wie die relativistische Gleichung.
Die Zahlenwerte zeigen, dass wir auch die Geschwindigkeit $v_2 = \ 10800 \ {\rm km/h}$ in dieser Hinsicht noch als „klein” bewerten können.

$\text{Beispiel 5:}$ Es gelten die gleichen Voraussetzungen wie im letzten Beispiel mit dem Unterschied: Nun entfernt sich der Empfänger vom Sender $(\alpha = 180^\circ)$.

(1) Nach der exakten, relativistischen ersten Gleichung gilt mit ${\rm cos}(\alpha) = -1$:

$$f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 + v/c } \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm S} \cdot \left [ \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 + v/c } - 1 \right ]\hspace{0.3cm}$$

$$\hspace{4.8cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{f_{\rm D} }/{f_{\rm S} } = \frac{\sqrt{1 - (v/c)^2} }{1 + v/c } - 1 \hspace{0.05cm}.$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_1/c = 0.6\text{:}\hspace{0.5cm}{f_{\rm D} }/{f_{\rm S} } = \frac{\sqrt{1 - 0.6^2} }{1 + 0.6 } - 1 = \frac{0.8}{1.6 } - 1 =-0.5 \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} {f_{\rm E} }/{f_{\rm S} } = 0.5 \hspace{0.05cm}.$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_2/c = 10^{\rm -5}\text{:}\hspace{0.5cm}{f_{\rm D} }/{f_{\rm S} } = \frac{\sqrt{1 - (10^{-5})^2} }{1 + (10^{-5}) } - 1 \approx - 10^{-5} \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} {f_{\rm E} }/{f_{\rm S} } = 0.99999 \hspace{0.05cm}.$$

(2) Dagegen gilt nach der Näherung, also ohne Berücksichtigung der Relativitätstheorie:

$$f_{\rm E} = f_{\rm S} \cdot \big [ 1 - {v}/{c} \big ] \Rightarrow \hspace{0.3cm}{f_{\rm D} }/{f_{\rm S} } = - {v}/{c} \hspace{0.05cm}.$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_1/c = 0.6\text{:}\hspace{0.7cm} f_{\rm D}/f_{\rm S} \ \underline {= \ 0.6} \ \ \ ⇒ \ \ \ f_{\rm E}/f_{\rm S} = 0.4,$$

$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}v_2/c = 10^{-5}\text{:}\hspace{0.4cm} f_{\rm D}/f_{\rm S} \ = \ - 10^{-5} \ \ \ ⇒ \ \ \ f_{\rm E}/f_{\rm S} = 0.99999.$$

$\text{Fazit:}$

Die Empfangsfrequenz $f_{\rm E}$ ist nun kleiner als die Sendefrequenz $f_{\rm S}$ und die Dopplerfrequenz $f_{\rm D}$ ist negativ.
Bei der Näherung unterscheiden sich die Dopplerfrequenzen für die beiden Bewegungsrichtungen nur im Vorzeichen ⇒ $f_{\rm E} = f_{\rm S} \pm f_{\rm D}$.
Bei der exakten, relativistischen Gleichung ist diese Symmetrie nicht gegeben.

$\text{Beispiel 6:}$ Nun betrachten wir die auch für den Mobilfunk realistische Geschwindigkeit $v = 30 \ {\rm m/s} = 108 \ \rm km/h$ ⇒ $v/c=10^{-7}$.

Richtungen $\rm (A)$, $\rm (B)$, $\rm (C)$, $\rm (D)$

Damit können wir uns auf die nichtrelativistische Näherung beschränken: $f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm S} \cdot {v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \hspace{0.05cm}.$
Wie in den vorherigen Beispielen sei der Sender fest. Die Sendefrequenz betrage $f_{\rm S} = 2 \ {\rm GHz}$.

Die Grafik zeigt mögliche Bewegungsrichtungen des Empfängers.

Die Richtung $\rm (A)$ wurde im $\text{Beispiel 4}$ betrachtet. Mit den aktuellen Parameterwerten ergibt sich

$$f_{\rm D} = 2 \cdot 10^{9}\,\,{\rm Hz} \cdot \frac{30\,\,{\rm m/s} }{3 \cdot 10^{8}\,\,{\rm m/s} } = 200\,{\rm Hz}.$$

Für die Richtung $\rm (B)$ erhält man gemäß $\text{Beispiel 5}$ den gleichen Zahlenwert mit negativem Vorzeichen:

$$f_{\rm D} = -200\,{\rm Hz}.$$

Die Fahrtrichtung $\rm (C)$ verläuft senkrecht $(\alpha = 90^\circ)$ zur Verbindungslinie Sender–Empfänger. In diesem Fall tritt keine Dopplerverschiebung auf:

$$f_{\rm D} = 0.$$

Die Bewegungsrichtung $\rm (D)$ ist durch $\alpha = \ -135^\circ$ charakterisiert. Daraus resultiert:

$$f_{\rm D} = 200 \,{\rm Hz} \cdot \cos(-135^{\circ}) \approx -141\,\,{\rm Hz} \hspace{0.05cm}.$$

Dopplerfrequenz und deren Verteilung

Wir fassen die Aussagen der letzten Seite nochmals kurz zusammen, wobei wir von der zweiten, also der nicht–relativistischen Gleichung ausgehen:

Bei einer Relativbewegung zwischen Sender (Quelle) und Empfänger (Beobachter) kommt es zu einer Verschiebung um die Dopplerfrequenz $f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S}$.

Eine positive Dopplerfrequenz $(f_{\rm E} > f_{\rm S})$ ergibt sich dann, wenn sich Sender und Empfänger (relativ) aufeinander zu bewegen. Eine negative Dopplerfrequenz $(f_{\rm E} < f_{\rm S})$ bedeutet, dass sich Sender und Empfänger (direkt oder unter einem Winkel) voneinander entfernen.

Die maximale Frequenzverschiebung tritt auf, wenn sich Sender und Empfänger direkt aufeinander zu bewegen ⇒ Winkel $\alpha = 0^\circ$. Dieser Maximalwert hängt in erster Näherung von der Sendefrequenz $ f_{\rm S}$ und der Geschwindigkeit $v$ ab $(c = 3 \cdot 10^8 \, {\rm m/s}$ gibt die Lichtgeschwindigkeit an$)$: $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = f_{\rm S} \cdot {v}/{c} \hspace{0.05cm}.$

Erfolgt die Relativbewegung unter einem beliebigen Winkel $\alpha$ zur Verbindungslinie Sender–Empfänger, so entsteht eine Dopplerverschiebung um

\[f_{\rm D} = f_{\rm E} - f_{\rm S} = f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \cos(\alpha) \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} - \hspace{-0.05cm}f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \le f_{\rm D} \le + \hspace{-0.05cm}f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Fazit:}$ Unter der Annahme gleichwahrscheinlicher Bewegungsrichtungen $($Gleichverteilung für den Winkel $\alpha$ im Bereich $- \pi \le \alpha \le +\pi)$ ergibt sich für die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion $($hier mit „wdf” bezeichnet$)$ der Dopplerfrequenz im Bereich $- f_\text{D, max} \le f_{\rm D} \le + f_\text{D, max}$:

\[{\rm wdf}(f_{\rm D}) = \frac{1}{2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot \sqrt {1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 } } \hspace{0.05cm}.\]

Außerhalb des Bereichs zwischen $-f_{\rm D}$ und $+f_{\rm D}$ hat die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion stets den Wert Null.

$\text{Herleitung}$ über die „Nichtlineare Transformation von Zufallsgrößen”

Leistungsdichtespektrum bei Rayleigh–Fading

Wir setzen nun eine in alle Richtungen gleich abstrahlende Antenne voraus. Dann ist das Doppler–$\rm LDS$ (Leistungsdichtespektrum) formgleich mit der $\rm WDF$ (Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion) der Dopplerfrequenzen.

Für die Inphasekomponente ${\it \Phi}_x(f_{\rm D})$ des LDS muss die WDF noch mit der Leistung $\sigma^2$ des Gaußprozesses multipliziert werden.
Für das resultierende LDS ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$ des komplexen Faktors $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) $ gilt nach Verdoppelung:

\[{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) = \left\{ \begin{array}{c} (2\sigma^2)/( \pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}) \cdot \left [ 1 - (f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 \right ]^{-0.5} \\ 0 \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm f\ddot{u}r}\hspace{0.15cm} |f_{\rm D}| \le f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \\ {\rm sonst} \\ \end{array} \hspace{0.05cm}.\]

Man nennt diesen Verlauf nach William C. Jakes Jr. das Jakes–Spektrum. Die Verdoppelung ist notwendig, da bisher nur der Beitrag des Realteils $x(t)$ betrachtet wurde.

Doppler–LDS und Zeitfunktion (Betrag in dB) bei Rayleigh-Fading mit Dopplereffekt

$\text{Beispiel 7:}$ Links dargestellt ist das Jakes–Spektrum

für $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = 50 \ \rm Hz$ (blaue Kurve) bzw.
für $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} = 100 \ \rm Hz$ (rote Kurve).

Beim GSM–D–Netz $(f_{\rm S} = 900 \ \rm MHz)$ entsprechen diese Werte den Geschwindigkeiten $v = 60 \ \rm km/h$ bzw. $v = 120 \ \rm km/h$.

Beim E–Netz $(f_{\rm S} = 1.8 \ \rm GHz)$ gelten diese Werte für halb so große Geschwindigkeiten: $v = 30 \ \rm km/h$ bzw. $v = 60 \ \rm km/h$.

Das rechte Bild zeigt den logarithmierten Betrag von $z(t)$:

Man erkennt das doppelt so schnelle Fading des roten Kurvenverlaufs.
Die Rayleigh–WDF (Amplitudenverteilung) ist unabhängig von $f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}$ und deshalb für beide Fälle gleich.

Exercises

Wählen Sie zunächst die Nummer 1 ... 9 der zu bearbeitenden Aufgabe.
Eine Aufgabenbeschreibung wird angezeigt. Die Parameterwerte sind angepasst.
Lösung nach Drücken von „Musterlösung”.
Die Nummer 0 entspricht einem „Reset”: Gleiche Einstellung wie beim Programmstart.
In den folgenden Beschreibungen sind $f_{\rm S}$, $f_{\rm E}$ und $f_{\rm D}$ jeweils auf die Bezugsfrequenz $f_{\rm 0}$ normiert.

(1) Zunächst betrachten wir die relativistische Einstellung „Exakt”. Der Sender bewegt sich mit $v/c = 0.8$, die Sendefrequenz sei $f_{\rm S}= 1$.
Welche Empfangsfrequenzen $f_{\rm E}$ ergeben sich bei beiden Bewegungsrichtungen? Wie groß ist jeweils die Dopplerfrequenz $f_{\rm D}$?

Nähert sich der Sender unter dem Winkel $\varphi=0^\circ$ dem Empfänger an, ergibt sich die Empfangsfrequenz $f_{\rm E}= 3$ ⇒ $f_{\rm D}= f_{\rm E} - f_{\rm S}= 2$.
Entfernt sich der Sender vom Empfänger $($für $\varphi=0^\circ$, wenn er diesen überholt, oder $\varphi=180^\circ)$, dann: $f_{\rm E}= 0.333$ ⇒ $f_{\rm D}= -0.667$.
Gleiches Ergebnis bei ruhendem Sender und sich bewegendem Empfänger: Kommen sich beide näher, dann gilt $f_{\rm D}= 2$, sonst $f_{\rm D}= -0.667$.

(2) Die Einstellungen bleiben weitgehend erhalten. Wie ändern sich sich die Ergebnisse gegenüber (1) mit der Sendefrequenz $f_{\rm S}= 1.5$?
Tipp für eine möglichst zeitsparende Versuchsdurchführung: Schalten Sie abwechselnd zwischen „Rechts” und „Links” hin und her.

Bewegungsrichtung $\varphi=0^\circ$: $f_{\rm E}= 4.5$ ⇒ $f_{\rm D}= f_{\rm E} - f_{\rm S}= 3$. Somit: $f_{\rm E}/f_{\rm S}= 3$, $f_{\rm D}/f_{\rm S}= 2$ ⇒ Beides wie in (1).
Bewegungsrichtung $\varphi=180^\circ$: $f_{\rm E}= 0.5$ ⇒ $f_{\rm D}= -1$. Somit: $f_{\rm E}/f_{\rm S}= 0.333$, $f_{\rm D}/f_{\rm S}= -0.667$ ⇒ Beides wie in (1).

(3) Weiterhin relativistische Einstellung „Exakt”. Der Sender bewegt sich nun mit Geschwindigkeit $v/c = 0.4$ und die Sendefrequenz sei $f_{\rm S}= 2$.
Welche Frequenzen $f_{\rm D}$ und $f_{\rm E}$ ergeben sich bei beiden Bewegungsrichtungen? Wählen Sie wieder abwechselnd „Rechts” bzw. „Links”.

Bewegungsrichtung $\varphi=0^\circ$: Empfangsfrequenz $f_{\rm E}= 3.055$ ⇒ Dopplerfrequenz $f_{\rm D}= 1.055$. ⇒ $f_{\rm E}/f_{\rm S}= 1.528$, $f_{\rm D}/f_{\rm S}= 0.528$.
Bewegungsrichtung $\varphi=180^\circ$: Empfangsfrequenz $f_{\rm E}= 1.309$ ⇒ Dopplerfrequenz $f_{\rm D}= -0.691$. ⇒ $f_{\rm E}/f_{\rm S}= 0.655$, $f_{\rm D}/f_{\rm S}= -0.346$.

(4) Es gelten weiter die bisherigen Voraussetzungen, aber nun die Einstellung „Näherung”. Welche Unterschiede ergeben sich gegenüber (3)?

Bewegungsrichtung $\varphi=0^\circ$: Empfangsfrequenz $f_{\rm E}= 2.8$ ⇒ Dopplerfrequenz $f_{\rm D}= f_{\rm E} - f_{\rm S}= 0.8$ ⇒ $f_{\rm E}/f_{\rm S}= 1.4$, $f_{\rm D}/f_{\rm S}= 0.4$.
Bewegungsrichtung $\varphi=180^\circ$: Empfangsfrequenz $f_{\rm E}= 1.2$ ⇒ Dopplerfrequenz $f_{\rm D}= -0.8$. ⇒ $f_{\rm E}/f_{\rm S}= 0.6$, $f_{\rm D}/f_{\rm S}= -0.4$.
Mit „Näherung”: Für beide $f_{\rm D}$ gleiche Zahlenwerte mit verschiedenen Vorzeichen. Bei „Exakt” ist diese Symmetrie nicht gegeben.

(5) Es gelte weiterhin $f_{\rm S}= 2$. Bis zu welcher Geschwingkeit $(v/c)$ ist der relative Fehler zwischen „Näherung” und „Exakt” betragsmäßig $<5\%$?

Mit $v/c =0.08$ und „Exakt” erhält man für die Dopplerfrequenzen $f_{\rm D}= 0.167$ bzw. $f_{\rm D}= -0.154$ und mit „Näherung” $f_{\rm D}= \pm0.16$.
Somit ist die relative Abweichung „(Näherung – Exakt)/Exakt” gleich $0.16/0.167-1=-4.2\%$ bzw. $(-0.16)/(-0.154)-1=+3.9\%$.
Mit $v/c =0.1$ sind die Abweichungen betragsmäßig $>5\%$. Für $v < c/10 = 30\hspace{0.05cm}000$ km/s ist die Dopplerfrequenz–Näherung ausreichend.

(6) Hier und in den nachfolgenden Aufgaben soll gelten: $f_{\rm S}= 1$, $v/c= 0.4$ ⇒ $f_{\rm D} = f_{\rm S} \cdot v/c \cdot \cos(\alpha)$. Mit $\cos(\alpha) = \pm 1$: $f_{\rm D}/f_{\rm S} =\pm 0.4$.
Welche normierten Dopplerfrequenzen ergeben sich mit dem eingestellten Startkoordinaten $(300,\ 50)$ und der Bewegungsrichtung $\varphi=-45^\circ$?

Hier bewegt sich der Sender direkt auf den Empfänger zu $(\alpha=0^\circ)$ oder entfernt sich von ihm $(\alpha=180^\circ)$.
Gleiche Konstellation wie mit dem Startpunkt $(300,\ 200)$ und $\varphi=0^\circ$. Deshalb gilt auch hier für die Dopplerfrequenz: $f_{\rm D}/f_{\rm S} =\pm 0.4$.
Nachdem der Sender an einer Begrenzung „reflektiert” wurde, sind beliebige Winkel $\alpha$ und entsprechend mehr Dopplerfrequenzen möglich.

(7) Der Sender liegt fest bei $(S_x = 0,\ S_y =10),$ der Empfänger bewegt sich horizontal nach links bzw. rechts $(v/c = 0.4, \hspace{0.3cm}\varphi=0^\circ)$.
Beobachten und interpretieren Sie die zeitliche Änderung der Dopplerfrequenz $f_{\rm D}$.

Wie in (6) sind auch hier nur Werte zwischen $f_{\rm D}=0.4$ und $f_{\rm D}=-0.4$ möglich, aber nun alle Zwischenwerte $(-0.4 \le f_{\rm D} \le +0.4)$.
Mit „Step” erkennen Sie: $f_{\rm D}\equiv0$ tritt nur auf, wenn der Empfänger genau unter dem Sender liegt $(\alpha=\pm 90^\circ$, je nach Fahrtrichtung$)$.
Dopplerfrequenzen an den Rändern sind sehr viel häufiger: $|f_{\rm D}| = 0.4 -\varepsilon$, wobei $\varepsilon$ eine kleine positive Größe angibt.
Schon aus diesem Versuch wird der prinzipielle Verlauf von Doppler–WDF und Doppler–LDS ⇒ „Jakes–Spektrum” erklärbar.

(8) Was ändert sich, wenn der Sender bei sonst gleichen Einstellungen fest am oberen Rand der Grafikfläche in der Mitte liegt $(0,\ 200) $?

Die Dopplerwerte $f_{\rm D} \approx0$ werden häufiger, solche an den Rändern seltener. keine Werte $|f_{\rm D}| > 0.325$ aufgrund der begrenzten Zeichenfläche.

(9) Der Sender liegt bei $S_x = 300,\ S_y =200)$, der Empfänger bewegt sich mit $v/c = 0.4$ unter dem Winkel $\varphi=60^\circ$.
Überlegen Sie sich den Zusammenhang zwischen $\varphi$ und $\alpha$.

Musterlösungen fehlen noch

Applet Manual

(A) Vorauswahl für blauen Parametersatz

(B) Parametereingabe $I$ und $p$ per Slider

(C) Vorauswahl für roten Parametersatz

(D) Parametereingabe $\lambda$ per Slider

(E) Graphische Darstellung der Verteilungen

(F) Momentenausgabe für blauen Parametersatz

(G) Momentenausgabe für roten Parametersatz

(H) Variation der grafischen Darstellung

$\hspace{1.5cm}$„$+$” (Vergrößern),

$\hspace{1.5cm}$ „$-$” (Verkleinern)

$\hspace{1.5cm}$ „$\rm o$” (Zurücksetzen)

$\hspace{1.5cm}$ „$\leftarrow$” (Verschieben nach links), usw.

( I ) Ausgabe von ${\rm Pr} (z = \mu)$ und ${\rm Pr} (z \le \mu)$

(J) Bereich für die Versuchsdurchführung

Andere Möglichkeiten zur Variation der grafischen Darstellung:

Gedrückte Shifttaste und Scrollen: Zoomen im Koordinatensystem,
Gedrückte Shifttaste und linke Maustaste: Verschieben des Koordinatensystems.

About the Authors

Dieses interaktive Berechnungstool wurde am Lehrstuhl für Nachrichtentechnik der Technischen Universität München konzipiert und realisiert.

Die erste Version wurde 2009 von Alexander Happach im Rahmen seiner Diplomarbeit mit „FlashMX–Actionscript” erstellt (Betreuer: Günter Söder).
2020 wurde das Programm von Andre Schulz (Bachelorarbeit LB, Betreuer: Benedikt Leible und Tasnád Kernetzky ) unter „HTML5” neu gestaltet.

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-Bei realistischen Geschwindigkeiten&nbsp; $(v/c \ll 1)$&nbsp; ist folgende Näherung ausreichend, bei der relativitätstheoretische Effekte unberücksichtigt bleiben:
+At realistic speeds&nbsp; $(v/c \ll 1)$&nbsp; the following approximation is sufficient, ignoring the effects of relativity:
-:$$f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \big [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \big ] \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{\text{ Näherung}}\hspace{0.05cm}.$$
+:$$f_{\rm E} \approx f_{\rm S} \cdot \big [1 +{v}/{c} \cdot \cos(\alpha) \big ] \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}{\text{ approximation}}\hspace{0.05cm}.$$
-Beispielsweise sind beim Mobilfunk die Abweichungen zwischen&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; und&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; &ndash; also die Dopplerfrequenz $f_{\rm D}$&nbsp; &ndash; nur ein Bruchteil der Sendefrequenz.&nbsp;
+For example, in the case of mobile communications, the deviations between&nbsp; $f_{\rm E}$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; &ndash; the Doppler frequency $f_{\rm D}$&nbsp; &ndash; only a fraction of the transmission frequency.&nbsp;