Entwickeln von Sendern und Empfängern
Die Reichweite maximieren
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Blick auf den Empfänger
Der letzte Teil in der Leistungsübertragungsbilanz, den der Entwickler eines Funksystems berücksichtigen muss, ist der Empfänger. Der Signalfluss des Empfängers beginnt an der Antenne, die, genau wie beim Sender, Verstärkungen oder Dämpfungen aufweisen kann. Unter Berücksichtigung von Verbindungsverlusten kann die erforderliche Empfindlichkeit des Empfängers berechnet werden.
Für die Kommunikation mit der Voyager-Raumsonde wird ein hoch aufragender 70 m großer Parabolspiegel als Empfangsantenne genutzt, bekannt als DSS-14 oder »Mars«. Diese Antenne bietet mit 74 dBi einen enormen Antennengewinn bei nur winzigen 0,2 dB Verlust durch Ausrichtungsfehler. Der nachgeschaltete X-Band-Empfänger kann Signale mit einer minimalen spektralen Leistungsdichte von –185 dBm/Hz detektieren. Wenn jedoch thermisches Rauschen hinzukommt, liegt der effektive Empfindlichkeitsschwellenwert des Empfängers bei –171 dBm – circa 0,8 × 10–20 W oder 1,78 nVSS an 50 Ω.
Abzüglich der Verluste, verursacht durch die Ausrichtung, Phasenlage und Telemetrie, von zusammen 6,5 dB, lässt das Signal-Rauch-Verhältnis (SNR, Signal to Noise Ratio) etwa 19 dB Spielraum zwischen der minimalen Empfangsleistung und der Empfindlichkeit des Empfängers.
In SRD-Geräten hat der Empfänger üblicherweise eine weniger ideale Antenne, mit etwa –5 dBi für eine gängige omnidirektionale Stabantenne. Mit Berücksichtigung der Verbindungsverluste von 1 dB ist der HF-Ingenieur in der Lage, die Leistung am Eingang des rauscharmen Verstärkers (LNA, Low Noise Amplifier) des Empfängers zu berechnen – im Beispiel liegt sie bei –109 dBm.
Die meisten SRD-Empfänger haben Empfindlichkeiten im Bereich von –105 dBm bis –115 dBm. Durch die Auswahl eines gängigen Empfänger-ICs, z.B. mit ASK-Modulation (ASK, Amplitude Shift Keying) mit einer Empfindlichkeit von –110 dBm kann nun bestimmt werden, wie viel Empfangsreserve die Leistungsübertragungsbilanz vorhersagt. In diesem Fall bleibt dem Entwickler nur 1 dB SNR zur Verfügung – die Empfangsleistung ist am Rande der Detektierbarkeit (Bild 3).
Wie kann die Reichweite verbessert werden?
Was kann ein Entwickler tun, um die Empfangsreserve bei der geforderten Reichweite zu steigern? Beim Durchgehen der Signalkette wird deutlich, dass die Physik die Verluste im Kommunikationskanal dominiert und der Entwickler keinen Einfluss auf das Übertragungssystem zwischen Sender und Empfänger hat. Die Freiraumdämpfung, Mehrwegereflexionen, Hindernisse, sogar Wetter und bewegliche Objekte – z.B. Personen, Autos usw. – wirken sich auf den Übertragungskanal aus. Der Entwickler muss die Umgebung der Anwendung kennen und sie berücksichtigen. Da der Übertragungskanal nicht vom Entwickler beeinflusst werden kann, bleiben ihm nur der Sender und der Empfänger, auf die er Einfluss nehmen kann.
Bis zu einem gewissen Grad liegen selbst einige Aspekte der Funkblöcke außerhalb der Kontrolle des HF-Ingenieurs. Eigenschaften wie maximale Strahlungsleistung und spektrale Reinheit – belegte Bandbreite und Störsignale, Oberwellen – werden oft von Regulierungsbehörden und durch Normen, wie FCC (Federal Communications Commission), ETSI (European Telecommunications Standards Institute) etc., begrenzt. Ebenso führen Form und Funktion eines Gerätes häufig zu Einschränkungen, die durch die Ästhetik des Gerätes und die Platzierung der Funkstufen im Gerät entstehen.
Riesige Antennen sind für Raumsonden in Ordnung, aber sie können schlecht an jedem Außenfenster und jeder Haustür eines Hauses montiert werden, um die Signale von Sensoren an ein Überwachungssystem zu senden. Häufig sind deshalb die Antennen die ersten Komponenten, die unter Designbeschränkungen leiden. Normalerweise betrifft die nächste Einschränkung, die ein Entwickler berücksichtigen muss, den Energiespeicher – meist ein Akkus oder eine Batterie. Aufgrund von Größenbeschränkungen begrenzt die Stromversorgung zunehmend auch die Empfängerempfindlichkeit, aber meistens wird die Sendeleistung durch die Anforderungen an die Akkulaufzeit begrenzt.
Aufgrund dieser Einschränkungen stehen Entwicklern von SRD-Funksystemen in der Regel nur drei Stellschrauben zur Verfügung, mit denen sie die Leistungsfähigkeit ihres Systems verbessern können:
- Verbesserung der Antenneneigenschaften
- Verwendung eines Senders mit höherer Ausgangsleistung
- Optimieren des Empfängers, um eine bessere Empfängerempfindlichkeit zu erreichen
Verbesserungen der Antenne
Die Verbesserung der Antenne kann eine schwierige Aufgabe sein, führt aber in der Regel zu einer merklichen Vergrößerung der effektiven Reichweite. Der größte Nachteil von optimierten Antennen liegt in der Größe, der erforderlichen Ausrichtung und der Nebenkeulendämpfung. Oft ist der Sender als kleinste Baugruppe in einem mobilen Gerät stark eingeschränkt – z.B. in einem Funksensor, einem Funkschlüsselanhänger oder einer Fernbedienung.
Bei den SRD-Frequenzen, wie 315 MHz, 434 MHz oder 868/915 MHz, misst die ideale Viertelwellenlängen-Antenne (Monopolantenne) 23,8 cm, 17,9 cm oder 8,6/8,2 cm. Selbst eine 8-cm-Antenne ist optisch nicht ansprechend, geschweige denn eine 18-cm-Antenne. Außerdem muss eine Monopolantenne senkrecht zu einer Potenzialebene ausgerichtet werden, wobei sichergestellt werden muss, dass die Antenne nicht durch Gegenstände oder die Hand des Benutzers abgeschirmt wird. Was bleibt, ist ein sehr eingeschränkter Aufbau, der keine wesentlichen Verbesserungen ermöglicht.
Auf der Gegenseite, dem stationären Gerät, dürfen die Antennen üblicherweise größer und »sperrig« sein. Auch lässt sich die endgültige Ausrichtung der Antennen in stationären Geräten oft besser kontrollieren – z.B. durch eine PCB-Antenne in einem Gerät und die Installation der Controller-Station durch einen Fachmann.
Letztendlich ist der SRD-Entwickler nicht sehr daran interessiert, Wochen oder Monate Entwicklungszeit mit teuren Simulationsprogrammen zu verbringen, um die Antenneneigenschaften zu verbessern. Vielmehr wird er eine einfache Antenne für seinen Sender entwerfen, die »gut genug« für die Anwendung ist, und er wird eine fertige Antenne als Komponente für den Empfänger auswählen, die zugekauft und im Rahmen der Endmontage installiert wird.
Mehr Sendeleistung
Abgesehen von jeglichen Verbesserungen an den Antennen sorgt zusätzliche Sendeleistung immer für eine bessere Reichweite. In einer rein theoretischen Situation, wiederum mit der Link-Budget-Tabellenkalkulation von Maxim [3] durchgeführt, ist es einfach zu zeigen, dass zusätzliche 3 dB Sendeleistung zu 30 bis 40 m zusätzlicher Reichweite führen. Diese Reichweitenverbesserung sinkt auf ca. 20 m, wenn eine maximale Mehrwegereflexion berücksichtigt wird. Für jeweils 3 dB zusätzliche Ausgangsleistung am Sender kann ein Entwickler in der realen Welt oft eine zusätzliche Reichweite von 20 bis 30 m erreichen.
Leider kann diese zusätzliche Leistung mit integrierten Schaltungen schwer zu realisieren sein. Bei der Auswahl eines leistungsstärkeren Sender-ICs ist in der Regel neben höheren Materialkosten (teurerer IC) auch eine signifikant höhere Leistungsaufnahme zu erwarten.
Häufig wird die höhere Ausgangsleistung nicht durch einen höheren Wirkungsgrad des Sendeverstärkers erreicht. Stattdessen steigt die Leistungsaufnahme der integrierten Schaltung – was meist mit einer höheren Versorgungsspannung und/oder Stromaufnahme verbunden ist. Wenn die Stromquelle ein Akku oder eine Batterie ist, bedeutet die höhere Sendeleistung fast immer eine kürzere Betriebsdauer des Senders.
Genau wie eine höhere Ausgangsleistung des Senders bedeutet ein Empfänger-IC mit verbesserter Empfindlichkeit eine Reichweitenerhöhung. 3 dB Verbesserung, diesmal durch eine höhere Empfindlichkeit, könnte helfen, weitere 20 bis 30 m Reichweite zu erreichen.
- Die Reichweite maximieren
- Blick auf den Empfänger
- Verbesserte Empfindlichkeit des Empfängers
