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Funkkommunikation

Schmales Band für weite Strecken

22. Oktober 2015, 18:25 Uhr | Terje Lassen und Svein Vetti

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Übertragungsdauer entscheidend für die Energieaufnahme

Da die Netto-Datenrate bzw. der Durchsatz in beiden Übertragungsverfahren gleich ist, enthält das Datenpaket den gleichen Umfang an Nutzdaten. Die beim Empfänger ankommenden Signale sind jedoch völlig unterschiedlich, wie die Augendiagramme in Bild 3 zeigen.

Das Diagramm links zeigt ein Schmalband-Signal, bei dem sich die 0- und 1-Werte wegen des weit geöffneten Auges klar unterscheiden lassen. In Bild 3 rechts ist das gleiche Augendiagramm für eine Funkkommunikation mit Codierungsgewinn zu sehen. Wie zu erwarten, ist das Signal nicht erkennbar, da es im Eigenrauschen untergeht. Um verwertbare Informationen aus diesem Signal zu extrahieren, ist zunächst eine exakte Synchronisation zum verwendeten Codierungssystem erforderlich, damit der nötige Codierungsgewinn erzielt werden kann. Hierfür ist eine sehr lange Präambel bzw. Einleitungssequenz erforderlich, bevor die eigentlichen Daten übertragen werden können.

Die Empfänger der Transceiver-ICs CC1120/CC1200 von TI können, dank der WaveMatch genannten Technik, diese Signale selbst mit einer Präambel von nur vier Bits zuverlässig verarbeiten. Die WaveMatch-Technik ist eine im Transceiver-IC integrierte Funktion, die den Anfang einer Nachricht detektiert, das Sync-Wort bzw. den Start Frame Delimiter (SFD). In einem traditionellen Empfänger wird das Empfangssignal erst demoduliert und dann sucht der Empfänger im Bitstrom nach dem Sync-Wort. Diese Methode schränkt in der Regel die Leistung des Empfängers ein und führt zu vielen Fehldetektionen, z.B. wird eine Nachrichtenübertragung signalisiert, obwohl nur Rauschen empfangen wird. In den Funk-Transceiver-ICs CC1120/CC1200 nutzt der WaveMatch-Detektor ein Korrelationsverfahren, um in der vollständigen Wellenform das Sync-Wort zu suchen. Auf diese Weise lässt sich praktisch jede Fehldetektion verhindern. Der für WaveMatch eingesetzte Korrelationsalgorithmus arbeitet parallel, sodass für den Empfang keine Präambel mehr erforderlich ist. Die Präambel kann deshalb zur Verringerung der Leistungsaufnahme (Ein-/Aus-Tastung des Empfängers, RX Sniff Mode) oder zur Offset-Kompensation von Frequenzen genutzt werden. Die WaveMatch-Technik verbessert die Robustheit und die Reichweite der Funkübertragung im Vergleich zu herkömmlichen Detektoren, die in den meisten ISM-HF-Bauteilen verwendet werden.

Bei Funkübertragungsverfahren mit hohem Codierungsgewinn bildet die Einleitungssequenz den bei Weitem dominierenden Teil der Datenübertragung, wodurch die Frequenznutzung noch ineffektiver wird. In Bild 4 sind die tatsächlichen Paketlängen für ein schmalbandig übertragenes uncodiertes Datenpaket und ein breitbandig gesendetes codiertes Datenpaket gegenübergestellt. Die lange Einleitungssequenz kostet Sender und Empfänger Energie, die eingeplant werden muss. Denn zunächst muss eine große Menge redundanter Informationen empfangen werden, bevor der Empfänger das Nutzsignal aus dem Rauschen extrahieren kann. Für den Batteriebetrieb sind die als Energiespeicher genutzten Primärzellen entsprechend groß zu dimensionieren.

Zwischen der Codierungsrate und der Länge der Einleitungssequenz besteht keine lineare Beziehung. Eine Verdoppelung der Codierungsrate bzw. eine Halbierung der Netto-Datenrate zur Verbesserung der Empfindlichkeit führt dazu, dass sich die Länge der Einleitungssequenz mehr als verdoppelt, sodass sich die Frequenznutzung weiter verschlechtert und für die Funkkommunikation noch mehr Energie benötigt wird.

Frequenzgenauigkeit

Schmalband-Funksysteme hatten früher den Nachteil, dass sie hohe Anforderungen an den HF-Quarz stellen mussten, da jeder Frequenzfehler des Quarzes zu einem Versatz der programmierten Frequenz führt. Wird dieser Versatz zu groß, fällt das Signal aus dem vorgesehenen Kanal heraus, sodass es von den steilflankigen Filtern im Empfänger ausgefiltert wird. Ältere Schmalband-Funksysteme waren deshalb mit temperaturgeregelten Oszillatoren (TCXO, Temperature Compensated Crystal Oscillator) ausgestattet. Diese waren zwar teurer als herkömmliche Quarze, doch mittlerweile ist der Preisunterschied stark zurückgegangen. Inzwischen wurde auch die Genauigkeit der Standard-Quarze erheblich verbessert. Die Transceiver-ICs CC1120/1200 können die Frequenz des Quarzes sehr genau messen und deren Frequenzabweichung kompensieren, sodass zusammen mit der neuen WaveMatch-Technik Schmalband-Funksysteme mit einem herkömmlichen Quarz realisiert werden können. In Sternnetzen eignet sich für die Korrektur von Frequenzfehlern auch die Rückkoppelung in Form eines Referenzwertes, den der Vermittlungsknoten – ausgestattet mit einem präzise arbeitenden Oszillator – sendet.

Unterstützung für Entwickler

Die Schmalband-Funktechnik ist allgemein bekannt und bewährt. Viele Hersteller bieten hierfür Produkte an, die in Massenproduktion entsprechend kostengünstig gefertigt werden. Dies ist wichtig im Blick auf eine langfristige Verfügbarkeit der Bausteine und Komponenten, die Weiterentwicklung der Produkte und das Preisniveau. Mit dem Blick auf komplette Funksysteme, mit denen sich in der Praxis eine zuverlässige Funkübertragung erreichen lässt, bietet Texas Instruments für Entwickler kostengünstige Referenzdesigns mit Leiterplatten-Antennen, Dokumentationen in Form von Applikationsschriften und Design Notes sowie Online-Ressourcen und Unterstützung durch leistungsfähige Support-Teams auf der ganzen Welt – damit für jede Anwendung auch die maximale Übertragungsreichweite erzielt wird. In einem Freifeld-Test in Kapstadt [4] haben Ingenieure von TI mit dem standardmäßigen Entwicklungs-Kit CC112x-Ki eine Reichweite von 25 km erzielt – bei 868 MHz, 14 dBm Sendeleistung und einer Datenrate von 1,2 kbit/s.

Literatur
[1]   DIN EN 13757-4:2014-02: Kommunikationssysteme für Zähler und deren Fernablesung - Teil 4: Zählerauslesung über Funk (Fernablesung von Zählern im SRD-Band).
[2]   VHF/UHF Narrowbanding Information, FCC, https://transition.fcc.gov/pshs/public-safety-spectrum/narrowbanding.html.
[3]   CC1120 High-Performance RF Transceiver for Narrowband Systems, Texas Instruments, www.ti.com/lit/ds/symlink/cc1120.pdf.
[4]   CC112x Rage Test in Cape Town, South Africa, Texas Instruments, www.ti.com/general/docs/video/watch.tsp?entryid=1_8ysxrmyk.
[5]   Dembowski, K.: Auswahl des Funkstandards. Elektronik Reader’s Choice 2015, S. 14–20.

Terje Lassen
ist Systemingenieur und im strategischen Marketing für die Low-Power-HF-Produktlinie von Texas Instruments tätig. Funktechnik im Frequenzbereich unter 1 GHz und Vermittlungstechnik für IoT-Anwendungen stehen im Fokus seiner Arbeit. Terje Lassen studierte Mikroelektronik an der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens und ist seit der Chipcon-Übernahme 2006 für TI tätig.
epic@ti.com

Svein Vetti
hat Elektrotechnik an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara und an der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens studiert. Seit 2006 ist er als Systemingenieur im strategischen Marketing für die Low-Power-HF-Produktlinie von Texas Instruments tätig. Zuvor war Svein Vetti als Vertriebsleiter und Entwicklungsingenieur bei Chipcon beschäftigt.
epic@ti.com