Bild 1: Das Fernsteuerungsmodul NK-2.4Y überträgt Datenpakete per Frequency Hopping und sorgt für eine stabile Kommunikation im stark genutzten 2,4-GHz-Band.

Bild 1: Das Fernsteuerungsmodul NK-2.4Y überträgt Datenpakete per Frequency Hopping und sorgt für eine stabile Kommunikation im stark genutzten 2,4-GHz-Band. Circuit Design

Überall auf der Welt ist das 2,4-GHz-Band (ISM-Band) für drahtlose Systeme nutzbar. Entsprechend attraktiv sind Fernsteuerungssender für Industrieapplikationen, die in diesem ISM-Band neben bestehenden WLAN- und Bluetooth-Systemen arbeiten. Der Markt dafür ist riesig.

Circuit Design hat das Fernsteuerungsmodul NK-2.4Y entwickelt, das Datenpakete per FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) überträgt und für eine stabile Kommunikation im stark genutzen 2,4-GHz-Band sorgt. Das Modul erfüllt die jeweiligen Normen in den USA (FCC), Kanada (IC), Europa (EN) und Japan (ARIB) und macht es möglich, Funksysteme für weltweite Fernschaltapplikationen relativ einfach aufzubauen.

Dasselbe Frequenzband störungsfrei mehrfach nutzen

Im FHSS-Verfahren werden Datenpakete durch Umschalten der Frequenz auf mehrere zur Verfügung stehende Frequenzkanäle verteilt und übertragen. Das Funkmodul NK-2.4Y schaltet während der Datenübertragung in einem festgelegten Schema zwischen mehreren Dutzend Kanälen hin und her. Wenn sich Sender und Empfänger bei der Übertragung an dieselbe Hopping-Sequenz halten (zum Beispiel f5, f10, f3, f7 … f1), können die Daten weitesgehend störungsfrei übertragen werden.

Eckdaten

Das Funkschaltmodul NK-2.4Y überträgt per Simplex  jeweils acht Schaltsignale im Ein- oder Ausgabemodus. Beim Senden  mit 1,4 W schafft das Modul etwa 100 m Reichweite im freien Feld, überträgt mit 250 kbps und bestätigt den Verbindungsstatus. Es arbeitet im Batteriebetrieb stromsparend bei Spannungen von 2,2 bis 5,5 V im Temperaturbereich von -30 bis 60 °C und wechselt für störungsfreie Kommunikation zwischen mehreren Dutzend Kanälen.

Angenommen Gerätepaar X arbeitet auf der Frequenz f5 und NK-2.4Y beginnt die Übertragung per FHSS, dann kommt es jedoch in dem Moment zur Kollision beider Signale, wenn das Funkmodul dieselbe Frequenz f5 wählt. Da das Gerätepaar X nur auf der festen Frequenz f5 senden kann, wird es voraussichtlich seine Daten erneut senden. Das Modul NK-2.4Y hingegen wiederholt das Senden seiner Daten erst nach dem Weiterschalten auf einen anderen Kanal, beispielsweise f10.

Mit dieser FHSS-Übertragungsmethode lassen sich Daten relativ störungsfrei im selben Frequenzbereich versenden, in dem auch Geräte mit anderen Übertragungsmethoden wie WLAN oder Bluetooth arbeiten.

Bild 2: Bei unterschiedlichen Hopping-Sequenzen können mehrere Sender/Empfänger-Paare zur selben Zeit störungsfrei kommunizieren.

Bild 2: Bei unterschiedlichen Hopping-Sequenzen können mehrere Sender/Empfänger-Paare zur selben Zeit störungsfrei kommunizieren. Circuit Design

Koexistenz mit WLAN oder Bluetooth

Wenn Signale von Spread-Spectrum-Systemen wie WLAN oder Bluetooth präsent sind, passiert folgendes: WLAN verwendet DSSS zum Senden einer einzelnen Dateneinheit und nutzt dabei die Verteilung der Information über ein breites Frequenzspektrum. Deswegen kann das WLAN-System wie bereits erwähnt Daten korrekt übertragen, auch wenn bestimmte Frequenzkanäle durch NK-2.4Y belegt sind. Ist die Übertragung über mehrere Frequenzen möglich, gibt es dank der Korrelationsfunktion des DSSS-Verfahrens kein Problem, wenn mehrere Frequenzen im Konflikt stehen.

Welchen Einfluss diese Konflikte haben, hängt von der Anzahl der im selben Bereich betriebenen WLAN-Systeme ab. Die einzige Auswirkung ist allerdings, dass die Übertragungsdatenrate sinkt, da die Häufigkeit der Sendewiederholungen steigt.

Bild 3: Eine gegenseitige Störung von Festfrequenz- und FHSS-Funkeinheiten ist gering, weil Störungen nur sporadisch und kurzzeitig bei gleicher Kanalfrequenz auftreten.

Bild 3: Eine gegenseitige Störung von Festfrequenz- und FHSS-Funkeinheiten ist gering, weil Störungen nur sporadisch und kurzzeitig bei gleicher Kanalfrequenz auftreten. Circuit Design

Bluetooth-Systeme arbeiten mit derselben FHSS-Technologie wie NK-2.4Y. Hier ist die Situation also etwas komplizierter. Wenn ein Konflikt auftritt, weil das Bluetooth-System dieselbe Frequenz auswählt wie NK-2.4Y, erhöht es die Sendewiederholungsrate, sodass die Gesamtdatenrate sinkt.

Da Bluetooth immer 79 Kanäle nutzt und NK-2.4Y 20 Kanäle, würde die Datenrate bei einer Sendewiederholung im schlimmsten Fall um 25 Prozent zurückgehen.

Allerdings sind Bluetooth-Systeme ab der Version V1.2 mit einer AFH-Funktion (Adaptive Frequency Hopping) ausgerüstet, die von anderen Geräten nicht genutzte Frequenzen auswählt. Da dies reduzierte Datenraten auf Grund von Kollisionen und Sendewiederholungen verhindert, ist die Koexistenz von NK-2.4Y mit Bluetooth-Systemen sogar weniger problematisch als mit WLAN-Systemen.

Merkmale der modernen FHSS-Technologie

Wie bereits erläutert schalten Systeme mit FHSS-Technologie zwischen den Frequenzen hin und her. Dabei nutzen sie ein Zufallsschema, das sich von anderen Systemen unterscheidet.

Bild 4: Arbeiten zwei FHSS-Funkeinheiten nebeneinander, ist eine gegenseitige Störung gering, wenn beide unterschiedliche Hopping-Sequenzen verwenden.

Bild 4: Arbeiten zwei FHSS-Funkeinheiten nebeneinander, ist eine gegenseitige Störung gering, wenn beide unterschiedliche Hopping-Sequenzen verwenden. Circuit Design

Wenn aber mehrere Systeme im selben Bereich betrieben werden, arbeiten sie bezüglich Timing unabhängig voneinander, sodass Gerätepaar A gelegentlich denselben Frequenzkanal auswählt wie Gerätepaar B oder C und so weiter. Diese Kanalkonflikte lassen sich auch mit FHSS prinzipiell nicht vermeiden.

Bei der von Circuit Design entwickelten FHSS-Technologie ist die Wahrscheinlichkeit eines Kanalkonflikts für alle Systeme zu jeder Zeit gleich. Vorteil ist, dass ein Kanalkonflikt mit dem nächsten Frequenzsprung beseitigt ist.

Auch in einer Umgebung mit mehreren NK-2.4Y-Modulen kann also bei der Antwortzeit eine Standard-Unregelmäßigkeit auf Grund von Kanalkonflikten aufrechterhalten werden, was die Ansprechbarkeit sichert und ein Alleinstellungsmerkmal der FHSS-Technologie ist.

Ein weiterer Vorteil von FHSS ist eine optimale Koexistenz von WLAN-Systemen mit DSSS-Verfahren und Bluetooth im FHSS-Verfahren, da deren Timing unabhängig von NK-2.4Y ist. Da NK-2.4Y Frequenzen gleichmäßig nutzt und dieselben Kanäle nicht der Reihe nach auswählt, ist es möglich bei asynchron zu NK-2.4Y arbeitenden Bluetooth- und WLAN-Systemen die Kanalkonfliktrate immer auf dem niedrigsten Niveau zu halten.

Ohne Überwachung von Kanälen

Industriefunksysteme arbeiten in Fabriken oder in urbaner Umgebung und sind nicht nur unerwarteten Störungen von anderen Anlagen, sondern auch Fading (Signalschwankungen) und anderen Änderungen in der Funkumgebung ausgesetzt. Folglich ist es normal, Kanäle auszuwählen und zu überwachen. Außerdem müssen Anwender bei schlechter HF-Ausbreitung auf einen freien Kanal umschalten oder den Betrieb neu starten.

Circuit Designs NK-2.4Y verwendet die FHSS-Technologie und schaltet beliebig zwischen den Frequenzen hin und her, sodass Auswahl und Überwachung von Kanälen nicht erforderlich sind. Darüber hinaus ermöglicht es höchst zuverlässige Funksysteme, die eine Kontinuität in der Datenübertragung, Ansprechbarkeit und Funktionsfähigkeit bieten, wie sie für Industrieschaltapplikationen notwendig sind.

Der Beitrag basiert auf Unterlagen von Circuit Design.