Einen Großteil des Internet of Things (IoT) macht die drahtlose M2M-Kommunikation (Machine-to-Machine) zwischen den Knoten aus. Die Geräte erzeugen Daten ohne menschliches Zutun und interpretieren, speichern und verarbeiten sie. Jeder Knoten ist eine identifizierbare Embedded-Computing-Einheit, welche die Automatisierung des täglichen Lebens erleichtert und fortschrittliche Anwendungen ermöglicht. Da viele Sensoren in der Ferne platziert und häufig autark arbeiten müssen, ist die funkbasierte Kommunikation ein grundlegender Faktor im IoT.

IoT-Ökosystem mit höherer Reichweite im Sub-GHz-Bereich

Bild 1: Nicht alle drahtlos kommunizierende IoT-Geräte hallten ihre Trägerfrequenz stabil. Transceiver mit weiter Trägerfrequenztoleranz sorgen dabei für einen Datenaustausch mit geringer Fehlerrate.

Bild 1: Nicht alle drahtlos kommunizierenden IoT-Geräte halten ihre Trägerfrequenz stabil. Transceiver mit weiter Trägerfrequenztoleranz sorgen dabei für einen Datenaustausch mit geringer Fehlerrate. Melexis

Das hohe Aufkommen von drahtlos kommunizierenden Geräten nutzt das verfügbare Funkspektrum bis an seine Grenzen. Es gilt daher, möglichst wenig Bandbreite effizient zu nutzen. Durch Signalaufbereitung und -verarbeitung können intelligente IoT-Knoten Nutzsignale von Störungen isolieren und Redundanz minimieren, um Bandbreite zu sparen. IoT-Sensoren kommunizieren üblicherweise mit einem Gateway, welches Daten an einen zentralen Speicher weiterleitet, der wiederum die Daten sicher schützt, speichert und weiterverarbeitet (Bild 1).

Als Träger für die Datenkommunikation innerhalb des IoT eignen sich Frequenzbänder im Sub-GHz-Bereich (ISM-Band mit 433,92 oder 868,3 MHz) als auch der 2,4-GHz-Bereich, in der Regel genutzt über Bluetooth Low Energy (BLE) oder Wi-Fi.

2,4-GHz-Systeme bieten einen Datendurchsatz von mehreren MBit/s mit Wi-Fi und etwa 260 kBit/s mit BLE. Aufgrund seiner hohen Ausbreitungsverluste hat 2,4-GHz-Funk eine kurze Reichweite von weniger als 10 m. Sub-GHz-Geräte hingegen eignen sich für Anwendungen mit großer Reichweite bis zu einem Kilometer im Freien und sie bieten Robustheit und Störfestigkeit durch schmalbandige 25-kHz-Funkkanäle (Bild 2). Da sie proprietäre Protokolle verwenden, lassen sich Sub-GHz-Geräte energieeffizient auslegen, was für Remote-Sensoren unerlässlich ist.

Die Akzeptanz der Trägerfrequenz ist entscheidend

Bild 2: Für viele IoT-Anwendungen, die über mehrere zehn bis hundert Meter drahtlos kommunizieren müssen, eignet sich eine Datenübertragung im Sub-GHz-Bereich.

Bild 2: Für viele IoT-Anwendungen, die über mehrere zehn bis hundert Meter drahtlos kommunizieren müssen, eignet sich eine Datenübertragung im Sub-GHz-Bereich. Melexis

Alle IoT-Anwendungen müssen Trägerfrequenzabweichungen im Übertragungsknoten verfolgen. Moderne Funkempfänger und -sender verwenden Quarze, um eine Referenzfrequenz zu erzeugen. Erschwingliche Quarze weisen Stabilitäten zwischen ±10 und ±50 ppm auf. HF-ICs mit SAW-Resonator sind weniger stabil (±100 ppm).

Analoge HF-Transceiver und Empfänger enthalten Phasenkoinzidenz-Demodulatoren, die eine Diskriminatorschaltung oder einen integrierten FSK-Demodulator enthalten. Mittels analoger Demodulation bieten sie einen Trägerfrequenzakzeptanzbereich (CFAR; Carrier Frequency Acceptance Range) von bis zu ±100 kHz.

In einem IoT-Sender mit einer Trägerfrequenz von 868,3 MHz und einem Quarz mit ±50 ppm Toleranz kann sich die Mittenfrequenz um ±43 kHz verschieben und möglicherweise die FSK-Abweichung von ±10 bis ±50 kHz für IoT-Sensoren überschreiten. HF-Produkte mit analogen Demodulatoren können aufgrund ihres größeren CFAR mit breiteren Bereichen zurechtkommen.

Moderne HF-Transceiver führen eine Demodulation und Signalaufbereitung digital durch, wodurch sie im Vergleich zu analoger Verarbeitung nur geringere Frequenzabweichungen verkraften. Bei digitalen HF-Empfängern ist der Signalempfang daher eine Herausforderung, wenn der Sender eine schlechte Frequenzgenauigkeit aufweist.

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