Einführung in die Funktechnik [Whitepaper]
9. Oktober 2007
Einführung
Funkkommunikationsprodukte, wie zum Beispiel Mobiltelefone und Satellitenradios, sind heute ebenso sehr Bestandteil des alltäglichen Lebens wie die Mikrowelle vor zwanzig Jahren. In den nächsten Jahren wird sich diese Technologie von Konsumgütern bis in die Industrie ausbreiten. Automations- und Prozessingenieure und Führungskräfte müssen die Funktechnologie (bzw. Funkfrequenztechnologie) verstehen, um die zahlreichen Funk-Automationsprodukte bewerten und bereitstellen zu können, die bald für sie auf den Markt kommen werden.
Die Arbeit mit Funkprodukten, die elektromagnetische Wellen als Kommunikationsmedium nutzen, ist mit anderen Herausforderungen verbunden als die Arbeit mit den vertrauteren verdrahteten Entsprechungen. Die frühen Verkörperungen von Funk-Automationsprodukten haben oft dazu geführt, dass der Käufer nicht genau wusste, wie sie funktionierten, und sich übervorteilt fühlte. Sie boten keine einwandfreie Leistung und waren schwer zu installieren, zu konfigurieren und zu warten.
Zum Glück ist die neue Generation der Funkprodukte benutzerfreundlicher. Diese neuen Produkte verbrauchen nicht nur weniger Energie, sondern sind auch einfach zu konfigurieren und zu installieren, bieten integrierte Tools für die Überwachung der Zuverlässigkeit der Funkverbindung und lassen sich mühelos in die bestehende verdrahtete Infrastruktur integrieren.
Aber bevor ein FF-Instrumentensteuersystem in einem Produktionsbetrieb installiert wird, ist es wichtig, sich die Grundlagen der Technologie, ihre Vorteile und Beschränkungen klar zu machen. In diesem Whitepaper werden die wesentlichen Elemente eines Funkfrequenzsystems beschrieben und wie diese zusammenwirken, um Sensordaten von Punkt zu Punkt zu übermitteln.
- Allgemeine FF-Komponenten
- Im FF-Produktdesign häufig verwendete Frequenzen
- Verschiedene Modulationstechniken für FF-Signale
- Die Wirkung der Umgebung und von Störungen auf Radiowellen
- Dieses Whitepaper ist das erste in einer Reihe zur Funktechnologie.
Grundlagen der Funkfrequenzsysteme
Alle FF-Systeme bestehen aus zwei Hauptelementen: Sender und Empfänger. Der Sender übermittelt ein Signal an einen Empfänger, der das Signal abhört.
Das System beinhaltet eine Reihe von Regeln, die definieren, wie der Sender und der Empfänger kommunizieren. Ein Regelsatz kann einfach angeben, dass der Sender auf einer bestimmten Frequenz mit dem Empfänger kommunizieren muss. Kompliziertere Regelsätze definieren nicht nur die Frequenz, sondern den Zeitpunkt, zu dem Sender und Empfänger kommunizieren sollen, wie "laut" sie kommunizieren können und was zu tun ist, wenn sie sich gegenseitig nicht "hören" können. Die öffentlichen Regulierungsbehörden, wie zum Beispiel die Federal Communications Commission (FCC), legen diese Regeln fest. Auch nationale und internationale Normierungsinstitute, wie zum Beispiel das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) stellen Regeln auf.
RF systems include a transmitter to send the radio signal and a receiver to receive it.
Probleme bei den frühen Bauformen
Bei den frühen FF-Systemen wurde ein Sender mit einem Sensor verbunden, der Informationen an einen einfachen Empfänger übermittelte. Die frühen Systeme hatten eine begrenzte Bandbreite - den Frequenzbereich, in dem sie sendeten, und die Datenmenge, die in diesem Band übermittelt wurde. Normalerweise wurden die Daten auf einer einzigen Frequenz übermittelt. Dieses System wird als Schmalband bezeichnet.
Wegen der Beschränkungen bei der frühen integrierten Schaltungstechnologie (Integrated Circuit, IC) konnte der Sender nur senden und der Empfänger konnte nur empfangen. Ohne bidirektionale Kommunikation war es unmöglich, zu wissen, ob der Empfänger alle Informationen empfing, die der Sender sendete.
Zusätzlich konnte der Empfänger das Signal manchmal nicht empfangen, weil Signale abgeschwächt werden können, wenn sie von Objekten reflektiert werden oder Objekte durchdringen, wie zum Beispiel Wände oder Aktenschränke. Das FF-System wusste nicht, wenn das übermittelte Signal verloren ging, weil der Empfänger den Empfang nicht bestätigen konnte.
Wegen der geringen Zuverlässigkeit waren die Anwender, die diese Systeme ausprobierten, in der Regel enttäuscht und entwickelten wenig Begeisterung für FF-Systeme.
Verbesserungen im FF-Systemdesign
Als sich die Technologie weiterentwickelte, erfuhr das Funkdesign wesentliche Verbesserungen in drei Schlüsselbereichen:
- IC-Technologie. Sender und Empfänger wurden zusammen in eine einzige Komponente eingebaut, die als Transceiver bezeichnet wurde. Mit dem Transceiver wurde die Umsetzung der bidirektionalen Kommunikation kostengünstig, und Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit wurden erheblich verbessert.
- FF-Komponenten für höhere Frequenzen. Da Komponenten für höhere Frequenzen im Allgemeinen auf einem breiteren FF-Band funktionieren, übermitteln sie mehr Daten als ihre Niederfrequenz-Entsprechungen. Ein Nachteil ist, dass höhere Frequenzen leichter geschwächt werden (d. h. sie werden absorbiert), wenn sie Objekte durchdringen. Dadurch verringert sich die Reichweite. Um diesem Effekt zu begegnen, fügen Konstrukteure Verstärker zum Sender hinzu und entwickeln empfindlichere Empfänger. Dadurch steigen die Kosten.
- Spreizspektrummodulation Modulation ist die Art und Weise, wie Daten auf eine Radiowelle "aufgedruckt" werden. Heute verwenden viele Funksysteme eine Technik, die als Spreizspektrum bezeichnet wird. Mit dieser Technik werden Daten auf der gesamten Funkbandbreite moduliert. Mit dem Spreizspektrum können mehrere Nutzer denselben Frequenzkanal gleichzeitig nutzen.
Zwei verschiedene Spreizspektrumtechnologien werden heute häufig verwendet:
- Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) und Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS). Einige Hybrid-Schemata nutzen sowohl DSSS als auch FHSS. Ein anderes Modulationsschema, das häufig in ISM-Bändern verwendet wird (d. h. Funkfrequenzbändern, die in der Industrie, Wissenschaft und Medizin eingesetzt werden) ist das Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
- (OFDM). Zwei neuere Modulationstechniken für die gemeinsame Nutzung desselben Spektrums sind Ultra Wide Band (UWB) und die Chirp-Modulation. Beide erfreuen sich zunehmender Beliebtheit.
Für eine Beschreibung der Geschichte des Spreizspektrums und der verschiedenen Arten von Spreizspektren wird das Tutorial der ISA mit dem Titel "The Physics of Radio" empfohlen.
A narrowband signal occupies far fewer radio frequencies than a broadband signal.
Frequenzen und Modulation
Bei der Entwicklung eines Produkts, das ein ISM-Funksystem verwendet, muss der Produktkonstrukteur als Erstes überlegen, welche Frequenzen das Produkt nutzen soll. Die Frequenz sollte ausreichend Bandbreite bieten, damit die Datendurchsatzrate die Produktanforderungen überschreitet - selbst bei datenintensiven Anwendungen. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und verbessert die Batterielebensdauer.
Die zweite Frage für den Konstrukteur betrifft in der Regel die Art des Modulationsschemas, mit dem die Daten auf die gesendeten Radiowellen "aufgedruckt" werden sollen. Die meisten Konstruktionen nutzen heute irgendeine Art von Spreizsprektrumtechnologie. Für Technologien wie WiFi, die Daten in hoher Geschwindigkeit übertragen müssen, hat das IEEE die DSSS-Technologie standardisiert. Heute existiert kein solcher Standard für Industriesensorsysteme. Darum verwenden die heutigen Funksensorprodukte alle ein eigens entwickeltes Kommunikationsprotokoll.
Die beiden beliebtesten Spreizspektrum-Designs sind Direct Sequence (DS) und Frequency Hopping (FH). DS- und FH-Systeme nutzen diese Bandbreite auf sehr unterschiedliche Weise.
DS modulation spreads a lowlevel signal over a specific range of frequencies simultaneously. FH transmits a data signal over a different carrier frequency at different times, following a specific pattern.
Direct Sequence
In einem DS-System werden die zu übermittelnden Daten (bzw. Eingangssignal) auf einen Schaltkreis ("Spreader") angewandt, der mithilfe von Software eine eindeutige Kodiersequenz auf die Daten anwendet. Das System verbreitet die Daten nach dem Zufallsprinzip über die Bandbreite und schickt sie mit sehr niedriger Spannung und zu einem bestimmten Zeitpunkt auf Sendung.
Am anderen Ende der Funkverbindung hört ein Empfänger im Wesentlichen gleichzeitig die niedrigen Signalpegel ab und wendet dieselbe Kodiersequenz auf die Daten an. Wenn die Daten sinnvoll erscheinen, verarbeitet der Empfänger sie zum Ausgang des Senders. Wenn die Daten keinen Sinn ergeben, geht der Empfänger davon aus, dass es sich um Störungen handelt, und verwirft sie.
Die eindeutige Kodiersequenz ist das entscheidende Element, weil sie es ermöglicht, dass viele verschiedene DS-Systeme denselben Frequenzbereich verwenden, ohne sich gegenseitig zu stören.
Frequency Hopping
Im FH-System wird die Bandbreite anders genutzt. In diesen Systemen wird die Bandbreite in viele kleinere Frequenzbänder oder Kanäle aufgeteilt. Das System teilt Daten auf, um diese in kleineren Portionen zu übermitteln. Der Sender sendet diese Portionen daraufhin über die verschiedenen Kanäle. Dabei folgt er einem eindeutigen Muster, das als Hop-Codemuster bezeichnet wird.
Der Empfänger wird mit dem Sender synchronisiert und hört die eindeutigen Kanäle in der Reihenfolge des Hop-Codemusters ab. Auf diese Weise werden die Daten wieder zusammengesetzt und vom FF-System ausgegeben.
Nutzung der Radiowellen mit Kommunikationsprotokollen
Da uns die Technologie die Möglichkeit gibt, Funksysteme zu bauen, die auf einem breiten Frequenzspektrum funktionieren, und die Nutzung derselben Frequenzen durch viele Benutzer ermöglicht, ergibt sich eine naheliegende Frage: Wie können wir den Zugang zu diesem scheinbar unerschöpflichen und unsichtbaren Medium steuern, das zunehmend für verschiedene Arten von Kommunikation verwendet wird?
Die Regierungsbehörden, die den Zugang zum FF-Spektrum verwalten, werden von Normierungsverbänden wie dem IEEE und Fachverbänden wie der Cellular Telecommunications & Internet Association (CTIA) beraten. In den USA hat die FCC die Frequenzen im FF-Spektrum für buchstäblich Hunderte verschiedener Verwendungen aufgeteilt und zugewiesen.
ISM-Bänder werden zum Beispiel für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke zugeteilt. Jedes ISM-Band umfasst einen Bereich von Frequenzen. Die europäische International Telecommunication Union (ITU) verfügt über ein 900-MHz-Band mit einer Bandbreite von 26 MHz, von 902 bis 928 MHz. Das 2,4 GHz-Band der ITU umfasst 2,4 bis 2,5 GHz, und das 5,8 GHz-Band geht von 5,725 bis 5,875 GHz.
Jedes GHz-Band ist breiter als 100 MHz.
Wenn ein Modulationsschema mit den Vorschriften und Normen kombiniert wird, die die Nutzung eines Frequenzbands regeln, wird die daraus resultierende Methode, mit der Sender und Empfänger miteinander kommunizieren, als Kommunikationsprotokoll bezeichnet.
Multi-Path Fading is one cause of attenuation. Multi-path fading happens when radio signals reach the receiver through more than one path. In industrial settings, a received signal may include signals reflected off buildings, equipment, trees or the ground, as well as the line of sight signal.
Die Wirkung der Umgebung und von Störungen
Die Wirkung der Umgebung und von Störungen auf die Verbreitung von Radiowellen
In einer perfekten Welt ohne Störungen, mit großartigen Funkkonstrukteuren und einer vollkommen günstigen Atmosphäre funktionieren DS- und FH-Systeme gleich gut. Aber die Welt ist nicht perfekt und Störungen gehören zur Realität. Sobald wir das Labor verlassen und uns in die Welt der Automobilwerke, Stahlwerke, Raffinerien und Getreideverarbeitungsbetriebe weltweit begeben, so können umgebungsbedingte Faktoren (z. B. die Absorption und Reflexion von Funkwellen) die Funkleistung erheblich beeinträchtigen.
Die Qualität der Funkverbindungen variiert
Die Empfangswahrscheinlichkeit auf einer bestimmten Frequenz über einen bestimmten Kanal in einem bestimmten Moment variiert. Darum kann eine Mobilfunkverbindung unterbrochen werden, selbst wenn beide Teilnehmer des Gesprächs fest an einer Stelle stehen. Ein unterbrochenes Signal wird als Funkverbindungsverlust bezeichnet.
Eine Möglichkeit, das Problem anzugehen, ist die Variation der Frequenz (Frequenzwechsel) nach einem vordefinierten Muster. Bei Frequenzwechseln wechselt der Sender zur nächsten Frequenz im Muster und sendet das Datenpaket erneut, wenn der Empfang des Datenpakets auf einer Frequenz störungsbedingt nicht möglich ist.
Eine Alternativlösung besteht darin, absichtlich mehrere Wege zwischen dem Sender und dem Empfänger zu erstellen. Diese Alternative wird in einem späteren Whitepaper zum Thema Netzwerke näher erörtert.
Störfaktoren beeinträchtigen die Funkleistung
Störfaktoren sind Objekte, die Funksignale blockieren oder elektrische Störungen verursachen. Störfaktoren reflektieren, brechen oder absorbieren Funksignale, was zum Signalverlust führt. Häufige Störfaktoren sind Gegenstände, Wände, Zimmerdecken und andere Funkgeräte. Wie beim Problem des Funkverbindungsverlusts können Frequenzwechsel auch hier zur Stabilisierung des Übertragungswegs beitragen.
Das SureCross-System von Banner
Für das SureCross-System hat Banner Engineering Angebote sowohl auf dem 900-MHz-Band als auch auf dem 2,4-GHz-Band entwickelt.
Banner entschied sich für das 900-MHz-Band, weil dieses eine hohe Reichweite und eine kostengünstige Konstruktion bietet. Außerdem geht die Datendurchsatzrate über den Bedarf der meisten voraussichtlichen Sensoranwendungen hinaus.
Banner bietet außerdem eine 2,4-GHz-Konstruktion, da die 900-MHz-Systeme in Europa und weiten Teilen Asiens nicht eingesetzt werden können, während 2,4 GHz weltweit auf breite Akzeptanz stößt. Diese bietet eine höhere Bandbreite für datenintensive Anwendungen, sprich: Die Übertragung eines kleineren Datenpakets geht schneller, was wiederum die Batterielebensdauer verbessern kann. Außerdem sind die Transceiverkomponenten weitgehend erhältlich.
Das SureCross-System von Banner nutzt Frequenzwechsel, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Es teilt das 900-MHz- und das 2,4-GHz-Band in 27 eindeutige Kanäle. Sechzehn eindeutige pseudo-aleatorische Wechselmuster durch diese 27 Kanäle werden definiert. Die Netzwerk-ID bestimmt, welcher Wechselmustercode verwendet wird. 32 verschiedene SureCross-Systeme von Banner können in demselben physischen Raum nebeneinander existieren, ohne sich gegenseitig zu stören: 16 auf 900 MHz und 16 auf 2,4 GHz.
Definitionen
Empfohlene Produkte
Gateways und Knoten der Bauform Performance
Create point-to-multi point networks that distribute I/O over large areas. Input and output types include discrete (dry contact, PNP/NPN), analog (0 to 10 V dc, 0 to 20 mA), temperature (thermocouple and RTD), and pulse counter.