Eine robustere und zuverlässigere Funkverbindung dank automatischer Frequenzwahl

Viele moderne Funksysteme zur Steuerung von Maschinen oder zur Übertragung von Daten besitzen eine automatische Frequenzwahl. So wurde diese Funktion auch von uns bei den Funksystemen Cobra 100 und Cobra 350 aber auch bei vielen anderen kundenspezifischen Lösungen erfolgreich integriert. Warum integrieren wird aber diese automatische Frequenzwahl überhaupt, wie funktioniert sie und welche Vorteile ergeben sich daraus für den Kunden? Diese Fragen werden im folgenden Blog beantwortet.



Wie entstehen Funkstörungen und welche Auswirkungen haben sie?

Viele Funkfernsteuerungen in der Industrie und der Hausautomation verwenden eines der in Europa lizenzfreien 433MHz, 868MHz und 2.4GHz ISM-Frequenzbänder. In den geltenden Funkrichtlinien wird unter anderem die maximale Sendeleistung und die maximale Sendedauer pro Stunde vorgeschrieben. Unter der Einhaltung dieser Richtlinien ist das Senden von Funktelegrammen grundsätzlich jederzeit erlaubt. Es kann somit vorkommen, dass eine laufende Funkkommunikation von einem anderen Funksystem auf der gleichen Frequenz gestört wird. Durch im Funkprotokoll vorhandene Adressierungen und Fehlerprüfungen wird dann sichergestellt, dass es keine Vermischung von den beiden Funktelegrammen und dadurch zu unkontrollierten Ausführungen von Funktionen kommen kann. Je nach Stärke des Störsignals wird die Reichweite des Funksystems jedoch verringert oder der Empfänger kann das Funktelegramm nicht mehr empfangen. Dadurch wird die Funkkommunikation unterbrochen. Der Empfänger schaltet bei fehlenden Funktelegrammen in den für die Anwendung sicheren Zustand. Üblicherweise stoppt dadurch die angeschlossene Maschine.

Den Funkstörungen dank automatischer Frequenzwahl ausweichen

Damit unsere Funksysteme trotz anderen Funksteuerungen eine störungsfreie Funkkommunikation aufbauen könne, implementieren wir bei unseren Produkten nach Möglichkeit eine automatische Frequenzwahl. Dadurch wird ermöglich, im verwendeten ISM-Frequenzband auf eine momentan nicht verwendete oder zumindest weniger gestörte Frequenz auszuweichen. Denn im Normalfall benutzen Funksysteme nicht das gesamte ISM-Frequenzband, sondern nur einen Teil davon. So ist es durch eine leichte Verschiebung der Frequenz möglich, dass mehrere Funksysteme gleichzeitig auf demselben ISM-Frequenzband ungestört kommunizieren können. Idealerweise geht ein Frequenzwechsel so schnell, dass ein unterbrechungsfreier Betrieb möglich ist. Bei Funksystemen mit manuellem Frequenzwechsel muss der Sender und der Empfänger manuell, oft über einen DIP-Schalter, auf eine andere Frequenz umgeschaltet werden. Die Funkkommunikation wird dadurch zwangsläufig unterbrochen.

Optimal wäre ein Frequenzwechsel auf ein anderes ISM-Frequenzband. Da für eine möglichst grosse Reichweite die Antennenbeschaltung und die Antennenlänge genau auf das verwendete ISM-Frequenzband abgestimmt werden muss, ist ein Wechsel in ein anderes ISM-Frequenzband nicht oder nur mit sehr grossem Hardware Aufwand möglich.

Welche Frequenzen werden verwendet?

Beim Entwickeln eines Funksystems mit automatischer Frequenzwahl, wird das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum des ISM- Frequenzbands in mehrere Bereiche aufgeteilt. Man spricht von Funkkanälen. In wie viele Funkkanäle das Frequenzband aufgeteilt werden kann, hängt von der benötigten Funkdatenrate und der dazugehörigen Modulationsbandbreite ab. Für hohe Datenraten werden grössere Bandbreiten, für kleine Datenraten kleinere Bandbreiten benötigt. Die Anzahl der möglichen Funkkanäle hängt somit von der benötigten Funkdatenrate der Funkübertragung ab.

Frequenzkanäle neben Störung

Gelb: Fünf mögliche Frequenzkanäle; Rot: Funkstörung
Zwei Funkkanäle sind gestört, drei Funkkanäle können für die Funkkommunikation genutzt werden.

Kommunikationsaufbau

Beim Kommunikationsaufbau muss sich der Sender und Empfänger zuerst finden. Der Sender sendet dazu auf einem Frequenzkanal ein Funktelegramm und wartet auf eine Antwort des Empfängers. Nach ein paar erfolglosen Wiederholungen wird der Vorgang auf einem anderen Frequenzkanal wiederholt. Empfängt der Sender eine Antwort vom Empfänger, haben sich Sender und Empfänger gefunden. Die Kommunikation wird anschliessend auf dem entsprechenden Funkkanal weitergeführt. Um keine spürbare Verzögerung zu erhalten, muss dieser Vorgang möglichst schnell gehen. Um dies zu erreichen werden für diesen Vorgang meist nur sehr kurze Funktelegramme verwendet.

Bedingungen für den automatischen Frequenzwechsel

Die aufgebaute Funkkommunikation kann jederzeit zum Beispiel durch ein anderes, neu aktiviertes, Funksystem gestört werden. Je nach Anwendung wird darauf anders reagiert.

Es gibt Funksysteme, die solange auf dem gleichen Frequenzkanal kommunizieren, bis eine Störung so stark ist, dass kein Empfang von Funktelegrammen mehr möglich ist und dadurch die Funkstrecke unterbrochen wird. Nach dem Unterbruch findet wie oben beschrieben ein neuer Kommunikationsaufbau statt. Findet der Kommunikationsaufbau auf einem ungestörten Frequenzkanal schnell genug statt, wird der Unterbruch vom Benutzer nicht bemerkt.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass eine Funkstörung während einer laufenden Kommunikation erkannt wird und das Funksystem automatisch auf einen anderen Frequenzkanal wechselt. Dazu Teilt zum Beispiel der Empfänger in einer Antwort an den Sender mit, auf welchem Frequenzkanal gewechselt werden soll. Anschliessend wechseln beide auf den neuen Frequenzkanal und Kommunizieren auf diesem neuen Kanal weiter.

automatischer Frequenzwechsel

Automatischer Frequenzwechsel (blau Funktelegramme auf Funkkanal 1, rot auf Funkkanal 2)

Um eine Funkstörung überhaupt zu erkennen, muss das Funksystem zwischen dem Senden und Empfangen von Funktelegrammen zusätzlich noch den Störpegel überwachen. Idealerweise wird der Störpegel gleich von allen Frequenzkanälen überwacht, damit das System bei einem automatischen Frequenzwechsel den besten Frequenzkanal aussuchen kann. Während der Messung auf einem anderen Frequenzkanal können jedoch gleichzeitig keine Funktelegramme auf dem aktiven Frequenzkanal empfangen werden. Der zeitliche Ablauf zwischen Funktelegrammen senden und Störpegel auf verschiedenen Kanälen messen muss daher zwischen Sender und Empfänger genau abgestimmt werden.

Grenzen einer automatischen Frequenzwahl

Ein Kommunikationsaufbau mit einem Sender und einem Empfänger ist wie oben beschrieben relativ schnell machbar. Sind nun bei einem Funksystem mehr als zwei Teilnehmer aktiv, wird der Kommunikationsaufbau aufwändiger und dauert länger. Es werden mehr Funktelegramme benötigt bis die Kommunikation zwischen mehreren Teilnehmern auf demselben Frequenzkanal aufgebaut und der zeitliche Ablauf der Kommunikation synchronisiert ist. Es muss somit mit einer grösseren Verzögerung gerechnet werden.

Wie bereits oben erwähnt, ist die Bandbreite eines Frequenzkanals abhängig von der benötigten Funkdatenrate und der davon abhängigen Modulationsbandbreite. Bei hohen Datenraten ist die benötigte Bandbreite so gross, dass mehrere Kanäle im zur Verfügung stehenden ISM-Frequenzband gar nicht Platz haben.

Es kann auch Störquellen geben, die eine breitbandige Störung über das ganze Frequenzband ausstrahlen. Dabei werden alle Frequenzkanäle gestört, ein ausweichen ist somit nicht möglich. In solchen Fällen ist es ratsam die Störquelle zu suchen und zu eliminieren. Ist dies nicht möglich, soll die Antenne möglichst weit weg von der Störquelle montiert werden.

Fazit

Durch die automatische Frequenzwahl kann ein Funksystem Störungen von anderen Funksystemen oder Störquellen ausweichen. Dadurch wird die Funkkommunikation robuster und es kommt zu weniger Unterbrüchen. Wenn das Funksystem schnell reagieren, kann auf einem ungestörten Funkkanal gewechselt werden ohne dass der Benutzer etwas davon bemerkt. Ein nahtloser Betrieb ist möglich.

Wir haben viele Erfahrungen mit der automatischen Frequenzwahl und konnten diese schon in vielen Funksystemen erfolgreich implementieren. Gerne unterstützen wir auch Sie mit einer Entwicklung eines robusten Funksystems mit automatischer Frequenzwahl.

 


Ihr Autor

M. Nyffeler
Entwicklung & Produktion
Elektrotechniker HF

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M. Nyffeler