Technische Informationen - Wichtige Informationen für Entwickler

RF design guide Wichtige Informationen für Entwickler

Emissionsklassen	Modulation und Demodulation
Emissionseinheiten	Frequenzmodulation
dB (Dezibel)	Phasenumtastung
Funkspezifische Einheiten	Amplitudenumtastung
Darstellung von EMK und PD	Schwingende Wellen
Impedanz	Addieren und Multiplizieren der Wellen
Lesen der Spezifikation	Frequenzumwandlung des CPFSK
Allgemeine Merkmale	Auflösung der Wellen
Merkmale von Sendegeräten	Können beliebige Frequenzen verwendet werden?
Merkmale von Empfangsgeräten	Wie groß ist die Reichweite?
	Integration von Funkmodulen in andere Geräte
	ISM-Band-Geräte

Emissionsklassen <Menü>

Auf den Datenblättern von Funkgeräten oder Funkmodulen sind an den Stellen, an denen sich das Dokument auf das Funkgesetz bezieht, die Symbole F1D, F2D, A3E usw. abgebildet. Diese Symbole verweisen auf die Emissionsklasse.
Die Emissionsklasse gibt die Art der Modulation für die Funkwelle des Hauptträgersignals, die Eigenschaften des Signals zur Modulation des Hauptträgers und die Art der Übertragungsdaten an.
Im Folgenden einige Beispiele für Funkmodule.

* F1D bedeutet z. B. „Frequenzmodulation“, „Gerät mit digitalem Signal und einem Kanal“ sowie „Gerät, das keinen Hilfsträger für die Modulation verwendet“ und „Datenübertragung, Telemetrie und Fernsteuerung“.

1. Arten der Modulation des Hauptträgers	Symbol
(1) Keine Modulation	N
(2) Amplitudenmodulation
j Zweiseitenbandmodulation	A
k Einseitenbandmodulation mit Träger	H
l Einseitenbandmodulation mit reduziertem Träger	R
m Einseitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger	J
n Modulation mit unabhängigen Seitenbändern	B
o Restseitenbandmodulation	C
(3) Winkelmodulation
j Frequenzmodulation	F
k Phasenmodulation	G
(4) Der Hauptträger wird entweder simultan oder in bestimmter Folge amplituden- und winkelmoduliert	D
(5) Pulsmodulation
j Unmodulierte Impulsfolge	P
k Impulsfolge	K
a. Amplitudenmodulation	L
b. Amplitudenmodulation oder Breiten-/Dauermodulation	M
c. Phasenmodulation	Q
d. Der Träger wird in der Winkelphase des Impulses winkelmoduliert	V
e. Eine Kombination aus a. bis d. oder eine andere Variante
(6) Modulation, die nicht von (1) bis (5) abgedeckt wird und eine Kombination von zwei oder mehr Arten von Modulation (Amplitudenmodulation, Winkelmodulation oder Pulsmodulation) gleichzeitig oder in bestimmter Reihenfolgen verwendet	W
(7) Sonstige	X

2. Art der Signale, die zur Modulation des Hauptträgers verwendet werden	Symbol
(1) Kein Modulationssignal	0
(2) Digitales Signal, ein Kanal
j Ohne modulierenden Hilfsträger	1
k Mit modulierendem Hilfsträger	2
(3) Analoges Signal, ein Kanal	3
(4) Digitales Signal, mit zwei oder mehr Kanälen	7
(5) Analoges Signal, mit zwei oder mehr Kanälen	8
(6) Verbundsystem, bei dem ein oder mehr Kanäle für digitale Signale mit einem oder mehr Kanälen für analoge Signale kombiniert werden	9
(7) Sonstige	X

3. Art der Übertragungsdaten	Symbol
(1) Keine Daten	N
(2) Telegrafie
j Für Hörempfang	A
k Für automatischen Empfang	B
(3) Fax	C
(4) Datenübertragung, Telemetrie oder Fernsteuerung	D
(5) Telefonie (einschließlich Hörfunk)	E
(6) Fernsehen (Video)	F
(7) Eine Kombination aus (1) bis (6)	W
(8) Sonstige	X

Emissionseinheiten <Menü>

Auf den Datenblättern von Funkmodulen und in Dokumenten, die sich auf das Funkgesetz beziehen, werden verschiedene Einheiten verwendet. Im Folgenden werden die wichtigsten Einheiten dargestellt.

dB (Dezibel) <Menü>

In Bereichen, bei denen Elektrizität eine Rolle spielt, wird dB häufig verwendet, um ein relatives Verhältnis anzugeben. dB gibt ein Verhältnis mit einem Bezug an, wie „dB größer als etwas“ oder „dB kleiner als etwas“. (Daneben gibt es auch eine Einheit dB, die als Maß des Schalldrucks verwendet wird.)

Als Beispiel soll der Verstärkungsfaktor einer Verstärkerschaltung dienen: Wenn ein Signal mit 1 mV in eine Schaltung eingespeist wird, die die Spannung 10.000fach verstärkt, erhält man eine Ausgangsspannung von 10.000 mV (10 V). Hier würde ein Elektroingenieur sagen, dass die Schaltung eine Spannungsverstärkung von 80 dB hat, anstatt von einer 10.000fachen Verstärkung zu sprechen. Das hat folgende Gründe:

* Zunächst hat „10.000“ drei Nullen mehr als „80“, und bei größeren Zahlen kann sich dies als unübersichtlich erweisen. Wenn die Einheit dB verwendet wird, kann der Wert mit weniger Ziffern ausgedrückt werden; daher ist dB bequemer. Wenn 1.234.567fach als 1,23-Mio.-fach aufgefasst wird, kann dies in dB als 121,8 dB (1.230.268fach) ausgedrückt werden, und es ergeben sich keine Nachteile daraus, dieses Maß für praktische Zwecke zu verwenden.

* Wenn z. B. Verstärker mit einer 50,11fachen (34 dB) und 89,12fachen (39 dB) Spannungsverstärkung verbunden werden, ergibt sich aus 50,11 × 89,12 eine 4466fache Verstärkung, wobei eine komplizierte Multiplikation erforderlich ist. Ausgedrückt in Dezibel ergibt sich 34 dB + 39 dB = 73 dB (4466fach), wobei mit Addition bzw. Subtraktion einfacher gerechnet werden kann. Wenn ein Dämpfer oder Ähnliches hinzukommt, wäre eine Division erforderlich, mit dB reicht jedoch eine Subtraktion aus.

* 2fach, 3fach, 4fach und 10fach werden zu 6 dB, 9,5 dB, 12 dB bzw. 20 dB, während 997fach, 999fach, 1003fach und 1005fach allesamt mit 60 dB angegeben werden. So kann man sagen, dass der Ausdruck in Dezibel der menschlichen Wahrnehmung der Verstärkung eher entspricht.

Formeln
Spannungsverhältnis = 20 log10 (V2/V1), Spannungsverstärkung = 20 log10 (Ausgangsspannung/Eingangsspannung),
Dämpfung = 20 log10 (Ausgangsspannung/Eingangsspannung),
Feldstärke = 20 log10 (E2/E1), normale Verstärkung = 20 log10 (A/B)
Antennengewinn = 10 log 10 (Ausgangsleistung/Eingangsleistung)

* Dezibeleinheiten, bei denen die absolute Stufe der Leistung oder Spannung als Bezugswert verwendet wird, sind dBm, dBV, dBµV usw.
* Beim Lesen dieser Einheiten muss beachtet werden, was die Referenz ist. Besonders in Bezug auf den Antennengewinn ist Vorsicht angebracht.
* Bei Einheiten, die einen absoluten Wert ausdrücken wie dBm, dürfen keine einfachen Additionen oder Subtraktionen vorgenommen werden. So gilt: 20 dBm + 20 dBm = 23 dBm.
* Absoluter Gewinn und relativer Gewinn können addiert bzw. voneinander subtrahiert werden. So gilt: 20 dBm + 20 dB = 40 dBm.
Hier wurde berechnet, was sich bei Einspeisung von 20 dBm in einen 20-dB-Leistungsverstärker ergeben würde, daher wurde 10 log für die Berechnung verwendet.
* Da verschiedene Einheiten benutzt werden, muss sorgfältig vorgegangen werden.
Die Einheit dBμ wird für Störspannung, Feldstärke und anderes verwendet, und während mit dBm bzw. dBk gewöhnlich die Leistung bezeichnet wird, kann diese manchmal auch in dBμ ausgedrückt werden. Daher ist Vorsicht geboten. Seit einiger Zeit werden Störspannung, Feldstärke usw. in Einheiten wie dBμV und dBμV/m angegeben.

Funkspezifische Einheiten <Menü>

Hier werden einige Einheiten vorgestellt, die im Zusammenhang mit Funk verwendet werden, sowie einige Einheiten, die in Dezibel ausgedrückt werden. Die folgende Tabelle enthält einige Werte, die für die praktische Anwendung eher bedeutungslos sind, aber die Position der gewöhnlich verwendeten Werte veranschaulichen können.

Radio related units

*O dBμ wird in allen Beispielen verwendet; es ist daher irreführend.
　　　　Wird häufig verwendet. O dBmW ist einfach zu verstehen, wird aus unbekannten Gründen jedoch nicht verwendet.

dBm	Ein Ausdruck in Dezibel für ein Leistungsverhältnis, in dem 1 mW Leistung als Referenz verwendet wird und 0 dBm entspricht. ergibt sich * 1 mW = 0 dBm, 10 mW = 10 dBm, 100 mW = 20 dBm * 1 W = 30 dBm, 1 μW = –30 dBm, 1 nW = –60 dBm Umgekehrt lautet die Berechnung Exkurs:　Das „m“ in dBm steht für das Präfix „Milli“, muss man also dBm als „Deh-beh Milli“ aussprechen? Oder warum sagt man nicht „Deh-beh Milliwatt“? Man könnte denken, es wäre leichter zu verstehen, wenn die Aussprache bei dieser Einheit der Aussprache bei den anderen entspricht …
dBμV	Ein Ausdruck in Dezibel für ein Spannungsverhältnis, in dem 1 μV Leistung als Referenz verwendet wird und 0 dBμV entspricht. Daraus ergibt sich * 1 μV = 0 dBμV, 500 μV = 54 dBμV, 1 mV = 60 dBμV, 10 mV = 80 dBμV, 1 V = 120 dBμV Umgekehrt lautet die Berechnung
dBμV/m	Ein Ausdruck in Dezibel für ein Spannungsverhältnis, in dem 1 μV/m Feldstärke als Referenz verwendet wird und 0 dBμV/m entspricht. Daraus ergibt sich zum Beispiel:　Bei 500 μV/m: 20 log10 (500 μV/m / 1 μV/m) = 54 dBμV/m * 1 μV/m = 0 dBμV/m, 500 μV/m = 54 dBμV/m, 35 μmV = 31 dBμV/m Umgekehrt lautet die Berechnung
dBi, dBd	Drückt den Antennengewinn aus. * Bei Verwendung einer isotropen Antenne als Referenz wird der Gewinn „absoluter Gewinn“ genannt und in der Einheit dBi angegeben. * Bei Verwendung einer idealen Halbwellendipolantenne als Referenz wird der Gewinn „relativer Gewinn“ genannt und in der Einheit dBd angegeben. So ergibt sich die folgende Beziehung zwischen dBi und dBd:　　　　　dBd = 2.14 dBi
dB/m	Drückt die Dämpfung durch Kabel und Ähnliches aus. 0,033 dB/m bedeutet, dass die Dämpfung auf 1 m 0,033 dB beträgt und auf 100 m 3,3 dB.
ppm	Ein ppm (Part Per Million, Teil pro Million) entspricht 1/1.000.000 (1 × 10–6).
bps	Diese Einheit gibt die Bitrate an, das ist die Anzahl der Bits, die in 1 Sekunde gesendet werden können. Bei 4800 bit/s können 4800 bit (600 Byte) Daten in 1 Sekunde gesendet werden.

Darstellung von EMK und PD <Menü>

PD ist die Abkürzung für Potenzialdifferenz und zeigt die Spannung im abgeschlossenen Zustand an. Normalerweise verwendet

man inder HF-Technik 50 Ω als Bezugswiderstand.

EMK ist die Abkürzung für elektromagnetische Kraft und zeigt die Spannung der Signalquelle in einem belastungsfreien Zustand

an (offene Spannung).

Bei der Spannungsdarstellung stehen EMK und PD im Verhältnis EMK = 2 x PD, bei der dB-Darstellung im Verhältnis

EMK = PD + 6 dB.

Beispiel:
0 dBm(50 Ω) = 113 dBµV_EMK = 107 dBµV_PD = 223,8 mV
7 µV_EMK = 3,5 µV_PD = 16,9 dBµV_EMK = 10,88 dBµV_PD = -96,1 dBm
4,47 µV_EMK = 2,235 µV_PD = 13,0 dBµV_EMK = 6,98 dBµV_PD = -100,0 dBm

Zur Darstellung der Spannung in diesem Leitfaden ist immer EMK angegeben. Wenn nichts angegeben ist, wird die PD-Spannung angezeigt. Der Wellenwiderstand ist 50 Ω.

Impedanz <Menü>

Auch die Einheiten für die Impedanz müssen berücksichtigt werden.
Bei niedrigen Frequenzen beträgt die Impedanz 600 Ω, bei hohen 50 Ω. Beachten Sie, dass die Anschlussspannung bei gleicher Impedanz von 0 dBm wie folgt variiert:

Umrechnung Spannung (V) à Leistung (dBm) bei 50 Ohm

Beim Umrechnen der Spannung in Leistung P50 [dBm] bei einer Impedanz von 50 Ohm mit P [W], V [V] und R [Ω] ergibt sich Folgendes:
Da

ergibt sich

Für eine bestimmte Spannung wird die Ladeleistung von 50 Ohm gesucht. Wird die dBm-Umrechnung (Referenzwert 1 mW) durchgeführt,

ergibt sich

we get
* 1 V = 13,01 dBm, 1 mV = –46,98 dBm, 10 μV = –86,98 dBm, 1 μV = –106,98 dBm

Umrechnung Leistung (dBm) à Spannung (V) bei 50 Ohm

Zum Ermitteln der Anschlussspannung, die der in Dezibel ausgedrückten Leistung bei einer Impedanz von R = 50 Ohm entspricht, finden Sie zunächst den entsprechenden Leistungswert P [W] für die umgerechnete Leistung P50 [dBm] und anschließend die Anschlussspannung.

* 20 dBm = 2,23 V, 10 dBm = 0,707 V, 0 dBm = 224 mV, –20 dBm = 22,4 mV

Umrechnung Leistung (W) à Spannung (V) bei 50 Ohm

Beim Umrechnen der Leistung in Spannung V50 [V] bei einer Impedanz von 50 Ohm, mit P [W], V [V] und R [Ω], gilt sich Folgendes:

so dass das Ergebnis sich einfach berechnen lässt.
* 1 W = 7,07 V, 100 mW = 2,23 V, 10 mW = 0,707 V, 1 mW = 22,4 mV

Lesen der Spezifikation <Menü>

Hier werden die wichtigsten Punkte der Spezifikation eines Funkmoduls beschrieben.

Allgemeine Merkmale <Menü>

Kompatible Spezifikationen	Dieser Abschnitt enthält Standardspezifikationen, mit denen das Gerät übereinstimmt.
Kanalabstand	Die Frequenz zwischen den einzelnen Kanälen auf dem verwendeten Frequenzband, das in der Standardspezifikation angegeben ist.
Anzahl der Kanäle	Die Anzahl der vom Gerät genutzten Kanäle auf dem verwendeten Frequenzband, das in der Standardspezifikation angegeben ist.
Datensignalgeschwindigkeit (Bitrate)	Die Geschwindigkeit, mit der das Datensignal selbst bei Funkdatenübertragungen und Datenübertragungen im Allgemeinen verarbeitet wird. Dies wird in Bit/Sekunde (bit/s) ausgedrückt. Wie hoch die in der Spezifikation angegebene Datensignalgeschwindigkeit auch sein mag – da das Umschalten von Senden auf Empfangen und das Verarbeiten des Protokolls ebenfalls Zeit in Anspruch nimmt, ist die Datenübertragungsgeschwindigkeit in Wirklichkeit langsamer.
Modulationsgeschwindigkeit (Baudrate)	Gibt die Anzahl der Modulationen pro Zeiteinheit an. Die verwendete Einheit ist Baud. Was gewöhnlich als Baudrate bezeichnet wird, wird manchmal mit der Bitrate verwechselt, aber es handelt sich um verschiedene Einheiten. Auch wenn die Baudrate bei der Mehrfachmodulation dieselbe ist, ist die Bitrate unterschiedlich, und wenn Daten parallel übertragen werden, unterscheiden sich die Bitraten je nach Grad beim Senden und Empfangen.
Datenübertragungsrate	Gibt die mittlere Datenmenge an, die zwischen Sender und Empfänger in einer Zeiteinheit übermittelt wird. Als Einheit kann bit/s, Zeichen/s, Zeichen/min usw. verwendet werden. Bei realen Übertragungen werden Steuerdaten zur Fehlerüberwachung, Geräteerkennung und Ähnliches an die Daten angehängt, und wenn Datenfehler auftreten, wird eine erneute Übertragung usw. verarbeitet. Daher ist die Datenübertragungsrate naturgemäß langsamer als die angegebene Datensignalgeschwindigkeit.
Emissionsklasse	Diese wird als F1D, F2D, G1D usw. angegeben. Dabei handelt es sich um eine Kombination von Symbolen, die verschiedenen Klassifikationen entsprechen, wie der Modulation des Hauptträgers, den Eigenschaften des Signals zur Modulation des Hauptträgers und der Art der Übertragungsdaten. „F“ am Anfang bedeutet Frequenzmodulation, „G“ bedeutet Phasenmodulation, während die folgende Zahl „1“ ein Einkanal-Gerät mit Digitalsignal bezeichnet, bei dem kein Hilfsträger für die Modulation verwendet wird. „D“ am Ende bedeutet „Datenübertragung, Telemetrie, und Fernsteuerung“.
Datenübertragungsmethode	Die Datenübertragung kann einseitig oder wechselseitig stattfinden, wobei letztere in Halbduplex- und in Vollduplexbetrieb erfolgen kann.
Übertragungsleistung	Die Funkleistung des Senders. Hierfür gelten in jedem Land eigene Beschränkungen, die beachtet werden müssen.
Reichweite	Die Hersteller geben Ergebnisse von Tests an, die an Orten mit möglicher Sichtverbindung durchgeführt wurden, doch hängt die tatsächliche Reichweite in beträchtlichem Umfang von der Umgebung ab, daher sollten diese Angaben nur als grobe Orientierung verwendet werden. Die Reichweite ist abhängig von Gebäuden, Menschen, Fahrzeugen und der Topologie der Umgebung sowie von Regen und Schnee. Sie wird außerdem von der Bodenfeuchtigkeit beeinflusst. Zudem ist unter ähnlichen Bedingungen die Reichweite kürzer, wenn die Wellenlänge der genutzten Frequenz kürzer ist.

Merkmale von Sendegeräten <Menü>

Antennenleistung

Die zulässige Ausgangsleistung richtet sich nach dem jeweiligen Frequenzkanal. Die Beschränkungen im 434-MHz-Band liegen bei unter 1 mW und unter 10 mW, während die Beschränkungen beim 868-MHz-Band in Bereiche von unter 5 mW, unter 10 mW, unter 25 mW und unter 500 mW aufgeteilt sind.

Frequenzabweichung

Die Frequenzabweichung des Senders ist die Differenz zwischen gemessener unmodulierter Trägerfrequenz und der nominalen Frequenz wie vom Hersteller angegeben.
Die Standardwerte sind bei festen Stationen, Mobilstationen und tragbaren Stationen unterschiedlich.

Nachbarkanalleistung

Bei Geräten mit angegebener Kanalbandbreite ist die Nachbarkanalleistung der Teil der Gesamtleistung eines Senders unter festen Modulationsbedingungen, der in einen angegebenen Durchlassbereich fällt, der auf die Mitte der nominalen Frequenz der beiden Nachbarkanäle ausgerichtet ist.
Der Regelwert ist bei verschiedenen Frequenzen und unterschiedlichem Kanalabstand jeweils ein anderer.
Nach EN300220 gelten folgende Regelwerte für 25-kHz-Schritte:

	25 kHz Kanalabstand
Normale Testbedingungen	200 nW
Extreme Testbedingungen	640 nW

Stärke der Nebenaussendungen

Nebenaussendungen sind unerwünschte Emissionen, die außerhalb des genutzten Frequenzbereichs liegen, und diese Toleranz ist in der Standardspezifikation angegeben.
Nach EN300220 werden sie wie folgt geregelt:

	47 bis 74 MHz 87,5 bis 118 MHz 174 bis 230 MHz 470 bis 862 MHz	Andere Frequenzen unter 1000 MHz	Frequenzen über 1000 MHz
Betrieb	4 nW	250 nW	1 mW
Standby	2 nW	2 nW	20 nW

Merkmale von Empfangsgeräten <Menü>

Empfangsempfindlichkeit	Gibt die Stärke des Empfangssignals an, wenn SINAD 12 dB beträgt. Sie wird als Leistung oder als Spannung angegeben.
Nebenaussendungen	Nebenaussendungen des Empfängers machen sich auf allen Frequenzen bemerkbar, da sie von den Geräten und der Antenne ausgestrahlt werden. Nach EN300220 ist der Regelwert 2 nW (unter 1000 MHz) und 20 nW (über 1000 MHz).
Frequenzfehler	Der Frequenzfehler des Empfängers ist die Differenz zwischen gemessener lokaler Schwingungsfrequenz und der nominalen Frequenz wie vom Hersteller angegeben.

Modulation und Demodulation <Menü>

Im Folgenden werden Modulation und Demodulation anhand eines Beispiels dargestellt, bei dem die Stimme einer Person übertragen wird.
Wenn Sie mit jemandem sprechen, der sich einige Kilometer entfernt befindet, werden die Inhalte (Daten) die andere Person nicht erreichen, auch wenn Sie noch so laut sprechen. In so einem Fall können Übertragungsmedien wie Funkwellen, Kabel, Licht und anderes eingesetzt werden, doch die Stimme selbst versetzt nur die Luft mit Schallwellen in Bewegung, und das allein reicht nicht ganz aus. In diesem Fall kann der Schall mit einem Mikrofon in ein elektrisches Signal umgewandelt und dieses Signal gesendet werden. Das elektrische Signal ist eine kontinuierliche (analoge) Darstellung der proportionalen Stärke des Schalls. Das Signal kann auf eine der beiden folgenden Arten per Funk oder Kabel übertragen werden:

1 Analogdaten senden, wie sie sind
2 Das Signal numerisch konvertieren (digitalisieren) und digitale Daten senden

Bei Radiosendern wird die erste Methode verwendet, bei Mobiltelefonen und Digitalübertragungen die zweite. Wenn das Empfangssignal digital ist, wird es am Empfänger in eine analoge Größe oder Spannung umgewandelt, so dass auf Grundlage der Spannungsstärke der Klang über einen Lautsprecher wiedergegeben werden kann.

Senden von Daten per Funk
Analoge oder digitale Informationssignale (Basisbanddaten) können nicht einfach so durch den Raum gesendet werden, wie sie sind. Die Basisbanddaten müssen mit einer Trägerfrequenz kombiniert werden, die so hoch sein muss, dass sie den Raum als Funkwelle durchqueren kann. Das Umwandeln des elektrischen Signals mit den ursprünglichen Informationen in ein Signal, das dem Übertragungsweg angemessen ist (in diesem Fall die Funkwellen), wird als Modulation bezeichnet. Modulationssysteme umfassen daher analoge und digitale Modulation.
1 Analoge Modulationssysteme
Zu den analogen Modulationssystemen gehören Amplitudenmodulation (AM), Frequenzmodulation (FM), Phasenmodulation (PM) usw. Bei ihnen wird der Träger mit einer Analogmethode moduliert.
2 Digitale Modulationssysteme
Wie werden Daten übertragen, die ursprünglich als numerische Werte vorliegen?
Scheinbar besteht die einzige Methode darin, sie als digitale Größe (Signal) zu senden.
Bei der digitalen Modulation werden die Hochfrequenzparameter der Funkgeräte mit den Basisbanddaten (der digitalen Größe) verschoben.
Es gibt viele Arten von digitalen Modulationssystemen, wie FSK, MSK, CPFSK, GMSK, GFSK, ASK, PSK, DBPSK, DQPSK, QPSK, BPSK, QAM mit mehreren Werten, OFDM, CCK usw.

Frequenzmodulation <Menü>

Eine Frequenzmodulation wird in den folgenden (miteinander verwandten) Systemen verwendet:

Frequenzumtastung	(FSK, Frequency Shift Keying)
Kontinuierliche Phasenmodulation mit Frequenzumtastung	(CPFSK, Continuous Phase Frequency Shift Keying)
Modulation mit minimaler Phasenverschiebung	(MSK, Minimum Shift Keying)
Gauß-MSK	(GMSK, Gaussian filtered MSK)

Das FSK-System ist ein Modulationssystem, bei dem der digitale Code, aus dem die Basisbanddaten bestehen, durch eine proportionale Verschiebung der Frequenz des Trägers dargestellt wird. Es wird zwischen verschiedenen Frequenzen gewechselt, um eine digitale „1“ bzw. eine digitale „0“ darzustellen. Es gibt Systeme, bei denen die Phase der modulierten Welle kontinuierlich ist und solche, bei denen das nicht der Fall ist. Die Systeme mit kontinuierlichen Phasen sind die CPFSK-Systeme, die von allen FSK-Systemen am häufigsten verwendet werden. Um die Effizienz der Bandbreitennutzung zu erhöhen, wird zusätzlich der Modulationsindex m auf 0,5 gesetzt. Bei einem schmaleren Frequenzband wird das System MSK (Modulation mit minimaler Phasenverschiebung) genannt. GMSK (Gauß-MSK) hat ein noch schmaleres Band als das MSK-System.

Um eine Frequenz zu erzeugen, die dem logischen Wert (0 oder 1) der Basisbanddaten entspricht, wird für das CPFSK-System ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO, Voltage Controlled Oscillator) verwendet. Der VCO ändert die Frequenz gemäß dem digitalen Wert der Basisbanddaten, die in seinen Schaltkreis eingespeist werden, so dass die Phase kontinuierlich ist.
FSK-Systeme, die zwei Oszillatoren und keine kontinuierliche Phase verwenden, werden nicht so häufig eingesetzt, da sie ein breiteres Frequenzband erzeugen.

Die Schaltungen von FSK-Systemen (CPFSK) selbst sind einfach, doch da die genutzte Bandbreite (belegte Frequenzbandbreite) im Vergleich zu PSK-Systemen und Ähnlichem groß ist, werden auch das MSK- und GMSK-System eingesetzt, um die Bandbreite so klein wie möglich zu halten, ohne auf die Eigenschaften des CPFSK-Systems verzichten zu müssen. Die belegte Frequenzbandbreite (die Ausbreitung im Spektrum) von FSK-Systemen wird durch den Modulationsindex angegeben, der sich aus dem Frequenzspektrum der Basisbanddaten und dem Grad der Modulation errechnet.

Wenn der Modulationsindex m, die Frequenzverschiebung Δf (einseitig) und die Zeit für 1 Bit Daten T ist,

m = 2 × Δf × T = 2 × Δf/Bitrate, 　　　　　　　so dass Δf = m × Bitrate/2
* Bitrate = 1/T Einheit: Bit/Sekunde (bit/s)

Es ist deutlich, dass bei ähnlicher Bitrate die belegte Bandbreite mit zunehmendem Modulationsindex steigt. Bei FSK ist der Rauschabstand bei Demodulation am Empfänger umso höher, je höher der Modulationsindex ist, doch steigt gleichzeitig die belegte Bandbreite, so dass die Effizienz der Bandbreitennutzung geringer wird. Das MSK-System entspricht im Prinzip dem CPFSK-System, mit dem Unterschied, dass der Modulationsindex bei ersterem 0,5 beträgt.
Beim GMSK-System wird darüber hinaus ein gaußscher Filter auf die in den VCO eingespeisten Basisbanddaten angewendet, so dass die belegte Frequenzbandbreite schmaler wird.

Zweifrequenzumtastung
In der Spezifikation von Funkgeräten und Funkmodulen wird manchmal der Ausdruck „Zweifrequenzumtastung“ verwendet. Dies bezieht sich auf normale Frequenzumtastung (MSK, CPFSK usw.), bei der den Binärdaten zwei Frequenzen zugeordnet sind und jeweils 1 Bit mit einer Modulation gesendet wird. Bei Frequenzumtastung mit vierfacher Umwandlung werden jeweils 2 Bit mit einer Modulation gesendet, so dass die Bitrate doppelt so hoch ist.
Direkte Frequenzumtastung
Dieser Ausdruck wird verwendet, um dieses System von analogen Modulationssystemen abzugrenzen und zu betonen, dass es sich um eine digitale Modulation handelt.

FSK

Bit 0 - Bit 3 drückt die eingegebenen digitalen Daten aus.

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CPFSK

Bit 0 - Bit 3 drückt die eingegebenen digitalen Daten aus.

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MSK

Bit 0 - Bit 3 drückt die eingegebenen digitalen Daten aus.

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Phasenumtastung <Menü>

Für die Phasenmodulation sind folgende Systeme verfügbar:

Phasenumtastung	PSK, Phase Shift Keying
Zweiphasenumtastung	BPSK, Binary Phase Shift Keying
Vierphasenumtastung	QPSK, Quadrature Phase Shift Keying
Differentielle Zweiphasenumtastung	DBPSK, Differential Binary Phase Shift Keying
Differentielle Vierphasenumtastung	DQPSK, Differential Quadrature Phase Shift Keying

Die Phasenumtastung ist ein Modulationssystem, bei dem die Phase des Trägers durch proportionales Verschieben des Codes der Basisbanddaten verändert wird. Die Leistung und Frequenzeffizienz sind im Vergleich zu Amplituden- und Frequenzumtastung sehr gut, und die Phasenumtastung zeichnet sich durch eine geringe Rate von Datenfehlern aus. Darüber hinaus lässt sich einfach eine Mehrfachmodulation durchführen, während im Vergleich zur Frequenzumtastung die belegte Frequenzbandbreite vorteilhaft schmal ist. Aus diesen Gründen wird sie auch in vielen Anwendungen eingesetzt. Da jedoch die Schaltungen für die Verarbeitung kompliziert sein können und die Phaseneigenschaften nicht linear sind, treten Datenfehler auf, die eine technische Lösung erfordern. Dies gilt für alle Arten von Phasenumtastung.

Zu den Modulationssystemen nach dem Prinzip der Phasenumtastung gehören differentielle Phasenmodulation (DBPSK, DQPSK) und absolute Phasenmodulation (BPSK, QPSK). Die differentielle Phasencodierung wird normalerweise wegen der zuverlässigen Demodulation verwendet. Bei der differentiellen Phasencodierung DBPSK wird beim Ausgangsdatum 1 das ausgehende Trägersignal um 180° verschoben, während beim Ausgangsdatum 0 keine Verschiebung erfolgt.

Beim DQPSK-System wird die Phase des Trägersignals in Schritten von 90° moduliert; die Phasen werden 2-Bit-Blöcken im Empfangsdatenstrom zugeordnet, und die Phasenmodulation wird auf die Phasen des ausgehenden Trägers angewendet.
Das DQPSK-System nimmt dieselbe Bandbreite wie das DBPSK-System in Anspruch, kann jedoch doppelt so viele Informationen senden (es verfügt über die doppelte Bitrate), daher wird es häufig in Anwendungen eingesetzt.

Amplitudenumtastung <Menü>

Amplitudenumtastung
(ASK, Amplitude ShiftKeying)

Ein Modulationssystem, bei dem die Amplitude des Trägersignals proportional zu den Basisbanddaten verschoben wird.
Die Amplitudenumtastung ist empfindlich gegenüber Rauschen und Interferenzen, weshalb sie nicht sehr oft für Datenübertragungen über große Entfernungen eingesetzt wird. Da es sich jedoch um ein einfaches und kompaktes System handelt, das kostengünstig implementiert werden kann, wird es für den Funkbetrieb mit minimaler Leistung und die Datenübertragung über kurze Entfernungen verwendet. Der Unterschied zwischen der Amplitudenumtastung und der Ein-/Aus-Tastung (OOK) besteht darin, dass bei ersterer der Schwingkreis nicht unterbrochen wird, wenn das Datenbit entweder 1 oder 0 ist.

Ein-/Aus-Tastung
(OOK, On-/Off-Keying)

Ähnlich wie bei der Amplitudenumtastung wird bei der Ein-/Aus-Tastung das Trägersignal einer konstanten Frequenz und konstanten Amplitude ein- und ausgeschaltet, doch wenn es ausgeschaltet ist, wird der Schwingkreis vollständig unterbrochen. Deshalb wird bei Modulen, die Ein-/Aus-Tastung verwenden, ein niedriger Stromverbrauch erreicht.

Schwingende Wellen <Menü>

Addieren und Multiplizieren der Wellen <Menü>

Der Ausdruck „Mischer“ wird zwar sehr häufig gebraucht, aber es besteht ein großer Unterschied zwischen den Ausgabeergebnissen von Mischern, die für Audioschaltungen verwendet werden und denen, die für Funkschaltungen verwendet werden. Wenn man zwei Signale mit Hilfe eines Mischers für Audioschaltungen mischt, werden die Pegel der Eingangssignale kombiniert (addiert). Verwendet man jedoch einen Mischer für Funkschaltungen, so werden die Frequenzen addiert und subtrahiert (multipliziert). Durch einen Mischer für Audioschaltungen werden die Eingangssignale nicht verändert, während sie durch einen Mischer für Funkschaltungen umgewandelt werden.

Addieren der Wellen

Die rote Linie ist die Wellenform, die sich ergibt, wenn zwei Sinuswellen addiert werden. Dabei werden die Pegel addiert. Die Ausgangsleistung des Audiomischers entspricht diesem Ergebnis.

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Wellen multiplizieren

Die rote Linie in der Mitte ergibt sich bei der Multiplikation der Sinuswellen f1 und f2 durch einen Mischer. Als Ergebnis dieser Multiplikation werden die Signale f1 + f2 und f1 – f2 erzeugt. Wenn es für die Schaltung erforderlich ist, muss man also das Signal mit einem Bandpassfilter extrahieren.

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Addieren von Wellen mit unterschiedlichen Phasen

Die rote Linie stellt das Ergebnis der Berechnung dar. Wenn die Funkwellen von einem Gegenstand reflektiert wurden, kommt es zu einer Phasendifferenz zwischen den direkten Wellen, so dass der Pegel des zusammengesetzten Signals zwischen stark und schwach schwankt. Dieser Effekt entsteht zum Beispiel bei der Mehrwegausbreitung der Funksignale oder nicht angepassten Antennen und den Speisekabeln.

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Multiplizieren von Wellen mit unterschiedlichen Phasen

Die rote Linie ist die mittlere Komponente des Multiplikationsergebnisses durch Mischung von ähnlichen Frequenzen mit Phasendifferenzen. Dabei wird ein Frequenzmultiplikator verwendet.

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Frequenzumwandlung des CPFSK <Menü>

Die nächste Anwendung zeigt die Umwandlung einer CPFSK-Wellenform nach oben. f1 ist ein Träger, f2 ist ein CPFSK-Signal, das durch die Eingabe eines Basisbandsignals in einen VCO erzeugt wird. Die rote Linie ergibt sich aus der Multiplikation von f1 und f2, aber diese Wellenform umfasst auch f1 + f2 und f1 – f2 sowie andere Oberschwellen. (Beispiel: Die Frequenz der modulierten Wellen unseres Funkmodems MU-1 hat eine Trägerfrequenz von 1/20 (400MHz-Band)). Als Ergebnis dieser Multiplikation erscheinen die Signale f1 + f2 und f1 – f2. Das Signal f1 + f2 wird also durch den Sender mit Hilfe eines Bandpassfilters extrahiert. Ähnliches gilt für den Empfänger. Hier erfolgt die Umwandlung nach unten durch einen Mischer, um das Differenzsignal zu extrahieren.

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Auflösung der Wellen <Menü>

Sie wissen vielleicht, dass jede Wellenform aus mehreren Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen und Pegeln besteht. Mit dieser Anwendung können 5 Sinuswellen mit unterschiedlichen Phasen und Pegeln zu Demonstrationszwecken hinzugefügt werden. Klicken Sie auf „Rechteckwelle“, „Dreieckwelle“ und „Sägezahnwelle“, um Phase und Pegel der Oberwellen einzustellen, und die jeweilige Wellenform wird angezeigt. Wenn die Startphase mit einer Oberwelle ungerader Ordnung kombiniert wird, ergibt sich eine Rechteckwelle wie die rote Linie. So kann man das Verhältnis zwischen Fundamental- und Oberwelle erkennen.

Wenn das Signal durch eine Filterschaltung mit schwacher Leistung geleitet wird, kann eine Phasenverzögerung der Oberwellen auftreten, aus denen das Signal besteht, und das Ausgangssignal ändert sich. Der obere Teil der Rechteckwelle und der Sägezahnwelle ist gewellt, aber wenn sie mit anderen Komponenten wie Wellen 11. oder 13. Ordnung kombiniert werden, kommt annähernd eine tatsächliche Wellenform dabei heraus.

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Können beliebige Frequenzen verwendet werden? <Menü>

In verschiedenen Ländern oder Regionen stehen verschiedene Frequenzen für unterschiedliche Zwecke zur Verfügung.
Das 2,4-GHz-Frequenzband wird in Europa, Amerika und Japan als ISM-Band verwendet, das 434-MHz- und das 868-MHz-Band werden dagegen nur in Europa verwendet. Darüber hinaus sind das 426-MHz-, das 429-MHz- und das 1200-MHz-Band in Japan der Telemetrie, Telesteuerung und Datenübertragung zugeordnet; in anderen Ländern können sie jedoch nicht verwendet werden.

Wie groß ist die Reichweite? <Menü>

Die Benutzer interessiert vor allem der Betriebsreichweite der Geräte, und auch für Gerätehersteller ist dies eine wichtige Frage.
Bevor Sie einen möglichst großen Betriebsreichweite in der Spezifikation angeben, sollten Sie sich überlegen, ob es vorteilhaft ist, wenn die Benutzer bei der tatsächlichen Verwendung eine Diskrepanz zu den Angaben in der Spezifikation feststellen. Daher sollte eine Ausschlussklausel eingefügt werden, wie „Die Reichweite der Datenübertragung ist abhängig von der Umgebung, in der das Gerät verwendet wird.“
Die in der Spezifikation des Funkmoduls selbst angegebene Reichweite ist nur ein Richtwert, und bei der Auswahl eines Funkmoduls muss dieses anhand eines Evaluierungsboards direkt getestet werden.

Empfangsempfindlichkeit

Die Differenz in der Reichweite der Datenübertragung innerhalb der Grenzen der festgelegten Ausgangsleistung zeigt die guten und schlechten Seiten in der Leistung des Moduls. Die Reichweite der Datenübertragung variiert in Abhängigkeit von verschiedenen Bedingungen und wird daher möglicherweise in der Spezifikation nicht angegeben. Die Empfangsempfindlichkeit ist dagegen stets angegeben, so dass an dieser Stelle beide verglichen werden.

Unterschiede in Abhängigkeit von der Frequenz

Die Reichweite der Datenübertragung hängt auch von der jeweiligen Frequenz ab. Je höher die Frequenz der Funkwellen, desto geradliniger sind sie, und desto geringer ist ihre Reichweite. 400-MHz-Funkwellen werden gebeugt und pflanzen sich weiter fort als die geradlinigeren 2,4-GHz-Funkwellen.

Unterschiede aufgrund des Modulationssystems

Eine Übertragung mit Amplitudenumtastung ist anfälliger gegenüber Hintergrundrauschen als eine mit Frequenz- oder Phasenumtastung, so dass auch dann Datenfehler auftreten können, wenn die Funkwelle den Empfänger erreicht.

Vergrößern der Betriebsreichweite

Verwenden einer Antenne mit Gewinn
Für Datenempfangsgeräte können Sie eine beliebige Antenne verwenden. Eine erhöhte Reichweite erzielen Sie, indem Sie eine Antenne mit Gewinn (z.B. Yagi-Antenne) verwenden. Führen Sie Feldtests mit mehreren Antennen durch, bevor Sie eine auswählen.
Die speziell entworfenen, in CE-geprüften Funkmodulen integrierten Antennen sind auf eine Übertragungsleistung gemäß der Spezifikation kalibriert und sollten daher nicht aus trivialen Gründen ausgetauscht werden.

Sorgfältige Entwicklung
Bei der Verwendung von Funkmodulen sollte sich der Entwurf in keiner Weise negativ auf die Empfangsempfindlichkeit auswirken, die in der Spezifikation angegeben ist. Außerdem sollten Fehler nach Möglichkeit vermieden werden. Beachten Sie hierzu die folgenden Punkte:
* Stellen Sie sicher, dass das Funkmodul keinem Rauschen ausgesetzt ist, das vom Prozessor oder anderen Geräten innerhalb des Systems, zu dem es gehört, verursacht wird.
* Verringern Sie das durch den Steuerschalter des Systems und Ähnliches verursachte Rauschen.
* Positionieren Sie den Empfänger so, dass er nur minimalem Rauschen ausgesetzt ist.
* Gehen Sie beim Anbringen der Antenne vorsichtig vor.

Integration von Funkmodulen in andere Geräte <Menü>

Maßnahmen gegen internes Rauschen

Die Geräte, in denen Funkmodule eingesetzt werden, sind oftmals mit hochgeschwindigkeitsfähigen Prozessoren und logischen Schaltungen ausgestattet. Solche Komponenten emittieren Hochfrequenzrauschen in Form von Überschwingungen der aufsteigenden und abfallenden Flanke des Steuersignals, die störende Auswirkungen auf das verwendete Frequenzband haben. Daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, dass dieses Rauschen nicht auf die Antenne des Empfängers oder Senders trifft. Im Folgenden eine Liste von Punkten, die bei der Integration von Funkmodulen in andere Geräte beachtet werden müssen. Die einzelnen Punkte treffen jedoch nicht unbedingt auf alle Module zu.

* Das Gehäuse, in das das Funkmodul integriert wird, sollte aus einem Material bestehen, das für Funkwellen durchlässig ist, z. B. aus ABS-Plastik. Wenn es sich in einem Metallgehäuse befindet, kann das Modul keine Funkwellen aussenden oder empfangen. Wenn eine Metallumhüllung verwendet wird, sollte nur die Haupteinheit des Funkmoduls eingebaut werden, und die Antenne sollte sich außen befinden. Der Körper des Moduls sollte elektrischen Kontakt mit dem Metallgehäuse haben, und es sollte kein Unterschied im elektrischen Potential bestehen. Das gleiche gilt für Gehäuse mit elektrisch leitender Oberfläche.

* Funkmodul und Antenne sollten so weit wie möglich von Störquellen entfernt positioniert werden.

* Wenn die Antenne des Senders oder Empfängers der Polarisationsebene der Funkwellen nicht entspricht, ist eine effiziente Datenübertragung nicht möglich, die Reichweite ist eingeschränkt, und es treten Fehler auf.

* Wenn die Antenne des Senders vertikal ausgerichtet ist, richten Sie die Antenne des Empfängers ebenfalls vertikal aus. Berücksichtigen Sie beim Anbringen der Antenne die Einsatzbedingungen.

* Achten Sie beim Befestigen einer Peitschenantenne darauf, dass diese nicht gebogen werden kann. Versuchen Sie, sie möglichst vertikal auszurichten.

* Wenn das Modul in Geräte eingebaut wird, die eine Rauschquelle enthalten, schließen Sie die Antenne mit einem Koaxialkabel an. Antennenschaltkreise, die keine Widerstandsanpassung haben, verursachen Probleme mit der Reflexion der Funkwellen, und abgesehen davon, dass Sie effizienzvermindernd wirken, haben sie auch störende Auswirkungen auf das Gerät.

* · Der Prozessor für die Steuerung des Funkmoduls und die Signalleitungen von anderen logischen Schaltungen sind Rauschquellen, die so klein wie möglich gehalten werden sollten.

* · Verwenden Sie einen separaten Regler für die Stromquelle des Funkmoduls, und halten Sie diese getrennt von den Stromquellen anderer rauscherzeugender digitaler Schaltungen. Ist das nicht möglich, verwenden Sie eine Stromquelle direkt hinter der Stromquelle der Haupteinheit, und sorgen Sie für eine Frequenzentkopplung. Bei der Frequenzentkopplung werden CR-Filter, LC-Filter, EMI-Filter usw. verwendet, um Rauschfrequenzen nach Bedarf auszublenden.

* · Wenn diese Stromquellen in dasselbe Gehäuse eingesetzt werden, legen Sie die Erdung entfernt von anderen Schaltungen, und trennen Sie sie mit Abschirmplatten usw. ab.

* · Versuchen Sie, beim Installieren eines Funkmoduls auf der Trägerplatte der Steuerschaltung die Erdung der Steuerschaltung so ausgedehnt wie möglich zu gestalten. Verwenden Sie eine HF-Abblockung (C gegen Masse) an der Stelle, an der die Stromversorgungsleitung angeschlossen wird. Um das Modul darüber hinaus so weit wie möglich von Rauschquellen zu entfernen, bringen Sie es auf der Rückseite der Trägerplatte an, so dass sich die digitalen Schaltungen auf der anderen Seite befinden.

* Tauschen Sie die Antenne nicht aus, wenn das Modul bereits mit einer ausgestattet ist. Wenn Sie eine neue Antenne entwickeln, sollten Sie eine λ/4-Antenne verwenden.

* Überprüfen Sie, ob die Taktfrequenz des Prozessors in einem Bereich liegt, der ein Vielfaches der verwendeten Funkfrequenz ist. Die Oberwellen dieser Taktfrequenz haben störende Auswirkungen auf die Funkschaltung.

Measures against internal noise

ISM-Band-Geräte <Menü>

Es wird oft behauptet, dass das ISM-Band ein weltweit gebräuchliches Frequenzband sei, doch in Wirklichkeit bestehen feine Unterschiede der Standards, die in einzelnen Ländern gelten. Daher sollten die genauen Bestimmungen in Erfahrung gebracht werden.
Achten Sie darauf, dass Sie keine Module oder Geräte verkaufen, die gegen das Gesetz verstoßen.


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