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HF-/Mikrowellentechnik
quenz nimmt dieser Ablenkwinkel zu. Dadurch können sich Sub-
GHz-Signale besser um Hindernisse herum ausbreiten und der
Blocking-Effekt reduziert sich.
Die Friis-Gleichung belegt die guten Ausbreitungsmöglichkeiten
der Sub-GHz-Transceiver. Sie zeigt, dass Übertragungsverluste
bei 2,4 GHz ganze 8,5 dB über denen bei 900 MHz liegen. Das hat
eine 2,67-fach längere Übertragungsstrecke zur Folge, bei 900
MHz, da sich die Strecke mit jeder Erhöhung der Sendeleistung
um etwa 6 dB verdoppelt. Um die Reichweite eines 900-MHz-
Transceivers zu erreichen, benötigt eine 2,4-GHz-Lösung mehr als
8,5 dB an zusätzlicher Leistung. Außerdem treten mehr Interferenzen
auf.
Die Umwelt ist überfüllt mit kollidierenden 2,4-GHz-Signalen
verschiedenster Quellen wie Home- und Office-Wi-Fi-Hubs, Bluetooth-verbundenen
Geräten und Handys sowie Mikrowellenöfen.
Das führt zu vielen Interferenzen. Sub-GHz-ISM-Bänder werden
dagegen meist zur zyklischen Übertragung mit geringem Duty-
Cycle, ohne gegenseitige Störung, verwendet. Das ruhigere Übertragungsspektrum
bedeutet einfachere Übertragung mit weniger
Wiederholungen. Dies ist effizienter und spart Batterieenergie.
Powereffizienz und Systemreichweite sind beides Funktionen
von Empfängerempfindlichkeit und Sendefrequenz. Die Empfindlichkeit
ist umgekehrt proportional der Kanalbandbreite. Schmalere
Bandbreiten führen zu höherer Empfindlichkeit und ermöglichen
einen effizienten Betrieb bei geringeren Übertragungsraten.
Zum Beispiel beträgt die Abweichung von Sende- und Empfangsquarz
bei 300 MHz je 10 ppm, bedeutet dies einen Frequenzfehler
von 3 kHz bei Sender und Empfänger. Für effiziente Sende/Empfangs-Applikation
sollte die minimale Kanalbandbreite jedoch
zweimal die Fehlerrate betragen oder 6 kHz, was ideal ist für
Schmalbandapplikationen.
2,4 GHz erfordert eine Bandbreite von mindestens 48 kHz, was
für Schmalbandapplikationen nicht erforderlich ist und mehr Leistung.
Funkschaltkreise, die bei höheren Frequenzen arbeiten, einschließlich
rauscharme Verstärker, Leistungsverstärker, Mischer
und Synthesizer, benötigen mehr Strom, um die Leistung zu erbringen,
die bei niedrigeren Frequenzen erzielt werden.
Reichweite, geringe Interferenzen und geringerer Stromverbrauch
sind die wesentlichen Vorteile von Sub-GHz-Applikationen
im Vergleich zu 2,4-GHz-Applikationen. Ein Nachteil ist jedoch
die im Vergleich zu 2,4-GHz-Lösungen größere Antenne.
Die optimale Antennengröße bei 433-MHz-Applikationen kann
bis zu etwa 18 cm betragen. Antennengröße und Frequenz sind
jedoch umgekehrt proportional. Spielt die Größe eines Transceivers
eine Rolle, können die Entwickler deshalb die Frequenz bis
hin zu 950 MHz erhöhen, um so zu einer kleineren Antenne zu
gelangen.
Ein weiteres wesentliches Kriterium für den Stromverbrauch eines
Transceivers ist die für die Datenübertragung benötigte Zeit.
Diese ist wiederum abhängig von der Datenrate und dem Protokolloverhead,
der zum Aufbau der Verbindung erforderlich ist. Für
den Verbrauch von zyklisch arbeitenden Funkstrecken ist die Datenrate
der wichtigste Parameter, die Stromaufnahme betreffend.
Die durchschnittliche Stromaufnahme ist in etwa umgekehrt proportional
zur Datenrate. Ein Transceiver für 100 kbps benötigt bei
gleicher Datenmenge nur halb so viel Leistung wie einer für 50
kbps. Bei einer vorgegebenen Datenmenge ist die Wahl einer höheren
Datenrate deshalb ein Weg, um die Effizienz zu erhöhen.
Beim Leistungsvergleich von verschiedenen UHF-Transceivern
ist die Energie pro Bit ein besserer Indikator als der Stromverbrauch.
Transceiver für hohe Datenraten weisen jedoch oft höhere
Spitzenströme auf. Damit sind diese Transceiver ungeeignet für
Batteriebetrieb oder Energy Harvesting, da sie große Kondensatoren
benötigen mit Hunderten von μF.
Standards wie 802.15.4 (ZigBee) oder Bluetooth bieten leistungsfähige
Link- und Netzwerk-Layer. Jedoch machen diese
Stacks 50 bis 75 Prozent des Transceiver-Verbrauchs aus und sie
haben einen großen Overhead. Bei Ultra-low-power-Systemen ist
die Standardisierungsoption „one size fits all“ nicht optimal. Dort
sollten auf die Applikation zugeschnittene Protokolle zum Einsatz
kommen.
In einem Netzwerk haben zudem die Anforderungen an die Latenz
einen großen Einfluss. Der Zeitbedarf eines Knotens für Hören
(Empfangen) oder Horchen ist eine Funktion der Latenz. Ge-
Bild 4: Blockdiagram eines typischen Wireless-Sensors basierend
auf dem ZL70250.
Bild 3: Durchschnittliche Leistung versus Datenrate eines Wireless-
Sensors mit Verwendung des ZL70250-Transceiver.
Bild 5: Sensor versorgt durch Energy Harvesting.
Bilder: Eurocomp
68 elektronik industrie 05/2013
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