Was ist ein Funkmodul?

Wozu braucht man ein Funkmodul?

Die meisten Anwender, die ihre Geräte von der drahtgebundenen auf die drahtlose Kommunikation umstellen wollen, tun sich schwer, wenn sie nicht über die erforderlichen Kenntnisse verfügen. Dieses Wissen besteht aus dem Entwurf von Hochfrequenzschaltkreisen, Antennen und HF-Entwicklung. Selbst wenn der Ingenieur über die erforderlichen Kenntnisse verfügt, würde die Entwicklung von Funkhardware von Grund auf möglicherweise Monate oder sogar Jahre dauern. Darüber hinaus wäre die Anschaffung teurer Spektrum- und Modulationsanalysatoren für Messungen und Abgleich nötig. Somit vereinfacht die Implementierung eines Funkmoduls die Entwicklung.

Die Hersteller von Funkmodulen können die Funkperformance und den reibungslosen Betrieb garantieren, und der Ingenieur kann das Modul einfach in seine eigene Leiterplatte oder sein eigenes Produkt integrieren. Es besteht also keine Notwendigkeit, teure Messgeräte zu kaufen oder eigene Funkhardware zu entwickeln.

Funkmodule und die Entwicklung von Funkgeräten

Bei der Entwicklung jedes Funksystems muss zunächst die Spezifikation festgelegt, der Schaltungsentwurf erstellt, das Kommunikationsprotokoll entwickelt, die Leistungsfähigkeit des Funksystems geprüft/verbessert und die Zertifizierung durchgeführt werden, bevor das Gerät in Produktion gehen kann. Außerdem gibt es viele analoge Elemente in Funkgeräten, so dass Fachwissen und Erfahrung erforderlich sind, um eine ausreichende Leistung zu gewährleisten.

Dagegen sind für die Integration eines Funkmoduls lediglich allgemeine elektrotechnische Kenntnisse erforderlich. Und da die Leistungfähigkeit des Moduls bereits garantiert ist, kann eine solche Leistungskontrolle entfallen, um die Entwicklung zu vereinfachen.

Darüber hinaus gewährleisten Module mit der entsprechenden Kennzeichnung wie CE und UKCA die Einhaltung lokaler Vorschriften.

Funktionen des Funkmoduls

Um die Rolle des Funkmoduls besser zu verstehen, haben wir ein Funkgerät in verschiedene Funktionsbereiche unterteilt.

 

Wie viele dieser Funktionsbereiche das Funkmodul abdecken kann, ist von Produkt zu Produkt unterschiedlich. Module, die viele Funtionsbereiche abdecken, können nur mit Stromversorgung und Schalter verbunden werden, während andere Module nur einen oder zwei Funktionsbereiche abdecken, z. B. den Funkbereich. Bei der Auswahl eines Funkmoduls muss darauf geachtet werden, wie viele Funktionsbereiche des Funkmoduls es abdecken kann.

Was kann per Funk gesendet werden?

Typische Beispiele sind serielle Daten und EIN-AUS-“Schalt”-Signale.

Eine Übertragung von Video-, Audio- und Analogsignalen ist möglich, indem man sie als serielle Daten unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlungsverfahrens verarbeitet. Während analoge Signale über eine Leitung übertragen werden können, ermöglicht die Funkkommunikation die digitale Übertragung von Signalen, die eine Analog-Digital-/Digital-Analog-Wandlung erfordern würden.

Bei mehreren Schaltsignalen kann man sie alle gleichzeitig übertragen, z. B. indem man für jedes Signal einen anderen Frequenzkanal verwendet. In der Praxis ist dies aufgrund der durch das Frequenzband auferlegten Beschränkungen nicht möglich, so dass die Informationen über die Schaltsignale vor der Übertragung in serielle Daten umgewandelt werden.

Schaltsignale

Wie der Empfänger ein EIN/AUS-Signal ausgibt, wird durch seinen Modus bestimmt. Wenn man den richtigen Modus verwendet, kann man z.B. ein EIN-Signal ausgeben, solange man die Sendertaste gedrückt hält (kontinuierlich) oder ein EIN-Signal einmalig ausgeben (One-Shot), wenn die Taste gedrückt wird. Bei Anwendungen mit EIN/AUS-Aktionen kann ein solches Auslösesignal verwendet werden, und bei Anwendungen, die kontinuierliche Einstellungen erfordern, kann ein kontinuierliches Signal verwendet werden.

Module, bei denen der Sender nur eingeschaltet ist, wenn der Eingang eingeschaltet ist (Taste gedrückt):

Bei unregelmäßiger Funkübertragung können kleine Batterien (z. B. ganz normale AA Batterien) eingesetzt werden. Solche Module können als 1:N oder N:1 betrieben werden.

 

Module, bei denen der Sender eingeschaltet ist, wenn der Eingang ein- oder ausgeschaltet ist (Taste gedrückt oder nicht gedrückt):

Module, bei denen die Funkübertragung immer eingeschaltet ist, übertragen den Tastenstatus kontinuierlich. Solche Sender-/Empfängermodule können nur als 1:1 arbeiten.

 

Da die Sendeleistung und das Timing für das Frequenzband je nach Funkverordnung variieren können, müssen Sie das Produkt und das Frequenzband auswählen, das der Art des Signals entspricht, das Sie senden möchten.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Latenzzeit. Bei verdrahteten Systemen kann der Ausgang sofort auf jede Änderung des Eingangs reagieren. Aber bei drahtlosen Systemen können Handhabung und Verarbeitung von Paketen eine geringfügige Verzögerung zwischen Eingang und Ausgang verursachen. Für einfache Anwendungen wie Licht ein/Licht aus spielt das im Allgemeinen keine Rolle. Wenn aber Timing und kontinuierlicher Betrieb erforderlich sind, kann diese Verzögerung bedeutsam sein.

Es kann vorkommen, dass der Empfänger ein Paket aufgrund schlechter Übertragung nicht einwandfrei empfangen kann, daher müssen solche Fälle berücksichtigt werden.

Serielle Daten

Bei verdrahteten Systemen können serielle Daten zwischen zwei System problemlos “wie sie sind” ausgetauscht werden. Da jedoch jeder ein Funksignal in einem drahtlosen System abfangen kann, können wir nicht einfach serielle Daten auf einen Träger modulieren. Es müssen bestimmte Steuerungsmaßnahmen für die Funkübertragung vorhanden sein.

Befehlssteuerung

Für die Circuit Design Modems im 434 MHz Band haben wir Befehle entwickelt, die die Steuerung der Module ermöglichen (inklusive Übertragung und Empfang von seriellen Daten). Damit braucht der Anwender kein eigenes Funkprotokoll zu implementieren und muss lediglich den Befehl mit den gewünschten seriellen Daten senden.

Da ein Teil der Datenrate durch die zusätzlichen Informationen im Zusammenhang mit der Kommunikationssteuerung beansprucht wird, ist die verfügbare Datenrate (oder der Datendurchsatz), die für die Übermittlung von Nutzdaten verwendet werden kann, in diesem Fall niedriger als die maximale Datenrate (die HF-Datenrate).Ein Beispiel: Die HF-Datenrate des Modems MU-4 ist 4800 bps, aber die für den Anwender verfügbare Datenrate ist 3400 bps (< 2400 bps bei Einsatz der Fehlerkorrektur).

Module mit Befehlssteuerung

Transparente Schnittstelle

Bei Modulen, die als “transparent” eingestuft werden, muss der Nutzer keinerlei Befehlssteuerung folgen, und die Daten können als Rohdaten gesendet und empfangen werden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Sie Ihre kabelgebunden Übertragung einfach durch Funkmodule ersetzen können. Bei drahtlosen Systemen muss irgendeine Form der Funkkommunikationssteuerung hinzugefügt werden, einschließlich der Implementierung eines bestehenden Protokolls oder der Entwicklung eines neuen. Wenn Sie zum ersten Mal ein Protokoll erstellen, müssen Sie daran denken, eine Form der Identifizierung, Fehlerprüfung und eventuell Fehlerkorrekturcodes einzufügen, die an die Nutzdaten angehängt werden. Mit dem Zusatz der Rahmenerkennung können die Daten als Pakete übertragen werden.

Um die Anforderungen für die Erstellung eines eigenen Protokolls zu erläutern, haben wir einen weiteren Artikel mit dem Titel “Anforderungen an eine transparente Schnittstelle” bereitgestellt.

Anders als bei der Befehlssteuerung entspricht die verfügbare Datenrate der maximalen Rate des Moduls.

Module mit transparenter Kommunikationsschnittstelle:

TX/RX:

 

Transceiver:

Befehl vs. transparent

Die von Circuit Design entwickelte Befehlssteuerung ermöglicht es dem Anwender, serielle Kommunikation einfach auszuführen, ohne sich um den Funkteil kümmern zu müssen. Dies vereinfacht die Produktentwicklung.

Für die transparente Schnittstellt gibt es kein Kommunikationsprotokoll, so dass der Anwender ein Funkprotokoll verwenden bzw. entwickeln muss. Ein Vorteil ist, dass der Anwender ein eigenes Funkprotokoll benützen kann (z.B. zur Kompatibilität mit dem vorhandenen System. Allerdings ist das Verfahren zum Senden und Empfangen komplexer als bei Verwendung von Befehlen.

Ausführlichere Informationen finden Sie hier. In dem Artikel werden Kommandos- und transparente Modulschnittstellen verglichen.

Audio

Audioübertragungen können analog sein oder vor der Übertragung in ein digitales Format umgewandelt werden. Üblicherweise wurden Audiosignale über ein analoges Medium übertragen, aber in letzter Zeit gibt es immer mehr Audiokommunikationen, die sich in den digitalen Bereich entwickelt haben, zum Beispiel: Bluetooth, Mobiltelefone.

Neben der Auswahl eines Moduls, das den gewünschten Spezifikationen entspricht, muss bei der drahtlosen Audioübertragung der Audiobereich komprimiert werden, damit die Übertragungen den lokalen Funkvorschriften entsprechen.

Audiomodule (analog):

Ergänzende Informationen

Andere Inhalte wie Bilder und analoge Daten können übertragen werden. Bildübertragungen sind in den letzten Jahren zu digitalen Übertragungen übergegangen, wie z. B. bei terrestrischen Fernsehübertragungen; mit einigen Ausnahmen in Bereichen wie dem Amateurfunk. Bei analogen Signalen ist es in der Regel schwierig, sie so zu übertragen, wie sie sind, so dass eine A/D-Wandlung durchgeführt wird, nach der sie schließlich als serielle Daten übertragen werden.