Mehrere Funktransceiver kombinieren
Ein IoT-Gerät mit Transceivern für mehrere Funkstandards auszurüsten, kann die Anwendung erweitern und neue Funktionen ermöglichen. Doch damit steigen die technischen Herausforderungen. Für einen optimalen Betrieb mehrerer Funktransceiver in einem Gerät sollten Entwickler wichtige Aspekte beachten.Von Chris Barratt und Dr. Nick Wood.
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Das Internet der Dinge ist so etwas wie ein Sammelbegriff, aber im Kern geht es darum, eine Kommunikationsverbindung zwischen elektronischen Geräten und dem Internet herzustellen. In einem Großteil der Fälle handelt es sich dabei um Funkkommunikation, denn häufig wird die Kommunikationsfunktion zu bestehenden Geräten hinzugefügt, und das Hinzufügen einer Funk-Verbindung ist um Größenordnungen einfacher als das Hinzufügen einer kabelgebundenen Infrastruktur. Bei frühen IoT-Anwendungen wurde in der Regel eine einfache Verbindung zwischen einem Gerät und einem anderen System hergestellt. Da die Anwendungen jedoch immer ausgefeilter werden, umfassen sie zunehmend mehrere Funktransceiver.
Gemeinsame Nutzung des Funkspektrums
Jedes Funksystem muss seine Informationen auf einem Teil des Funkspektrums übertragen – und das Problem mit dem Spektrum ist, dass es begrenzt ist und davon nicht mehr erzeugt werden kann! Das bedeutet, dass die Frequenzen unter verschiedenen Nutzern aufgeteilt werden müssen und Regeln für eine „faire Nutzung“ gelten. Darüber hinaus hat jeder Teil des Spektrums andere physikalische Eiegnschaften, die zu unterschiedlichen Leistungsmerkmalen führen. Daraus ergibt sich, dass die meisten Funkprotokolle bis zu einem gewissen Grad einen Kompromiss zwischen verschiedenen Leistungsmerkmalen darstellen – wobei in der Regel Reichweite, Durchsatz und Leistungsaufnahme die wichtigsten Messgrößen sind. Innerhalb dieser groben Kategorien gibt es weitere Details wie die Empfindlichkeit des Protokolls gegenüber der Umgebung, Hindernissen und Störungen durch andere Geräte, sowie die physische Größe und der Schaltungsaufbau. Diese Leistungsmerkmale sind entscheidend, damit ein Funktransceiver in der gewünschten Anwendung effektiv funktioniert.
Da es sehr schwierig ist, eine Lösung zu finden, die in allen drei Hauptleistungsmerkmalen optimal ist, enthalten anspruchsvollere IoT-Anwendungen nun oft zwei oder mehr Funktransceiver. Dies führt jedoch zu einer zusätzlichen technischen Komplexität des Entwurfs, da Funksignale von Natur aus allgegenwärtig sind und sich gegenseitig stören können.
Typische Doppelfunkgeräte
Eine der typischsten Doppelfunksysteme ist die Kombination von WiFi und Bluetooth. Diese beiden Funkstandards arbeiten auf demselben 2,4-GHz-Band, obwohl WiFi auch im 5-GHz-Bereich arbeitet. WiFi bietet eine höhere Bandbreite, Bluetooth dagegen, insbesondere in seiner Low-Energy-Variante, ermöglicht eine extrem niedrige Stromaufnahme und eine viel einfachere Ad-hoc-Verbindung. So könnte ein IoT-Gerät einen aktiven BLE-Transceiver haben, um einen Verbindungswunsch zu erkennen, vielleicht sogar anfänglich ein paar Daten austauschen, z.B. für interaktive Verbindungen zum Nutzer eines Smartphones, und dann WiFi einschalten, wenn eine Übertragung von großen Datenmengen erforderlich ist. Dieser Ansatz würde sowohl die Leistungsaufnahme als auch den Datendurchsatz durch eine sinnvolle Verwaltung der Funktransceiver optimieren.
Technische Fragen
Bild 1. WiFi-Bluetooth-Kanalüberschneidung. (Bild: Insight SiP)
Was sind die technischen Probleme bei der Realisierung eines solchen Systems? Da beide Funkstandards in denselben Frequenzbändern arbeiten (Bild 1), ist es im Allgemeinen nicht möglich, beide Transceiver gleichzeitig zu betreiben. Würden beide einfach so betrieben, käme es häufig zu Kollisionen, wenn beide Funktransceiver versuchen, auf denselben Kanälen zu senden. Innerhalb des gesamten 2,4-GHz-Bandes überträgt WiFi auf Kanälen mit 22 MHz Bandbreite, Bluetooth dagegen verwendet ein Frequenzsprungverfahren über alle oder einige der 79 Kanäle mit 1 MHz oder der wenigen 2-MHz-Kanäle. In der Praxis bedeutet dies, dass in etwa 1/3 der Zeit mit Kollisionen zu rechnen ist und der parallele Betrieb beider Funktransceiver nicht funktionieren würde. Das Frequenzsprungverfahren von Bluetooth bedeutet, dass es relativ störungsunempfindlich ist, was ein wichtiges Entwicklungsziel ist, aber die WiFi-Verbindung würde mit hoher Wahrscheinlichkeit ausfallen.
Zeitmultiplexing
Die gebräuchlichste Lösung für dieses Problem ist die Verwendung eines zeitbasierten Konkurrenzmechanismus. In einem solchen System hat jeder Funktransceiver einen digitalen „Funk-Aktiv“-Pin, die miteinander verbunden sind. So wartet jeder Funktransceiver einfach, bis der andere seine Übertragung beendet hat, bevor er selbst mit der Übertragung beginnt. Ein ausgeklügelterer Ansatz besteht darin, eine dritte Leitung für „Bluetooth-Priorität“ hinzuzufügen. Mit ihr kann der Bluetooth-Transceiver den WiFi-Transceiver auffordern, mitten in der Übertragung anzuhalten, damit der Bluetooth-Transceiver senden kann. Dies könnte nützlich sein, denn Bluetooth stellt eine eher zeitkritische Verbindung her, da das Protokoll auf Zeitmessung basiert, und Bluetooth wird für die Übertragung latenzempfindlicher Daten wie Audio-Signale eingesetzt.
In einem solchen Szenario können die beiden Funktransceiver dieselbe Antenne verwenden, da immer nur einer von ihnen sendet. Dies erfordert natürlich einen HF-Schalter, um zu entscheiden, welcher Funktransceiver zu einem bestimmten Zeitpunkt sendet und mit der Antenne verbunden wird, was zu einem Verlust an Empfindlichkeit und Signalstärke führt.
Gleichzeitige Übertragung von Bluetooth und WiFi
Es ist möglich, die gleichzeitige Übertragung von Bluetooth und WiFi zu arrangieren, indem in Bluetooth das „Adaptative Frequency Hopping“ implementiert wird. Bei diesem Verfahren scannt der Bluetooth-Transceiver das gesamte 2,4-GHz-Band, um festzustellen, welche Kanäle belegt sind, und benachrichtigt dann die anderen Bluetooth-Geräte, um diese Kanäle im Frequenzsprungverfahren zu vermeiden. Bei diesem Verfahren kann es vorkommen, dass die leistungsstärkeren WiFi-Signale den Bluetooth-Empfänger sättigen und zu einem erheblichen Verlust der Empfindlichkeit und damit der Reichweite der Bluetooth-Verbindung führen.
Ein solches System kann eine WiFi-Bluetooth-Koexistenz ermöglichen, obwohl sich die belegten Kanäle im Laufe der Zeit ändern können, so dass es sich nicht um eine völlig robuste Lösung handelt. In einem solchen System müssen die WiFi- und Bluetooth-Antennen unterschiedlich sein, um direkte Interferenzen zwischen den beiden Funkgeräten zu vermeiden, und idealerweise auch einen gewissen räumlichen Abstand aufweisen.
Zwei Funktransceiver, zwei Bänder
Was ist mit dem Fall, dass zwei Funktransceiver eingesetzt werden sollen, die in verschiedenen Frequenzbändern arbeiten? Solche Anforderungen sind relativ häufig, um von den unterschiedlichen Eigenschaften von Funksystemen zu profitieren, die in verschiedenen Bereichen des Spektrums arbeiten. Dies wäre beispielsweise der Fall bei einem Bluetooth-Transceiver mit kurzer Reichweite, der zusammen mit einem Transceiver mit niedrigerer Datenrate und langer Reichweite, z.B. LoRa, in einem System arbeitet.
In gewisser Hinsicht ist dies einfacher, da weniger Bedenken bestehen, dass sich die Funktransceiver gegenseitig über die Luftstrecke stören. Wenn die beiden Funktransceiver nahe beieinander auf derselben Platine platziert werden, ist sicherzustellen, dass subtile Resonanzen auf der Platine die Funkleistung nicht beeinträchtigen. Bei zwei weitgehend unabhängigen Funktransceivern ist die Aufgabe dagegen relativ einfach.
Eine Antenne für zwei Funktransceiver
Soll ein sehr kleines Gerät entworfen werden, könnte auch eine einzige Antenne für die beiden Funktransceiver verwendet werden. Dies stellt zwei große technische Herausforderungen dar:
erstens die Entwicklung einer Dualband-Antenne und
zweitens die Frage, wie die beiden Funktransceiver in geeigneter Weise isoliert werden und gleichzeitig sich die Antennenverbindung herstellen lässt.
Der Entwurf einer Dualband-Antenne ist nicht einfach. Realistisch betrachtet ist es unwahrscheinlich, dass eine Antenne für beide Frequenzen optimiert werden kann, insbesondere wenn die Baugröße durch den knappen Platz im Endgerät limitiert wird. In der Regel muss sich der Entwickler also entscheiden, welcher Frequenz er den Vorzug geben will. Im obigen Beispiel der LoRa/BLE-Anwendung ist es wahrscheinlich sinnvoll, den LoRa-Transceiver mit großer Reichweite zu bevorzugen. Denn BLE wird eher von einer Person in unmittelbarer Nähe zur Konfiguration des Geräts verwendet werden, so dass für BLE keine maximale Reichweite gefordert wird.
Wenn die beiden Funktransceiver an dieselbe Antenne angeschlossen sind, besteht die Gefahr, dass die von einem Sender abgegebene Energie im anderen Empfänger absorbiert wird. Es gibt zwei grundsätzliche Lösungsmöglichkeiten:
Es kann ein HF-Schalter eingebaut werden, der jeweils nur einen Funktransceiver auswählt. Damit ist das Problem zwar gelöst, aber es stellt sich die Frage, wie die Steuerung zwischen den beiden Funktransceivern erfolgen kann. Das ist nicht einfach, vor allem, wenn die beiden Funktransceiver Daten asynchron empfangen.
Bild 2. Blockschaltbild des HF-Moduls ISP4520 mit gemeinsamer Antennenschaltung. (Bild: Insight SiP)
Eine geeignetere Alternative ist der Einbau eines Diplexers, eine Tiefpass-Hochpassfilterkombination, die zwischen der Antenne und den beiden Funktransceivern eingesetzt wird (Bild 2). Dadurch wird verhindert, dass das niederfrequente Sendersignal in den hochfrequenten Empfänger gekoppelt wird und umgekehrt, so dass beide Funktransceiver ihre Signale nur an die Antenne senden. Auf diese Weise können die Funktransceiver gleichzeitig betrieben werden, ohne sich gegenseitig zu stören.
In jedem Fall muss sich ein Entwickler darüber im Klaren sein, dass alles, was sich zwischen dem analogen Senderausgang des Funk-ICs und der Antenne befindet, einen gewissen Verlust verursacht, und schlecht konzipierte Schaltungen oder billige Komponenten können diese Verluste erheblich steigern.
HF-Schaltungen sind komplex und die Kombination mehrerer Geräte kann die Herausforderungen mehr als verdoppeln. Die Realisierung einer komplexen Funkanwendung von Grund auf, ist eine Aufgabe, die am besten HF-Spezialisten überlassen werden sollte. Weniger erfahrene Entwickler sollten möglichst auf vorintegrierte Module und Subsysteme zurückgreifen. Auf diese Weise lassen sich ein endlos-langer Versuch-und-Irrtum-Zyklus oder suboptimale IoT-Anwendungen vermeiden. hs
Von Chris Barratt und Dr. Nick Wood
13 April 2023
