Traktorwilli

Das anfassbare Modelltraktor-Erlebnisland zum Selberfahren im wilden Süden

2.4 GHz Fernsteuerungen

Wir werden immer mal wieder gefragt, wie es möglich ist, nahezu alle Siku-Control32-Fahrzeuge mit allen Fernsteuerungen verbinden zu können und warum sie sich gegenseitig nicht stören.
Dazu eine sehr gut verständliche technische Erklärung von Beat Stucki aus der Schweiz:

2.4 GHz Fernsteuerungen und deren Funktionsweise
Wie geht das eigentlich, sich nicht mehr um Steckquarze und Frequenzen kümmern zu müssen, alles ist auf den gleichen Frequenzen wie WLAN (WLAN = Wirless Local Area Network) und Bluetooth und funktioniert trotzdem? Selbst die Mikrowelle in der heimischen Küche arbeitet im gleichen Frequenzbereich, allerdings sendet sie nicht, weil Gehäuse und Tür aus verständlichen Sicherheitsgründen "mikrowellendicht" sind.

Im Frequenzband von 2400 MHz bis 2483.5 MHz sind Hochfrequenzanwendungen für Industrie, Wissenschaft und Medizin zulässig, ohne dass es dafür eine Lizenz braucht. Es wird auch ISM Band genannt (ISM = Industry, Science, Medical). Vorgegeben ist in Europa in der Norm EN 300 328 die maximal abgestrahlte Leistung von 100 mW zu jedem Zeitpunkt oder die Leistungsdichte von 10 mW/MHz Bandbreite, sowie dass in beiden Richtungen gesendet wird. In Amerika erachtet man die 100mW als mittlere Leistung und lässt kurzzeitig höhere Leistungen zu.

In diesem Frequenzband können also WLAN, Bluetooth, Industrie-, Telematikanlagen und Fernsteuerungen betrieben werden, aber warum stört man sich nicht gegenseitig?
Einen Quarz braucht es immer, um eine stabile Grundfrequenz zu erzeugen. Mit einer Synthesizerschaltung kann aber beinahe jede beliebige Frequenz erzeugt werden. Bei einem Synthesizer Empfänger und Sender können also die gewünschte Frequenz (Kanal) programmiert werden und es reicht ein fest eingebauter Quarz. Dies hat noch nichts mit 2.4 GHz Anlagen zu tun. Dies gibt es auch bei den 35, 40 und 72 MHz Anlagen.

Wieso muss man bei 2.4 GHz keine Frequenz eingeben?
Grundsätzlich sendet ein 2.4 GHz Sender die Informationen in digitalen Datenpaketen, also in codierter Form. Der Empfänger muss auf diesen Code programmiert sein und wertet nur Signale vom Sender aus, mit dem er gepaart ist. Bei den Fernsteuerungen nennt man dies „Binding" bei Bluetooth Ohrhörern für das Glasscheibentelefon „Pairing". Sender und Empfänger müssen also gepaart sein. Der Empfänger muss den Code des Senders kennen, um überhaupt wissen zu können, auf welchen Sender er hören soll. Man kann dies mit der Stimme vergleichen, wenn mehrere Personen sprechen.
Man nennt dieses Übertragungsverfahren Codemultiplexverfahren (CDMA = Code Division Multiple Access). Das gleiche Verfahren verwendet man auch in der Mobiltelefonie bei UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) und es nennt sich dort WCDMA, W = Wideband, also Breitband CDMA.
Dieses Verfahren muss man sich vorstellen, wie wenn verschiedene Paare kommunizieren, wobei jedes Paar eine andere Sprache spricht, aber auf der gleichen Wellenlänge, d.h. im gleichen Raum können viele Paare gleichzeitig kommunizieren und wenn sie dies alle in verschiedenen Sprachen tun, besteht keine Gefahr dass die Empfänger auf falsche Sprachen hören. Es lässt sich kommunizieren, ohne dass man sich gegenseitig stört. Es kommt noch hinzu, dass der Sender nicht immer sendet, sondern nur während wenigen Millisekunden etwas zu sagen hat und dann wieder ein Mehrfaches an Zeit Pause macht.
Während dieser Pause verstehen sich dann andere Paare wieder besser (weniger anderssprachige Nebengeräusche). Und wenn der Empfänger mal ein paar Bits nicht versteht, dann wartet er einfach die nächsten Daten ab und gibt erst dann neue, veränderte Befehle an die Servos, wenn das System neue Befehle richtig gehört hat.
Jetzt gibt es aber grundsätzlich zwei verschiedene Prinzipien:


FHSS = Frequency Hopping Spread Spectrum
Das System beruht auf 80 Kanälen zu 1 MHz Bandbreite. Der Sender springt alle 2 Millisekunden von einem Kanal zum nächsten - wechselt also 500mal in der Sekunde die Frequenz. Damit ist automatisches Ausweichen bei Störungen garantiert. Es ist nur eine Frage der Zeit, nach ein paar Millisekunden hat man wieder ein freies Band. Dadurch hat man auch weniger Reflexion- und Multipath-Probleme (Abschattung), denn je nach Frequenz ändern sich diese Situationen auch. Es ist ein sehr störresistentes Verfahren. Nach diesem Prinzip funktioniert der Bluetooth Standard bei Mobiltelefonen und PCs.
Um wieder zum Vergleich mit der Sprachkommunikation zu kommen: Man wechselt dauernd die Tonlage nach einem definierten Muster, damit der Partner (Empfänger) nicht immer nur „tiefes Deutsch" neben dem „tiefen Russisch" hören muss, sondern auch auf anderen Tonlagen hören kann was zu tun ist.


DSSS = Direct Sequence Spread Spectrum
Codierung in direkter Folge und Übermittlung. Vor der Übermittlung wird zuerst gesucht, welcher Kanal am wenigsten gestört ist und dann genutzt. Nach diesem Prinzip funktionieren alle WLAN und viele Fernsteuerungen. Alle 20 bis 72 ms steht wieder neue Information für die Servos bereit.
Bei diesem Übertragungsverfahren wird mit kleinen Leistungen, dafür auf einer größeren Bandbreite gesendet. Es ist kaum messbar und Empfänger erkennen trotzdem die „leise, fast geflüsterte" Sprache, da hier die Tonlage nicht verändert wird.
Die Ausbreitungseigenschaften von 2.4 GHz Signalen mit 13 cm Wellenlänge sind anders als bei 40 oder 35 MHz:
• Hindernisse können zu einer Abschattung führen (Lichtähnliches Verhalten)
• Schlechtere Materialdurchdringung (Materialen, wenn Antenne innen)
• Die Signalstärke verändert sich sehr dynamisch
• Die Antennenrichtungen von Sender und Empfängerantenne sind wichtig. Deshalb machen Systeme mit Diversity (2 Antennen) Sinn, weil dann die Wahrscheinlichkeit grösser ist, zu jedem Zeitpunkt bei zumindest einer Antenne brauchbaren Empfang zu haben.
• Große Reichweite bei wenig Leistung


Viel Leistung ist also nicht das Entscheidende, es gibt viel mehr Kriterien, die stimmen müssen. Der Empfänger hat aber so viel Intelligenz, dass bei nicht verstandenen Codes die Servos nicht in Endposition laufen, sondern warten, bis der nächste Datenrahmen gut ankommt oder bei Frequenzhopping der nächste oder übernächste Kanal ungestört empfangen wird.
Quelle:https://www.mgthun.ch/modellbau/Know-how/24-GHz-Fernsteuerungen-und-deren-Funktionsweise

Reichweite
Theoretisch beträgt die Reichweite im 2,4 Ghz unter optimalen Bedingungen 15 km. Dieses ist allerdings in der Praxis kaum erreichbar und im Modellbau auch nicht nötig. Realistisch erreicht eine RC-Fernsteuerung eine Reichweite von 400m bis 1000m. Bluetooth ist für den Nahbereich bis zu 10m geeignet, mehr ist meistens auch nicht notwendig, denn mit Bluetooth koppelt man Ohrhörer, Freisprecheinrichtung und natürlich auch die Siku Control Fahrzeuge der aktuellen Generation. Da die Siku-Fahrzeuge im Maßstab 1:32 nicht sehr groß sind und auch langsam fahren sind größere Reichweiten unnötig. Mit Bluetooth 5.0 wird sich die Reichweite und die Datenrate erhöhen. Durch Hindernisse wie z.B. Wände reduziert sich die Reichweite.