2.4 GHz Fernsteuerungen und deren Funktionsweise

Von Beat Stucki

Wie geht das eigentlich, sich nicht mehr um Steckquarze und Frequenzen zu kümmern und dann ist noch ist alles auf den gleichen Frequenzen wie WLAN und Bluetooth und funktioniert trotzdem?

Wie verschieden sind die Systeme der verschiedenen Hersteller?

Beat Stucki versucht als Elektroingenieur mit diesem Artikel einen Spickzettel für jedermann mit folgenden Zielen zu erstellen: 

• Der Leser die verschiedenen Systeme unterscheiden kann
• Der Leser Berichte und Broschüren zu neuen Steuerungen besser beurteilen und einordnen kann
• Der Leser Vergleiche ziehen kann mit der Sprachkommunikation

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 (Industry, Science, Medical). Vorgegeben ist in Europa in der Norm EN 300 328, Ausgabe 1.7.1, die maximale Leistung (EIRP), maximal abgestrahlte Leistung von 100 mW zu jedem Zeitpunkt oder die Leistungsdichte von 10 mW/MHz Bandbreite, sowie dass in beiden Richtungen gesendet werden kann und soll.

In Amerika erachtet man die 100mW als mittlere Leistung und lässt kurzzeitig höhere Leistungen zu.

In diesem Frequenzband können also WLAN, Bluetooth, Industrie-, Telematik-anlagen und Fernsteuerungen betrieben werden. Gehen wir nun der Frage nach, warum man sich dennoch nicht gegenseitig stört, und wo die kritischen Punkte liegen.

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 und dies gibt es auch schon bei den 35, 40 und 72 MHz Anlagen.

Nun wieso muss man denn bei 2.4 GHz keine Frequenz eingegeben werden?

Grundsätzlich sendet ein 2.4 GHz Sender die Informationen in codierter Form. Der Empfänger muss auf diesen Code programmiert sein und wertet nur Signale vom Sender mit dem er gepaart ist aus. Bei den Fernsteuerungen nennt man dies „Binding" bei Bluetooth Ohrhörern für das Handy „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. Im nachfolgenden Vergleich könnte man 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 und es nennt sich dort WCDMA, W für Wideband, also Breitband CDMA.

Dieses CDMA Prinzip muss man sich vorstellen wie wenn verschiedene Paare kommunizieren, wobei jedes Paar eine andere Sprache spricht, aber auf der gleichen Wellenlänge (Ausser bei Futaba, wo dann nach einem Reset alle wieder die gleiche Grundsprache sprachen, aber das war ein Ausrutscher von Futaba Ende 2007).

Mit anderen Worten im gleichen Raum können x Paare gleichzeitig kommunizieren und wenn sie dies alle in verschiedenen Sprachen tun, besteht keine Gefahr dass der Empfänger auf falsche Sprachen hört.

Nun ist es offensichtlich, dass sich so kommunizieren lässt, ohne dass man sich stört. Es kommt nun noch dazu, 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 Bit 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:

Frequenzhopping: FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum. Das System beruht auf 80 Kanälen zu 1 MHz Bandbreite. Der Sender springt immer alle 2 Millisekunden von einem Kanal zum nächsten - wechselt also 500mal in der Sekunde die Frequenz. Damit ist automatisches Ausweichen bei Störung 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 Handies und PC, sowie die Futaba Fernsteuerungen.

Bei dieser Technologie gelten die Maximalleistungen des Trägersignals und die Signale sind auch messbar (Leistungsspitzen auf immer anderen Frequenzen).

Und um wieder zum Vergleich mit der Sprachkommunikation zu kommen. Man wechselt dauernd die Tonlage nach einem definierten Muster, damit der Partner (Empfänger) nicht immer die nur „tiefes Deutsch" neben dem „tiefen Russisch" hören muss, sondern auch auf anderen Tonlagen hören kann was zu tun ist.

Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS, 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 die Fernsteuerungen von Spektrum, Graupner und andere aus Fernost, allerdings alle mit anderen Latenz- und Rahmenzeiten. 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 wir uns bei 40 resp. 35 MHz gewohnt sind: 

• Hindernisse können zu einer Abschattung führen (Lichtähnliches Verhalten)
• Schlechtere Materialdurchdringung (Rumpfmaterialen, wenn Antenne innen)
• Die Signalstärke verändert sich sehr dynamisch (Signalschwund bei sich bewegenden Objekten)
• Die Antennenrichtungen von Sender und Empfängerantenne sind viel wichtiger. 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.
• Viel Reichweite bei wenig Leistung, aber wegen der starken Richtwirkung gilt viel Reichweite gleich viel Sicherheitsreserve nicht mehr.

Viel Leistung ist also nicht das Entscheidende, es gibt viel mehr Kriterien, die stimmen müssen. Der Empfänger hat aber soviel Intelligenz, dass bei nicht verstandenem Codes die Servos noch nicht in Endposition laufen, sondern warten bis der nächste Datenrahmen gut ankommt oder bei Frequenzhopping der nächste oder übernächste Kanal ungestört empfangen wird.

Nachfolgend nun aufgelistet welche Systeme aufgrund der verwendeten Verfahren mit welchen Leistungen senden. Wobei dies wie gesagt nicht die Reichweite wiedergibt. Wichtiger sind die vorher beschriebenen Kriterien und ob ein System bi-direktionell arbeitet. Denn nur so erhält man dann auch Information vom Modell zurück auf den Sender (Signalqualität, aber auch Höhe, Motortemperatur, Batteriespannung, Vario, usw.)

System	Bandbreite	Leistung	Rückmeldung (bi-direktional) J/N
FHSS Futaba	80 Kanäle zu 1 MHz	100 mW	N
FHSS XPS Module,	5 MHz Bandbr., wechselt wenn gestört	50 oder 500mW	J
FHSS, ACT,	5 MHz und 2 parallele Systeme	2*5*10 = 100mW	J
DSSS	Spektrum sucht beim Einschalten einen freien Kanal	10…100mW	N
DSSS, Graupner (Spektrum)	2 Kanäle zu je 1 MHz	2*10 mW in EU	N

• XPS und ACT haben wirkliche bi-direktionale Kommunikation.
• XPS und Spektrum Steuerungen sind für die maximalen Leistungen je Erdteil programmierbar: http://www.xtremepowersystems.net/products.php?cat=11
• Graupner vertreibt sowohl ein System wie XPS und nennt dies IFS und auch Spektrum Anlagen

Noch speziell erwähnen möchte ich JR Steuerungen, die auch auf der Technologie von Spektrum basieren, wobei es eine 9 und 12 Kanal Steuerung gibt. Dies natürlich mit den amerikanischen Sendeleistungen: http://www.jrradios.com/Products/Radios-Air.aspx

Noch ein paar weitere Begriffe:

• Latenzzeit - Zeit ab Knüppelbewegung bis Servo reagiert
• GUID - Global Unique Identifier Code, Einmaliger Code, „Sprache im Vergleich"
• Auflösung - Auf der Übertragungsstrecke kann man sehr viel mehr Daten übertragen, als eigentlich für die maximale Auflösung der Servos nötig ist. Ausser bei der ersten Spektrum DSM war es mit der Auflösung kritisch, das heisst ein gutes Digitalservo hätte eine bessere Auflösung gehabt als die Steuerung, aber dies ist jetzt bei allen neuen Steuerungen kein Thema mehr.

Hier ein Einstieg wer weiter gehen will als meine Erklärungen: http://www.jet-hangar.de/artikel/artikel.php?id=16

Und so erklärt es der Experte aus Oesterreich, Rudolf Fiala, mit Links zu den Herstellern und dann noch viel detaillierteren Erklärungen als meine vereinfachten Ausführungen: http://members.aon.at/flug.fiala/2G4.html

Und wenn es etwas Neues dazu gibt, dann auch bei uns unter Links

Und nun zu meinem Fazit:

„Meine Wunschanlage" gibt es noch nicht. Am nächsten kommt XPS mit Ihren HF Modulen für verschiedenste Sender und separaten Empfängern, und Futaba mit der neusten FF-10: http://2.4gigahertz.com/systems/futk9250.html

Dieser FF-10 oder T10CAP Sender hat übrigens auf beiden Seiten Schieber, die bedienbar sein sollen, ohne dass man die Knüppel loslassn muss.

oder all den anderen Sendermodellen in den verschiedenen Preislagen: http://2.4gigahertz.com/systems/radiosystems.html

und mit der stattlichen Anzahl an verschiedenen Empfängern: http://2.4gigahertz.com/modules/modules-receivers.html

Und einen Downloadbereich für wer die einzelnen Produkte genau anschauen will: http://2.4gigahertz.com/downloads/downloads.html

Und wenn jemand mit diesen englischen Futaba Links nichts anfangen konnte, dann hier doch noch, was Robbe auf 3 Seiten von obigem übersetzt hat: ttp://www.robbe.com/rsc/24fasst/index.htm

Was mir noch fehlt bei diesen Anlagen ist die Möglichkeit der Rückmeldung vom Modell an den Sender wie Akkustand, Variometer, Höheninfo oder bei Motormodellen die Temperatur.

Von der Reichweite her mache ich mir weniger Sorgen, denn ein 3m Modell in 1200m Entfernung hat eine scheinbare Größe eines nur 1cm großen Modells in 4m Entfernung. Somit wäre von der Reichweite her sogar die Futaba Anlage ausreichend, was R. Fiala und andere genügend verifiziert und getestet haben. Ich warte trotzdem noch mit 2.4 GHz auf die Neuheiten 2009…