News Das Ende der Einbahnstrasse

Bild: Ollo
10.12.2013

Die TV-Fernbedienung war in den letzten Jahrzehnten eine angenehme, jedoch unspektakuläre Möglichkeit zur Steuerung des Fernsehgeräts, Videorecorders und der Stereoanlage. Als umfangreiche Steuerung zur Unterhaltung hat sich die Infrarot-Fernbedienung allerdings kaum weiterentwickelt - trotz technischer Fortschritte bei Steuerungstechnologien. Stehen etwa Set-Top-Box oder Videorecorder im Holzschrank, bleibt die Fernsteuerung wirkungslos.

Im Juli 2009 wurde mit dem RF4CE-Application-Layer-Standard erstmals ein drahtloser Ansatz auf der Basis von Zigbee vorgestellt. Auf Grundlage des IEEE-802.15.4-Standards beseitigte dieser Ansatz alle konventionellen Probleme wie Hindernisse in der Sichtlinie, beschränkte Reichweite und den fehlenden Rückkanal der Fernbedienung zum Gerät. Eine Zwei-Wege-Fernbedienung ermöglicht eine intuitivere und umfassendere Anwendererfahrung und eröffnet neue Funktionsmöglichkeiten für den Produktdesigner.

Mit der zunehmenden Verbreitung von RF4CE-basierten Fernbedienungen haben Entwickler eine Reihe von wichtigen Design-Überlegungen zu berücksichtigen und müssen zudem festlegen, nach welchen Kriterien sie die erforderlichen Bauelemente auswählen.

Verbindungsbilanz

Wie bei jedem drahtlosen Design ist die Hochfrequenzleistung sowohl in Bezug auf die Empfängerempfindlichkeit als auch auf die Senderleistung entscheidend. Beide Parameter zusammen betrachtet definieren die "Verbindungsbilanz", also die Reichweite und Robustheit eines drahtlosen Systems. Je höher die Verbindungsbilanz ist, desto besser ist die Reichweite. Die zusätzliche Reserve ermöglicht einen robusteren Ansatz. Die Verbindungsbilanz ist der dynamische Bereich zwischen Empfängerempfindlichkeit und Senderausgangsleistung.

So hat beispielsweise das Funktransceiver-Bauteil AT86RF232 von Atmel eine Empfängerempfindlichkeit von -100 dBm und eine Senderausgangsleistung von +3 dB, so dass die Verbindungsbilanz 103 dBm beträgt. Wird die Ausgangsleistung um +3 dBm erhöht, dann entspricht dies einer Verdopplung und ermöglicht eine Erhöhung der Reichweite um den Faktor 1,4. Allerdings ist dies mit einer Steigerung des Stromverbrauchs verbunden, was für eine batteriebetriebene Fernbedienung eine sorgfältige Überlegung erfordert.

Datenrate vs. Betriebsfrequenz

Die Empfängerempfindlichkeit der Verbindungsbilanz ist von der Datenrate und Betriebsfrequenz abhängig. Dies ist zwar für den Einsatz über Kurzstrecken in internen Räumen nicht unbedingt von Bedeutung, kann aber für Designs wie Highend-Mediasysteme wichtig sein. Diese sind meist in einem zentralen Schrank untergebracht und senden viele Media-Metadaten (Album, Künstler, Abspielliste usw.) zur Fernbedienung. So kann zum Beispiel eine Reduzierung der Datenrate von 1.000 kBit/s auf 20 kBit/s die Reichweite um den Faktor 6 erhöhen. Ebenso steigert die Reduzierung der Frequenz von 2.400 MHz auf 915 MHz die Reichweite um den Faktor 2,6.

Bei der Realisierung eines zentral untergebrachten Home-Entertainment-Systems, das von überall innerhalb eines Hauses gesteuert werden kann, muss die Position der Antenne des Systems sorgfältig geplant werden. Drahtlose Signale nutzen mehrere Pfade und man weiß von Wifi, dass der Einsatz im Haus mit vielen Herausforderungen verbunden ist. Das Signal kann mehrere Wege zurücklegen, bis es schließlich den Empfänger erreicht. Jede dieser Reflexionen kann Phasenverschiebungen, Zeitverzögerungen, Dämpfungen und sogar Verzerrungen enthalten, die zu destruktiven Interferenzen an der Antenne führen können. Mittels Antennen-Diversity, also durch die Verwendung mehrerer Antennen zum Empfang der Signale, lässt sich dieses Problem besonders wirkungsvoll reduzieren. Dies ist möglich, weil mehrere Antennen einem Empfänger mehrere Beobachtungen desselben Signals liefern.

Jede Antenne erfährt eine andere Interferenzumgebung. Wenn also eine Antenne ein sehr schwaches Signal empfängt, kommt wahrscheinlich an einer anderen Antenne ein ausreichendes Signal an. Gemeinsam kann ein solches System eine robuste Verbindung ermöglichen. Das Bauteil AT86RF verwendet zum Beispiel zwei Antennen, um den zuverlässigsten Hochfrequenzsignalpfad auszuwählen. Dies wird vom Funktransceiver während der Suche des Präambelfelds automatisch ohne Eingriff durch die Anwendungssoftware ausgeführt. Beide Antennen sollten allerdings sorgfältig voneinander getrennt werden, um sicherzustellen, dass diese unabhängige Signale empfangen.

Auch der Stromverbrauch ist kritisch. Wird der Energieverbrauch möglichst gering gehalten, gewährleistet dies eine längere Batterielebensdauer. Fernbedienungen sind die meiste Zeit im Stand-By-Modus, so dass dies ein entscheidender Faktor für die Berechnung der Batterielebensdauer ist. Die Zeit für den Übergang vom Stand-By- zum aktiven Modus und zurück ist ebenfalls wichtig.

Betriebsspannung senken

Eine der effizientesten Möglichkeiten zur Reduzierung des Stromverbrauchs ist die Senkung der Betriebsspannung. Deshalb sollten alle Low-Power-Designs mit einer möglichst niedrigen Spannung arbeiten. Konventionelle, Mikrocontroller-basierte Lösungen benötigen meist mindestens 2,5 VDC. Entwickler sollten daher vorab prüfen, ob das ausgewählte Bauteil auch mit der angestrebten Spannung funktioniert. Aktuelle Mikrocontroller arbeiten bereits mit 1,8 V. Aber ein echter Betrieb bei 1,8 V ermöglicht auch eine tiefere Batterieentladespannung im Vergleich zu konventionellen Lösungen, bei denen ein Betrieb unter 2,5 oder 2,2 V nicht mehr möglich ist.

Das Bauteil von Atmel hat zum Beispiel eine Stromaufnahme im Schlafmodus von 0,4 uA, der auf 330 uA im Betrieb ansteigt. Die Stromaufnahme bei einer Übertragung liegt bei 13,8 mA und beim Empfang bei 11,8 mA. Die Aufwachzeit aus dem Schlafmodus liegt bei weniger als 0,4 ms.

Datensicherheit

Datensicherheit ist in drahtlosen Netzwerken ein wichtiger Aspekt. Consumer-Anwendungen wie Zigbee RF4CE nutzen eine Ver- und Entschlüsselung der Daten. Dies kann per Software oder eine dedizierte Verschlüsselungs-Engine erreicht werden. Der Vorteil des letzteren Ansatzes liegt in einer Entlastung der MCU. Diese kann länger im Stand-by verweilen, wodurch sich der Stromverbrauch reduziert. Dieser Ansatz ist auch ideal für schnelle Anwendungen, da die Verschlüsselung keine Auswirkungen auf die MCU-Leistung hat. Im Vergleich zu einer Software-Lösung bringt der Hardware-Ansatz Geschwindigkeitsverbesserungen um den Faktor 100 und eine Verschlüsselungszeit von etwa 25 µ-Sekunden für 16 Byte. Es sollte ein Ansatz ausgewählt werden, der auf einem AES-128-Bit-Core basiert und der zum FIPS-197-Standard konform ist. Zudem sollte die Möglichkeit bestehen, entweder eine Verschlüsselung gemäß ECB (Electronic Code Book) oder gemäß CBC (Cipher Block Chaining) zu verwenden.

Verwandte Artikel