Forum: HF, Funk und Felder Funk-ICs vergleichen, Reichweite vs. Datenrate


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Niklas G. (erlkoenig) Benutzerseite


Lesenswert?

Gegeben ist eine Frequenz&Bandbreite, Sendeleistung, vordefinierte 
Antenne, sowie eine Auswahl an Funk-ICs für diese Frequenz und für 
2-FSK. Für jedes IC ist eine maximale Datenrate sowie eine maximale 
Empfindlichkeit bei einer bestimmten, aber immer jeweils anderen, 
Datenrate angegeben.

Für meine Anwendung ist es wichtig, die Reichweite zu maximieren 
(natürlich bei sehr geringer Datenrate). Bei geringer Entfernung möchte 
ich aber die Datenrate erhöhen.

Wie kann ich für die einzelnen ICs eine Kurve aufstellen mit Reichweite 
vs. Datenrate, um sie vergleichen zu können? Die maximale Datenrate der 
ICs ist angegeben aber natürlich nur unter optimalen Bedingungen zu 
erreichen, die maximale Reichweite ergibt sich aus der Empfindlichkeit, 
aber was passiert dazwischen mit der Datenrate? Die absoluten Werte der 
Reichweite sind nicht extrem wichtig; Hauptsache die ICs lassen sich 
untereinander vergleichen.

Ausprobieren ist auch nicht so einfach weil ich nicht für jedes IC ein 
Board herstellen kann. Und die Eval Boards der ICs sind auch alle 
unterschiedlich.

von Silvio K. (exh)


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> Wie kann ich .. eine Kurve aufstellen mit Reichweite
> vs. Datenrate..?

Vorausgesetzt, die Empfängerbandbreiten sind breit genug, um die 
Quarzgenauigkeit auszugleichen, so kannst du über die rechnerische 
Empfangsleistung und die Rauschleistung im Empfängerband und der 
Rauschzahl des Empfänger ein Signal-Rauschabstand bestimmen. Mit diesem 
SNR lässt sich anhand des Modulationsverfahren die Bit-Error-Rate 
ermitteln. Dann hast du eine Fehlerwahrscheinlichkeit die du auf deine 
Datenpaketlänge umrechnen kannst. Mehr fällt mir kurz nach Mitternacht 
auf die schnelle nicht ein. Ich habe aber alles schon gerechnet. Für 
Reichweite geht es immer in die Richtung geringe Datenraten, kurze 
Pakete, hohe Sendeleistung, Antennen mit Richtwirkung.

von Wastl (hartundweichware)


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> Wie kann ich für die einzelnen ICs eine Kurve aufstellen mit Reichweite
> vs. Datenrate, um sie vergleichen zu können?

Du bewegst dich da in einem n-dimensionalen Feld wo eine
Orientierung sehr schwierig wird. Verlass dich lieber auf ein
paar Erfahrungswerte von Leuten (hier) die schon was mit
Datenübertragung gemacht haben und dir ihre "Werte" angeben.
Aus den Meldungen der verschiedenen Maker wirst du ja nicht
glücklich werden.

Niklas G. schrieb:
> Für meine Anwendung ist es wichtig, die Reichweite zu maximieren

Klingt leider bisschen nach "möglichst weit", "möglichst günstig",
"möglichst schnell", "möglichst einfach", so wie viele hier nach
einer Lösung suchen aber nichts von ihren konkreten Anforderungen
hören lassen oder es auch gar nicht wissen.

Silvio hat es bereits ganz am Anfang erwähnt: bei sehr kleinen
Bandbreiten besteht immer die Gefahr dass Sender und Empfänger
in ihrer Referenz-Frequenz zu weit auseinander liegen und damit
die Empfindlichkeit in die Knie geht da der Sender nicht mehr
mittig in das ZF-Fenster des Empfängers trifft.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> aber was passiert dazwischen mit der Datenrate?

Dafür brauchst du erstmal ICs, die sich in der Hinsicht freizügig genug 
konfigurieren lassen. Es hilft dir ja nichts, wenn du nur die Datenrate 
zurück nimmst, aber der Empfänger dann nicht in der Bandbreite zurück 
regeln kann – sonst empfängt er nach wie vor bloß Rauschen.

Sinnvolles Vorgehen wäre dann, eine Verbindungsaufnahme mit kleiner 
Bandbreite und Datenrate zu versuchen. Stellt man dabei fest, dass es 
wahrscheinlich genug Reserve gibt (gutes SNR, ersatzweise gute 
RSSI-Werte), dann versucht man eine Umschaltung auf eine höhere Rate. 
Funktioniert sie nicht, fällt man nach Timeout zurück auf die niedrige 
Rate und wickelt seine Kommunikation darüber ab.

von Rainer W. (rawi)


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> Für meine Anwendung ist es wichtig, die Reichweite zu maximieren

> ... und für 2-FSK

Warum dann diese Einschränkung auf 2-FSK? Andere Modulationsverfahren 
arbeiten noch bei deutlich schlechterem SNR.

von Helmut -. (dc3yc)


Lesenswert?

Rainer W. schrieb:
> Warum dann diese Einschränkung auf 2-FSK? Andere Modulationsverfahren
> arbeiten noch bei deutlich schlechterem SNR.

Da wir deine Datenraten und den Frequenzbereich nicht kennen, werfe ich 
mal LoRa in den Ring. Ist superempfindlich, hat aber nur relativ geringe 
Datenraten.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


Lesenswert?

Rainer W. schrieb:
> Andere Modulationsverfahren arbeiten noch bei deutlich schlechterem SNR.

Letztlich auch nur, indem sie die Bandbreite (und damit Datenrate) 
effektiv heruntersetzen, d.h. sie haben zwar eine große physikalische 
Bandbreite (und damit schlechtes SNR), aber reduzieren sie durch 
Ausnutzung von Redundanz.

Mag trotzdem die bessere Wahl sein, wenn man auf diese Weise bessere ICs 
findet.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


Lesenswert?

Helmut -. schrieb:
> Ist superempfindlich, hat aber nur relativ geringe Datenraten.

Er will ja aber bei guten Verhältnissen auch eine hohe Rate erreichen 
können. Weiß nicht, wie weit man LoRa da tunen kann.

von Wastl (hartundweichware)


Lesenswert?

Wastl schrieb:
> bei sehr kleinen
> Bandbreiten besteht immer die Gefahr dass Sender und Empfänger
> in ihrer Referenz-Frequenz zu weit auseinander liegen

An dieser Stelle optimiert man dann "von Hand" indem man für
beide Partner die Referenz-Oszillatoren im Kleinen auf
möglichst gleiche Frequenz trimmt bzw. möglichst nahe
beieinander liegende Oszillatoren auswählt.

von Niklas G. (erlkoenig) Benutzerseite


Lesenswert?

Silvio K. schrieb:
> Rauschzahl des Empfänger

Die ist im Datasheet leider nicht angegeben.

Silvio K. schrieb:
> Mit diesem
> SNR lässt sich anhand des Modulationsverfahren die Bit-Error-Rate
> ermitteln.

Das scheint komplexere Simulationen zu involvieren?

Wastl schrieb:
> Verlass dich lieber auf ein
> paar Erfahrungswerte von Leuten (hier) die schon was mit
> Datenübertragung gemacht haben und dir ihre "Werte" angeben.

Naja, die Werte der diversen ICs müssen ja vergleichbar sein, also 
gleiche Antenne, gleiche Mess-Strecke usw. Da helfen mir einzelne 
Erfahrungswerte wenig.

Wastl schrieb:
> Klingt leider bisschen nach "möglichst weit", "möglichst günstig",
> "möglichst schnell", "möglichst einfach", so wie viele hier nach
> einer Lösung suchen aber nichts von ihren konkreten Anforderungen
> hören lassen oder es auch gar nicht wissen.

Mir ist klar dass man nie alles gleichzeitig erreichen kann. Ich möchte 
eine möglichst hohe Reichweite bei einer sehr niedrigen Datenrate 
erreichen können (z.B. 10 bps), aber bei besseren Bedingungen auch die 
Datenrate hochskalieren können.

Wastl schrieb:
> Silvio hat es bereits ganz am Anfang erwähnt: bei sehr kleinen
> Bandbreiten besteht immer die Gefahr dass Sender und Empfänger
> in ihrer Referenz-Frequenz zu weit auseinander liegen

Guter Hinweis, Danke.

Jörg W. schrieb:
> Dafür brauchst du erstmal ICs, die sich in der Hinsicht freizügig genug
> konfigurieren lassen

Die gibt es durchaus.

Jörg W. schrieb:
> Sinnvolles Vorgehen wäre dann, eine Verbindungsaufnahme mit kleiner
> Bandbreite und Datenrate zu versuchen

Das ist sowieso geplant, ja.

Rainer W. schrieb:
> Warum dann diese Einschränkung auf 2-FSK? Andere Modulationsverfahren
> arbeiten noch bei deutlich schlechterem SNR.

Weil die meisten ICs das können und es somit eine gute Vergleichsbasis 
bietet. Welche verbreiteten Verfahren gibt es da noch?

Helmut -. schrieb:
> Da wir deine Datenraten und den Frequenzbereich nicht kennen, werfe ich
> mal LoRa in den Ring.

Das ist auf jeden Fall ein heißer Kandidat. Dem Marketing-Material 
zufolge kann man damit über 20 dB Steigerung der Empfindlichkeit 
erzielen. Das klingt fast zu gut um wahr zu sein. Allerdings gibt es 
auch nicht gerade viel Auswahl an LoRa-ICs.

Jörg W. schrieb:
> Er will ja aber bei guten Verhältnissen auch eine hohe Rate erreichen
> können. Weiß nicht, wie weit man LoRa da tunen kann.

Tatsächlich können LoRa-ICs auch z.B. auf FSK umschalten, sodass man bei 
guten Bedingungen da höhere Datenraten bekommen kann.

Wastl schrieb:
> An dieser Stelle optimiert man dann "von Hand"

Durchaus denkbar, danke.

von Steve van de Grens (roehrmond)


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> Naja, die Werte der diversen ICs müssen ja vergleichbar sein, also
> gleiche Antenne, gleiche Mess-Strecke usw. Da helfen mir einzelne
> Erfahrungswerte wenig.

Dann teste sie!

Du kannst nicht erwarten, dass die Hersteller ihre Produkte mit der 
Konkurrenz vergleichen und das dann auch noch veröffentlichen.

> Ausprobieren ist auch nicht so einfach weil ich nicht für jedes IC ein
> Board herstellen kann.

Darauf wird es aber hinaus laufen. Vielleicht kannst du deine Ergebnisse 
eine Fachzeitschrift verkaufen, um zumindest einen Teil der Kosten 
zurück zu bekommen.

: Bearbeitet durch User
von Niklas G. (erlkoenig) Benutzerseite


Lesenswert?

Steve van de Grens schrieb:
> Dann teste sie!

Wenn ich an unterschiedliche Eval-Kits der diversen Hersteller die 
gleiche Antenne anschließe (gleiche Impedanz vorausgesetzt), bekomme ich 
dann vergleichbare Ergebnisse?

von Steve van de Grens (roehrmond)


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> bekomme ich dann vergleichbare Ergebnisse?

Du musst sie so vergleichen, wie du sie am Ende benutzen willst.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> Wenn ich an unterschiedliche Eval-Kits der diversen Hersteller die
> gleiche Antenne anschließe (gleiche Impedanz vorausgesetzt), bekomme ich
> dann vergleichbare Ergebnisse?

Sinnvoller ist es, gut geschirmte Kabel (am besten Semi-Rigid) zu nehmen 
und einstellbare Dämpfungsglieder. Ein paar feste Dämpfungsglieder (20 
dB oder so) direkt an den Antennenbuchsen, dann gibt es da mittlerweile 
für den Weg dazwischen auch elektronisch steuerbare.

Aber stell die Setups wenigstens 5 m auseinander (besser 10 m), sonst 
hören die sich an all deinen Dämpfungsgliedern noch vorbei.

Aber mit so einer Konstellation kannst du zumindest reproduzierbare 
Tests fahren. Irgendwas mit Antennen ist kaum reproduzierbar, erst recht 
nicht, wenn du auch noch reflektierendes Gelände dazwischen hast.

von Helmut -. (dc3yc)


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> Das ist auf jeden Fall ein heißer Kandidat. Dem Marketing-Material
> zufolge kann man damit über 20 dB Steigerung der Empfindlichkeit
> erzielen. Das klingt fast zu gut um wahr zu sein. Allerdings gibt es
> auch nicht gerade viel Auswahl an LoRa-ICs.

Dann nenne doch mal deine benötigten Parameter: Frequenzbereich, max. 
Datenrate, max. Entfernung. Und welche Antennen du dir vorstellst.

Nachdem LoRa von einer Firma patentiert ist, ist die Auswahl an 
Bausteinen wirklich nicht sehr groß. Allerdings gibt es schöne Module 
(auch fertig mit einem ESP32), sodass man da wunderbar testen kann. Ich 
mache z.b. bei ieinem Projekt mit, wo wir Satellitensignale über 100te 
km (bei direkter Sicht) mit Feldstärken unterm Rauschen empfangen. Und 
meine Wettersensoren habe ich auch mit LoRa ausgestattet. Das ist so 
stromsparend, dass ich die mittels kleinen Solarzellen durchs Jahr 
hindurch betreiben kann.

von Silvio K. (exh)


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> Silvio K. schrieb:
>> Rauschzahl des Empfänger
> Die ist im Datasheet leider nicht angegeben.
Nimmt 2-3 dB an, dass ist ein guter Wert. Passt auf jeden Fall besser, 
als die Rauschzahl zu ignorieren.

>> Mit diesem
>> SNR lässt sich anhand des Modulationsverfahren die Bit-Error-Rate
>> ermitteln.
> Das scheint komplexere Simulationen zu involvieren?

Wie man die Bit-Error-Rate berechnet, weiß ich gar nicht, aber man finde 
die Kurven BER vs. SNR für die jeweiligen Modulationsverfahren
"bit error rate vs signal to noise ratio for FSK"

Da du was von 10 bit pro Sekunde schriebst, kann man auf ein paar Hertz 
Bandbreite schließen. Ob das anhand der Referenzquarzproblematik 
praktikabel ist, wird sich zeigen.
Viele ICs gehen nur bis 100 bps runter, wenn ich das richtig in 
Erinnerung habe. Um welchen Frequenzbereich geht es denn eigentlich?

Besorge dir mal fertige Sendemodule und baue dir eine Testfunkstrecke 
auf, wie Jörg geschrieben hat. Mit Dämpfungsglieder und Antennen. 
Sendeleistung ganz runterdrehen und schon ist man schnell im kritischen 
Empfangsbereich. Dann man Übertragungsmessungen und gucke, wie viel 
Pakete ankommen. Variiere es über Preambellänge, Bandbreite, 
Datenpaketlänge etc.
Das ist eigentlich eine schöne Sache und man lernt viel dabei.

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


Lesenswert?

Silvio K. schrieb:
> Da du was von 10 bit pro Sekunde schriebst, kann man auf ein paar Hertz
> Bandbreite schließen. Ob das anhand der Referenzquarzproblematik
> praktikabel ist, wird sich zeigen.

Man kann TCXOs nehmen, das verbessert die Frequenzstabilität um eine 
Größenordnung (pi · Daumen).

Andererseits sind hier natürlich ICs im Vorteil, die mit 
Modulationsverfahren arbeiten, die viel Redundanz eingebaut haben: die 
sind im Signal relativ breitbandig (und damit nicht mehr so empfindlich 
gegenüber Frequenzversatz beider Seiten), aber holen die Empfindlichkeit 
dann über den Spreiz-Gewinn heraus.

Ist ja letztlich auch das, was LoRa macht.

von Wastl (hartundweichware)


Lesenswert?

Jörg W. schrieb:
> Man kann TCXOs nehmen, das verbessert die Frequenzstabilität um eine
> Größenordnung (pi · Daumen).

Das hilft fast überhaupt nix da die aktuelle Frequenz bei zwei
Oszillatoren zweier Teilnehmer trotzdem stärker differieren kann.

Üblicherweise hat man bei einer Kommunikations-Funkstrecke
gleiche Transceiver auf beiden Seiten, mit ebensolchen gleichen
Oszillatoren. Diese driften dann auch sehr ähnlich vor sich hin.
Da hilft eben Frequenzstabilität fast gar nix ....

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


Lesenswert?

Wastl schrieb:
> Üblicherweise hat man bei einer Kommunikations-Funkstrecke
> gleiche Transceiver auf beiden Seiten, mit ebensolchen gleichen
> Oszillatoren. Diese driften dann auch sehr ähnlich vor sich hin.

Nicht notwendig. Einer in der Sonne, einer im Schatten, reicht schon.

Außerdem, ich habe mir nur mal wahllos den erstbesten 10-MHz-TCXO bei 
Mouser angeguckt:
1
ECS-TXO53-S3
2
Parameters                       MIN    TYP    MAX    Units Conditions
3
Frequency Range                 10.000        52.000  MHz
4
Initial Frequency Tolerance                  ±1.0 ppm @ +25°C ±2°C
5
Frequency Tolerance After Reflow             ±1.0 ppm Up to 2 Reflows.
6
Frequency Stability                          ±280 ppb Vs. Temp (-40 ~ +85°C)

Das ist schon mehr als eine Größenordnung besser als das, was man mit 
einem einfachen Quarz schafft. Bei Quarzen bist du froh, wenn du sie auf 
30 ppm genau bekommen kannst.

von Rainer W. (rawi)


Lesenswert?

Niklas G. schrieb:
> Welche verbreiteten Verfahren gibt es da noch?

LoRa als Modulationsart sollte dir eigentlich begegnet sein, wenn du 
nach Funkmodulen gesucht hast.

Bitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.