24. September 2010

Daten durch die Luft

Wird ein Lichtschalter betätigt, leuchtet irgendwo die dazugehörende Lampe auf. So stellt man sich das «Licht machen» grundsätzlich vor. Es gibt aber auch Lichtschalter, welche das Licht gedimmt, also langsam und stetig aufleuchten lassen, es gibt Klatschsensoren oder elektronische Funkansteuerungen, bei welchen der erste Tastendruck genügt, um eine programmierte Anzahl von Lampen anzusteuern; weitere Tastenbetätigungen ermöglichen frei programmierbare Schalt- und Dimmfunktionen. – Ähnlich wie das Wohnzimmerlicht gesteuert wird, lassen sich Daten und Befehle im Infotainmentbereich der Autos über Kabel oder «durch die Luft» übermitteln.

Daten durch die Luft

Ziel der Funkwerk Dabendorf GmbH ist es, eine nahtlose Kommunikation über Mobilfunk und Internet zuhause und unterwegs zu ermöglichen. Im Bild ein Beispiel einer Bluetooth-Freisprechanlage für den smart.

VON ANDREAS LERCH

Ob es sich bei dem Wunsch nach Licht um eine echte Datenübertragung handelt, kann diskutiert werden, da sie nicht in ein allgemeines EVA-Schema passt. EVA heisst Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe: Die Eingabe ist das Betätigen des Lichtschalters und die Ausgabe ist das Aufleuchten der Lampe. Schon eher funktioniert die Überlegung beim Dimmer oder beim Klatschschalter: Jemand klatscht in die Hände, ein Sensor (Mikrofon=Eingabe) nimmt das Geräusch auf, das Steuergerät ermittelt die Frequenzen und analysiert, ob es sich wirklich um Klatschen gehandelt hat (Verarbeitung). Ist das Geräusch verifiziert, wird ein Relais betätigt (Ausgabe) und der Stromkreis zur Lampe wird geschlossen.

Lichtschranke

Soll eine Bewegung sensiert werden, kann dazu eine Lichtschranke eingesetzt werden. Die Lichtschranke besteht aus einer Leucht- und einer Fotodiode. Empfängt die Fotodiode die Lichtstrahlen der Leuchtdiode, schaltet sie durch und gibt das Signal weiter. Der Strahlengang kann durch ein Zahnrad oder eine Blende mechanisch unterbrochen und damit das Signal ein- und ausgeschaltet werden.
Im Bild 3 ist eine mögliche Anwendung von mechanisch gesteuerten Lichtschranken vorgestellt. Vier Lichtschranken überprüfen die (Winkel-)Stellung der Scheibe. Steht die Scheibe in der Grundstellung sind alle vier Lichtschranken unterbrochen. Erst nach 22.5° schaltet die äusserste Lichtschranke ein. Nach weiteren 22.5° schaltet diese wieder aus und die zweitäusserste ein. Nach weiteren 22.5° schalten diese beiden ein usw. Die binäre Zählweise kann mit dieser Scheibe kontrolliert werden.
Die Lichtschranken des Winkelsensors geben alle 22.5° eine andere Kombination von Lichtschrankensignalen ab. Deshalb kann in einer elektronischen Verarbeitung herausgefunden werden, in welcher Stellung sich der Winkelgeber befindet.

Codierung

Diese mechanische Codierung, welche dem Signal mitgegeben wurde, kann in der Verarbeitungsstufe wieder decodiert werden, und in der Ausgabe kann pro Winkelsektor eine einzige LED bestromt werden, welche den Winkelbereich angeben kann.
So könnte über eine LED mit Morsezeichen auch eine Botschaft übertragen werden. Würde dazu das Licht gebündelt (z.B. mit einem Laser) könnten die Daten sogar über eine gewisse Distanz übertragen werden. Effizienter wird der Datentransfer aber, wenn die Lichtschranke nicht mechanisch oder manuell gesteuert wird, sondern die Leuchtdiode bereits elektronisch ein- und ausgeschaltet wird.

Infrarot-Türsender

Bei der Infrarot-Datenübertragung wird das Datensignal direkt dem infraroten Lichtstrahl aufmoduliert. Das heisst, die Infrarot-LED wird im Millisekundenbereich ein- und ausgeschaltet. Im Bild 4 wird das Sendersignal eines Infrarotsenders dargestellt. Die obere Linie zeigt den Tastendruck durch den Bediener an und die untere zeigt das Signal, welches in dieser Zeit gesendet wird. Die Unterschiede zwischen den Signalen werden durch die verschieden langen Low-Anteile gebildet, während alle High-Anteile die gleiche Amplitude (z.B. 5 V) und die gleiche Länge aufweisen. Kommt nach einem High-Signal ein langes Low, bedeutet das «Synchronisieren», ist das Low nur kurz, bedeutet dies eine binäre 1, liegt das Low zeitlich in der Mitte, stellt es eine binäre 0 dar. Gemäss Bild 4 weist das Signal drei Zustände auf, bevor es wieder synchronisiert. Damit könnten mit dem Schlüssel theoretisch 8 unterschiedliche Informationen an den Empfänger geschickt werden. Solange der Bediener die Taste drückt, solange wird immer wieder die gleiche Signalfolge gesendet.
Bei dieser Übertragung muss zwischen dem Sender und Empfänger «Sichtkontakt» herrschen. Steht noch ein fremdes Auto dazwischen, funktioniert der Ablauf nicht.
Mit dem fremden Auto zeigt sich bereits die nächste Problematik: Wird auf einem Parkplatz der Türöffnungsknopf des Schlüsselschalters betätigt, entriegeln plötzlich «alle» Autos ihre Türen. Das darf nicht sein, deshalb muss das Signal zusätzlich verschlüsselt und gesichert werden.

Infrarot-Datenübertragung

Auch wenn Infrarot-Datenübertragungen von der Leistungsfähigkeit her eingeschränkt werden können, sind sie für den Datenaustausch zwischen einzelnen Geräten durchaus sinnvoll und werden auch eingesetzt. Von Fernbedienungen über Taschenrechner zu PDA (Personal Digital Assistant), Mobiltelefon, Drucker und Notebook bis hin zum Desktop-System findet die Datenübertragung per Infrarot ihre Einsatzgebiete.
Die Geräte arbeiten mit Wellenlängen im Bereich zwischen 850 und 900 nm, also im Grenzbereich des sichtbaren Lichts, und senden ihre Daten mit einem Kegelwinkel von 30°. Die Reichweite beträgt üblicherweise 1 m und die Übertragungsgeschwindigkeit liegt, je nach Übertragungsprotokoll, zwischen 115 kbit/s und 1 Gbit/s.
Als Nachteile für die Übertragung bleiben die beschränkte Reichweite und der erforderliche Sichtkontakt.

Funk

Als Ergänzung zu den optischen Datenübertragungssystemen gibt es die Funksysteme, welche Ihre Daten auf eine hochfrequente Trägerwelle modulieren. Diese elektromagnetische Trägerwelle muss von offizieller Stelle für die gewünschte Anwendung freigegeben werden. Auch Radio und TV funktionieren nach diesem System (ausser wenn die Daten mittels Kabel in die Wohnung geführt werden). In diesem Zusammenhang kennen alle Autoradio-Benutzer die Problematik des Radioempfangs, wenn man unterwegs ist. Ständig wird der Sender schwächer oder von anderen Sendern gestört: Das Problem liegt darin, dass die bewilligten Trägerfrequenzen der verschiedenen Sender sehr nahe beieinander liegen und sich aus diesem Grund gegenseitig stören können.
Ein Frequenzband, welches in vielen Ländern für allgemeine Funkanwendungen freigegeben ist, liegt zwischen 2.4 und 2.48 GHz. Genau in diesem Band funktioniert Bluetooth und profitiert von einigen technisch interessanten Details.

Funksender

Wenn das hochfrequente Trägersignal ausgesandt werden soll, braucht es dazu eine Sendeantenne. Der Unterschied dieser elektromagnetischen Schwingung zu einer Schallschwingung ist nicht nur die Frequenz, sondern vor allem auch die Tatsache, dass sich der Schall nur durch Materie ausbreiten kann (z.B. durch die gasförmige Atmosphäre), Funkwellen breiten sich dagegen auch im vollständigen Vakuum aus. Damit wird auch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit nachvollziehbar: Während der Schall sich in der erdnahen Atmosphäre (abhängig vor allem von der Lufttemperatur) mit ca. 340 m/s ausbreitet, liegt die Lichtgeschwindigkeit doch immerhin bei ca. 300 000 km/s, also knapp eine Million mal höher.
Wird ein Stab (bzw. eine Stabantenne) mit einer hochfrequenten Schwingung beaufschlagt, entsteht aufgrund der elektrischen Spannung rund um die Antenne ein elektrisches Feld. Wird in diesem Feld erneut ein Metallstab (Empfangsantenne) eingefügt, entsteht durch die Induktion wiederum eine elektrische Spannung – dieses Mal im Empfänger.
Wird das hochfrequente Signal mit einem mechanischen Taster ein und ausgeschaltet, können mit diesem System und mit Hilfe des Morsealphabets wiederum Informationen oder eben Daten übermittelt werden.

Modulation

Sollen die Informationen eines Gesprächs über mehrere 100 m übertragen werden, reicht allein die menschliche Stimme nicht mehr aus. Es drängt sich als Hilfsmittel ein Mikrofon auf, welches den Schall in ein elektrisches Signal umformt, welches eine kontinuierliche (analoge) Darstellung der Stärke und der Frequenz des Schalls darstellt. Dieses elektrische Signal kann anschliessend analog über Kabel oder Funk weitergeleitet werden (Radio, TV, Schallplatte) oder das Signal wird in einem A/D-Wandler digitalisiert und die Daten dann in Form von binären «1» und «0» versendet (CD, Mobiltelefon, Bluetooth usw.). Um ein elektrisches Signal auf eine Trägerwelle aufzuschalten, welche anschliessend per Funk versendet werden kann, muss die Trägerwelle mit dem zu sendenden Signal moduliert werden. Dazu sind drei Modulationsarten bekannt: Amplitudenmodulation, Phasenmodulation und Frequenzmodulation (Bild 6).
Da es auch abgeänderte Varianten dieser drei Modulationsarten gibt, werden, je nach Verfahren, unterschiedliche Bezeichnungen angewendet.
Bei der Amplitudenmodulation verändert sich entsprechend dem zu übermittelnden Signal die Amplitude des Trägersignals. Sind dabei nur zwei unterschiedliche Signale (0 und 1) zu übertragen, ist das viel einfacher als wenn analoge Signalpegel übertragen werden müssen. Im Bild 6 beträgt die Amplitude entweder 100 % oder nur 50 %. Für den Empfänger wird dies zu einer ziemlich eindeutigen Sache – vorausgesetzt die gesendete Amplitude ist immer gleich.
Bei der Phasenmodulation verändert sich die Phasenlage der Sinuskurve. Werden wiederum binäre Signale übertragen wird die Phasenlage um gerade 180° verschoben, was sich wiederum positiv auf die Erkennung und das Vermeiden von Fehlern auswirkt.
Bei der Frequenzmodulation wird entweder die «normale» Frequenz gesendet oder eine verdoppelte (wenn es das Frequenzband der Trägerfrequenz erlaubt).
Auf diese Arten können die binären Werte 1 und 0 über die hochfrequenten Trägerwellen gesendet werden.
Die hochfrequenten Funkwellen durchdringen gewisse Materialien, sie bewegen sich jedoch ausschliesslich geradlinig und es gelingt ihnen schlecht, Hindernisse zu umgehen. Dafür sind die längeren Wellen (z.B. Radiowellen) geeigneter.

Bluetooth

Im Frühjahr 1998 bildeten die Unternehmen Ericsson, Intel, IBM, Nokia und Toshiba die Bluetooth-SIG (Special Interest Group) mit dem Ziel, eine kostengünstige Lösung für eine drahtlose Netzwerktechnik zu entwickeln. Bereits im Jahr darauf wurde die erste Bluetooth-Spezifikation veröffentlicht.
Mit Bluetooth können kleine Netzwerke zwischen elektronischen Geräten gebildet werden. Häufig kommunizieren lediglich zwei Geräte zusammen. Als Netzwerk können bis 8 Geräte Daten austauschen. Häufig sind dann ein Master- und 7 Slavegeräte vorhanden. Das Mastergerät ist der Gruppenchef und stellt Fragen an einen «Sklaven» (Slave). Das Slavegerät, welches durch eine Adresse angesprochen wurde, gibt die Antwort an den Master.
Die Sendeleistung im kurzwelligen Bereich ist im Normalfall ausreichend für ca. 10 m Übertragungsweg. Da es sich hier um Funk handelt, müssen Sender und Empfänger keinen Sichtkontakt haben. So kann das Mastergerät beispielsweise hinter dem Armaturenbrett versteckt sein. Bluetoothfähige Sendergeräte können in dieser Konfiguration problemlos mit dem fahrzeugfesten Mastergerät kommunizieren. Die Informationen werden in einzelne Datenpakete aufgeteilt, welche maximal 625 ns dauern. Jedes Datenpaket beginnt mit dem 72 Bit langen Zugangscode (Adresse); darauf folgen 54 Bit als Kopfzeile. Darin sind Steuerdaten, Synchronisationsinformationen und Fehlerkontrollen eingebaut. Die Information ist anschliessend maximal 2745 Bit lang.

Frequenzsprung

Da die von Bluetooth verwendete Trägerfrequenz von 2.4 GHz eine allgemein brauchbare Wellenlänge ist, wird sie auch von anderen Geräten (Fernsteuerungen, Garagetorsteuerungen, Mikrowellengeräte) eingesetzt. Dies kann zu sogenannten Interferenzen bzw. Störungen führen. Aus diesem Grund wendet Bluetooth ein sogenanntes Frequenzsprungsystem an. Nach jedem Datenpaket wird die Frequenz nach einem bestimmten Algorithmus gewechselt. Dazu muss in der Kopfzeile die Synchronisation erfolgen: d.h. der Moment des Frequenzwechsels wird synchronisiert und der Code, nach welcher Frequenz gesprungen werden soll, wird hinterlegt.
Der Datensicherung wird durch das spezielle Datenprotokoll, durch das Frequenzsprungsystem und auch durch die relativ geringe Reichweite der Signale von rund 10 m einigermassen gewährleistet.

Bluetooth-Protokolle

Durch den grossen Erfolg, den Blue­tooth in den letzten 10 Jahren erlebt, haben sich die Protokolle zu einer richtigen Protokollvielfalt entwickelt. Für viele Anwendungsgebiete werden heute spezielle Blue­tooth-Protokolle eingesetzt. Das bedeutet, dass Bluetooth zwar in der Regel im beschriebenen Frequenzband arbeitet, aber dass es damit noch nicht gewährleistet ist, dass alle Bluetoothsysteme miteinander kommunizieren können. Das Protokoll oder Profil kann mit der Kommunikationssprache verglichen werden.
Das A2DP-Profil beschreibt, wie Audiodaten in Stereoqualität in einem Datenstrom von der Medienquelle an einen Empfänger übermittelt werden können. Das BPP-Profil ermöglicht Geräten das Senden von Text, E-Mail-Nachrichten, Bildern und anderen Objekten als Druckaufträge an einen Drucker. Das CTP-Profil definiert, wie schnurlose Telefonate über ei­ne Bluetooth-Funkverbindung über­tragen werden können. Das HFP-Profil beschreibt, wie Anrufe über ein Gateway-Gerät an eine und von einer Freisprecheinrichtung gesendet werden können.
Unter www.bluetooth.com kön­nen noch mehr Profil­unter­schei­dungen nachgelesen werden. Die kabellose Datenübertragung nimmt auch im Auto, vor allem im In­fo­tainmentbereich immer neue For­men an und wird uns mit gewissen Unregelmässigkeiten auch immer wieder beschäftigen. Die Frage, warum nicht jedes bluetoothfähige Handy mit jeder fest installierten Autofreisprechanlage kompatibel ist, wurde wohl im letzten Abschnitt des Artikels mit den unterschiedlichen Profilen beantwortet. So wird sich der Automobil-Mechatroniker zunehmend auch zum Hard- und Software-Spezialisten ausbilden müssen.

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