DD8ED
Vereinsmitglied
Hallo zusammen,
im Thread über Syntheziser-Empfänger hatte ich angekündigt, ein paar Messungen und Überlegungen zu Modulationarten anzustellen. Um es etwas übersichtlicher zu halten, mache ich dazu hier mal ein neues Fass auf.
Überlegungen zu potentiellen Modulationsarten für RC-Anlagen
Grundsätzliches:
Aktuelle RC-Anlagen verwenden als Modulationsart durchgängig 2-FSK (in vulgo FM, fachlich korrekt 2-Level-Frequency-Shift-Keying). Diese Technik ist seit langer Zeit (20 Jahre ?) Standard. Zu der Zeit, als diese Technik aufkam, war das sicher das Beste, was realisierbar war und wesentlich besser als die bis dato übliche AM-Technik. Mittlerweile hat es im Bereich der digitalen Datenübertragung aber zahlreiche Weiterentwicklungen gegeben, die für die RC-Technik nutzbar wären.
Kritik am Standard:
Die als Standard verwendete Modulationsart 2-FSK entspricht nicht der Anforderung der ökonomischen Nutzung des Frequenzspektrums, noch ist sie sonderlich robust gegenüber Störungen. Andere Modulationsarten nutzen den zur Verfügung stehenden Übertragungskanal besser aus und sind unempfindlicher gegen Störungen, Mehrwegeausbreitungen und schlechtes Signal / Rauschverhältnis. Die unökonomische Nutzung des zur Verfügung stehenden Übertragungskanals (zur Erinnerung: 10 kHz Bandbreite) beschränkt die Datenrate (bei PCM) bzw. die Framerate (bei PPM) die nutzbar ist. Ferner erfordert 2-FSK ein relativ hohes S/N (Signal / Noise Verhältniss).
Die Überlegung:
Die Frage ist: Was haben wir ?
Standard sind FM-Systeme, die entweder PPM oder PCM machen. Das Für und Wider der Übertragungsarten soll hier nicht eingegangen werden sondern nur auf die Performance des Übertragungskanals. Dem ist es egal, was darüber übertragen wird. Ferner ist die die Untersuchung hier auf die Senderseite, bzw. auf die spektrale Effizienz der Modulation beschränkt. Die Bewertung der Effizienz der Demodulation der einzelnen Modulationsarten ist ein anderes Thema und nebenbei ein weitest Feld, das hier aber zunächst nur am Rande betrachtet wird (da wird’s SEHR! theoretisch).
Die Untersuchung:
Als erster Schritt wurde das Spektrum eines realen RC-Senders (Robbe /Futaba FC 18) untersucht. Die folgenden Bilder zeigen das Senderspektrum für PPM und PCM. Zu diesen Messungen ist zu bemerken, dass die Ankoppelung des VSA (Vector-Signal-Analyzers) über eine Drahtschleife an der Antenne erfolgt ist. Daher sind die Pegel nicht normiert. Zu den angezeigten Pegeln müssen 10 dB addiert werden, um sie mit den folgenden Plots vergleichbar zu machen. Die Plots zeigen ein PPM-Signal mit dem handelsüblichen Timing und ein PCM-Signbal mit ca. 3.3 kB/s Datenrate (ist ein wichtiger Wert, merken!). Auf den Plots ist unten links die ACP (Nachbarkanalleistung) des Signals angezeigt. Das ist die spektrale Summenleistung, die vom Sender im Kanal über oder unter den eigenen Kanal ansteht.
Zunächst die Ergebnisse der Messungen an einem realen RC-Sender (FC18. 1. Bild PPM / 2. Bild PCM)
Zu den pegelwerten in den beiden Bildern müssen 10 dBm addiert werden, damit die Werte mit den nachfolgenden Bildern vergleichbar sind. Der Wert unten rechts im Bild gibt die im Nachbarkanal anstehende Leistung des Sigmals an. Datenrate für PCM ist ca. 3.3 kBit/s das Timing für PPM ist das Standard-Timing.Der FM-Hub beträgt ca. 3.2 kHz
Die sich ergebende Nachbarkanalleistung für 0 dBm (1 mW) Senderausgangsleistung wäre hier -42 dBm für PPM und -38 dBm für PCM. Hochgerechnet auf 100 mW (20 dBm) EIRP (CEPT-Limit für RC-Sender) ergeben sich Werte von -22 dBm (PPM) bzw. -18 dBm (PCM) Nachbarkanalleistung.
Die folgenden Bilder zeigen 2 Beispiele für die Modulationsarten BPSK und Pi/4 QPSK. Die Datenraten betragen 5 bzw. 10 kBit/s
Hier ist zu sehen, dass diese Modulationsarten den Kanal deutlich besser ausnutzen und die Störleistung im Nachbarkanal drastisch niedriger ist. (Hochgerechnet auf 100 mW EIRP bei beiden ca -41 dBm).
Ferner liegt die Datenrate bei BPSK bei 5 KBit/s und bei QPSK bei 10 KBit/s, also bis zum dreifachen der üblichen Geschwindigkeit.
Würde man sich also mal modernen Modulationsarten zuwenden, könnte die Datenrate der Übertragung deutlich gesteigert werden und diese Steigerung entweder für eine höhere Framerate oder für eine FEC (Forward Error Correction) genutzt werden. ferner ist PSK als oberklasse der Modulation störungsunempfindlicher als FM.
In Verbindung mit weiteren Massnahmen (z.B. Diversity) ist hier ein Potential für eine Erhöhung der Performance (und der Sicherheit) von RC-Anlagen gegeben.
Vielleicht dient das hier ja mal als Denk- und Diskussionsanstoss.
Gruss Frank
im Thread über Syntheziser-Empfänger hatte ich angekündigt, ein paar Messungen und Überlegungen zu Modulationarten anzustellen. Um es etwas übersichtlicher zu halten, mache ich dazu hier mal ein neues Fass auf.
Überlegungen zu potentiellen Modulationsarten für RC-Anlagen
Grundsätzliches:
Aktuelle RC-Anlagen verwenden als Modulationsart durchgängig 2-FSK (in vulgo FM, fachlich korrekt 2-Level-Frequency-Shift-Keying). Diese Technik ist seit langer Zeit (20 Jahre ?) Standard. Zu der Zeit, als diese Technik aufkam, war das sicher das Beste, was realisierbar war und wesentlich besser als die bis dato übliche AM-Technik. Mittlerweile hat es im Bereich der digitalen Datenübertragung aber zahlreiche Weiterentwicklungen gegeben, die für die RC-Technik nutzbar wären.
Kritik am Standard:
Die als Standard verwendete Modulationsart 2-FSK entspricht nicht der Anforderung der ökonomischen Nutzung des Frequenzspektrums, noch ist sie sonderlich robust gegenüber Störungen. Andere Modulationsarten nutzen den zur Verfügung stehenden Übertragungskanal besser aus und sind unempfindlicher gegen Störungen, Mehrwegeausbreitungen und schlechtes Signal / Rauschverhältnis. Die unökonomische Nutzung des zur Verfügung stehenden Übertragungskanals (zur Erinnerung: 10 kHz Bandbreite) beschränkt die Datenrate (bei PCM) bzw. die Framerate (bei PPM) die nutzbar ist. Ferner erfordert 2-FSK ein relativ hohes S/N (Signal / Noise Verhältniss).
Die Überlegung:
Die Frage ist: Was haben wir ?
Standard sind FM-Systeme, die entweder PPM oder PCM machen. Das Für und Wider der Übertragungsarten soll hier nicht eingegangen werden sondern nur auf die Performance des Übertragungskanals. Dem ist es egal, was darüber übertragen wird. Ferner ist die die Untersuchung hier auf die Senderseite, bzw. auf die spektrale Effizienz der Modulation beschränkt. Die Bewertung der Effizienz der Demodulation der einzelnen Modulationsarten ist ein anderes Thema und nebenbei ein weitest Feld, das hier aber zunächst nur am Rande betrachtet wird (da wird’s SEHR! theoretisch).
Die Untersuchung:
Als erster Schritt wurde das Spektrum eines realen RC-Senders (Robbe /Futaba FC 18) untersucht. Die folgenden Bilder zeigen das Senderspektrum für PPM und PCM. Zu diesen Messungen ist zu bemerken, dass die Ankoppelung des VSA (Vector-Signal-Analyzers) über eine Drahtschleife an der Antenne erfolgt ist. Daher sind die Pegel nicht normiert. Zu den angezeigten Pegeln müssen 10 dB addiert werden, um sie mit den folgenden Plots vergleichbar zu machen. Die Plots zeigen ein PPM-Signal mit dem handelsüblichen Timing und ein PCM-Signbal mit ca. 3.3 kB/s Datenrate (ist ein wichtiger Wert, merken!). Auf den Plots ist unten links die ACP (Nachbarkanalleistung) des Signals angezeigt. Das ist die spektrale Summenleistung, die vom Sender im Kanal über oder unter den eigenen Kanal ansteht.
Zunächst die Ergebnisse der Messungen an einem realen RC-Sender (FC18. 1. Bild PPM / 2. Bild PCM)
Zu den pegelwerten in den beiden Bildern müssen 10 dBm addiert werden, damit die Werte mit den nachfolgenden Bildern vergleichbar sind. Der Wert unten rechts im Bild gibt die im Nachbarkanal anstehende Leistung des Sigmals an. Datenrate für PCM ist ca. 3.3 kBit/s das Timing für PPM ist das Standard-Timing.Der FM-Hub beträgt ca. 3.2 kHz
Die sich ergebende Nachbarkanalleistung für 0 dBm (1 mW) Senderausgangsleistung wäre hier -42 dBm für PPM und -38 dBm für PCM. Hochgerechnet auf 100 mW (20 dBm) EIRP (CEPT-Limit für RC-Sender) ergeben sich Werte von -22 dBm (PPM) bzw. -18 dBm (PCM) Nachbarkanalleistung.
Die folgenden Bilder zeigen 2 Beispiele für die Modulationsarten BPSK und Pi/4 QPSK. Die Datenraten betragen 5 bzw. 10 kBit/s
Hier ist zu sehen, dass diese Modulationsarten den Kanal deutlich besser ausnutzen und die Störleistung im Nachbarkanal drastisch niedriger ist. (Hochgerechnet auf 100 mW EIRP bei beiden ca -41 dBm).
Ferner liegt die Datenrate bei BPSK bei 5 KBit/s und bei QPSK bei 10 KBit/s, also bis zum dreifachen der üblichen Geschwindigkeit.
Würde man sich also mal modernen Modulationsarten zuwenden, könnte die Datenrate der Übertragung deutlich gesteigert werden und diese Steigerung entweder für eine höhere Framerate oder für eine FEC (Forward Error Correction) genutzt werden. ferner ist PSK als oberklasse der Modulation störungsunempfindlicher als FM.
In Verbindung mit weiteren Massnahmen (z.B. Diversity) ist hier ein Potential für eine Erhöhung der Performance (und der Sicherheit) von RC-Anlagen gegeben.
Vielleicht dient das hier ja mal als Denk- und Diskussionsanstoss.
Gruss Frank