Funkübertragung

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Inhaltsverzeichnis

1 Frequenzbänder 2 Kanäle im Modellbau 3 Modulationsarten 4 Potenzielle Fehlerquellen 5 Wissenswertes über Empfangsantennen 6 Fehlersuche

Frequenzbänder

Beginnen wir einmal bei den Möglichkeiten auf welchem Frequenzband die Signale übertragen werden. Momentan sind diese wie folgt zugewiesen:

27 MHz - Hier darf so ziemlich jeder funken. Sei es ein Babyphon, ein Modell, ein Garagenöffner, ein CB-Funker oder sonst was. Wer auf diesen Frequenzbändern sein Modell steuert ist eigentlich selbst schuld. Wer ein Modell aus dem Kaufhaus kauft, bei dem ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass die mitgelieferte Fernbedienung auf diesem Frequenzband läuft.
35 MHz - Für dieses Band gelten zwei Bedingungen. Erstens dürfen nur Flug-Modelle bzw. Helikopter damit betrieben werden (also keine Schiffe oder Autos) und zweitens muss der Sender vorher angemeldet werden. Hier habe ich aber schon aus zweiter Hand gehört, dass dies mittlerweile gebührenfrei ist.
40 MHz - Auf diesem Frequenzband dürfen ausschließlich Funkmodelle betrieben werden. Hier sind sozusagen die Modellbauer unter sich. Dass jemand von außen reinfunkt ist zwar immer noch denkbar, aber unwahrscheinlich.
433 MHz - Ebenfalls ein allgemein zugelassenes Frequenzband. Es wird oft benutzt um Schaltvorgänge zu realisieren oder serielle Daten zu übertragen.
868 MHz - Ist dem 433er Band sehr ähnlich
2,4 GHz - In diesem hochfrequenten Bereich werden Videosignale von z.B. Funkkameras übertragen, aber auch Bluetooth oder WLAN und der Mikrowellenherd(!) haben hier ihr Zuhause. Der Betrieb selbst ist anmeldefrei.

Die Frequenzbänder haben eine gewisse Breite, in der sich mehrere Sender nebeneinander betreiben lassen. Damit dies geordnet zugeht, hat man die jeweiligen Frequenzbänder in eine Anzahl sogenannter "Kanäle" unterteilt.

Die passende Antennenlänge kann man sich über die Formel Lichtgeschwindigkeit / Frequenz berechnen. Also z.B. bei 40MHz bedeutet das (295.400.000 m/s):(40.000.000 1/s)=7,385m. Da solche eine Antenne im allgemeinen recht umständlich zu verlegen oder zu transportieren ist, halbiert man mehrfach die Antennenlänge, bis ein akzeptables Maß erreicht ist. In diesem Fall nimmt man lediglich Lamba/8 der Wellenlänge, also 92,3cm. Nachdem man sich auf eines der Frequenzbänder festgelegt hat, muss man sich einen Kanal raussuchen. Wäre ja blöd, wenn nur eine einzige Person auf einem Frequenzband gleichzeitig steuern könnte. Die Feinjuistierung der genauen Frequenz erfolgt durch die Quarze, üblicherweise im Abstand von 10kHz. Die folgende Liste gibt einen Überblick über die derzeitigen in Deutschland freigegebenen Frequenzen.

Kanäle im Modellbau

    27MHz            35MHz            40MHz
Kanal Frequenz   Kanal Frequenz   Kanal Frequenz
  4    26,995     61    35,010     50    40,665
  5    27,005     62    35,020     51    40,675
  6    27,015     63    35,030     52    40,685
  7    27,025     64    35,040     53    40,695
  8    27,035     65    35,050     54    40,715
  9    27,045     66    35,060     55    40,725
 10    27,055     67    35,070     56    40,735
 11    27,065     68    35,080     57    40,765
 12    27,075     69    35,090     58    40,775
 13    27,085     70    35,100     59    40,785
 14    27,095     71    35,110     81    40,815
 15    27,105     72    35,120     82    40,825
 16    27,115     73    35,130     83    40,835
 17    27,125     74    35,140     84    40,865
 18    27,135     75    35,150     85    40,875
 19    27,145     76    35,160     86    40,885
 24    27,195     77    35,170     87    40,915
 30    27,255     78    35,180     88    40,925
                  79    35,190     89    40,935
                  80    35,200     90    40,965
                                   91    40,975
                                   92    40,985

Modulationsarten

Zunächst muss man verinnerlichen, dass normalerweise mehrere Funktionen mit ihren Knüppelstellungen bzw. Schalterstellungen zusammen über einen (Funk-) Kanal übertragen werden müssen. Man muss daher dem hochfrequenten Funksignal, dass als Träger die Wellenübertragung zum Modell erst ermöglicht, die eigentliche Steuerinformation "mitgeben", man muss es modulieren.

Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zunächst unterscheidet man, in welcher Art und Weise man das hochfrequente Signal verändert. Verändert man dessen Signalstärke (Amplitude), so spricht man von einer Amplitudenmodulation (AM). Sendet man das Hochfrequenzsignal im Takte der Steuerinformation in Pulsen, so spricht man von einer Pulsmodulation (PM). Außerdem gibt auch die Möglichkeit, die Frequenz des Hochfrequenzsignals im Takt der Steuerinformation geringfügig zu verändern, was man als Frequenzmodulation (FM) bezeichnet.

Während man früher vor Jahrzehnten (bei den sogenannten "Tippanlagen")meist mit AM arbeitete, arbeiten heutige Proportionalfernsteuerungen in der Regel mit PM (vorwiegend im "low cost" Sektor) oder mit FM.

Nun muss man noch unterscheiden, in welcher Weise die Steuerinformation dargestellt wird. Am verbreitesten ist hier die sogenannte PPM (Puls-Position-Modulation) bzw. PWM (Puls-Weiten-Modulation). Hierbei gibt man jeder Funktion Signal einen kurzen zeitlichen Abschnitt ("Puls"), dessen Länge bzw. Dauer der jeweiligen Knüppelstellung entspricht. Entsprechend dieser Pulslänge wird nun bei PM das Trägersignal für diese Funktion gesendet bzw. bei FM die Frequenz des Trägersignals etwas verstimmt. Anschließend kommt der entsprechende Puls der nächsten Funktion und moduliert den Träger, und so fort, bis alle Funktionen einmal dran waren. Danach wird eine kurze Pause gemacht und es kommt der nächste Übertragungszyklus dran. Die Pause ist wichtig, damit man erkennen kann, wann der Zyklus beginnt (Stichwort Synkronisation). Dieser ganze Zyklus dauert genau 20ms und ist auch genormt, so dass eine Robbe-Fernbedienung auch mit einem Graupner-Empfänger zusammenpasst.
Je nach Knüppel- bzw. Schalterstellung bewegen sich die Pulslängen für die einzelnen Funktionen zwischen 0,9ms (z.B. für voll links) und 2,1ms (z.B. für voll rechts), bei Knüppeln mit fließendem Übergang dazwischen. Ganz genau so gibt der Empfänger das Signal an den Servo weiter. Für ihn bedeuten dann diese 0,9ms ganz nach links drehen und 2,1ms ganz nach rechts drehen. Das ist die Puls-Weiten-Modulierung.

Eine weitere Moglichkeit ist die PCM (Pulscode-Modulation), die gänzlich anders funktioniert. Erst die PCM ist die "volldigitale Lösung". Obwohl dieses Verfahren in der professionellen (d.h. industriellen oder militärischen) Fernsteuertechnik weit verbreitet ist und Dank Microelektronik auch im Modellbau möglich geworden ist, hat es sich dort aus mehreren Gründen bisher nicht recht durchsetzen können. Es gibt sogar Hersteller, die davon wieder abgegangen sind. Hauptnachteil ist die fehlende Normung, daher sind Systeme unterschiedlicher Hersteller in der Regel nicht kompatibel. Jedoch sind die Empfängerausgänge wenigstens so beschaffen, dass man standardmäßige Servos anschließen kann. Bei der PCM wird jeder Funktion ein binäres "Codewort" zugeordnet, das einem der Knüppelstellung entsprechenden digitalen Zahlenwert entspricht. Der Knüppelwinkel wird hier praktisch digital codiert. Das binäre Codewort (Folge von "Nullen und Einsen") einer jeden Funktion moduliert nun den Träger (entweder per PM, meist aber FM). Auf der Empfängerseite werden die Codewörter wieder in entsprechende Pulslängen für die Standardservos übersetzt. Ein großer (potenzieller) Vorteil der PCM ist, dass bei Wahl spezieller Codierungen es möglich ist, Fehler in der Übertragung zu erkennen, ja sogar zu korrigieren (solche Techniken werden auch bei CD's verwendet). Man kann also Störungen als solche erkennen und ausblenden oder bei der Übertragung verfälschte Steuerbefehle in einem gewissen Maße korrigieren und eine hohe Übertragungssicherheit erzielen.

Potenzielle Fehlerquellen

Gemerkt hat das wohl jeder schon einmal. Entweder ist das Modell einfach stehen geblieben, oder die Lenkung spielt verrückt oder es passieren sonstige merkwürdige Dinge. Dies kann eine Vielzahl von Ursachen haben. Wie bereits beschrieben werden die Funksignale meist pulsbreitenmoduliert übertragen. Wenn nun irgendein Servo anfängt zu zucken, dann kann dies bedeuteten, dass falsche Signale vom Empfänger an die Servos weitergegeben werden.
Nun wie können solche Störungen auftreten? Dazu gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten :

• Schlechter Sender
  • Das Sendemodul könnte nicht richtig aufgesteckt sein
  • Die Antenne ist nicht richtig festgeschraubt
  • Der Sender ist defekt (es ist schon vorgekommen, dass die Senderendstufe ausgefallen war und der Sender nur noch mit einem Bruchteil seiner Leistung sendete)

• Störquellen, die die eigentlichen Funksignale überlagern, das können z.B.
  • Bürstenfeuer sein. Betrachtet man einen laufenden Motor durch die Lüftungsschlitze, dann fällt auf, dass am Kollektor kleine Funken auftreten. Solche Funkenstörungen haben ein sehr breitbandiges Frequenzspektrum und reichen bequem in den Bereich der Fernsteuerfrequenzen hinein, wenn man die hochfrequenten Störanteile nicht durch eine Entstörbeschaltung des Motors bedämpft.
  • Reglerstörstrahlungen, vor allem bei bürstenlosen Motoren, obwohl solche Störungen bei einem Regler/ Steller eigentlich bei geeignetem Design vermeidbar sind. Solche Effekte treten jedoch auf, wenn in der Ansteuerung der Leistungstransistoren nicht ausreichend auf Unterdrückung von parasitären Oszillationen geachtet wurde. Jedoch muss man diese Effekte von leitungsgebundenen Störungen der Regler/ Steller unterscheiden.
  • Andere Funkfernbedienungen, vor allem stärkere auf dem gleichen Kanal, aber auch Sender mit "Streu-Quarzen", z.B. die Kaufhausfernbedienungen, aber auch manche "profesionelle" Fernbedienungen strahlen auf den falschen Kanälen
  • Möglich ist auch, dass sich ein Hobby-Funker aus der Umgebung unerlaubt einen Breitbandverstärker zugelegt hat, der nun Nebenfrequenzen seiner Station mit abstrahlt.
  • Antenne/Empfänger neben stark stromführenden Teilen (Motor, Akkus, Kabel)
  • Gegeneinander reibende Metallteile, z.B. das Ruder oder die Antriebswelle

• Und letztendlich eine mangelnde Signalstärke am Empfänger
  • Falsche Antennenlänge oder auch aufgewickelte Antennen
  • Kabelbruch im Antennenkabel
  • Verwendung einer Wendel-Antenne mit falsch berechneter Restlänge der eigentlichen Antenne (Beide zusammen müssen wieder Lambda/2, /4, etc. gaben)
  • Defekter oder schlecht abgestimmter Sender oder Empfänger
  • Defekte oder nicht zueinander passende Quarze
  • Antenne hat Kontakt mit leitenden Materialien (z.B. eine Antennendurchführung in einem Carbongehäuse)
  • Antenne ist von einer weitgehend geschlossenen metallischen Umhüllung ("Faradayscher Käfig") umgeben, die abschirmend wirkt. Das ist z.B. ein Grund, warum die Antennen im Automobilbereich nicht innen verlegt werden, sondern meist auf dem Dach
  • Zu große Entfernungen
  • Dämpfung durch Wasser oder auch Nebel. Das Wasser absorbiert die elektromagnetische Strahlung, was die Reichweite verringert. Speziell Uboote haben damit zwei Probleme, zum einen wird damit ihre steuerbare Tiefe begrenzt (je nach Leitfähigkeit des Wassers wenige cm bei Meerwasser bis ca. 5m in sauberen Süßwasser), zum anderen wird die Funkübertragung einer Kamera auf 2,4GHz schon nach wenigen Zentimetern auch in reinstem Süßwasser komplett absorbiert (eine Mikrowelle strahlt auf der gleichen Frequenz, darum wird auch das Wasser darin warm)

Daneben gibt es aber auch "hausgemachte" bzw. selbstverschuldete Störungsursachen. Solche Störungsursachen können beispielsweise sein:

• • Hohe Zuleitungswiderstände (längere Leitungen oder zu geringer Leitungsquerschnitt) vom Akku zum Empfänger, damit ergeben sich bei laufenden Servos Spannungseinbrüche der Empfängerversorgung, so dass dieser dadurch gestört werden kann.
  • Hohe Übergangswiderstände im Schalter, die ebenfalls unter Belastung zu Spannungseinbrüchen führen.
  • Hohe Übergangswiderstände bei Steckverbindern oder Zellenverbindern bei Akkupacks, die ebenso wirken.
  • Bei BEC-Schaltungen: Unzureichende Impulsbelastbarkeit, insbesondere wenn mehrere Servos zugleich arbeiten können. Insbesondere bei Ubooten mit Lageregelung entstehen hohe Impulsbelastungen durch die "unruhigen" Tiefenruderservos! (u.U. Abhilfe durch parallelgeschaltete Elkos mit vielen 100µF zur Deckung der Stromspitzen möglich)

Wissenswertes über Empfangsantennen

Grundsätzlich und unabhängig von der Modellkategorie hat die Verlegung der Empfangsantenne einen Einfluss auf die Empfangseigenschaften und bei ungünstiger Verlegung kann die nutzbare Reichweite deutlich eingeschränkt sein (genauso wie es auch auf der Senderseite passiert, wenn z.B. die Sendeantenne eingeschoben ist). Dies gilt insbesondere für Antennen in den langwelligeren Fernsteuerbändern (27MHz und 40MHz), die zur Steuerung von Modell-Ubooten in Betracht kommen (2,4GHz scheiden dazu wegen der hohen Dämpfung im Wasser aus) und wo üblicherweise mit Drahtantennen gearbeitet wird.

Was ist nun die günstigste Verlegung? Um zu empfangen benötigt der Empfänger eine Signalspannung am Empfängereingang, diese baut sich zwischen dem Antennendraht und dem übrigen elektrisch leitendem "Anhängsel" des Empfängers auf, d.h. den Stromversorgungs- und Servokabeln sowie den weiteren Installationen, die der Antenne quasi als "Gegengewicht" dienen. Eine Spannung bedeutet ja immer eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten, d.h. sie tritt immer zwischen zwei Punkten auf, hier die Antenne einerseits und auf der anderen Seite "das Gegengewicht" der übrigen Verkabelung. Um möglichst viel Hochfrequenzenergie aus dem Elektromagnetischen Feld des Senders aufzunehmen, sollten Antenne und Gegengewicht möglichst weit auseinandergespreizt liegen und nicht eng zusammengelegt sein (womöglich noch in einem gemeinsamen Kabelbaum). Die elektrische Feldstärke ist in Volt/ Meter definiert, salopp gesprochen kann man sagen, je mehr Abstand zwischen Antenne und Gegengewicht, desto mehr Spannung bekommst man an der Antenne (allerdings reden wir hier in der Größenordnung von µV, 1µV = 0,000 001V). Natürlich lässt sich das insbesondere bei kleinen Modellen nicht immer konsequent handhaben. Aber generell sollte man dieser Regel schon zu folgen versuchen.

Bei einem Modell-Uboot braucht die Antenne nicht zwangsläufig vom Wasser isoliert zu sein (es schadet aber auch nichts), denn letztendlich ist ja die elektrische Feldkomponente des Elektromagnetischen Feldes ohnehin der mehr oder weniger großen Leitfähigkeit des Wassers ausgesetzt.

Was die Verhältnisse für die Funkwellen an dem Übergang zwischen Luft und Wasser angeht, so gibt es gleich mehrere Effekte: Zum Einen gibt es an solch einer Grenzschicht zwischen zwei unterschiedlichen Medien unweigerlich Reflexionen (das kennt man ja auch vom Licht an der Wasseroberfläche). Des Weiteren erfährt die elektrische Feldkomponente eine deutliche Verringerung aufgrund der hohen Dielektrizitätszahl des Wassers (die relative Dielektrizitätszahl epsilon r von Wasser beträgt rund 80(!), denn die Wassermoleküle sind polarisiert). Die magnetische Feldkomponente bleibt dagegen nahezu unverändert, wenn man von „Wirbelstromdämpfung“ aufgrund der Leitfähigkeit des Wassers absieht. Die elektrische Komponente wird durch die Leitfähigkeit des Wassers zusätzlich geschwächt. So ist unter Wasser nur mit sehr kleinen Empfangsfeldstärken zu rechnen, deshalb hat man nichts an Empfindlichkeit zu verschenken. Es ist daher sehr sinnvoll, die Antenne außenbords in möglichst großem Abstand zu den elektrischen Komponenten im Innern zu verlegen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Modell ein metallisches Technikgerüst im Innern hat.

Fehlersuche

Wie findet man nun am besten die Ursache der Störungen heraus? Im Prinzip wird eine absolut minimalistische Schaltung dazu aufgebaut. Das bedeutet im konkreten: Der Sender mit voll ausgezogener Antenne, der Empfänger mit Akkus als Stromquelle (darauf achten, dass die Akkus auch geladen sind !), die Antenne schön langgestreckt und dazu lediglich ein Servo. Ein Fahrtenregler sollte nicht angeschlossen werden, schon gar nicht mit aktivem BEC! Alle Komponenten sollten dazu ausgebaut sein.

Sollte zu diesem Zeitpunkt bereits ein Fehler auftreten, so ist der Fehler bereits stark eingegrenzt. Nachfolgend muss eine Komponente nach der anderen ausgetauscht werden, bis die fehlerhafte gefunden wurde. Sollte dagegen noch kein Fehler aufgetreten sein, wird die nächste Komponente hinzugefügt und wieder getestet, solange bis alle Komponenten angeschlossen wurden, oder der Fehler gefunden wurde.

Ist immer noch kein Fehler aufgetreten wird als nächstes ein Reichweitentest gemacht. Dazu wird die Senderantenne eingeschoben (nur einschieben, nicht komplett abschrauben) und man entfernt sich mitsamt der Fernbedienung vom Empfänger. Bis ca. 10m (manche sagen auch bis zu 40m) sollten keinerlei Zuckungen am Servo auftreten. Ist dies doch der Fall ist entweder der Empfänger oder dessen Antenne hinüber, eventuell aber auch der Sender.

Ist der Reichweitentest mit Erfolg abgeschlossen worden und der Fehler tritt nur während der Fahrt auf, so könnte der Empfängerakku oder das BEC überlastet sein und nicht genug Spannung liefern. Dann nämlich schalten div. Bausteine ab oder fangen an zu spinnen. Eine Möglichkeit dies zu testen ist es kurzfristig einen starken Akkupack mit dicken Kabeln zu verwenden (BEC vorher abschalten).