Kabellose Datenübertragung – wie funktioniert das eigentlich?

Wie funktioniert die Funktechnologie?

Wie kann man Daten ohne Kabel übermitteln? Und das ganz unsichtbar? Mit der Funktechnologie. Irgendwie fliegen Signale durch die Luft und gelangen so an einen Empfänger, der dann anhand dieser Signale ein Relais schaltet und etwas in Gang setzt. Für mich als Laie völlig unvorstellbar. Irgendwie erinnert mich dies schon fast an Science Fiction. 

Und es kommt noch besser - diese unsichtbaren Funkwellen können gegenseitig aufeinanderprallen, sich stören oder gar auslöschen. Sehr schwer um sich das vorzustellen! Sie können aber auch durch Wände fliegen, sofern die Wände nicht zu dick sind. Dicke  Mauerwerke oder ganze Häuser – ja sogar Menschen – stellen allerdings ein Hindernis dar.  

Als ich meine Arbeitsstelle als Marketing-Verantwortliche bei Schmidiger Funklösungen startete, war das für mich absolut unverständlich, wie das überhaupt funktionieren soll. Doch irgendwann hat mir ein Arbeitskollege erklärt, dass Funkwellen so etwas sind wie Schallwellen, nur in einem anderen Frequenzband. Ja und was ist denn eine Frequenz? Auch das wurde mir erklärt. Das bedeutet wie oft eine Welle während einer Sekunde wiederholt wird. Wenn wir sprechen, geben wir unterschiedliche Schallwellen ab, damit uns unser Gesprächspartner hören und verstehen kann. Wenn ich spreche, und im Hintergrund besteht ein lautes Geräusch, versteht mich mein Gegenüber nicht mehr richtig. Oder wenn ich in einem Haus nach jemandem rufe, werde ich im oberen Stockwerk womöglich gar nicht gehört, da die dicken Mauern ein Hindernis sind. Genau nach demselben Prinzip funktioniert auch die Funkübertragung

Nun ist es eigentlich gar nicht mehr so schwierig, um das Prinzip einer kabellosen Datenübertragung zu verstehen.

Hier sind die wichtigsten Elemente und Begriffe einer Funkübertragung kurz erklärt:

Frequenz

Die Frequenz (Anzahl der Wiederholung der Welle pro Sekunde) wird mit der Einheit „Hertz“ angegeben, abgekürzt mit „Hz“. Ab Frequenzangaben über 1000 Hz wird auch Kilohertz „kHz“, Megahertz „MHz“ und auch Gigahertz „GHz“ verwendet. Hier einige bekannte Beispiele:

Was ist eine Frequenz?

Antennen

Die Antenne ist ein sehr wichtiges Element, um eine Funkübertragung über eine möglichst grosse Distanz zu erreichen. Die Grösse der Antenne ist abhängig von der verwendeten Frequenz. Je höher die Frequenz je kleiner die Antenne. Wichtig ist auch die Art der Antenne. Es gibt Antennen die rund herum gleich gut Senden und Empfangen (z.B. eine Stabantenne) und es gibt sogenannte Richtantennen, die nur in eine bestimmte Richtung sehr gut funktionieren.

Die Entwicklung einer optimalen Antenne, besonders bei kleinen Platzverhältnissen, erfordert viel Know-How und Erfahrung. Wir sind genau auf solche Aufgaben spezialisiert.

Die Grösse und die Art der Antenne ist entscheidend, um eine Funkübertragung mit möglichst grosser Distanz zu erreichen.

Code/Codierung

Die Menschen verwenden Wörter in der Kommunikation. Spricht mein Gesprächspartner dieselbe Sprache, können wir zusammen kommunizieren. Dasselbe Prinzip wird auch bei der Funkübertragung verwendet. Anstelle von einer Sprache gibt es ein Funkprotokoll und anstelle von Wörtern wird ein Code von „0“ und „1“ in unterschiedlicher Reihenfolge verwendet. Verwendet der Empfänger dasselbe Funkprotokoll wie der Sender, können sie zusammen kommunizieren. Oft haben Hersteller ihre eigenen geheimen Funkprotokolle, daher müssen der Sender und der Empfänger vom selben Hersteller sein, damit diese zusammen funktionieren. Es gibt jedoch auch standardisierte öffentliche Funkprotokolle, wie z.B. Bluetooth oder WLAN, da verwenden alle Hersteller dasselbe Funkprotokoll und "sprechen somit dieselbe Sprache“.

Durch die richtige Codierung im Funkprotokoll können Sender und Empfänger kommunizieren.

Adresse, Adressierung und Sicherheit

Wenn ich jemandem einen Brief senden will, muss ich den Brief mit der richtigen Adresse versehen. Der Briefträger bringt den Brief dann genau dieser Person. Auch unsere Funksender besitzen alle eine eigene einmalige Adresse, welche es dem Funkempfänger ermöglicht zu bestimmen, ob der Befehl vom Sender für ihn ist oder nicht.

Bei unseren Funksystemen ist es unmöglich, dass ein Befehl von einem unerwünschten oder gar fremden Handsender eine unbeabsichtigte Funktion auslösen kann. Dazu besitzt jeder Handsender nicht nur eine eigene Adresse, sondern die Funkkommunikation wird auch auf Fehler oder Manipulation überprüft.

Jeder Funksender besitzt zur Identifikation eine eigene einmalige Adresse. Der Funkempfänger kann so bestimmen, ob der Befehl dieses Senders für ihn ist oder nicht.

Welche Faktoren bestimmen denn die Reichweite einer Funkfernsteuerung?

Distanz

Bei einer kurzen Distanz ist ein Radio noch sehr gut hörbar. Bei einer weiten Distanz nur noch sehr schwach oder gar nicht mehr. So ist es auch beim Funk. Bei wenigen Metern zwischen Sender und Empfänger ist die Funkverbindung sehr gut. Je grösser die Distanz, desto schwächer wird das Funksignal und entsprechend schlechter wird die Funkverbindung.

Je grösser die Distanz zwischen Sender und Empfänger, desto schwächer wird das Funksignal.

Hindernisse

Bei direkter Sicht ist die Funkreichweite am besten. Wenn aber Hindernisse wie ein Hügel, ein Wald oder ein Gebäude dazwischen liegen, kann das Funksignal massiv gedämpft werden und somit kann die Reichweite um Faktoren kleiner als bei direkter Sicht sein.

Hindernisse können ein Funksignal massiv dämpfen und die Reichweite um einige Faktoren verkleinern.

Höhe der Antenne über dem Boden

Jede Antenne hat eine bestimmte Empfangsrichtung und einen bestimmten Empfangswinkel. Je höher eine Antenne platziert wird, desto grösser wird der abgedeckte Bereich, von dem ein Signal optimal empfangen werden kann. Zusätzlich vergrössert sich mit der Höhe im Normalfall der Bereich, von dem man Sichtverbindung zur Antenne hat. Aus diesem Grund sind grosse Antennen oft auf Berggipfeln platziert, beispielsweise auf dem Säntis, Rigi oder Titlis.

Je höher die Antenne platziert wird, desto grösser wird der abgedeckte Empfangsbereich.

Produkteeigenschaften

Es gibt Menschen die laut und solche die leise Sprechen. Gleichzeitig gibt es unabhängig davon Menschen die gut oder schlecht hören. Beide Eigenschaften bestimmen die maximale Distanz für die Kommunikation. Dieselben Eigenschaften gibt es auch bei Funksystemen. Die Sendeleistung in der Einheit „dBm“ oder „Watt“ gibt an, wie stark ein Sender sein Signal aussendet. Die Empfindlichkeit, auch in der Einheit „dBm“ oder „Watt“, gibt an wie schwache Signale ein Empfänger noch empfangen kann. Je grösser die Differenz zwischen der Sendeleistung und der Empfindlichkeit, desto grösser ist die Funkreichweite.

Unsere Sender senden mit der maximal erlaubten Sendeleistung und unsere Empfänger sind soweit optimiert, dass auch sehr schwache Signale noch empfangen werden können. Dies ergibt zusammen eine bestmögliche Funkreichweite.

Die Sendeleistung des Senders und die Empfindlichkeit des Empfängers bestimmen die Grösse der Funkreichweite.

Störsignale

Schreit im Hintergrund ein Baby, können die Eltern nicht mehr ungestört miteinander sprechen. Das Ohr empfängt nicht nur die Wörter vom Gegenüber, sondern wird durch die Schreie massiv gestört. Wird mit gleicher Lautstärke weiter gesprochen, muss die Distanz verkleinert werden, damit die Kommunikation noch richtig funktioniert. Auch hier kann das Problem wieder 1:1 auf eine Funkfernsteuerung übertragen werden. Die Störsignale werden jedoch nicht von einem Baby, sondern von anderen elektrischen Geräten in der Umgebung generiert, welche den Empfang von Funksignalen massiv stören können.

Hier sind einige Beispiele, welche Geräte Störsignale für den Funk erzeugen können: Fernseher, Computer, andere Funkfernsteuerungen z.B. von einem Baukran, Funk-Wetterstationen, elektrische Motoren, Wechselrichter von Solarpanels usw.

Andere elektrische Geräten in der Umgebung können Störsignale auslösen, welche den Empfang von Funksignalen massiv stören können. 

Falls möglich, sollen vor der Installation solche Störquellen identifiziert und entfernt werden. Oft können jedoch Störquellen nicht entfernt werden. In diesem Fall soll darauf geachtet werden, dass das Funksystem oder zumindest die Antenne möglichst weit entfernt von der Störquelle installiert wird. Wir sind spezialisiert auf Funksysteme, welche Störungen automatisch erkennen und versuchen mit speziellen technischen Möglichkeiten, wie beispielsweise dem automatischen Wechseln auf eine andere Funkfrequenz, diesen Störungen auszuweichen. Wir haben auch das Equipment, vor Ort Störungen zu messen und allenfalls Störquellen zu identifizieren.

Nun hoffe ich, dass Sie dank dieser "Schnellbleiche" einen kurzen Einblick in die Welt unserer Funklösungen erhalten haben und sich die Funktionsweise einer Funktechnologie nun etwas besser vorstellen können. Eine Zusammenfassung aller Grafiken sowie ein Anwendebeispiel eines Funk-Repeaters können Sie hier als PDF herunterladen.

Wir haben eine 30-jährige Erfahrung in der Entwicklung und Produktion von kundenspezifischen drahtlosen Funksystemen. Gerne beraten und unterstützen wir Sie bei Ihrem zukünftigen Funkprojekt. Zögern Sie nicht, sich mit uns in Verbindung zu setzen.