Embedded Systems. Initiative. Embedded Systems Initiative. Hohe Datenrate und Zuverlässigkeit bei drahtlosen Multimediasystemen

Transkript

1 Embedded Systems Embedded Systems Initiative Initiative Hohe Datenrate und Zuverlässigkeit bei drahtlosen Multimediasystemen Fraunhofer IIS Hans-Martin Tröger, M. Eng., Dipl.-Ing.(FH) Embedded Talk, Nürnberg

2 Agenda Welche Funksysteme werden heute in Multimediasystemen eingesetzt? Warum ist es so schwierig, ein robustes Funksystem mit hoher Datenrate zu realisieren? Was muss getan werden, um hochratig Multimediadaten drahtlos übertragen zu können? Embedded Talk, Nürnberg 2

3 Welche Funksysteme werden heute in Multimediasystemen eingesetzt? Embedded Talk, Nürnberg 3

4 Blick ins Wohnzimmer Funkfernbedienung Home Automation Drahtlose Kopfhörer Laptop mit WLAN Schnurloses Telefon Smartphone HDTV über Satellit Spielekonsolen Tablet PC Embedded Talk, Nürnberg 4

5 Aktuelle Multimediadaten Steuerkommandos <10 kbit/s Audio ca. 64 kbit/s (Sprache bei ISDN-Qualität) ca. 1,4 Mbit/s (Audio-CD) ca. 128 kbit/s (komprimiert nach MP3) Videodaten ca. 3 Gbit/s (1080p60, unkomprimiert) ca. 25 Mbit/s (1080p60, komprimiert nach H.264) IP-Daten beliebig Embedded Talk, Nürnberg 5

6 Aktuelle Funksysteme RFID Sub 1 GHz - Systeme GSM / UMTS / LTE DVB T / -S DAB+ Wireless USB WLAN Bluetooth ZigBee Embedded Talk, Nürnberg 6

7 Funkübertragung im Alltag heute Bereits heute viele Funklösungen für Multimediaanwendungen Eingeschränkte Performance gegenüber dem drahtgebundenen Produkt wird vom Nutzer akzeptiert Wesentlich geringere Verbreitung bei sicherheitskritischen oder medizinischen Anwendungen Oft kurze Akkulaufzeit bei Funkanwendungen Embedded Talk, Nürnberg 7

8 Warum ist es so schwierig, ein robustes Funksystem mit hoher Datenrate zu realisieren? Embedded Talk, Nürnberg 8

9 Das perfekte Funksystem Reichweite beliebig skalierbar Beliebig hohe Datenrate Geringer Energieverbrauch Robuste und fehlerfreie Verbindung Echtzeitfähigkeit Kompromiss: Gleiche Performance wie kabelgebundene Datenübertragung Embedded Talk, Nürnberg 9

10 Freiraumdämpfung Kabel: Dämpfung = 54 db oder P Sende P Empfang Funk: Dämpfung = 66 db oder P Sende P Empfang Die Funkstrecke benötigt die 16-fache Sendeleistung!!! Embedded Talk, Nürnberg 10

11 Hochfrequenz-Verstärker Häufig hohe Linearitätsanforderungen Klasse A Verstärker η max = 50 % Häufig hohes Peak-to-Average-Verhältnis Verstärker wird nur selten voll ausgesteuert Nicht mehr vernachlässigbare parasitäre Effekte bei hohen Frequenzen Wirkungsgrad bei ungünstiger Signalform: η = % Embedded Talk, Nürnberg 11

12 Kanal und Bandbreite Nur ein Übertragungskanal für alle Teilnehmer Störungen bei der Übertragung nicht zu vermeiden Strenge Regulierung nötig Definierte Frequenzbereiche für unterschiedliche Anwendungen Sendedauer (Duty Cycle) / max. Sendeleistung Definierte maximale Nebenaussendungen Stets begrenzte Bandbreite für jeden Nutzer Beschränkung der maximalen Datenrate Embedded Talk, Nürnberg 12

13 Störungen der Funkstrecke Einzelstörer Burst- / Bündelstörer Interferenzen Mehrwegeausbreitung Dämpfung durch Hindernisse Tageszeitabhängige Dämpfung Rauschen Self-Made-Noise Embedded Talk, Nürnberg 13

14 Was muss getan werden, um hochratig Multimediadaten drahtlos übertragen zu können? Embedded Talk, Nürnberg 14

15 Bestandteile einer Funkübertragungsstecke Embedded Talk, Nürnberg 15

16 Quellcodierung Embedded Systems Initiative Starke Reduktion der Datenrate durch: Verwerfen von redundanten Datenteilen (verlustlos) Entfernen von irrelevanten Datenteilen (verlustbehaftet) Nötig, damit die Daten über den begrenzten Funkkanal übertragen werden können Beispiele: H.264, MPEG-2, AAC, MP3 Embedded Talk, Nürnberg 16

17 Kanalcodierung Embedded Systems Initiative Einfügen von Redundanz in die Nutzdaten, um im Empfänger Übertragungsfehler erkennen und evtl. korrigieren zu können Einfügen von Synchronisationssignalen und Zusatzinformation Durch Kanalcodierung wird eine zuverlässige und fehlerfreie Funkverbindung ermöglicht, die robust gegen Störungen ist Beispiele: Reed-Solomon-Code (CD), Faltungscode, Parity-Bit Embedded Talk, Nürnberg 17

18 Modulation Embedded Systems Initiative Aufbereitung des Signals, damit es abgestrahlt werden kann Frequenzumsetzung des Signals auf ein hochfrequentes Ausgangssignal drei prinzipielle Modulationsarten Frequenzmodulation Phasenmodulation Amplitudenmodulation Verknüpfung zu höherwertigen Modulationsarten möglich, wie z.b: QPSK: Quadraturphasenumtastung 16-QAM: Quadraturamplitudenmodulation Embedded Talk, Nürnberg 18

19 Kompromiss bei Funkstrecken Energie Reichweite Datenrate Echtzeitfähigkeit Embedded Talk, Nürnberg 19

20 Drahtlose HD-Kamera als Beispiel eines Funksystems Datenquelle CMOS-Bildsensor Bildalgorithmen Quellcodierung Hardware H.264-Encoder Kanalcodierung DVB-T Modulation (FEC) Modulation DVB-T Modulation (Mapping, OFDM) Analoger HF-Teil Embedded Talk, Nürnberg 20

21 Zusammenfassung Embedded Systems Initiative Vielzahl von unterschiedlichen Funksystemen bereits heute im Haushalt vorhanden Großes Bedürfnis für Drahtloslösungen da zunehmend eine mobile Nutzung gewünscht wird Betrachtung von funkspezifischen Herausforderungen Analyse der einzelnen Bestandteile eines kompletten Übertragungssystems Beispiel eines Funksystems Embedded Talk, Nürnberg 21

22 Ausblick Zunehmender Markt für Funklösungen jeglicher Art, da diese eine akzeptable Stabilität und Robustheit erreicht haben Wegen Moore s Law werden Quell- und Kanalcodierung in Zukunft noch leistungsfähiger Flaschenhals werden die analogen Komponenten (vor allem Verstärker und Filter) sein Die Forschung an alternativen Verstärkerkonzepten muss weiter vorangetrieben werden Embedded Talk, Nürnberg 22

23 Vielen Dank! Embedded Talk, Nürnberg 23