Dual-Mode-Kommunikationssysteme für Anwendungen im Auto?

Transkript

1 Dual-Mode-Kommunikationssysteme für Anwendungen im Auto? Von Prof. H. Heuermann Fachhochschule Aachen Prof. Heuermann Eupener Str. 70, Aachen Telefon , Telefax

2 Übersicht Motivation Klassische Funkübertragung Dual-Mode-Funkübertragung Messungen von DM-Funkstrecken Robustheitsuntersuchung Messungen im Auto DM-Funk als Kabelersatz im Auto DM-Funk in der Telematik/ Car2car Zusammenfassung

3 Motivation Eine neue robuste Funkübertragungsstrecke soll für Telematik und Kabelersatz im Auto eingesetzt werden. Kostengünstige Funkübertragungsstrecke als echte Single-Chip-Lösung mit kleiner Antenne ist die Basis für neue Applikationen.

4 Idee des Dual-Mode-Funks Klassisches Funkübertragungssystem

5 Idee des Dual-Mode-Funks Nachteile des klassischen Funkübertragungssystems Viele einzelne Komponenten Große Halbleiterfläche == teuer Echte One-Chip-Lösung nicht machbar (Quarz) Aufwendige und rauscharme Synthesizer Anfällig gegenüber dispersiven Übertragungskanälen Sehr teuer für höheren GHz-Bereich Aufwendige digitale Signalverarbeitung

6 Idee des Dual-Mode-Funks Eine mögliche Realisierung des DM-Funks Die Phasenmodulation hat digitalen Eingang und der Empfänger hat digitalen Ausgang Kein Oszillator im Empfänger kein Quarz, A/D- o. D/A-Wandler Patent Mai 2010

7 Idee des Dual-Mode-Funks Erzielbare Vorteile des Dual-Mode-Funks Hohe Datenraten Einfache Modulatoren und Demodulatoren Nur wenige Komponenten notwendig Kleine Halbleiterfläche == sehr kostengünstig Geringe Entwicklungszeit und echte One-Chip-Transceiver Ggf. kein Oszillator für den Empfänger Keine PLL notwendig Kein Einfluss von Phasenrauschen Schlechte Oszillatoren für Signalspreizung/ Pegelsenkung Sehr geringer Stromverbrauch Alle Modulationsverfahren einsetzbar Dispersive Funkkanäle und Dopplereffekt beeinträchtigen Übertragungsqualität wenig => Hohe Datenraten für Car2car möglich

8 Idee des Dual-Mode-Funks Nachteile des Dual-Mode-Radios Nur ideal für 2.5D-Funkstrecken In der Praxis müssen die Antennen auf 30 genau ausgerichtet sein. Kippen ist nur mit 30 erlaubt. Antennen benötige relativ viel Fläche Z.B. Kreuzdipol gegenüber Dipol. Bei Patchantennen gilt es nicht. Es gibt noch kein DM-Funk-IC

9 Erster Aufbau Erste Elektronik der Dual-Mode-Funkschaltung Empfänger 1a Sender Sende-/Empfangsantenne 2,45 GHz

10 Erster Aufbau Erste Elektronik der Dual-Mode-Funkschaltung Sender Empfänger 1b

11 Messungen am ersten 2,45GHz- System Aufbau der Dual-Mode-Funkstrecke ca. 10MHz, stark frequenzabhängig 2 m kleine Antennen

12 Messungen am ersten 2,45GHz- System DM-Funk ohne Rauschmodulation Übertragungsrate: 2,5MHz -49,9dBm

13 Messungen am ersten 2,45GHz- System DM-Funk mit Rauschmodulation Übertragungsrate: 2,5MHz -56,3dBm

14 Phase in Messungen am ersten 2,45GHz- System Phasenmessung der DM-Funkstrecke Phasenänderung in Abhängigkeit von der Frequenz Gleichtakt Gegentakt ,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 Frequenz in GHz

15 Messungen am ersten 2,45GHz- System Leistungsmessung der DM-Funkstrecke Sendefrequenz: 2,42 GHz Sendeleistung: 8dBm Reichweite in m Ausgangsleistung in dbm Antennen: Gleichtakt Gegentakt Yagi mit 11dBi Fachhochschule Aachen - Aachen University of Applied Sciences 14. Mai 2010

16 Messungen am ersten 2,45GHz- System Unsymmetriemessung des DM-Funks Sendefrequenz: 2,42 GHz Entfernung: 2m Gleichtakt Gegentakt Phasenverschiebung Ausgangssignal in V Phasenverschiebung Ausgangssignal in V 0 3, , , , , , , , , ,5

17 Messungen am ersten 2,45GHz- System Unsymmetriemessung des DM-Funks Sendefrequenz: 2,42 GHz Entfernung: 2m Ausgangsspannung in V Pegeldifferenz Gleichtakt Gegentakt 3dB 3,5-3 5dB 3,5-3 9dB 2-3 9dB 3,5-3 12dB -1,5-3 12dB 3,5-3 Fachhochschule Aachen - Aachen University of Applied Sciences 14. Mai 2010

18 Messungen am ersten 2,45GHz- System Sendefrequenz: 2,42 GHz Entfernung: 2m Antennenentkopplungsmessung des DM-Funks Antennendrehung Ausgangssignal in V Gleichtakt Gegentakt 0 3, , , , , ,4-2,9 45 3,2-2, ,7 55 2, ,2 0, , ,4 75-3,2 3,2 80-3,2 3,2 90-3,2 3,2 Fachhochschule Aachen - Aachen University of Applied Sciences 14. Mai 2010

19 Verbesserungen Empfänger für große Reichweiten Empfänger 2 Mikroprozessor Empfänger 3 Umsetzer A/D A/D CO Mischstufe Mischstufe Oszillator muss nicht stabilisiert sein! Bereits erfolgreich in ein Produkt umgesetzt u out LP PD oder Mischer AGC AGC CO Fachhochschule Aachen - Aachen University of Applied Sciences 14. Mai 2010

20 Messungen am 2,45GHz-System mit AGC-Empfänger Aufbau der Dual-Mode-Funkstrecke ca. 10MHz, stark frequenzabhängig 45 m - Kleine und Yagi-Antenne khz-empfangsfilter

21 Messungen am 2,45GHz-System mit AGC-Empfänger DM-Funk mit Rauschmodulation Übertragungsrate: 0,25 MHz -95dBm

22 Messungen am 2,45GHz-System im Auto Aufbau der Dual-Mode-Funkstrecke Empfänger Sender

23 Messungen am 2,45GHz-System im Auto Einbaulage 1 Empfänger Sender

24 Messungen am 2,45GHz-System im Auto Einbaulage 2 Empfänger Sender

25 Messungen am 2,45GHz-System im Auto Messbedingung

26 Perfektes Auge Messungen am 2,45GHz-System im Auto Einbaulage 1 Übertragungsrate: 2 MBit/s

27 Perfektes Auge Messungen am 2,45GHz-System im Auto Einbaulage 2 Übertragungsrate: 2 MBit/s

28 UWB-Anwendung UWB-Vorgaben (grob) Frequenzbereich Sendeleistung Reichweite Datenrate 3,4-10,6 GHz -41,3 dbm/mhz // 0 dbm Peak 10 m bis 50 m (je nach Anwendungsfall) Mb/s

29 Aufbau des 9GHz-Systems im Auto Stand der Technik: Sensor: aktuell Kunststoff 12V Signal MC o.ä. Motor Sensorausbildung

30 Aufbau des 9GHz-Systems im Auto DM-System Sensor: Neu Vereinfachtes Gehäuse 12V out DM-Funk und MC o. ä. Isolation 12V in Motor Sensorausbildung

31 Aufbau des 9GHz-Systems im Auto Darstellung 1 Übertragungsrate: 1 MBit/s Kleine Platine: Rückseite - Antenne Oberseite - Komponenten Toplayer Bottomlayer FR4 Sensor HF-IC 8-10GHz 12V Masse 1mm 10mm Kreuzdipolantenne

32 DM-Funk in der Telematik/ Car2car Spezielle Vorteile Dopplerverschiebung hat keinen Einfluss Koexistenz zu anderen Diensten (WLAN) Einfache Protokolle möglich Optimale Frequenzwahl Long-Range, Low Data-Rate: UHF-Band (868MHz) Short-Range, High Data-Rate: 2.45, 5.6GHz und UWB

33 DM-Funk in der Telematik/ Car2car DM-Spektrum im Basisband Übertragungsrate: 70MBit/s Spektrum am Ausgang des Senders 30MHz 130MHz Aufbau in SMD- Technik

34 DM-Funk in der Telematik/ Car2car DM-Zeitsignal Übertragungsrate: 70MBit/s Augendiagramm am Ausgangs des DM- Empfängers Kanal: 10dB- Dämpfung und starker Dispersion

35 Zusammenfassung Kabelersatz DM-Funk als Kabelersatz? Funktionsweise Einfacher Aufbau getestet Übertragungsqualität Robust - Dispersion hat kein Einfluss Bestens für diese Quasi-Richtfunkstrecken UWB-Frequenzbereich (8-10GHz) Extrem preisgünstige One-Chip-Transceiver Sehr kleine Antennen Rauschmodulation hebt Reichweite Neue Funkkanäle schnell nutzbar Meine Antwort lautet: Ja

36 Zusammenfassung Car2car DM-Funk als Car2car-Funk Funktionsweise Einfacher Aufbau getestet Übertragungsqualität Robust Dispersion, Doppler hat kein Einfluss Bestens für diese 2.5D-Funkstrecken Höchste Datenraten möglich MHz-Frequenzbereiche Extrem preisgünstige One-Chip-Transceiver Kleine Antennen Rauschmodulation hebt Reichweite Neue Funkkanäle schnell nutzbar Meine Antwort lautet: Ja

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

38 Fachhochschule Aachen Prof. Heuermann Eupener Str. 70, Aachen Telefon , Telefax