2.4 GHz Fernsteuerungen und deren Funktionsweise

Von Beat Stucki

Frequenzbänder für Modellflug

Seit dem 1.1.13 gilt nun was schon mehrere Jahre angekündigt war. Die Kanäle 54 bis 92 im 40 MHz Band dürfen nur noch für Land- und Wassermodelle verwendet werden. Ebenfalls für Fernsteuerungen im 433 MHz Band gelten neue Spezifikationen, die von den „alten“ 433 MHz Steuerungen nicht mehr erfüllt werden.

Folgende Kanäle sind also nach wie vor in der Schweiz für den Modellflug erlaubt:

Frequenz MHz Kanal Nr.   Frequenz MHz Kanal Nr.  
26.995 4   35.000 60  
27.045 9   35.010 61  
27.095 14   35.020 62  
27.145 19   35.030 63  
27.195 24   35.040 64  
      35.050 65  
      35.060 66  
Frequenz MHz Kanal Nr.   35.070 67  
40.665 50   35.080 68  
40.675  51   35.090 69  
40.685 52   35.100 70  
40.695  53    35.110  71  
      35.120  72  
      35.130  73  
      35.140  74  
      35.150  75  
      35.160  76  
      35.170  77  
      35.180  78  
      35.190  79  
      35.200  80  
      35.210  281  
      35.220  282  
           

2.4GHz Fernsteuerungen – wie funktionierts?

Die meisten Mitglieder sind bereits auf 2,4GHz Fernsteuerungen umgestiegen und deshalb ist es angebracht, hier losgelöst von all den Produktenamen für die Übertragungsmethoden der einzelnen Hersteller dieses Frequenzband und die Funktionsweise der Fernsteuerungen mehr zu beleuchten.

Frequenzband: 2400MHz bis 2483,5 MHz (83,5MHz)

Dieses Frequenzband wird genutzt für: WLAN, Bluetooth, ZigBee (Ein Industrie-standard als Kabelersatz für drahtlose Sensoren) und Modellfernsteuerungen. Dieses Frequenzband wird nicht etwa für die einzelnen Übertragungsmethoden aufgeteilt sondern alle Systeme benutzen das gleiche Frequenzband und dieses wird durch folgende ausgeklügelte Methoden möglichst störungssicher gemacht. Bei den 2,4 GHz Fernsteuerungen kann man sich dies so vorstellen:

Momentaufnahme über mehrere Sekunden des Frequenzbandes: 2400MHz bis 2483,5 MHz (Quelle: Youtube Video von RC Model Reviews)


          Hitec Sender            WLAN Videocam              Hitec Sender             DSM2 Sender weiter weg

Für Nichtelektroniker: auf der X-Achse ist das Frequenzband auf der Y-Achse die Signalstärke und unten am Bild ist erwähnt welche Art von Signalen man sieht.

  • Frequenzen: Die 83 Kanäle zu 1 MHz für die Frequenzhopping Fern-steuerungen (FHSS) sind nicht etwa fest zugeteilt sondern es wird mehrmals pro Sekunde Kanal gewechselt. Bei den DSSS Steuerungen (Erklärung weiter unten) wird sogar mit einer Bandbreite von 5 oder 10 MHz gesendet aber nicht ständig auf andere Kanäle gehüpft. (Bsp. DSM2 Sender rechts im Bild)
  • Zeitmultiplex: Die Steuerung sendet nur etwa 10% der Zeit und während der restlichen 90% können auf dem gleichen Kanal andere Steuerungen senden.
  • Codierung der Signale: Beim Pairing zwischen Sender und Empfänger wird festgelegt, wie die Übertragung dann jeweils codiert ist. Kommen beim Empfänger trotz den 83 verschiedenen Kanälen und der langen „Sende-pausen“ doch gleichzeitig mehrere Signale an (von anderen Fernsteuerungen, WLAN oder Bluetooth), dann erkennt der Empfänger dank der Codierung trotzdem das richtige Signal aus dem „Durcheinander“ der Signale.

Diese 3 Tatsachen ermöglichen, dass mehr als 80 Fernsteuerungen gleichzeitig funktionieren. Es gibt einen eingetragenen Weltrekord von 132 gleichzeitig fliegenden Heli- und Quadrokoptern. Die theoretische Grenze ist noch höher ohne dass die Fernsteuerung wegen gestörter Signale langsamer arbeitet.

Und wenn der Empfänger ein Signal trotzdem nicht erkennt, respektive feststellt, dass die Prüfsumme des Datenpaketes nicht stimmt? Dann wartet der Empfänger auf die nächsten Signale und ändert an den Servoausgängen nichts, bis wieder ein vernünftiges Signal dekodiert werden kann. Hält dieser Zustand länger als mehrere 100ms an, dann käme das Fail Safe zum Einsatz (vordefinierte Servostellungen, Gas Leerlauf, Langsamflugeinstellung), vorausgesetzt man hat Fail Safe aktiviert.

Und was gibt es Neues seit Mitte 2012? – Der Standard ETSI EN 300 328 V1.8.1 regelt all die Leistungen, sowie die Sende und Pausenzeiten. In dieser neusten Ausgabe V1.8.1 ist neu geregelt wie die neusten Steuerungen funktionieren müssen: LBT (Listen before talk) heisst Horchen vor dem Senden. Mit anderen Worten die Hersteller wie Spektrum mit DSM X und Weatronic haben dieses adaptive Frequenzhopping sofort letzten Sommer implementiert und diese Steuerungen senden nicht unnötig auf schon genutzten Kanälen sondern ändern das Hüpfverhalten, so dass nicht unnötig auf schon genutzten Kanälen gesendet wird.

Aber die allerwichtigste Funktionalität mit dem grössten Nutzen für den Piloten ist natürlich die Telemetrie, also das Zurücksenden von Messdaten vom Modell zum Piloten. Dies nimmt übrigens auch Kapazität weg, denn in den Sendepausen des Senders, sendet dann das Modell auf den gleichen Kanälen Informationen zurück.

DSSS oder FHSS und was bedeutet dies?

WLAN und DSM2 von Spektrum und JR sind DSSS Anlagen (Direct Sequence Spread Spectrum = Direkt Codierung im Breitbandspektrum). Diese Anlagen bleiben beim Einschalten immer auf den gleichen Frequenzen und wechseln höchstens auf eine zweite Frequenz senden aber 5 oder 10 MHz breit.

Der Begriff Breitband wird verwendet weil eben bei diesen Steuerungen ein Kanal im Frequenzspektrum 100 Mal breiter definiert ist, als wir es von den 40MHz Steuerungen kennen (1MHz anstatt 10KHz).

Die neusten Ausführungen der Steuerungen arbeiten alle mit FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum = Frequenzhüpfen auf Breitband Spektrum) mit 1 MHz Kanälen. Die Algorithmen bezüglich Latenzzeiten (Zeit für Signalübertragung und Auswertung), Sendezeiten (Pausen und Sendehäufigkeit) und Anzahl Kanälen worauf gehüpft wird, unterscheiden sich aber stark. Auf dem Spektrumbild auf der vorderen Seite ist aufgezeigt wie AFHSS sich nur freie Kanäle aussucht und auf belegten Kanälen nicht unnötig sendet.

Auf der nachfolgenden Tabelle ist aufgelistet auf wie vielen Kanälen die verschiedenen Produkte hüpfen.

System Hersteller Genutze Kanäle Zusatzbemerkung 
Duel FHSS ACT  -  2 separate Sender 
AFHSS Hitec 20 Adaptiv
M-Link Multiplex 39  
DMSS JR 79  
FASST Futaba 36  
DSM X Spektrum 23 Adaptiv, neuste Norm
Dual FHSS Weatronic 81 Adaptiv, neuste Norm
HOTT Graupner 75  

Die Anzahl genutzter Kanäle ist aber nicht etwa als Qualitätsmerkmal zu verstehen. Mehr genutzte Kanäle bedeutet nicht besser. Hat es in der Gegend ein WLAN oder eine drahtlose Videoüberwachungskamera, dann stört dies und beim Einschalten würde dann eine Fernsteuerung mit weniger als 40 genutzten Kanälen nur solche Kanäle benützen, die frei sind und nicht unnötig auf den schon genutzten Kanälen auch noch senden.

Andere wichtige Themen bei 2,4GHz Steuerungen, die sich jeder stellen muss:

  • Die erforderliche Minimalspannung bei unterschiedlichen Empfängermodellen variiert stark. Deshalb ist es wichtig folgende Punkte zu überdenken um „Brownouts“ Blockierungen des Empfängers zu vermeiden:
    • Für welchen Spannungsbereich sind meine Empfänger und meine Servos?
    • Habe ich einen guten Empfängerakku, der die Spannung halten kann, wenn alle Servos gleichzeitig arbeiten?
    • Habe ich Digitalservos, die kurzzeitig viel Strom benötigen und mir die die Empfängerakkuspannung kurzzeitig nach unten ziehen?
    • Liefert mein BEC beim Elektroregler genügend Strom für die Servos und den Empfänger?
    Bei diesen Brownouts funktioniert der Empfänger eben nicht nur für einen Moment nicht richtig sondern blockiert sich sogar für mehrere Sekunden oder funktioniert gar nicht mehr, bis der Sender aus und wieder eingeschaltet wird.
  • Habe ich die beiden Antennen ausserhalb des Kohlenfaserrumpfes montiert?
  • Stehen die beiden Endstücke der Antennen 90 Grad zueinander? (Hitec, und einzelne Parkflyer Empfänger haben nur eine Antenne.)
  • Die Antennen sind ganz feine Koaxialkabel (Schirm und Innenleiter) und sollen auf keinen Fall bearbeitet werden. Nur die letzten ca. 30mm wirken als Antenne. Sind meine Antennenkabel intakt und unverletzt?

Sollte mit diesen 4 Seiten das Interesse geweckt sein, über das Thema 2.4GHz Frequenzspektrum, über Tests von Fernsteuerungen oder den Weltrekord mit 132 Sendern mehr zu erfahren, dann verweise ich auf unsere Webseite, wo zu diesem Bericht noch die Quellen in der Form von Weblinks aufgeführt sind. Darunter befinden sich mehrere Videos, viele auf Englisch aber wer es nicht versteht hat dann zumindest noch die Bilder zu den obigen Erklärungen.

Linkliste und Quellenverzeichnis

Im Bericht wird darauf verwiesen, dass es ein paar interessante Links mit anschaulichem Bildmaterial gibt. Die nachfolgende Linkliste zeigt dieses wertvolle Material und stellt das Quellenverzeichnis zu obigem Bericht dar:

2.4GHz Weltrekord mit 132 fliegenden Modellen:
http://vimeo.com/42697305

Auf Englisch am Whiteboard sehr bildlich erklärt wie mehrere 2.4GHz sich nicht gegenseitig stören
http://www.youtube.com/watch?v=aZGcyuezMik

Und wie viele Fernsteuerungen würden wirklich gleichzeitig funktionieren?
http://www.rc-network.de/forum/content.php/198-2.4-GHz-R-C-Systeme-wie-viele-Anlagen-gehen-eigentlich-gleichzeitig

Damit die Modellflugfrequenzen in der EU nicht ganz vergessen gehen, gibt es eine Lobby Organisation, die sicherstellt, dass die Modellflugfrequenzen und unsere RC Interessen in der Standardisierung nicht ganz vergessen gehen. Frank Tofahrn ist der Top Experte, Vorsitzender Fachausschuss Funk im DAeC, und ist an vorderster Front und bringt die Anliegen bei der Europäischen Standardisierung (ETSI) ein:
http://www.emig-rc.de/1.html

Ein sehr erfahrener Amerikaner, Bruce Simpson testet häufig Fernsteuerungen mit einem Spektrum Analyzer:
http://www.rcmodelreviews.com/spreadspectrumtests.shtml
leider sind die Youtube Videos nicht mehr direkt erreichbar, aber hier die Links dazu

In untenstehendem Video nach der ersten Minute sieht man wie DSM2 (DSSS) funktioniert und nach der 2. Minute, ein Frequenzhopping System(FHSS) DSMJ wie es in Japan verwendet wird. Der Unterschied bei den FHSS Systemen ist einzig auf wie vielen Kanälen die Sender hüpfen (hoppen). Eindrücklich ist auch ab Minute 3.50 gezeigt, wie die Fernsteuerung immer noch funktioniert obschon ein viel stärkerer drahtloser Videosignalsender stört:
http://www.youtube.com/watch?v=1jNFhitDDis

Test der Spektrum DX8 Fernsteuerung
http://www.youtube.com/watch?v=fQKoXpj-FeI
Test der JR XG8 mit 3 Videos: part 1 -3. Im ersten Teil erklärt er Telemetrie
http://www.youtube.com/watch?v=cfuyYij-td0&NR=1&feature=endscreen
Im zweiten Teil analysiert er wieder das Spektrum und zeigt auch aus welchen IC die Anlage gebaut wurde:
http://www.youtube.com/watch?v=UOvPl3Qs268
Test der Hitec Aurora (3 Videos: part 1 -3)
http://www.youtube.com/watch?v=AdIhbNLC0yg

Und hier noch was ACT zu den verschiedensten Themen zu sagen hat:
http://www.acteurope.de/html/alles_zu_2_4ghz.html

Nur als Quellenangabe, diese Diskussion inspirierte die Tabelle im Tätigkeitsprogramm zu erstellen:
http://www.rclineforum.de/forum/board49-zubeh-r-elektronik-usw/fernsteuerungen-sender-und-emp/316910-bersicht-verschiedener-2-4-gh/

Wie viel Zeit braucht es um die Signale zu übertragen (Latenzzeit)?
10 bis 70 ms (Tausendstel Sekunden) und dann kommt noch die Stellgeschwindigkeit von dazu die je nach Servo 100 bis 500ms beträgt
http://rc.runryder.com/helicopter/t172571p1/