Quelle: metamorworks/Adobe Stock

Die Anzahl der Bluetooth-Geräte und -Applikationen nimmt immer weiter zu. Für Anwendungen wie die Verfolgung von Lagerbeständen, Smart Home-Geräte, die Verfolgung von Vieh und ferngesteuerte Systeme ist eine große Reichweite sowohl in funktioneller Hinsicht als auch in Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit erforderlich. Angesichts der zunehmenden Zahl von Bluetooth-Geräten muss eine Lösung gefunden werden, um die Verbindung zwischen all diesen Geräten trotz der Störungen durch andere Geräte im gleichen 2,4-GHz-Frequenzband aufrechtzuerhalten, das auch von Applikationen genutzt wird, die WLAN und Bluetooth nutzen.

Es kommt immer mal wieder vor, dass Menschen ihre Schlüssel verlegen. Das passiert mir selbst auch häufig. Es kann Stunden dauern, bis ich weiß, wo sie sind. Ich habe schon verschiedene Bluetooth-Tracker ausprobiert, um sie im Auge zu behalten, aber ihr Bereich war auf mein eigenes Haus beschränkt. Vor kurzem habe ich den CYW20829 MCU von Infineon ausprobiert. Dieses Bauelement arbeitet mit Bluetooth Low Energy Long Range mit Coded PHY und löst die Probleme, die ich bislang mit meinen Schlüsseln hatte. Die HF-Eigenschaften sorgen für eine bessere Leistung im Nahbereich und ermöglichen stabile Verbindungen über größere Entfernungen.

Rauschen reduzieren, Reichweite erhöhen

Unter Rauschen versteht man jede unerwünschte HF-Energie in einer Funkfrequenz-Umgebung, und das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) bezeichnet das Verhältnis zwischen einem gewünschten Signal und unerwünschtem Rauschen. Ein hohes SRV ist wünschenswert. Die Infineon AIROC CYW20829 MCU hat ein hohes „S“ oder Signal mit einer Ausgangsleistung von etwa 10 dBm und eine geringe Empfindlichkeit von etwa -106 dBm. Durch die Reduzierung des Rauschens in einer realen Umgebung und unter Berücksichtigung des Strahlungsmusters des AIROC CYW20829 Bluetooth LE SoC Evaluierungskits CYW920829M2EVK-02 konnte das Team das SRV des Systems optimieren und eine Reichweite von 2.300 Metern für die Verbindungen erzielen.

Durch den Einsatz der CYW20829 MCU mit S8 Coded PHY könnte ich meine Schlüssel in einem größeren Bereich verfolgen.

Rauschende Umgebung

Rauschen und Störungen sind die Hauptursachen für eine schlechte Reichweite in einer Prüfumgebung mit großer Reichweite. In der Praxis bedeutet ein erhöhtes Rauschen, dass die Verbindung Ihrer Bluetooth-Geräte bereits in Bereichen unterbrochen werden kann, die weit unter der angegebenen Reichweite liegen. Um das SRV zu verbessern, mussten wir bei unseren Prüfungen Rauschen und Störungen reduzieren.

Die Tests fanden im Sommer im kalifornischen Newport Beach statt, wo sich viele Menschen am Strand aufhielten. Die Leute haben oft mehrere Geräte bei sich, die im 2,4-GHz-Band arbeiten, z. B. Smartphones, Smartwatches und Wireless-Ohrhörer. Um Störungen zu reduzieren, haben wir die Tests morgens durchgeführt, da zu dieser Zeit möglichst wenige Menschen unterwegs waren. Wenn wir uns in der Nähe von Menschen aufhalten mussten, sind wir um sie herumgegangen, um die Auswirkungen des Rauschens so weit wie möglich zu reduzieren.

Wir haben nicht nur Menschen umgangen, sondern haben auch ständig eine Sichtverbindung zwischen den peripheren und zentralen Geräten aufrechterhalten. So wie Wände in einem Gebäude die Bluetooth-Reichweite einschränken können, wirken sich auch andere physische Objekte wie Sonnenschirme oder Rettungsschwimmertürme auf den Übertragungsweg aus und können die Energie der Funksignale absorbieren. Ein Mehrwegeffekt tritt auf, wenn sich Funksignale zwischen zwei Antennen über mehrere Pfade ausbreiten. Mehrwege sind unerwünscht, da sie zu Störungen und der Verzerrung eines gewünschten Signals führen können.

Wir haben die Anzeige der empfangenen Signalstärke (Received Signal Strength Indicator, RSSI) unseres Empfängers aktiv überwacht und die Stellen, an denen wir während unserer Tests am Strand entlanggingen, so eingestellt, dass der RSSI-Wert über der maximalen Empfindlichkeit des S8 Coded PHY lag.

Die maximale Ausgangsleistung der CYW20829 MCU beträgt 10 dBm unter Verwendung des internen Leistungsverstärkers. Mithilfe von Coded PHY können wir die maximale Empfindlichkeit unserer CYW20829 MCU auf -106 dBm zu verbessern. Das Link-Budget ist die Summe der absoluten Werte aller Gains und Losses eines Funkfrequenz-Systems in Dezibel. In einer idealen Umgebung beträgt unser maximales Link-Budget 10 dBm Ausgangsleistung ±106 dBm Empfindlichkeit = 116 dB.

Strahlungsdiagramm

Abbildung 1: CYW920829M2EVK-02 Strahlungsdiagramm

Die Richtcharakteristik einer Antenne ist ein Maß dafür, wie viel abgestrahlte Energie in eine bestimmte Richtung gelenkt wird. Der Gain einer Antenne berücksichtigt hingegen sowohl die Richtcharakteristik als auch den Wirkungsgrad einer Antenne. Antennen strahlen nicht mit der gleichen Leistung in alle Richtungen ab. Wir haben den Antennen-Gain unseres CYW920829M2EVK-02 Kits gemessen (wie in Abbildung 1 gezeigt) und festgestellt, in welche Richtungen unser Kit am stärksten strahlt. Unterschiedliche Bluetooth-Antennen strahlen in verschiedene Richtungen optimal ab. Das konnten wir anhand der Richtungen erkennen, in die wir unsere Boards bei der Prüfung der Low Energy Long Range ausrichteten. Die Richtcharakteristik einer Antenne beim Senden ist die gleiche wie die Richtcharakteristik einer Antenne beim Empfangen, also haben wir beide Boards aufeinander ausgerichtet und dabei den maximalen Antennen-Gain berücksichtigt.

Das Kit wird dabei als „gerichtete“ Antenne betrachtet, da die Abstrahlung in einer bestimmten Richtung am stärksten ist.

Abbildung 2: CYW920829M2EVK-02 Board-Ausrichtung

Wir haben die Boards aufeinander ausgerichtet wie in Abbildung 2 dargestellt.

Fazit

Auch wenn die Rahmenbedingungen stimmen müssen, ist es durchaus möglich, die Reichweite von Bluetooth-Verbindungen zu maximieren, und zwar auch bei vergleichsweise geringer Sendeleistung. Zwar ist die maximale Sendeleistung in realen Anwendungen möglicherweise nicht realisierbar, doch dies zeigt, dass auch in einem realistischeren Bereich viel Potenzial für Nahbereichsverbindungen vorhanden ist.