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DSP - DECT-ULE

06.05.2013  Halbleiter ICs   DSP GROUP

Der neue Standard für Haus- und Gebäudeautomation!

DECT - Das stabile Fundament
Der Standard DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) wurde als Standard für schnurlose Telefone entwickelt und ist in Europa und anderen Ländern weit verbreitet. Während DECT ursprünglich nur für die Übermittlung von Sprache entwickelt wurde, ist mit CAT-iq (Cordless Advanced Technology – internet und quality) eine Erweiterung geschaffen worden, die auch die Übertragung von Daten unterstützt und somit die Einbindung in das Internet erlaubt.

Für DECT wird in Europa ein eigenes geschütztes Frequenzband von 1880–1900 MHz reserviert (in den USA, Japan und vielen weiteren Ländern werden leicht abweichende Frequenzbänder verwendet). DECT bietet Platz für 10 Trägerfrequenzen, die in einem Raster von 1,728 MHz angeordnet sind. Jedes Band wird mit einer physikalischen Bitrate von 1,152 Mbps im GFSK Verfahren moduliert und unterstützt im Zeitmultiplexverfahren den Zugriff von 12 Duplexkanälen.

Durch die Reservierung eines eigenen geschützten Frequenzbands besitzt DECT in Gegenüberstellung zu anderen Standards wie ZigBee, Bluetooth und WLAN, die sich allesamt ein offenes 2,4 GHz Frequenzband teilen müssen, eine Sonderstellung. Interferenzen und die damit verbundenen Übertragungsstörungen können bei einem DECT-Netzwerk somit ausgeschlossen werden.

DECT - Ultra Low Energy
Was ist naheliegender, als die hervorragenden physikalischen Übertragungseigenschaften von DECT zur Konfiguration und Steuerung von Sensoren und Aktoren im Bereich der Haus- und Gebäudeautomation sowie der Sicherheit nutzen zu wollen. Vor diesem Hintergrund wurde eine ULE (Ultra Low Energy) Allianz vom DECT Forum gebildet, um eine Weiterentwicklung des bestehenden DECT Standards voranzutreiben. Auf der einen Seite sollte die Kompatibilität mit bestehender DECT Netzwerken bestehen bleiben, auf der anderen Seite musste der neue Standard den speziellen technischen Anforderungen in diesen Anwendungsbereichen gerecht werden.

Mit DECT-ULE wurde ein neuer Standard geschaffen, der die Physical Layer Spezifikation von DECT übernommen hat, jedoch auf MAC Ebene einige Veränderungen erfahren hat, die ihn im Hinblick auf Low Power und Reaktionszeit wesentlich leistungsfähiger gestalten. Hierzu wurde die Ausführungszeit für die Zeit- und Frequenzsynchronisationen bei einem Verbindungsaufbau drastisch verkürzt. So kann der MAC Layer  z.B. innerhalb von 50 ms eine Verbindung aufbauen, Kontroll- und/oder Steuerdaten schicken und die Verbindung wieder abbauen.

Außerdem wurde das Protokoll in seiner Funktion um einen Sleep Mode erweitert, welches ein schnelles und effizientes Wechsel zwischen den Schlafperioden und Funkübertragungen erlaubt. Ein Rauchmelder etwa, der alle 7 Minuten eine „Stay Alive“ Message an die Zentraleinheit senden muss, kann mit einer CR123 Batterie (1500mAh) ca. 18 Jahre betrieben werden.

Zudem bietet ULE auf Basis von AES (Advanced Encryption Standard) die Verschlüsselung von Daten und deren Authentifizierungen.

Markforscher sehen den größten Vorteil jedoch in der Kompatibilität mit dem klassischen und millionenfach bewährten DECT Standard, denn für die Systeminstallation von DECT-ULE Produkten wird lediglich ein Firmware Update der bestehenden Basisstation benötigt, wodurch bis zu 2000 DECT-ULE Teilnehmer konfiguriert und verwaltet werden können.

Somit bringen weltweit Millionen von installierten Basisstationen die besten Voraussetzungen, um ein DECT-ULE Netzwerk schnell und kosteneffizient zu implementieren. Dies mag einer der wichtigsten Gründe sein, warum IMS Research einen rasanten Anstieg des Marktanteils in den kommenden Jahren sieht. Bereits ab 2015 sollen über 50 Millionen DECT-ULE Produkte jährlich verkauft werden. 

Vorteile von DECT-ULE im Überblick
=> Ein geschütztes Frequenzband (1,9 Ghz) garantiert, das heute installierte DECT-ULE Produkte auch in vielen Jahren noch zuverlässig arbeiten. Diese Garantie hat man nicht mit Technologien, die auf freien Frequenzbändern wie 2.4GHz oder 868 MHz arbeiten. Werden neue Geräte im Haus installiert, die auch die freien Frequenzbänder nutzen, können diese vorhandene Sensoren und Aktoren stören. Nicht so im geschützten DECT Band!
=> Große Reichweiten (mindestens 30m in Gebäuden und 300m im Freien) kombiniert mit einer hohen Sicherheit durch modernste Verschlüsselungstechnologien und Signaturen.
=> Durch die Stern-Topologie ist die Installation, genau wie bei DECT, denkbar einfach.
=> Sehr kurze Latenzzeiten, was Echtzeit-Kommunikation ermöglicht.
=> Sehr geringer Stromverbrauch
=> Die Integration in Home Gateways, die einen einfachen Zugang zum Internet ermöglichen. Allein in Deutschland ist DECT in mehr als 5 Millionen Home Gateways zu finden.
=> Schon heute werden ca. 200Mio DECT Chips pro Jahr verkauft. Diese Synergien können genutzt werden, um auch DECT-ULE Produkte zu einem attraktiven Preis anbieten zu können.

Anwendungen
Die besonderen Eigenschaften machen DECT-ULE zum idealen Funkstandard für Sensoren und Aktoren, wie sie in Rauch-, Bewegungs- und Temperaturmeldern oder auch in Belüftungs-, Klima- und Heizungssystemen eingesetzt werden. Neben den genannten Anwendungen lassen sich mit DECT-ULE auch viele weitere Anwendungen adressieren und ermöglichen verschiedene Geschäftsmodelle. Diese reichen von geschlossenen Systemen der Sicherheitsdienste, vom Elektroinstallateur vertriebene und installierte Lösungen, bis hin zu Komponenten, die im Einzelhandel verfügbar sind und sich nahtlos in die vorhandenen Infrastrukturen integrieren.

Einige der wichtigsten Anwendungen im Überblick:
Haus- und Gebäudeautomation
• Intelligente Steckdosen
• Lichtsteuerung und Dimmer                                  
• Rollladen und Fenstersteuerung
• Klima-, Belüftungs- und Heizungssteuerung

Sicherheit
• Bewegungsmelder
• Glasbrucherkennung
• Fenster und Tür Überwachung
• Zutrittskontrolle
• Rauchmelder
• Wasser- & Gas-Detektoren

Remote Healthcare
• Patientenmonitoring
• Healthcare Monitoring

Energie Management
• Metering
• Remote (Cloud) Energy Management

Das DECT-ULE Netzwerk

Der Konzentrator:
Für den Aufbau eines Heimnetzes mit DECT-ULE ist eine Basisstation nötig, die den Konzentrator für die verschiedenen Knoten im System (Sensoren und Aktoren) darstellt.

Der Konzentrator kann im einfachsten Fall ein Home-Gateway mit einem integriertem DECT Chip sein, der entweder bereits ULE unterstützt oder durch ein Software Update auf ULE aufgerüstet wird. In naher Zukunft wird erwartet, dass mehr und mehr Home-Gateways durch ein Software Update ULE fähig sein werden. Eine andere Option ist, einen dedizierten Konzentrator einzusetzen, der entweder lokale Managementfunktionen besitzt oder per Wifi, Telefonleitung oder Ethernet mit dem Internet verbunden ist. Denkbar sind auch USB Dongles, die einen DECT-ULE Konzentrator implementiert haben. Grundsätzlich ist es auch möglich, reguläre DECT Telefone um DECT-ULE zu erweitern und beide Funktionen in einer Basisstation zu integrieren.

Für alle oben exemplarisch genannten Anwendungsfälle bietet die Firma DSP Group die passenden System on Chip (SoC) Lösungen an. Diese reichen von einfachen SoCs mit Echtzeit-Betriebssystemen bis zu komplexen Lösungen, die auf Linux basieren und zusätzlich zur DECT und DECT-ULE Funktionalität eine komplette Telefonanlage mit bis zu 8 Kanälen für VoIP enthalten.

Das untere Ende ist durch die DCX81 Familie abgedeckt, die für DECT-ULE Geräte als Konzentrator arbeiten kann und gleichzeitig die komplette Sprachfunktionalität (GAP/CAT-iq 1.0/2.0/2.1) anbietet. Weitere Features sind z.B. ein integriertes USB Interface, Line Interface, UART, SPI und 2x AD/DA Wandler. Der DCX81 ist ein äußerst kostenoptimierter Chip, dessen Code aus einem externen Quad SPI Flash ausgeführt wird und damit auch Software Update Funktionalität bietet. Der millionenfache Einsatz des DCX81 in regulären DECT Telefonen bietet dem Kunden eine extrem stabile und markterprobte Plattform, die einen weiten Anwendungskreis erschließt.

Die Netzwerkknoten:
Für Sensoren und Aktoren bietet DSP Group mit dem DHX91 einen Chip an, der auf stromsparende Anwendungen und schnelle Reaktionszeiten optimiert ist. Neben den regulären DECT und DECT ULE Funktionen, die in verschiedenen Interoperability Events mit anderen DECT ULE Herstellern getestet wurden, ist eine Sensorik/Aktorik (SA) Einheit integriert. Diese spezielle Funktion bietet die Integration von Sensorik- und Aktorikanwendungen auf einem Chip, ohne eine zusätzliche MCU zu benötigen.

Im Folgenden sind einige besondere Funktionen der SA-Einheit beispielhaft beschrieben. Alle diese Funktionen stehen dem Anwender auch im Sleep Mode zur Verfügung. In diesem Mode  kann die SA Einheit ohne Prozessorintervention, bei sehr geringem Stromverbrauch, Messungen und Steuerungen autonom ausführen und den Prozessor innerhalb von 10ms aufwecken, falls dies ein Ereignis fordern sollte.

Sensor Conditioning Module:
Das Sensor Conditioning Module (SCM) ist eine im SA integrierte und konfigurierbare analoge Schaltung, die mit 2 Verstärkern und 2 Komparatoren verschiedenste Sensoranwendungen implementieren kann. Das SCM ist für extrem geringen Stromverbrauch (~ 3uA) optimiert. Im Folgenden ist das komplette SCM mit allen Komponenten dargestellt:

Eine Beispielanwendung des SCM als PIR (Passive Infrared Sensor)
Ein PIR-Sensor reagiert unter Ausnutzung der Pyroelektrizität seiner Empfängerfläche auf eine Temperaturänderungen. Wenn sich ein Objekt im Raum bewegt, wird die Wärmedifferenz zwischen dem Objekt und dem Umfeld in Spannung umgesetzt.

Die beiden in Serie geschalteten Verstärker AMP1 und AMP2 haben eine filternde und verstärkende Funktion. Das Ausgangssignal wird durch zwei Komparatoren gegen zwei Referenzspannungen gemessen, die den Schwellwert definieren. Der Frequenzbereich zur Bewegungserkennung bewegt sich zwischen 0,1 Hz bis 10 Hz, die Signalverstärkung liegt zwischen 60dB und 70dB.

Eine Beispielanwendung für einen Rauchmelder:
Eine LED und eine Photodiode im Innern eines Rauchmelders wandeln Licht in Spannung um. Da keine direkte Sichtlinie zwischen der LED und der Photodiode vorhanden ist, wird im Normalfall von der Photodiode keine Spannung erzeugt. Dringt Rauch in den Rauchmelder ein, so wird das Licht der LED auf die Photodiode reflektiert und somit eine Spannung erzeugt.

Die Detektion erfolgt in zwei Phasen:
• In der ersten Phase ist die LED aus und somit werden AMP1_P, ANA_IN1 und AMP1_OUT kurzgeschlossen. Dies bewirkt die Entladung von C1 und C2.
• In der zweiten Phase wird die LED kurz eingeschaltet. Sollte vorhandener Rauch zu Reflektionen führen, so wird im Verhältnis der beiden Kondensatoren C1 und C2 die Eingangsspannung durch AMP1 verstärkt. Der Schwellwert für die Erkennung wird durch die Spannung VREF1 eingestellt.

Neben der SCM bietet die SA-Einheit aber auch noch weitere Funktionen. So können die Counter-Einheiten verwendet werden, um Impulse zu zählen und beim Erreichen einer vorkonfigurierten Anzahl von Ereignissen das System aufzuwecken. Zu beachten ist das integrierte “Entprell“ Modul, das nur “echte“ Ereignisse an den Zähler weiter gibt. Auf ähnliche Weise können auch periodische Ereignisse zum Aufwecken des Systems verwendet werden. Es ist sogar möglich, Ereignisse über einen definierten Zeitraum zu zählen und das System nur aufzuwecken, wenn eine definierte Anzahl von Ereignissen im gewählten Zeitraum stattgefunden hat. Des Weiteren können auch PWM Signale generiert werden, die auch im Sleep Mode zur Verfügung stehen.

Die oben aufgeführten Beispiele zeigen nur einen kleinen Auszug aus den vorhandenen Möglichkeiten der SA Einheit. Es lassen sich alle Funktionen in großen Bereichen variieren und konfigurieren, was eine schier unbegrenzte Anzahl von Anwendungen erlaubt.

Software:
Die DSP Group versteht sich als System Lieferant und nicht nur als Chip Hersteller. Alle Integrierten Schaltungen werden mit einem umfangreichen Software Paket angeboten. Diese beinhalten Operating System (embedded oder Linux), DECT Stack, DECT-ULE Stack, Audio Funktionen wie Codecs und Echounterdrücker sowie umfangreiche Beispielanwendungen.

Über die DSP Group

Mit einem Marktanteil von 70% ist die DSP Group im Bereich DECT Marktführer und an der DECT-ULE Standardisierung federführend im DECT Forum, der ULE Allianz und im ETSI Gremium beteiligt. Anwendungen für Home Automation wurden von der DSP Group eigenständig entwickelt und im Hinblick auf Kosten und Low Power konsequent weiterentwickelt. Die DSP Group bietet Komplettlösungen mit den zugehörigen Protokollen an. DECT-ULE Referenzimplementierungen für verschieden Anwendungsbereiche der Hausautomatisierung sind verfügbar und können vom Kunden angepasst werden. Mit Partnern aus der Industrie können auch komplexe Systemlösungen angeboten werden. Als führender Hersteller bietet DSP Group ein breites Produktportfolio an, welches ICs, Protokoll Stack und Applikationen, HW und SW Referenzdesigns als „One Stop Shop“ abdeckt.

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Blockschaltbild: DHX91 (Die SA-Einheit wird aus den rot umrahmten Blöcken gebildet)
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Blockschaltbild SCM: Sensor Conditioning Module
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Schaltungsbeispiel: PIR (Passive Infrared Sensor)
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Schaltungsbeispiel: Rauchmelder
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Blockschaltbild: Counter Compare Einheit
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Blockschaltbild: Counter Compare Einheit

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