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Heutzutage wird der Mensch überall mit Radiowellen konfrontiert. Viele von uns benutzen Funkthermometer oder das mobile GSM-Funktelefon (Handy), ohne sich der komplexen Vorgänge und der sehr anspruchsvollen Technik bewusst zu sein. Das brauchen wir auch nicht. Es kann kein Mensch direkt zu Schaden kommen, wenn die angezeigte Temperatur falsch ist, oder das Funkgespräch abbricht.
Ganz anders ist es bei uns Modellfliegern. Wir bewegen oft größere Modelle mit erheblichen Geschwindigkeiten in der Nähe von Menschen. Um der Gefahr eines Unfalls aus dem Weg zu gehen, sollten wir unsere Befehlsübertragung zum Modell zuerst verstehen und dann entsprechend der Anwendung optimieren. Die gesamte Signalkette, von der Pilotenhand bis zum Ruder im Modell, beinhaltet Abschnitte, die wir heute sehr gut kontrollieren können: das Abtasten der Steuerknüppel im Sender, mixen mit anderen Befehlen, Generieren und Abstrahlen des Radiosignals, oder am Ende der Kette das Ausführen der Bewegung mittels des Ruder Servos.
Zwischen Sender und Empfänger
Der Abschnitt zwischen dem Sender und dem Empfänger wird leider durch viele denkbare Einflüsse gestört. Dazu gehören selbst verursachte Einflüsse, wie Kommutatorfunken im Antriebsmotor, eine falsch verlegte Antenne, oder fremde Einflüsse, wie allgemeine HF-Verseuchung unserer Landschaft durch feste, aber unbekannte Funkstrecken, Fernseh- und Radiosender oder mobile Kommunikation. Von Kanaldoppelbelegung will ich hier absehen.
Auf der anderen Seite steht die Fernsteueraufgabe, die für einen langsamen, stabilen Zwei-Achsen Softliner/Floater, der auch einige Sekunden allein fliegen kann, anders aussieht als für einen agilen Hubschrauber, der sofort, wegen der prinzipiellen Instabilität, abstürzen kann. Die Wiederholrate der RC-Steuerbefehle steht, infolge der Sicherheitsanforderungen, im direkten Zusammenhang mit der Servofolgegenauigkeit, einem tolerierbaren Übertragungsausfall und der Möglichkeit, Störmeldungen an den Piloten zu senden, um ihm aus Sicherheitsgründen die vorzeitige Landung zu empfehlen.
FM -Sender für PPM und PCM
Oft werden, im Unterschied zu PCM, PPM-Anlagen als FM bezeichnet. Man könnte meinen, PCM sei kein FM. Das ist falsch. PPM und PCM bedienen sich der gleichen Frequenzmodulation (FM) des 35 MHz-HF-Trägers. Die Funkkanäle sind 10kHz breit, d.h. Kanal 68 mit einer nominalen Frequenz von f = 35,080 MHz belegt einen Kanal von 35,076-35,084. Der Kanal 69 wiederum von 35,086-35,094. Zwischen den Kanälen gibt es ein Schutzband von ca. 2 kHz. Dabei ist der Sender ein binärer (nur zwei Zustände) FSK-Sender (Frequency Shift Keying), d.h., er sendet nur zwei Frequenzen, oberhalb der Kanalmitte f+b, oder unterhalb, f-b. Dabei macht der Modulationshub, 2*b, ca. 3 kHz aus. Dadurch muss der Demodulator im Empfänger sich nur zwischen den zwei Frequenzen entscheiden. Das ist viel einfacher als bei einem linearen Stereo FM-Sender, wo der Demodulator unzählige Zustände, die die Musik repräsentieren, ausgibt. Der HF-Sender ist also für beide Modulationsarten gleich. Worin also besteht der Unterschied?
PPM - Pulse Position Modulation
Nachdem die Elektronik die Position der Knüppel, Steller und Schalter im Sender ausgewertet hat, erzeugt sie acht Pulse. Die Pulslänge entspricht der Knüppelposition: ganz links 1 ms, Mitte 1.5 ms und ganz rechts 2 ms. Acht solcher Pulse werden aneinander gereiht und mit einem überlangen Startpuls bis auf die Frame-Länge von 22.5 ms ergänzt. Der Startpuls kann also zwischen 22.5 -8*2 = 6.5 ms und 22.5-8*1 = 16.5ms varüeren, ist also deutlich länger, als je ein Kanalpuls sein könnte. Die 1-2ms Pulse bestehen tatsächlich aus 0.7 -1.7 ms High-Phase und 0.3 ms Low-Phase. Die High-Phase entspricht einer f+b Sendefrequenz, die Low-Phase einer f-b Sendefrequenz. Somit sendet der Sender abwechselnd f+b und f-b.
Hier die Struktur der PPM-Frame.
Da oft fälschlicherweise behauptet wird, dass PCM bis zu zehnmal mehr Informationen in derselben Bandbreite übertragen können, da 10 Bits anstatt eines PPM-Pulses pro Kanal übermittelt werden, schauen wir uns die höchste Modulationsfrequenz bei PPM an. Diese 0.3 ms Low-Phase entspricht einem Halbsinus einer Frequenz von 0.5/0.3 rns = 1.66 kHz. Wie wir sehen werden, ist das der gleiche Wert wie beim PCM. Sonst könnte man nicht den gleichen 10 kHz-Kanalabstand verwenden und auch nicht den gleichen HF-Teil eines RC-Empfängers.
PPM Vorteile und Nachteile auf einen Blick
PCM - Pulse Code Modulation
Mitte der 80er Jahre, dank der aufkommenden günstigen Mikroprozessortechnik, war es endlich möglich, den störempfindlichen Abschnitt der Übertragungskette vom Piloten bis zum Servo im Modell durch spezielle Kodierung gegen Fehler zu sichern. Natürlich müssen dann gleichermaßen Sender und Empfänger einen Prozessor besitzen, der diese Kodierung im Sender und die Dekodierung im Empfänger erledigt. Speziell im Empfänger ist der Mikroprozessor heutzutage extrem klein, ca. 10 x 10 mm. Da schon bei PPM ein sehr einfacher binärer (zwei Zustände) FSK -Sender verwendet wurde, ist er gut geeignet, um Sequenzen von 1 und 0 zu übertragen.
Die digitale Nachrichtenübertragung ist natürlich in der Lage, nicht nur die Servopulse aufzunehmen, sondern jegliche Art von Nachrichten, wie zusätzliche Prüfsummen, Fail-Safe-Werte oder sogar die Kennung des zu fliegenden Modells zu senden. Man wollte natürlich nicht dem PPM in der Stellgenauigkeit und der Wiederholrate nachstehen. Daraus ergaben sich zuerst Bandbreiten Probleme, d.h. zu viele Bits mussten in der kurzen Rahmenzeit (engl. Frame) von 20 - 25 ms übertragen werden.
PCM -viele Bits
Die Positionen der Steller, Schalter und Schieber, die zuerst als analoge Spannung eines Potentiometers oder Schalters vorliegen, werden mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert, d.h. sie liegen als eine 8 bis 10 Bits (256bis 1024 Stufen) Zahl vor. Für acht bis zehn Servos ergeben sich damit schon 80 -100 Bits. Addiert man noch die Prüfsumme von 16 -32 Bits pro Frame, Synchrosequenzen und Fail-Safe-Werte hinzu, bekommt man schon eine Bitzahl von 100 -160 für eine komplette Nachrichtenübertragung (Frame). Eine Bitlänge bei Graupner und Robbe ist 0.3 ms, 100 -160 Bits benötigen damit 30-48 ms Rahmenzeit, wesentlich länger als die 22.5 ms bei PPM. Wählt man noch sichere Bitlängen und zwölf Kanäle, vergrößert sich die Zeit auf 55 ms, wie bei Simprop (System 90), wobei nur sechs Kanäle proportional sind und sechs als Schaltkanäle dienen.
Jeder erkennt sofort, dass eine Verkürzung der Rahmenzeit ohne Datenkompression, ohne Verringerung der Stellgenauigkeit oder Kanalzahl, nicht möglich ist.
An dieser Stelle muss gesagt werden, dass Verfahren wie WinZIP, lha oder arj, die in der Computertechnik große Dateien komprimieren, hier nicht benutzt werden können. Diese Verfahren sehen die ganze Datei auf einmal und können eine lange (bis 1024 Einträge) Worttabelle für diese Datei bilden. Somit kann z.B. ein 10 Byte langes, oft vorkommendes Wort, durch nur 1 Byte ersetzt werden. Bei PCM, wie auch bei jeder anderen Echtzeitübertragung, weiß der Komprimierungsalgorithmus nicht, was beispielsweise in den nächsten drei Minuten für Servostellungen wie oft wiederkehren werden, um sie durch kürzere Bitsequenzen zu ersetzen.
PCM -Übertragung
Um die Uebertragung zu synchronisieren, werden beim heutigen PCM zwei Verfahren verwendet: ein langer Startpuls, bestehend aus so vielen Bits "0" oder "1", dass sie niemals mit Daten verwechselt werden können, oder der sogenannte Halbbitpuls, z.B. 2,5 Bits, der auch nie zu den Daten gehören kann. Danach folgt meistens eine Synchronisationssequenz, um die Empfangs-Clock zu stellen. Das ist die Uhr, die Mitten der Bits bei Empfang abtastet. Somit wird sichtbar, dass an der Reichweitengrenze, wo bei PPM wegen des überlagerten Rauschens schon die Servos stark zittern, weil die Pulsflanken varrieren (bis +/-30 us), bei PCM alle Servos ruhig bleiben, da eine Reserve von einem Halbbit, also 150 us, vorliegt und dadurch keine Bits falsch verstanden werden.
Dann kommen die Servodaten, meistens in einigen Blöcken, deren Inhalt variabel sein kann. Anschließend kommen die organisatorischen Daten, wie Kanalnummern oder Fail-Safe-Modus und Fail-Safe-Werte. Ganz am Ende kommt die Prüfsumme in Form einer 16 Bit langen CRC (Cyclic Redundancy Check). Es ist der Rest aus der Division der ganzen Nachricht durch ein Polynom 16. Ordnung. Diese Methode ist so sicher, dass Hunderte von Jahren vergehen können, bis ein Fehler vorkommt. Gleichzeitig ist die Berechnung einfach in dem Empfangerprozessor zu realisieren. Diese Methode kann Bit-Fehler erkennen, aber keinen einzigen Fehler korrigieren.
Das bedeutet, hat sich unter den ca. 100 -160 Bits des gesamten Frames ein einziger Fehler eingeschlichen, fällt die Prüfsumme durch und die gesamte Nachricht wird verworfen.
Die Servos kriegen die letzte richtig empfangene Position, bis wieder korrekte Daten kommen. Kommen sie aber nicht innerhalb der eingestellten Zeit (0.25-1 Sek), tritt das Fail-Safe ein. Je nach Einstellung eine vorgewählte und im Sender definierte Servoposition, oder die letzte richtig empfangene Position.
Dass schon ein Übertragungsfehler von einem Prozent zum Ausfall der gesamten Übertragungsstrecke führt, ist ein gravierender Nachteil, der mit aufwendigeren und redundanten Kodierungen zu beheben wäre. Eine Audio-CD ist ein gutes Beispiel dafür. Sie kann sogar einen Kratzer der Breite von insgesamt 17 Bit-Fehlern klaglos überstehen, braucht dafür aber 30% mehr Datenbits.
In unsere RC-Steuerung ist die Redundanz in der hohen Wiederholmte vorhanden. Die Servos können nicht mehr als 10-15 unterschiedliche Positionen in der Sekunde verarbeiten. Sie bekommen aber 45 -60 Pulse/Sek. Wird eine Servoposition wegen eines Übertragungsfehlers wiederholt, ist das unkritisch. Um jedoch die Dauer des Ausfalls zu verkleinern, hat Graupner in dem SPCM20 (mc 24) und Robbe in dem PCM1024 (FC 16/18/28) Unterblöcke innerhalb eines Frames durch getrennte CRC-Prüfsummen gesichert. Somit wird nicht der ganze Frame verworfen, sondern nur ein Teil. Aber sehen wir, wie die einzelnen Hersteller das PCM realisiert haben.
PCM - unterschiedliche Systeme
Struktur alle heute benutzten PCM Systeme
Graupner besitzt zZ. zwei PCM Systeme auf dem Markt. Das PCM der mc 16/18/20 benutzt eine Kanalverschachtelung (Interlasing), d,h alle 21,77 ms werden die Kanäle 1 oder 5, 2 oder 6, 3 oder 7 und 4 oder 8 gesendet, wie 50 Hz Halbbilder beim Fernsehen, die ein 25 Hz Vollbild ergeben, Damit würde jedoch die Wiederholrate für den Kanal 1 zwei ganze Frames, also 43,5 ms betragen. Wenn aber Kanal 5 sich nicht verändert und Kanal 1 neue Daten aufweist, wird anstelle des Kanals 5 der Kanal 1 gesendet, mit der doppelten Schnelligkeit, also alle 21,77 ms. Die Information, welche Kanäle gerade in dem empfangenem Frame vorliegen, wird natürlich mitübertragen. Die Stellgenauigkeit beträgt neun Bits. Bei einem Bitfehler fallen 21,77 ms lang Daten aus. Legt man die schnellen Kanäle in den Block 1-4 und die langsameren in den Block 5-8 wird die optimale Ausnutzung der Übertragungsstrecke erreicht.
Das SPCM20 der mc 24 von Graupner ist eine Weiterentwicklung des vorherigen Systems. Um die Ausfallzeit zu verringern, wurden kleinere Datenblöcke von 10.65 ms gebildet. Vier solcher Blöcke bilden eine komplette Datenübertragung von 44 ms, innerhalb deren jedes Servo zweimal Daten erhält (21.30 ms Frame). Die Stellgenauigkeit ist zehn Bits.
Simprop PCM (System 90) verwendet einen direkten Ansatz. Eine Frame dauert 55 ms und beinhaltet sechs Datenblöcke für jeweils einen Proportionalkanal mit acht Bits und einen Schaltkanal mit drei Bits. Jeder Datenblock, also jeder Kanal für sich, ist getrennt gesichert, so dass nicht gleich der ganze Frame verworfen wird. Die schwache Sicherung durch ein Parity Bit übersieht natürlich Doppelfehler, die jedoch äußerst selten vorkommen.
Multiplex hatte ein PCM System, das nicht weiter vertrieben wird. Ein verbessertes PPM namens IPD (Intelligent Pulse Decoding) tritt an dessen Stelle.
Robbe Futaba PCM1024 geht einen interessanten Weg, der die schnellste Wiederholrate bringt. Durch die Differentialkodierung sinkt nämlich die Anzahl der Bits/Kanal für zwei Frames von 20 (2*10) auf 14 (10+4) und somit auch die Rahmenzeit Wiederholzeit auf 14.25 ms. In dem ersten Frame wird also der Absolutwert gesendet und im zweiten Frame nur die relative Änderung. Die komplette Übertragung, zweimal alle Kanäle, dauert weniger als 30 ms. Bei einem Bitfehler wird ein Block von 14.25 ms verworfen. Die Stellgenauigkeit beträgt zehn Bits.
PCM Vorteile und Nachteile auf einen Blick
PCM und PPM Messungen
Ich habe das Graupner PCM und Robbe PCM1024 an einem Code Analyzer / Memory Digital Scope untersucht. Beide Systeme sind sehr ausgereift und es war nicht möglich, sie durch schlechte Synchronisation oder Störsendererüberlagerung dazu zu bringen, falsche Servopulse auszugeben; dank der CRC-Prüfsumme natürlich. Obwohl sie so viele Bits pro Frame fehlerfrei übertragen müssen, waren sie im Rauschtest (Reichweitengrenze) sogar besser als ein extrem empfindlicher PPM-Empfänger. Bei diesem waren die Servopulse schon sehr gestört, als der F-149DP (Robbe) noch immer keine Pulswiederholung (Hold) benutzen musste, um die Fehler zu überblenden.
Um diese eventuelle Wiederholung der Pulse bei PCM (Hold) festzustellen, habe ich im Sender einen 0.5 Hz Rampengenerator, anstatt eines Knüppels, eingebaut und die Servopulslängen digital für PPM und PCM registriert. Anschließend wurden die Pulslängen gegenüber dem Sollwert graphisch dargestellt und die Abweichungen bestimmt. Der Sollwert veränderte sich innerhalb von zwei Sekunden langsam von 1 ms auf 2 ms und zurück. Bei dem eingestellten, extrem schwachen Empfangssignal variierten die PPM-Pulse um den Sollwert im Schnitt um 9 us (Standardabweichung). Die PCM-Pulse blieben immer auf dem Sollwert. Somit ist die Behauptung widerlegt, dass PPM eine größere Reichweite als PCM hätte.
PCM Fazit
Da die PCM-Modulation meistens mit exzellenten Doppelsuperhet Empfänger gepaart wird, erreicht sie ein Höchstmaß an Übertragungssicherheit.
Was ich jedoch dem System ankreide, ist die fehlende Anzeige der Übertragungsstreckenqualität, z.B. bei einem "50 m-eingeschobene-Antenne-Test" (z.B. blinkende LED für jeden gestörten Frame). Mit dieser Anzeige wäre es möglich, die Sicherheit schon vor dem Start und auch nach einem Flug zu überprüfen. Es wäre sehr einfach, dank des vorhandenen Prozessors, eine Kanalfrequenzwahl, mittels PLL, zu realisieren.
Eine "Black Box" in Form vom nichtflüchtigen Speicher (sehr klein, 8 Pin EEROM) könnte die Anzahl der Störungen und deren Länge sowie Signalstärke kontinuerlich speichern. Auf einem PC oder auch dem schon vorhandenen Senderdisplay könnte man sie entweder auf dem Flugfeld oder zu Hause auslesen. Auch die mitgespeicherte Kanalbelegung des eigenen Kanals, wie des Nachbarkanals könnte durchaus weiterhelfen.
PPM Ausblick
Auch auf dem PPM-Sektor kann man Verbesserungen erwarten, wie das IPD von Multiplex, SCAN-PLL von ACT, oder SCAN2000 von Simprop beweisen.
Mit Hilfe eines Prozessors im Empfänger ist eine Überprüfung der Länge und Anzahl der RC-Pulse ohne weiteres möglich. Fail-Safe und Hold, bisher exklusive Vorteile von PCM, können realisiert werden. Die Stellgenauigkeit des PCM, speziell an der Reichweitengrenze, lässt sich in PPM allerdings nicht realisieren. Ist die Störung gering, kann auch der Prozessor einen falschen Puls nicht von einem richtigen unterscheiden. So ganz kann es halt PCM nicht ersetzen.
PCM -Was bringt es im Hubschrauber?
Nicht weniger, dafür aber schönere Abstürze, könnte man etwas lapidar antworten. Doch so einfach sollte man es sich nicht machen, überlegt eingesetzt, kann PCM tatsächlich einen Sicherheitsgewinn bedeuten. Als Nachteil muss man beim PCM-Betrieb ganz klar sehen, dass das "Ausblenden" möglicher Störungen jeglicher Coleur natürlich auch das frühzeitige Erkennen dieser Störungen unmöglich macht. Also sollte man zumindest die Reaktion des Empfangers auf fehlende oder falsche Signale als Sicherheitsgewinn nutzen.
Der absolute Supergau ist doch die Möglichkeit, dass der Heli im stabilen Vorwärtsflug nicht mehr auf Steuerimpulse reagiert und somit ungesteuert mit voller Drehzahl, vielleicht ca. 1.800 bis 1.900 U/min, in Richtung Autobahn oder auf eine Menschengruppe zufliegt. In diesem Falle, der gar nicht soweit hergeholt ist, ist das Wohl des Helis absolut zweitrangig, hier ist nur wichtig, dass er so schnell wie möglich runterkommt, und dies mit möglichst wenig Drehzahl am Rotor, weil gerade diese die eigentliche Gefahr für Menschen bedeutet.
Die recht einfache Lösung für diese Fail-Safe-Situation:
Gasservo auf Leerlauf programmieren, Pitchservo vielleicht auf
1 bis 20 und schon ist die Wucht und Unberechenbarkeit des unkontrollierbaren
Hubschraubers auf ein erträgliches und überschaubares
Maß begrenzt. Wer schon mal miterleben musste, mit welcher
ungeheuerlichen Wucht ein voll drehender Rotor in einen Menschen
einschlägt, kann ermessen, welch eine Schadensbegrenzung
im weitesten Sinne allein schon die Leerlaufstellung des Motors
bedeuten kann. Dass damit natürlich auch der Heli generell
zum Absturz verdammt ist, sollte absolut zweitrangig sein, er
ist nur ein Haufen Blech,
der Mensch muss immer wichtiger sein.
Mit dieser einfachen Vorgabe können die vorhandenen Möglichkeiten der PCM-Modulation optimal in zusätzliche Schadensbegrenzung angesetzt werden.
Vom Autor heute:
Ich verwende im E-Segelflug gleichermassen PPM und PCM (Robbe), jedoch für Hubschrauber empfehle ich ausschließlich PCM. Wärem die PCM-Empfänger günstiger, würde ich sie überall anwenden.