Hoogwaardige ISM-radioband zendontvanger, ontvanger en zender – Sub 1GHz, 2,4GHz & 5GHz oplossingen voor industriële toepassingen

ISM (Industrial, Scientific and Medical) verwijst naar radiofrequentiebanden die oorspronkelijk waren bestemd voor industriële, wetenschappelijke en medische toepassingen en die zonder vergunning kunnen worden gebruikt. Apparaten die binnen ISM-banden werken, hebben alleen een algemene frequentietoewijzing nodig en geen individuele vergunningen. Sommige ISM-banden worden ook veel gebruikt voor audio-, video- en gegevensoverdracht, zoals Wi-Fi en Bluetooth.

Het gebruik van deze banden wordt geregeld door algemene frequentietoewijzingen die zijn gepubliceerd door nationale regelgevende instanties, zoals de Duitse "Bundesnetzagentur".

De volgende frequentiebereiken zijn wereldwijd toegewezen voor ISM-gebruik:

• 6,765 MHz – 6,795 MHz
• 13,553 MHz – 13,567 MHz
• 26,957 MHz – 27,283 MHz
• 40,66 MHz – 40,70 MHz
• 433,05 MHz – 434,79 MHz
• 902 MHz – 928 MHz
• 2,4 GHz – 2,5 GHz
• 5,725 GHz – 5,875 GHz
• 24 GHz – 24,25 GHz
• 61 GHz – 61,5 GHz
• 122 GHz – 123 GHz
• 244 GHz – 246 GHz

In sommige gevallen is voor het gebruik van deze banden nog steeds toestemming van regionale autoriteiten vereist. In Duitsland zijn ook het bereik 9–10 kHz en de frequentie 150 MHz toegewezen als ISM-banden. Veelvoorkomende toepassingen zijn magnetrons, Wi-Fi, Bluetooth, babyfoons, radardetectoren, afstandsbedieningen en nog veel meer

SRD (Short Range Devices) verwijst naar radio-toepassingen met een laag vermogen en een beperkt bereik. Deze frequentiebanden zijn in veel landen genormaliseerd en worden gebruikt voor afstandsbedieningen, sensoren en domoticasystemen. SRD’s zijn radioapparaten voor algemeen gebruik, die worden gekenmerkt door een laag zendvermogen en een beperkt bereik.

Naleving van nationale en internationale normen is vereist, wat bijvoorbeeld wordt aangegeven door de CE-markering.

SRD’s werken op verschillende frequenties, afhankelijk van de regio en de toepassing.

Dit zijn de belangrijkste frequentiebereiken:

• 6,765–6,795 MHz: max. magnetische veldsterkte van 125 µA/m op 10 m.
• 13,553–13,567 MHz: 10 mW ERP.
• 26,957–27,283 MHz: 10 mW ERP.
• 40,660–40,700 MHz: 10 mW ERP.
• 149,025–149,1125 MHz: Toepassingen zoals Freenet in Duitsland.
• 169,400–169,8125 MHz: Variërende vermogensniveaus (10 mW tot 500 mW).
• 433,05–434,79 MHz: Voorheen LPD; nu SRD met beperkingen in Europa.
• 446,0–446,2 MHz: PMR-radio (Personal Mobile Radio) met analoge en digitale kanalen (tot 500 mW ERP). -863–870 MHz: Opgesplitst in subbanden voor verschillende toepassingen.
• 2,4 GHz en hoger: Draadloze technologieën zoals Wi-Fi

• ISM-banden waren oorspronkelijk bedoeld voor industrieel, wetenschappelijk en medisch gebruik, maar worden nu algemeen gebruikt voor algemene communicatie. SRD-banden zijn specifiek gereserveerd voor korteafstandsradio en zijn onderworpen aan strengere beperkingen van zendvermogen en bandbreedte

Hoewel licentievrij, gelden er verschillende beperkingen:

• Maximale zendvermogen (bijv. doorgaans 25 mW bij 868 MHz in Europa).
• Beperkingen op de werkcyclus (d.w.z. beperkte zendtijd).
• Regionale frequentievoorschriften.
• Naleving van CE- (Europa) of FCC-normen (VS).

Wettelijke beperkingen op het zendvermogen van ISM- en SRD-apparaten variëren per frequentieband en regio. Hieronder volgen de belangrijkste vereisten:

ISM-banden: Het zendvermogen in ISM-banden is beperkt door nationale en internationale regelgeving om interferentie met andere diensten te voorkomen.

Voorbeelden:

• 2,4–2,5 GHz: max. 100 mW (20 dBm) voor Wi-Fi en Bluetooth (Europa).
• 433,05–434,79 MHz: max. 10 mW ERP (Europa).
• 5,725–5,875 GHz: max. 25 mW (Europa).
• 13,553–13,567 MHz: max. 10 mW ERP.

ISM-apparaten moeten voldoen aan de elektromagnetische compatibiliteitseisen (EMC) en mogen geen storing veroorzaken bij andere diensten.

SRD-banden: SRD-apparaten hebben specifieke beperkingen met betrekking tot het zendvermogen of de veldsterkte, afhankelijk van de frequentieband:

• 6,765–6,795 MHz: Max. 42 dBµA/m op 10 m.
• 863–870 MHz: Max. 25 mW ERP (bijv. slimme apparaten voor thuisgebruik).
• 446 MHz: Max. 500 mW ERP voor PMR-radio’s.
• 24–24,25 GHz: Max. 100 mW ERP.

Apparaten moeten interferentie van andere diensten accepteren en werken zonder exclusieve rechten op de toegang tot het spectrum.

In sommige frequentiebereiken gelden aanvullende technische vereisten, zoals:

• Dynamische frequentieselectie (DFS) en zendvermogensregeling (TPC) in de 5 GHz-band.
• Alleen gebruik binnenshuis op sommige banden (bijv. 5,150–5,350 GHz).

ISM- en SRD-banden worden voor verschillende toepassingen gebruikt. Hier volgen enkele typische toepassingsgebieden:

ISM-banden: Draadloze communicatie: Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, NFC, LoRa, Z-Wave, Thread.

• RFID: gebruikt op 13,56 MHz en 915 MHz voor toegangscontrole, logistiek en betalingen.
• Medische technologie: diathermie, hyperthermie, microgolfablatie.
• Huishouden: magnetrons, inductieverwarming.
• Industrie: RF-lassen, radarsystemen.

SRD-banden:

• Beveiliging: rookmelders, bewegings­sensoren, persoonlijke alarmen.
• Automotive: autosleutels, garagedeuropeners, voertuigradar.
• Afstandsbediening: draadloze thermostaten, modelbesturing, domotica.
• Medische implantaten: Pacemakers, draadloze gezondheids­sensoren.
• Telemetrie: Slimme meters, verkeerssystemen, bewaking op afstand.

Zowel ISM- als SRD-banden bieden licentievrije opties met laag vermogen voor communicatie over korte afstanden

ISM- en SRD-banden zijn onderhevig aan verschillende interferenties en beperkingen die worden veroorzaakt door technische, wettelijke en fysieke factoren. Hier volgen de belangrijkste punten:

Interferentie:

1. Elektromagnetische interferentie (EMI):
   • ISM-apparaten, zoals magnetrons of industriële RF-toepassingen, genereren sterke elektromagnetische velden die de radiocommunicatie binnen dezelfde frequentiebanden kunnen verstoren.
   • SRD-apparaten kunnen elkaar storen, vooral wanneer het spectrum intensief wordt gebruikt en er geen synchronisatie is, wat kan leiden tot botsingen bij de toegang tot kanalen.
2. Overbelasting door hoge gebruiksdichtheid:
   • Intensief gebruikte banden, zoals de 2,4 GHz ISM-band, worden vaak gedeeld door Wi-Fi, Bluetooth en andere toepassingen, wat de betrouwbaarheid van de communicatie kan beïnvloeden.
3. Onbedoelde emissies:
   • Apparaten kunnen onbedoelde signalen uitzenden buiten hun toegewezen frequentiebanden/kanalen, waardoor interferentie met aangrenzende diensten ontstaat. Dergelijke emissies zijn strikt gereguleerd.
4. Botsingen bij kanaaltoegang:
   • In SRD-banden kunnen signaalbotsingen optreden als gevolg van niet-gesynchroniseerde spectrumtoegangsmethoden (bijvoorbeeld wanneer onafhankelijke radiosystemen hetzelfde kanaal in elkaars nabijheid gebruiken), waardoor het spectrumgebruik minder efficiënt wordt.

Beperkingen:

5. Beperkt zendvermogen:
   • Het maximale zendvermogen is afhankelijk van de frequentieband (bijvoorbeeld 100 mW in de 2,4 GHz-band voor ISM-apparaten en maximaal 25 mW in bepaalde SRD-banden).
6. Beperkingen van de werkcyclus:
   • SRD-apparaten mogen slechts gedurende een beperkte tijd zenden (bijvoorbeeld maximaal 10% van de tijd in bepaalde banden) om interferentie tot een minimum te beperken.
7. Frequentiebeperkingen:
   • Sommige frequentiebereiken zijn exclusief gereserveerd voor specifieke diensten of zijn onderworpen aan strenge beperkingen. Ze kunnen dus niet worden gebruikt door "niet-specifieke" korteafstandsapparaten.
8. Technische vereisten:
   • Functies zoals frequentie-agility (Adaptive Frequency Allocation) of "Listen Before Talk" moeten worden geïmplementeerd om de coëxistentie met andere apparaten te verbeteren.
9. Geen beschermingsrechten:
   • Gebruikers van ISM-banden zijn niet beschermd tegen interferentie veroorzaakt door andere ISM-apparaten; zij moeten dergelijke interferentie tolereren.

Samenvattend kan worden gesteld dat het gebruik van ISM- en SRD-banden een zorgvuldige planning vereist om interferentie te minimaliseren en te voldoen aan de wettelijke voorschriften

Als voorbeeld worden in de volgende lijsten de maximale zendvermogens of veldsterktelimieten weergegeven voor de meest gangbare ISM- en SRD-banden in Europa:

ISM-banden:

• 6,765–6,795 MHz: 42 dBµA/m @ 10 m
• 13,553–13,567 MHz: 10 mW ERP of 42 dBµA/m
• 26,957–27,283 MHz: 10 mW ERP of 42 dBµA/m
• 433,05–434,79 MHz: 10 mW ERP
• 2,4–2,5 GHz: 100 mW (20 dBm)
• 5,725–5,875 GHz: 25 mW
• 24–24,25 GHz: 100 mW ERP
• 61–61,5 GHz: 100 mW ERP

SRD-banden: Dezelfde waarden als hierboven, in geval van overlapping.

• 863–870 MHz:

• Algemeen: 25 mW ERP

• 869,4–869,65 MHz: 500 mW ERP (10% duty cycle)

• 446 MHz (PMR446): 500 mW ERP

• 57–64 GHz: 100 mW ERP voor breedbandgegevens

Beperkingen: Het gebruik van deze banden is onderworpen aan aanvullende eisen, zoals beperkingen van de werkcyclus (bijv. max. 1% of 10% zendtijd) en technieken voor interferentiebeperking (bijv. DFS en TPC)

Het bereik is afhankelijk van de frequentie, het zendvermogen, de gevoeligheid van de ontvanger, de omgevingsomstandigheden, de antenne-eigenschappen en andere factoren. Muren, gebouwen en storingen kunnen het bereik aanzienlijk verminderen.

Een specifiek bereik kan alleen onder duidelijk gedefinieerde omstandigheden worden opgegeven.

Het bereik kan theoretisch worden berekend met behulp van het linkbudget en de "vrije ruimteformule". Het daadwerkelijk haalbare bereik moet echter in de praktijk met de specifieke RF-modules worden gecontroleerd

Het optimaliseren van het radiotrafiek in de ISM- en SRD-banden kan worden bereikt door middel van verschillende technische en organisatorische maatregelen. Hieronder volgen de belangrijkste benaderingen:

Technische maatregelen:

1. Antenne-implementatie:
   • Selectie van een antenne die geschikt is voor en efficiënt werkt in de beoogde toepassingsomgeving
   • Optimalisatie van de antenne-installatie binnen de toepassingsomgeving
2. Antenne-aanpassing:
   • Een goede afstemming tussen de antenne en de RFIO van de zendontvanger is ook een belangrijke factor voor een goede en efficiënte radiocommunicatie
   • De antenne-afstemming moet worden gecontroleerd en geoptimaliseerd in de uiteindelijke toepassingsomgeving
3. Frequentiebeheer:
   • Dynamische frequentieselectie (DFS) en spectrumdetectietechnieken kunnen interferentie minimaliseren door vrije kanalen te identificeren en te gebruiken.
4. Optimalisatie van frequentiespringtechnieken:
   • Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) vermindert interferentie door transmissies over meerdere draaggolffrequenties te verdelen. Dit is vooral nuttig bij druk bezette banden, zoals de 2,4 GHz-band.
5. Duty Cycle Limits:
   • Het beperken van de transmissietijd (bijv. 1% of 10%) vermindert interferentie en maakt het mogelijk dat meerdere apparaten binnen dezelfde band naast elkaar bestaan.
6. Signaalfiltering:
   • Het gebruik van hoogwaardige filters kan helpen om ongewenste emissies in zenders te verminderen en de selectiviteit van ontvangers te verbeteren.
7. Adaptieve modulatie en codering:
   • Het aanpassen van modulatie- en coderingsschema’s aan de kanaalomstandigheden verhoogt de robuustheid van de communicatie.

Organisatorische maatregelen:

1. Coëxistentieplanning:
   • Voordat draadloze systemen worden geïnstalleerd, moet potentiële interferentie van andere radiodiensten worden geanalyseerd en geminimaliseerd.
2. Spectrummonitoring:
   • Regelmatige controle van de gebruikte frequenties zorgt ervoor dat er geen ongeoorloofde interferentie optreedt.
3. Naleving van normen:
   • Naleving van internationale en – indien van toepassing – nationale normen, zoals CE-markering en specifieke frequentietoewijzingen, garandeert een storingsvrije werking.

Toepassingsvoorbeelden

• In industriële toepassingen kunnen LPWAN-technologieën zoals LoRa worden geoptimaliseerd door middel van effectief frequentiebeheer.
• Voor Bluetooth- en WLAN-apparaten die parallel werken in de 2,4 GHz-band, helpen technieken zoals DSSS en FHSS (Direct Sequence en Frequency Hopping Spread Spectrum) om interferenties te verminderen.

Deze maatregelen kunnen de efficiëntie en betrouwbaarheid van draadloze communicatie in ISM- en SRD-banden aanzienlijk verbeteren