Die Zukunft gehört den Funk-Fernbedienungen

Die Zukunft gehört den Funk-Fernbedienungen
Von (Leon Tan, Product Marketing Engineer Senior, Cypress Semiconductor)
Fernbedienungen sind Teil des täglichen Lebens
Überlegen Sie einmal, wie viele Fernbedienungen Sie besitzen. Nicht gerade wenige vermutlich. Marktstudien drücken es
etwas genauer aus: demnach liegen auf jedem Wohnzimmertisch durchschnittlich drei Fernbedienungen. Im vergangenen
Jahr wurden 600 Millionen Fernbedienungen verkauft, und die durchschnittliche jährliche Zuwachsrate bis 2010 soll 7 %
betragen. Galten Fernbedienungen traditionell als etwas, was im Lieferumfang anderer Geräte enthalten war, wandelt sich ihre
Rolle angesichts des Trends zum digitalen Wohnzimmer. Woraus nicht geschlossen werden kann, Fernbedienungen wären
nicht schon heute ein fester Bestandteil unseres täglichen Lebens. Bedenkt man, dass das Fernsehgerät in einem
durchschnittlichen US-amerikanischen Haushalt acht Stunden pro Tag in Betrieb ist, kommen wöchentlich mindestens 300
Tastendrücke auf der Fernbedienung zusammen.
Das Zusammenwachsen der Medien im Wohnzimmer verzeichnet entscheidende Fortschritte. Digitale Fernsehgeräte sind
mittlerweile erschwinglich, und DVRs/PVRs (Digital Video Recorder/Personal Video Recorder) wie TiVo und ON DEMAND
Video Streaming Services werden zusehends beliebter. Da nunmehr auch Firmen wie Microsoft und Apple dabei sind, HomeEntertainment-Produkte auf dem Markt zu platzieren, steht das High-Tech-Wohnzimmer unmittelbar bevor. Eine Folge dieses
Paradigmenwechsels ist, dass Fernbedienungen heute mehr leisten müssen als nur die Steuerung eines einzelnen Geräts.
Die Grenzen der Infrarottechnik
Zwar gab es die ersten Fernbedienungen bereits in den 1950er Jahren, doch erst die Nutzung der Infrarottechnik ab Anfang
der 1980er Jahre brachte den Durchbruch, infolgedessen sich Fernbedienungen auf breiter Front in der Consumer-Elektronik
etablieren konnten. IR-Fernbedienungen boten den Herstellern eine einfache und zugleich kostengünstige Möglichkeit,
bestimmte Tasten eindeutig mit bestimmten Funktionen zu belegen und eine nahezu unendliche Vielfalt von Marken, Modellen
und Gerätetypen zu unterstützen. Universal Electronics und Universal Remote Control sind zwei Indizien für die ungebrochene
Aktualität der IR-Fernbedienungen auch nach ca. 20 Jahren, denn einen Teil ihrer Einnahmen erwirtschaften diese
Unternehmen ausschließlich mit der Lizenzierung von Bibliotheken mit Fernbedienungs-Befehlen bzw. Codes.
Ohne Nachteile ist die IR-Technik gleichwohl nicht. Das augenfälligste Defizit ist die Notwendigkeit einer Sichtverbindung
zwischen Fernbedienung und Gerät. Mangels geeigneter Alternativen haben sich die Konsumenten über die Jahre mit dieser
Einschränkung abgefunden – wenn auch nicht ohne Murren. Hat man erst einmal herausgefunden, wo sich der IR-Empfänger
am jeweils genutzten Gerät befindet, hält man die Fernbedienung nach einiger Zeit unwillkürlich in die richtige Richtung.
Kompliziert werden die Dinge erst, wenn moderne Designvorstellungen ein minimalistisches Erscheinungsbild im
Wohnzimmer verlangen. Versenkt angeordnete oder verkleidete Anlagenteile sind für Infrarot-Fernbedienungen zwangsläufig
nicht mehr erreichbar.
Wie oft muss man eine Taste auf der Fernbedienung mehrfach drücken, um sicherzugehen, dass die Signale ihr Ziel
erreichen! Während Chipsatz-Hersteller wie Vishay und Panasonic für das Design hochwertiger Empfänger bekannt sind, ist
die Infrarot-Verbindung doch unidirektional und ohne Fehlererkennungs- und Korrekturfunktionen konzipiert. Bei
Fernsehgeräten mit Plasma-Bildschirm kommt hinzu, dass das Display einen Teil seiner Energie im Infrarot-Bereich abstrahlt,
was die Kommunikation zwischen Fernbedienung und Gerät beeinträchtigen kann. Diesbezügliche Bedenken sind nicht
unbegründet, wenn man überlegt, dass der Absatz digitaler Fernsehgeräte in diesem Jahr das Niveau konventioneller Geräte
erreichen wird. CFL-Hintergrundbeleuchtungen erzeugen ebenfalls Störungen im Infrarotbereich und könnten sich in nicht
allzu ferner Zukunft ebenfalls vermehrt auswirken. Nachdem in den letzten drei Monaten Kanada und Australien ein Verbot
konventioneller Glühlampen erlassen haben, dürften ähnliche Regelungen in der EU und in sieben US-Bundesstaaten nicht
mehr lange auf sich warten lassen. Selbst wenn neue Fernbedienungen und die zugehörigen Empfänger mit Filtern
ausgerüstet werden, die den Einfluss solcher Störquellen mindern, kann der Infrarotverbindung insgesamt keine ausreichende
Betriebssicherheit attestiert werden.
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Funkübertragung bietet Zuverlässigkeit und Freizügigkeit
Ebenso wie das sichtbare Licht kann sich Infrarotstrahlung nur geradlinig fortpflanzen. Anders ist es mit der Funkübertragung.
Hochfrequente Radiowellen können undurchsichtige Objekte durchdringen und werden auch von massiven Objekten nicht
abgeschirmt. Funkfernbedienungen sorgen deshalb für ein neues Maß an Freiheit und Mobilität und ermöglichen außerdem
einen deutlich größeren Aktionsradius. Wie angenehm wäre es, das Fernsehgerät beim Klingeln des Telefons stummschalten
zu können, ohne zunächst ins Wohnzimmer laufen zu müssen.
Die drahtlose Kommunikation wird durch die verwendete Hardware und die Protokollschichten definiert. Was die Hardware
betrifft, sind HF-Bausteine heute meist als Transceiver konzipiert. Sie können somit Informationen sowohl senden als auch
empfangen, während die Mehrzahl der Infrarot-Systeme auf den unidirektionalen Datentransfer beschränkt ist. Darüber hinaus
sind HF-Systeme meist zusätzlich mit einem Netzwerk-Protokoll ausgestattet, um der Kommunikationsverbindung noch mehr
Betriebssicherheit zu verleihen. Hinsichtlich der Komplexität der Protokolle gibt es große Unterschiede: die Palette reicht von
einfachen Quittierungen bis zu Industrie-Protokollen wie 802.11. Außerdem werden ausfallsichere Mechanismen zur
Erkennung und Korrektur von Übertragungsfehlern geboten. Gestützt auf eine solche Infrastruktur, kann die Funktechnik mir
ihrer verlässlichen bidirektionalen Kommunikation dem Anwender auf die vielfältigste Weise zu mehr Attraktivität verhelfen.
Plasma-Fernsehgeräte und CFL-Hintergrundbeleuchtungen stören die Fernbedienung nicht mehr. Und obwohl auch die
Hochfrequenz-Kommunikation verschiedenen Störeinflüssen unterliegt, dürften die automatischen FehlerbehebungsAlgorithmen der Protokolle dafür sorgen, dass jeder Tastendruck zuverlässig an das betreffende Gerät weitergeleitet wird.
Quittierungsverfahren sind nur ein Beispiel dafür, wie sich mit einer bidirektionalen Verbindung bessere Fernbedienungen
realisieren lassen. Die Zweirichtungs-Kommunikation bietet sich überdies für die Übertragung von Metadaten vom Host zur
Fernbedienung an. Ein gutes Beispiel hierfür ist SideShow, das zu den Hauptattraktionen des Microsoft-Betriebssystems
Windows Vista gehört. SideShow ist eine Applikation, die dem Anwender mit Hilfe eines Zweit-Displays den einfachen Zugang
zu E-Mails, Musik, Fotoalben usw. ermöglicht. Die Applikation sendet über Mini-Programme (so genannte Gadgets) Daten an
die unterschiedlichsten Geräte, die ihrerseits Steuerungsbefehle an die PC-Applikation zurückübertragen können. Unter
anderem kann ein Outlook-Gadget die Kopfzeilen der letzten fünf eingegangenen E-Mails an ein Zusatz-Display auf einer
Fernbedienung oder einem anderen Peripheriegerät senden. Möglicherweise noch interessanter ist das Media Center Gadget,
das dem Anwender sogar den Zugriff auf Fernseh-Programmvorschauen und programmierte Aufnahmen ermöglicht. Mit
Displays im Deckel von Notebook-PCs sowie mit LCD-bestückten Laptop Messenger Bags sorgt SideShow für Furore. Da
Microsoft außerdem die Voraussetzungen für die unabhängige Entwicklung von Gadgets geschaffen hat, ergeben sich
zahllose Möglichkeiten für Metadaten-Displays. Es entstehen Fernbedienungen, die es dem Anwender erlauben, durch
einfachen Tastendruck die Programmvorschau zu sichten und umfangreiche MP3- und WMA-Sammlungen zu durchblättern.
Stets alles im Griff
Je technisch versierter der moderne Konsument wird, umso größer wird sein Wunsch, alles unter Kontrolle zu haben. Die
einfachen, mit den jeweiligen Geräten mitgelieferten Fernbedienungen reichen da nicht mehr aus, wie an den
Fernbedienungen der Harmony-Serie von Logitech deutlich wird. Der Anteil dieser Produkte am Gesamtumsatz von Logitech
ist 2006 gegenüber dem Vorjahr um 60 % gestiegen. Hunderttausende von Konsumenten geben somit bewusst zwischen 100
und 1.000 US-Dollar aus, um eine Harmony-Fernbedienung zu erwerben.
Einige Beobachter führen den Erfolg von Logitech auf die wachsende Zahl elektronischer Geräte im Wohnzimmer sowie auf
die Tatsache zurück, dass Harmony-Fernbedienungen die Bedienung von bis zu 15 Geräten in einem Bedienteil konsolidieren
können. Nicht, dass Universal-Fernbedienungen etwas Neues wären – sie scheinen aber heute deutlich mehr Interesse zu
wecken als früher. Hauptursache hierfür ist die exponentielle Zunahme persönlicher Medien in den letzten Jahren.
Insbesondere im Bereich der digitalen Musik, Fotos und Videos verfügen Konsumenten heutzutage meist über einige hundert
oder gar tausend Dateien. Da Massenspeicher immer billiger werden und die Speicherdichte gleichzeitig zunimmt, gehen
immer mehr Hersteller dazu über, Consumer-Elektronik mit Festplattenlaufwerken auszurüsten. Digitale Medien finden
demzufolge immer mehr Eingang in Privathaushalte, und die Anwender finden sich nicht mehr mit einfachen Play/PauseTasten ab, sondern wünschen sich zusätzliche Bedienmöglichkeiten für ihre Geräte.
Diese äußerst gefragten Möglichkeiten der Anwender-Interaktion werden durch jüngste Innovationen möglich. Mit LCDs und
Touchscreens bestückte Fernbedienungen von Philips, SMK und anderen sind durchaus nicht ungewöhnlich. Der Erfolg der
Nintendo-Spielkonsole Wii mit ihrem klug positionierten Bewegungssensor Wiimote bietet dem Benutzer eine intuitive
Möglichkeit, mit dem System zu interagieren, zu navigieren und Objekte auf dem Bildschirm zu bewegen. In der Tat ist es
hochinteressant, die einzigartigen Navigations-Methoden zu beobachten, mit denen Fernbedienungen heute ausgestattet
werden – von einfachen Trackpads nach Laptop-Manier bis hin zu mehrsprachigen Spracherkennungs-Funktionen. Je mehr
diese hochkarätigen Features an Verbreitung gewinnen, umso mehr wird es notwendig sein, an Stelle der Infrarottechnik auf
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die Funk-Kommunikation zu setzen, denn die einwandfreie Funktion dieser neuen Features ist auf die größere Bandbreite und
Betriebssicherheit der Hochfrequenztechnik zwingend angewiesen. Hinzu kommt, dass HF-Lösungen deutlich sparsamer mit
der wertvollen Batteriekapazität umgehen: die meisten Funk-Lösungen nehmen um eine ganze Größenordnung weniger
Strom auf als Systeme, die auf blinkende Infrarot-Leuchtdioden angewiesen sind.
Beurteilung und Auswahl geeigneter HF-Lösungen
Funk-Fernbedienungen sind durchaus keine neue Technik. Schon immer gab es proprietäre Lösungen im Frequenzbereich
von 300 bis 400 MHz und darüber, um die für Infrarot typischen Probleme umgehen zu können. Diese frühen Techniken
setzten allerdings solides HF-Know-how voraus, um die nötigen Protokolle und die Hardware zu entwerfen und zu entwickeln.
Dennoch kamen dabei häufig nur unidirektionale Kommunikationsverbindungen heraus, die zudem auf komplizierten, teuren
und großenteils diskreten Schaltungen beruhten.
In den vergangenen zehn Jahren dann erschien eine ganze Welle drahtloser Technologien, die versprachen, mit dem
Kabelgewirr nicht nur zu Hause und im Büro, sondern praktisch überall aufzuräumen. Neben Bluetooth, Certified Wireless
USB, Wi-Fi, Z-Wave und ZigBee gibt es eine Vielzahl weiterer proprietärer HF-Lösungen in verschiedenen Frequenzspektren.
Alle Technologien unterscheiden sich voneinander, und jede zielt auf einen bestimmten Anwendungsbereich. Außerdem weist
jede Lösung eine spezifische Kombination von Vorteilen und Restriktionen auf. Welche ist also für eine bestimmte
Fernbedienung am besten geeignet? Die Antwort auf diese Frage hängt zuallererst davon ab, um welche Art von Gerät es
geht.
Eine ganze Reihe zentraler Überlegungen zum Design sollten sich an der Definition des jeweiligen Produkts ausrichten. Hier
kommen unter anderem Aspekte wie Stromversorgung und Batterielebensdauer, Übertragungsdistanz, Störsicherheit, SignalDurchdringung, Produkt-Globalisierung, Einfachheit der Entwicklung, Setup-Erfahrung des Anwenders, Funk-Topologie,
Interoperabilität und Datendurchsatz ins Spiel. Über all diese Gesichtspunkte könnte man eigene Artikel schreiben. Allerdings
gibt es zwei weitere Faktoren, die alle zuvor genannten Kriterien ausstechen können: dies sind die Markteinführungszeit und
der Kostenaufwand. Sind alle diese Variablen berücksichtigt, müssen sie im nächsten Schritt gegeneinander gewichtet
werden. Die dabei herauskommende Rangfolge macht es möglich, die beste drahtlose Technologie für eine Fernbedienung zu
ermitteln.
Bild 1
Zunächst sollen kurz die Haupt-Kandidaten vorgestellt werden. Bluetooth etablierte sich in der Vergangenheit vornehmlich im
Bereich der drahtlosen Headsets für Mobiltelefone und gewinnt für den gleichen Zweck auch in Autos an Boden. Wer einmal
mit Bluetooth gearbeitet hat, wird allerdings auch die Grenzen dieser Technik kennen gelernt haben. Ein Bluetooth-Gerät zur
Verbindungsaufnahme mit dem Host zu bewegen, kann auch für Technik-Freaks zu einem frustrierenden Erlebnis ausarten.
Hinzu kommt der recht hohe Stromverbrauch von Bluetooth für Tastaturen, Mäuse und Fernbedienungen, in denen meist
Primärzellen als Stromversorgung dienen. Hieraus erklärt sich die geringe Verbreitung von Bluetooth auf dem HID-Markt
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(Human Interface Device), auch wenn mit der Version 2.1 Versuche unternommen werden, die Leistungsaufnahme zu
verringern. Da Bluetooth dasselbe nicht lizenzierte 2,4 GHz ISM-Frequenzband (Industrial/Scientific/Medical) nutzt wie Wi-Fi,
schnurlose Telefone und Mikrowellenöfen, wäre es für eine auf Bluetooth basierende Fernbedienung in einem Privathaushalt
sicher eine Herausforderung, ohne übermäßig lange Reaktionszeiten im interaktiven Betrieb und überhöhten Stromverbrauch
betriebssicher zu arbeiten, denn Bluetooth arbeitet mit dem störempfindlichen FHSS-Verfahren (Frequency Hopping Spread
Spectrum).
Z-Wave und ZigBee sind drahtlose Übertragungs-Protokolle, die für Automatisierungs- und Sensornetzwerk-Applikationen
konzipiert, aber keineswegs auf diesen Bereich beschränkt sind. Beide sehen Geräte für den Betrieb im 900 MHz ISM-Band
vor, doch gibt es ZigBee auch in einer 2,4-GHz-Version. 900-MHz-Lösungen ermöglichen eine bessere Signaldurchdringung,
die jedoch mit einer für manche Anwender inakzeptablen Verringerung der Datenrate erkauft werden muss. Ist für einige
Designer schon die Entwicklung einer einzigen HF-Lösung kompliziert genug, kommt die Realisierung verschiedener
Versionen für die USA (908/915 MHz) und Europa (868 MHz) überhaupt nicht in Betracht, zumal damit immer noch nicht der
japanische Markt abgedeckt ist. Obwohl Z-Wave und ZigBee teurer sind als Bluetooth und andere Technologien mit ähnlich
bescheidenen Bandbreiten, erweisen sich beide nach wie vor als attraktive Lösungen für Fernbedienungen speziell im Bereich
der kundenspezifischen Installationen, die meist im Auftrag größerer Unternehmen ausgeführt werden. Ausschlaggebend für
diese Attraktivität sind die Eignung für Beleuchtungssteuerungen und die Maschennetzwerk-Topologie.
Angesichts der wachsenden Verbreitung von Breitband-Internet-Zugängen gehört Wi-Fi ohne Zweifel zu den verbreitetsten
Funkübertragungs-Technologien, die vom Anwender mit größter Wahrscheinlichkeit akzeptiert werden wird. Wi-Fi bietet mehr
als genug Bandbreite, um nicht nur Displays auf Fernbedienungen zu unterstützen, sondern umfangreiche Inhalte zu
streamen. Außerdem reicht die Übertragungsentfernung für die meisten Haushalte aus. So scheint Wi-Fi die richtige Lösung
zu sein, doch bekanntermaßen hat alles seinen Preis. Im Fall von Wi-Fi sind gleich zwei Nachteile anzuführen: hoher
Stromverbrauch und hohe Systemkosten. Ähnliches lässt sich über Certified Wireless USB sagen. Konzipiert als Standard für
den Ersatz von USB-Kabeln, wird dieser Technik ähnliche Anwenderfreundlichkeit bescheinigt wie ihrer leitungsgebundenen
Vorgängerin. Tatsächlich mag eine auf Wireless USB basierende Fernbedienung den Vorteil haben, dass die Architektur,
Funktionalität und Datenrate des mittlerweile allgemein verbreitenen USB beibehalten werden kann – vom angesammelten
Entwicklungs-Know-how ganz zu schweigen. Allerdings wird diese Technik für die meisten Gerätehersteller, die sich an die
Infrarot-Fernbedienungen im Bereich von 1 bis 2 US-Dollar gewöhnt haben, unerschwinglich sein.
Was umfasst ein Standard?
Sämtliche soeben angeführten Technologien nehmen für sich in Anspruch, zu einer bestimmten Interessengruppe, Allianz
oder Organisation zu gehören. Daraus wird die Berechtigung abgeleitet, als Industriestandard bezeichnet zu werden. Wenn
beispielsweise ein Chipsatz von Broadcom denselben Bluetooth-Spezifikationen entspricht wie ein Baustein von CSR, sind
beide Produkte interoperabel, sofern es sich um offiziell Bluetooth-zertifizierte Lösungen handelt. Diese Qualitätsgarantie
gehört zu den Vorteilen einer standardkonformen Lösung und wird von einigen Geräteherstellern aus Sicherheitsgründen
ausdrücklich gewünscht. Andere setzen auf einen Standard, um ihrem Produkt den Wiedererkennungswert einer etablierten
Marke zu verleihen. Hier wird die Auffassung vertreten, ein Wi-F-Logo auf der Verpackung könne ausschlaggebend für die
Kaufentscheidung des Endkunden sein.
Die ZigBee Alliance verspricht einen ähnlichen Grad an Interoperabilität, und in der Folge entstand in ihrem Umfeld in den
vergangenen drei bis vier Jahren enorm viel Hype. Untersucht man die Spezifikation jedoch genauer, so wird deutlich, dass für
echte Interoperabilität weitere verdeckte Kosten bezüglich der Stack-Größe, der Design-Komplexität und vielem mehr
entstehen. Chiphersteller sind ebenso wie ihre Kunden zu dem Schluss gekommen, dass vollständig vermaschte
Netzwerksysteme und uneingeschränkte Interoperabilität für die meisten Designs einen Overkill darstellen. Außerdem besteht
vielerorts der Wunsch, eigene Besonderheiten hinzuzufügen, um die eigene Lösung vom unspektakulären Konkurrenzangebot
abzuheben. Dies hat dazu geführt, dass es bereits zahllose individuelle Profile und Protokoll-Stacks gibt und dass zahlreiche
weitere entwickelt werden. Obwohl es sich bei diesen Lösungen im Prinzip um proprietäre Konzepte handelt, ist ihre PHYSchicht noch immer konform zum IEEE-Standard 802.15.4, sodass die entsprechende Produkt-Positionierung an ZigBee
ausgerichtet wird. Z-Wave wird zwar meist als Standard angesehen, stellt aber eine Sonderlösung dar, da Zensys
gegenwärtig der einzige Hersteller Z-Wave-konformer Produkte ist. Wie jedoch unlängst in einer Pressemitteilung verlautbart
wurde, existieren Pläne zur Lizenzierung von Z-Wave an andere Chipsatz-Hersteller.
Es gibt allerdings durchaus Alternativen für Entwickler, die den Wünschen ihrer Kunden nach Fernbedienungen mit mehr
Funktionalität bei gleichzeitiger Verbesserung der Batterielebensdauer und der Störimmunität nachkommen möchten. Das
nachfolgende Blockschaltbild etwa zeigt das Beispiel einer Funkfernbedienung auf Basis von PRoC, einer Familie von
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System-on-Chip-Bausteinen (SoC) von Cypress Semiconductor. Die Produkte nutzen die WirelessUSB-Funktechnik von
Cypress, die sich bereits in PC-Eingabegeräten wie etwa Tastaturen, Mäusen und Media-Center-Fernbedienungen findet.
Bild 2
Der Unterschied zwischen notwendigen und gewünschten Features
Bei allen neuen Technologien gibt es auf dem Markt mehr Lösungen, als von den technischen Ressourcen ausgelotet oder
entwickelt werden können. Mit der Funktechnik ist es nicht anders. Die gegenwärtige Szenerie ist in viel zu viele Lager
gespalten. Vor diesem Hintergrund könnten Media Center Extender, Apple-Fernsehgeräte, prognostizierte 53 Millionen IPTVTeilnehmer weltweit bis 2009 sowie viele weitere Arten der Internet-Invasion im Wohnzimmer durchaus der Katalysator sein,
dessen es bedarf, um ein Konsortium zur Zusammenstellung eines einfachen, spezialisierten HF-Protokolls für
Fernbedienungen zu veranlassen. Bis es soweit ist, sollten Sie bei der Planung Ihres nächsten Konzepts für eine
Fernbedienung genau unterscheiden, was der Kunde wirklich benötigt und was in die Kategorie der Features fällt, die nicht
unbedingt nötig, aber gewünscht (vielleicht nicht einmal das) werden. Was ich persönlich gerne hätte, wäre eine PagerFunktion, mit der ich meine Fernbedienung finden kann, wenn mein Hund Jordan sie wieder einmal versteckt hat.
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