Letzte Aktualisierung: 11. September 2013 | 2192836 | Anbieterkennzeichnung
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Bandfilter für WLAN

Gelegentlich werden WLAN-Außenantennen an Standorten montiert, an welchen auch Mobilfunk oder andere Funkdienste ihre Sendeanlagen betreiben. Im Normallfall arbeiten WLAN und Mobilfunk auf grundsätzlich verschiedenen Frequenzen. Die Signale sollten sich also prinzipiell nicht beeinflussen. Dennoch kann es zu Störungen kommen.

In den meisten Fällen wird das WLAN durch die anderen Funkdienste gestört. Das liegt hauptsächlich daran, daß die gesamte WLAN-Technik für deutlich niedrigere Sendeleistungen ausgelegt ist.

Elektronisches Grundlagenwissen

Zunächst einmal muss man sich vor Augen führen, daß es für sämtliche Funkdienste nur ein einziges Trägermedium gibt: Die Luft. Beziehungsweise, um genauer zu sein, der Raum zwischen der sendenden und der empfangenden Antenne. Neben den künstlichen, von Menschen erzeugten Funksignalen gibt es auch noch natürliche Funkwellen, das sogenannte Hintergrundrauschen.

Jedes empfangende Gerät muss also aus dem allumfassenden Wellensalat das für sich passende Signal herausfiltern. Der Konstrukter eines Empfangsgerätes kennt den ungefähren Frequenzbereich, in dem das Gerät arbeiten soll. Bei WLAN sind das 2412 bis 2477 MHz (IEEE 802.11b und 802.11g) sowie 5180 bis 5835 MHz (IEEE 802.11a und 802.11h). Alles, was nicht in diesem Frequenzbereich liegt, ist also für das Empfangsgerät nicht interessant. Darum werden andere Frequenzen ausgefiltert.

Ausfiltern bedeutet, daß die Signalpegel von Frequenzen, die außerhalb des interessanten Frequenzbandes liegen, reduziert werden. Dieses Verfahren nennt man "Bandfilter" oder auch "Bandpaß". Je besser dieser Bandfilter zwischen dem interessanten Frequenzband und dem uninteressanten Rest unterscheiden kann, umso besser ist das prinzipiell für den Empfang.

Die Filterfunktion eines Bandfilters läßt sich in einem sogenannten "Frequenzgang" graphisch darstellen:

Frequenzgang eines Bandfilters
Frequenzgang eines Bandfilters
Illustration basierend auf Werkfoto WiMo

Die Grafik oben zeigt einen typischen Frequenzgang eines Bandfilters. Grün dargestellt ist der Frequenzbereich, welcher für die Funkanwendung (in dem Fall WLAN) interessant ist. Rot dargestellt ist alles, was für WLAN ohne Bedeutung ist.

Wie man sieht wird der uninteressante Teil nicht einfach hart abgeschnitten sondern weist mehr oder weniger stark ansteigende bzw. abfallende Flanken auf. Dies bezeichnet man als "Flankensteilheit". Je steiler die Flanken, umso besser der Bandfilter. Denn dann werden auch sehr nah am interessanten Frequenzbereich angrenzende Frequenzen ausgefiltert.

Eigenheiten von WLAN-Empfangsteilen

WLAN-Geräte, besonders diejenigen welche für das 2,4-GHz-Band ausgelegt sind, unterliegen zwei wichtigen Kriterien: Erstens müssen sie mit sehr sehr niedrigen Eingangssignalpegeln arbeiten, zweitens müssen sie sehr günstig für den Massenmarkt produziert werden. Letzteres drückt wie so oft auf die Qualität.

Niedrige Eingangssignalpegel

Die Signalpegel bei WLAN sind sehr gering. Selbst moderne Niedrig-Emmissions-Handys senden noch mit mehr Leistung als die WLAN-Geräte. Gleichzeitig arbeitet WLAN auf ungleich höheren Frequenzen als Mobilfunk. Die Folge ist, daß der Signalverlust in der Luft zwischen den Antennen sehr hoch ist.

In den meisten Fällen ist das am Empfänger eintreffende Signal mehrere Millionen mal schwächer als das ursprünglich gesendete Signal. Zwar verstärken die Antennen wieder ein wenig, doch den Löwenanteil muss ein elektronischer Eingangsverstärker im WLAN-Gerät übernehmen.

Niedrige Produktionskosten

Immer wenn Geräte in großer Stückzahl kostengünstig produziert werden sollen, muss bei den verwendeten Bauteilen gespart werden. Hochwertige Bandfilter kosten Geld, darum wird meist auf sie verzichtet oder minderwertige Technik eingesetzt, welche nur eine ungenögende Flankensteilheit aufweist (siehe oben). Die Folge ist, daß Signale anderer Frequenzen in den elektronischen Eingangsverstärker gelangen.

Das Ergebnis

Wie schon erwähnt senden andere Funkdienste oft mit höherer Sendeleistung als das WLAN. Die Folge ist, daß diese Störsignale mit einem höheren Signalpegel den WLAN-Empfänger erreichen und aufgrund des unzureichenden Bandfilters bis zum elektronischen Eingangsverstärker gelangen.

Der Eingangsverstärker hebt alle hereinkommenden Signale um einen bestimmten Faktor an, gleichgültig ob das nun Signale im interessanten Frequenzbereich sind oder nicht. Ist das Signal bereits vor der Verstärkung sehr stark, so kann folgendes passieren:

Möglichkeit 1: Der Eingangsverstärker hebt das ohnehin schon starke (Stör-)Signal noch weiter an. Da dies aber nicht unbegrenzt möglich ist stößt er dabei an seine technischen Grenzen. Der Fachmann nennt dies "Der Verstärker geht in die Sättigung". Dabei wird das Signal am Ausgang des Verstärkers stark deformiert, sodaß die eigentliche WLAN-Logik aus dem interessanten Teil des Signals keine sinnvollen Daten mehr herauslesen kann.

Möglichkeit 2: Der Eingangsverstärker besitzt eine gewisse Intelligenz und verstärkt nicht so weit, daß er "in die Sättigung geht". Die Verstärkung wird also der Stärke des Eingangssignals angepaßt. Ist das Eingangssignal stark, wird die Verstärkung reduziert. Handelt es sich bei dem starken Eingangssignal jedoch nicht um das interessante WLAN-Signal sondern um ein Störsignal eines anderen Funkdienstes, kann dies der Eingangsverstärker nicht erkennen. Die Folge ist, daß die Eingangsverstärkung wegen des starken Störsignals reduziert wird. Das eigentlich interessante, aber wesentlich schwächere WLAN-Signal wird dann gleichermaßen weniger verstärkt. Die Folge ist die selbe wie bei Möglichkeit 1: Die WLAN-Logik kann aus dem interessanten Teil des Signals keine sinnvollen Daten mehr herauslesen.

Warum ist ein guter Bandfilter so teuer?

Die Elektronik in handelsüblichen WLAN-Geräten ist stark miniaturisiert. Hochwertige Bandfilter können natürlich auch nur mit besonders hochwertigen Bauteilen hergestellt werden. Aus physikalischen Gründen sind solche Bauteile wesentlich größer und schwerer als ihre massenmarkttauglichen Pandants. Dadurch würden die WLAN-Geräte insgesamt größer und schwerer. In der Folge würden die Geräte teurer, sowohl wegen des Mehraufwandes beim Material als auch bei den Transportkosten.

Die Lösung des Problems

Natürlich werden die wenigsten WLAN-Geräte für solch anspruchsvolle Aufgaben wie den Outdoor-Richtfunk eingesetzt. Darum kann man den Herstellern das Materialsparen noch verzeihen.

Bandfilter BPF-FB-4P
Bandfilter BPF-FB-4P
(Werkfoto WiMo)

Zunächst einmal sollte man bereits bei der Anschaffung der WLAN-Geräte auf Qualität achten. Leider halten sich die meisten Hersteller mit Angaben zu technischen Details wie Flankensteilheit des Bandfilters sehr zurück. Hier wird oft nur mit großen Zahlen wie der meist rein fiktiven maximalen Datenrate geprahlt.

Der Preis gibt einen ersten Anhaltspunkt. Besonders günstige, oft von unbekannten Herstellern stammende WLAN-Geräte können minderwertig sein. Ein Blick in entsprechende Internetforen offenbart weitere Informationen. Oft werden von anspruchsvollen Anwendern nur ganz wenige Geräte einzelner Hersteller empfohlen, welche sich in der Praxis bewährt haben.

Zusätzliche Bandfilter zwischen Außenantenne und WLAN-Gerät

Hat sich der Bandfilter des WLAN-Gerätes als unzureichend erwiesen oder ist der Standort aufgrund benachbarter, starker Funkanlagen ungünstig, so kann man zu einem zusätzlichen Bandfilter greifen. Dieser wird zwischen die Außenantenne und das WLAN-Gerät geschaltet.

Das Foto links zeigt einen hochwertigen, externen Bandfilter. Er ist etwa 5x6x8 Zentimeter groß und wiegt rund 400 Gramm. Wie man sieht besteht er aus einem massiven Metallgehäuse. Dies ist ein Qualitätsmerkmal denn das Metallgehäuse dient als Hochfrequenz-Abschirmung. Wenn man sich im Vergleich die Abschirmungen in WLAN-Geräten anschaut, versteht man woher die Qualitätsunterschiede kommen. Dort besteht die Abschirmung oft nur aus einem dünnen Dosenblech welches zu allem Überfluss auch noch gelocht ist.

Um den Vorteil eines gut geschirmten Gehäuses nicht gleich wieder zu verschenken muss man natürlich auch hochwertige Koaxialkabel zwischen Bandfilter und WLAN-Gerät einsetzen. Gegebenenfalls muss das WLAN-Gerät selbst noch einmal in ein Metallgehäuse eingebaut werden.

Kanalfilter

Neben den oben beschriebenen Bandfiltern gibt es auch noch sogenannte Kanalfilter. Das Funktionsprinzip ist bei beiden identisch. Der Unterschied besteht darin, daß der Bandfilter den gesamten Frequenzbereich für WLAN hindurch lässt. Der Bandfilter dagegen grenzt den Breich enger ein und reduziert den nutzbaren Frequenzbereich auf einen einzelnen WLAN-Kanal.

Aufgrund der dynamischen Frequenzwahl (DFS) bei 5-GHz-WLAN ist der Einsatz von Kanalfiltern hier nicht möglich. Es sind also ausschließlich Kanalfilter für das 2,4-GHz-WLAN nach IEEE 802.11b und 802.11g verfügbar. Entsprechend der 6er-Regel sind Kanalfilter hauptsächlich für die nicht überlappenden Kanäle 1, 7 und 13 erhältlich.

Kanalfilter sind besonders dann nützlich, wenn ein Outdoor-WLAN in einem Gebiet betrieben wird in dem es viele weitere WLAN's gibt. Zum Beispiel in dicht besiedelten Regionen. Auch wenn z.B. an einem Antennenmast mehrere Richtantennen unterschiedlicher Richtstrecken montiert sind und jede Richtstrecke einen anderen WLAN-Kanal nutzt, kann ein Kanalfilter von Vorteil sein.

Kanalfilter haben den Nachteil, daß man sich mit ihrem Einsatz auf einen bestimmten WLAN-Kanal festlegt. Will man den Kanal später wechseln, so ist ein Austausch des Kanalfilters notwendig.

Die Filtereigenschaften eines Band- oder Kanalfilters sind meist nicht veränderbar. Dies erfordert sehr aufwendige Messtechnik. Aus diesem Grund sind Band- und Kanalfilter auf einen fest vorgegebenen Frequenzbereich eingestellt. Darum ist vor dem Kauf und Einsatz eines solchen Filters stets eine gründliche und vorausschauende Planung erforderlich.

Einfügedämpfung

Um einen externen Band- oder Kanalfilter nutzen zu können, muss dieser in der Verbindung von Außenantenne und WLAN-Gerät plaziert werden. Wie bei jeder Steckverbindung entsteht dadurch ein gewisser Signalverlust. Dieser ist jedoch relativ gering und kann mit 0,2 bis 0,5 dB in der Sendeleistungskalkulation veranschlagt werden.

Bildmaterial mit freundlicher Genehmigung von:
WiMo Antennen und Elektronik GmbH, Herxheim

 
Web www.wlan-skynet.de