Moderne Messtechnik meistert EMV-Herausforderungen - beam-Verlag
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EMV
Leben und leben lassen
Moderne Messtechnik meistert
EMV-Herausforderungen
Die Menge der Funkprodukte übersteigt schon längst um ein Mehrfaches die Zahl der Erdbewohner und wächst
rasant weiter. Damit wird ihre störungsfreie Koexistenz zu einer Herausforderung. Mit moderner Messtechnik
lässt sich diese meistern.
(RED). Sie erweitert die EMV- (Bild 1). Derzeit soll es welt-
Regeln um zusätzliche Anfor- weit bereits über 20 Milliarden
derungen an sende- und emp- internetfähige Einheiten geben,
fangsfähige Geräte. RED soll mit rasch steigender Tendenz.
insbesondere erreichen, dass sich Für diese gelten jeweils die pro-
Funkprodukte nicht störend in duktgruppenspezifischen EMV-
die Quere kommen (Koexistenz). Standards. Für ein störungsfreies
Die Umsetzung der allgemein Funktionieren in elektromagne-
formulierten RED-Vorgaben in tisch rauer Umgebung reichen
konkrete Testvorschriften obliegt die klassischen EMV-Maßnah-
Standardisierungsgremien wie men und -Tests aber nicht mehr
ETSI, die sie in harmonisierte aus. Den zusätzlichen durch
Normen einfließen lassen. RED und vergleichbare Vor-
schriften initiierten Koexistenz-
Eine Frage der Koexistenz tests kommt deshalb eine immer
größere Bedeutung zu.
EMV-Tests sind eine seit Jahr-
Ein Produkt darf seine Umge- zehnten geübte Praxis auf der Diese verlangen den Nachweis
bung weder elektromagnetisch Basis von Normen und Stan- der Verträglichkeit eines funken-
stören noch durch äußere elek- dards, die nur behutsam weiter- den Geräts mit anderen Draht-
tromagnetische Einflüsse in entwickelt werden. Die Mess- losdiensten im vorgesehenen
seiner Funktion beeinträchtigt größen, mit denen man umgeht, Einsatzbereich. Letzteres ist
werden. Internationale EMV- sind elektrische Basisgrößen eine nicht zu vernachlässigende
Normen stellen die Einhaltung wie (Stör-)Feldstärken, Ströme Konkretisierung, die erheblichen
dieser Forderungen sicher. und Spannungen. Die Signal- Einfluss auf die Testausgestal-
form, in der diese Größen auf- tung haben kann. So reicht es
Testen, aber richtig treten, spielt keine große Rolle. unter Umständen nicht aus,
Deshalb werden Störbeeinflus- pro forma einem Standard zu
Welche Testvorschriften auf ein genügen, wenn dieser die Ein-
sungsmessungen mit sehr ein-
bestimmtes Produkt anzuwenden satzbedingungen des konkreten
fachen Signalen durchgeführt
sind, ist produktgruppen- und Produkts nicht angemessen
(CW, AM, Puls).
branchenabhängig. So gibt es berücksichtigt. Der Hersteller
unterschiedliche Teststandards Allerdings hat sich die Produkt- muss sich dann – etwa, wenn
für medizinische Geräte, Consu- landschaft in den letzten Jahren das Produkt im Medizinbereich
mer-Artikel, militärische Ausrüs- stark verändert. Immer mehr Pro- eingesetzt wird – mit der zustän-
tung, die Automobilindustrie, die dukte enthalten Funkmodule, die digen Behörde abstimmen, um
Luft- und Raumfahrt und viele sie mit dem Internet verbinden einer möglichen Haftung aus
andere Kategorien.
Das CE-Kennzeichen am Pro-
LTE800 LTE2600 WLAN Bluetooth
dukt signalisiert in Europa die
Konformität mit den einschlä- LTE800
gigen Normen. Eine entspre-
chende FCC-Kennzeichnung in LTE2600
den USA ist optional, allerdings
muss auch hier die Einhaltung WLAN
Autoren:
produktbegleitend dokumen-
Mahmud Naseef, Bluetooth
tiert sein.
Christian Reimer
Für alle Produkte mit integrier-
Rohde & Schwarz tem (Rund-)Funkteil gilt in Eur- Bild 1: Koexistenz-Szenario mit typischen Funkdiensten. Kritisch sind
GmbH & Co. KG opa ergänzend die Funkrichtli- Funkdienstpaarungen im selben oder benachbarten Frequenzband (rot,
www.Rohde-schwarz.com nie Radio Equipment Directive orange). Hier setzt der Koexistenztest an
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EMV
Ein Beispiel für eine in dieser
Vorgegebene Fehlergrenze, z.B. 10 % PER Hinsicht verbesserungsfähige
harmonisierte europäische Norm
ist ETSI EN 300 328 V2.2.2
für Produkte, die im 2,4-GHz-
ISM-Band arbeiten. In diesem
extrem dicht belegten Band, in
dem sich unter anderem WLAN,
Bluetooth und die Haushalts-
Mikrowelle drängeln, stellt sich
Störer Nutzsignal Frequenz die Koexistenzfrage besonders
nachdrücklich. Der normge-
rechte Blocking-Test ist jedoch
Bild 2: Je weiter die Frequenzablage des Störers vom Nutzsignal, umso größer der zulässige Störpegel, hier am Beispiel weit davon entfernt, die reale
eines Störers mit Rauschcharakteristik (AWGN) Situation abzubilden und recht
mühelos zu bestehen. Das ide-
Produktmängeln vorzubeugen quenz, Pegel) auf. Diese wird ergebnis suggeriert. Der Grund alisierte Störszenario besteht
oder überhaupt erst eine Markt- mit einem definierten Störsignal ist einfach der, dass die Stan- aus einem CW-Störer mit kon-
zulassung zu erhalten. überlagert, das ein Signalgene- dards mit der Marktentwick- stantem Pegel und einem auf die
rator erzeugt. Ein robuster Emp- lung und den stürmischen Fort- doppelte Nutzkanalbandbreite
begrenzten Rauschhintergrund.
Die Sache mit dem Blocking-Test fänger kann auch bei Anwesen- schritten in der Funktechnologie
heit stärkerer Störsignale noch nicht Schritt halten und deshalb Nun sind aber CW-Störer in der
Als ein geeignetes Mittel zur bestimmungsgemäß arbeiten. nur eine Basisabsicherung bie- Realität nicht anzutreffen und
Prüfung der Koexistenzfähigkeit Andernfalls muss nachgebes- ten. Ein bestandener, ordentlich die tatsächlich vorgefundenen
wurde der Blocking-Test identi- sert werden. dokumentierter Test mag im Fall breitbandig modulierten Signale
fiziert und in die mit RED asso- eines folgenreichen Produktver- können die gewünschte Emp-
ziierten europäischen Normen Es zeigt sich allerdings, dass die sagens juristisch wertvoll sein, fangsqualität schon bei nied-
übernommen. Dazu baut man nach Standard vorgenommenen den Markt, der das Produkt auf- rigeren Pegeln verschlechtern.
zwischen dem Messobjekt und Tests keine Garantie dafür sind, nehmen soll, wird er aber nicht Ein völliges Unterbinden der
einem Funkkommunikationstes- dass sich ein Produkt im regu- beeindrucken. Am Ende zählt Kommunikation („Blocking“)
ter eine reguläre Verbindung mit lären Einsatz tatsächlich als so nur die tatsächliche Produkt- durch Störer ist indes unwahr-
vorgegebenen Parametern (Fre- störfest erweist, wie es das Test- leistung. scheinlich. Vielmehr verringert
Bild 3: Funkkommunikation dringt in nahezu alle Lebensbereiche ein. Das Thema „Koexistenz“ wird daher immer wichtiger
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EMV
2. Nutzererfahrung
Vernachlässigbares Risiko Minderes Risiko Moderates Risiko Hohes Risiko berücksichtigen
► Waschmaschine ► Navigationsgerät ► Herd ► Medizinische Implantate Die Koexistenzqualität sollte
► Kühlschrank ► Smarte Beleuchtung ► Kaffeemaschine ► Telemedizin nicht nur an funkphysikalischen
► Intelligenter Zähler ► Saugroboter ► Mikrowelle ► Automotive Infotainment Leistungskriterien festgemacht
werden, sondern die Anwen-
► Baby-Monitor dungsschicht, sprich: die Nut-
► Haustier-Tracker zererfahrung einbeziehen.
Gerade bei Produkten mit einer
optischen und/oder akustischen
Nutzerschnittstelle machen
Bild 4: Beispielhafte vierstufige Risikokategorisierung funkvernetzter Produkte in Anlehnung an ISO 14971 (dort sich Koexistenzprobleme unter
fünfstufig). Produkteinstufung durch die Autoren Umständen direkt bemerkbar.
Da der Nutzer ein Produkt nicht
sich der Datendurchsatz, weil Herzschrittmacher oder ein Leben und Gesundheit, desto nach seiner Datenblattleistung,
einzelne Datenpakete verloren Auto-Notrufsystem erfordern schärfer die Testbedingungen. sondern nach seiner Alltagstaug-
gehen und neu angefordert wer- eine ganz andere Testschärfe und lichkeit beurteilt, ist eine ganz-
den müssen. Ein Produkt kann Qualitätsgewissheit als ein über Besonders hoch sind die Anfor- heitliche Betrachtung der Pro-
also trotz bestandener Koexis- WLAN steuerbares Spielzeug. derungen in der Medizintechnik. duktqualität schon im Rahmen
tenzprüfung eine mangelhafte Ein anderer Aspekt, der in In den USA legt ausnahmsweise des Koexistenztests sinnvoll.
Funkstör-Robustheit aufweisen den aktuellen Normen zu kurz nicht die Funkregulierungsbe- Jedes irreguläre Verhalten, das
(Bild 2). kommt, ist die Nutzererfahrung. hörde FCC die Zulassungsregeln sich in optischen oder akusti-
Viele funkvernetzte Produkte dafür fest, sondern die Food and schen Signalen äußert, lässt sich
Realitätsnähere Ansätze verfügen über Bildschirm und Drug Administration (FDA). Sie automatisiert erfassen, zum Bei-
Nicht alle Standards hinken den Lautsprecher. Wenn sich Stö- verlangt eine Konformitätserklä- spiel mit der Inspektionssoftware
aktuellen Erfordernissen hinter- rungen durch mangelhaftes rung gemäß dem ANSI-Standard R&S AdVISE. Auch die Mes-
her. Ein Beispiel ist die Norm EN Koexistenzverhalten über C63.27 für die Koexistenz von sung der Audio- und Videoqua-
303 340 Ver. 1.1.2. für DVB-T- diese Schnittstellen bemerkbar Funkprodukten. Dieser verweist lität ist messtechnische Routine.
und DVB-T2-Rundfunkemp- machen, sollte die Zertifizierung auf die ISO-Norm 14971 zum
fänger. Sie verlangt als Störer dem Rechnung tragen. Risikomanagement von Medi- 3. Einbausituation des
verschiedene Signaltypen ein- zinprodukten, die den Herstel- Funkmoduls beachten
Standardisierung ist ein lang- lern mit einer Bewertungsma-
schließlich der Simulation eines wieriges Unterfangen, weil viele Ein Produkt mit eingebautem
voll belegten LTE-Basisstati- trix dabei hilft, die Risikoein-
Parteien gehört, Interessen abge- Funkmodul verhält sich in der
onssignals. Störerseitig ist die schätzung für ihr Produkt selbst
wogen und unterschiedlichste Regel funktechnisch anders als
Norm also ganz auf der Höhe vorzunehmen. Auch was die
Aspekte berücksichtigt wer- das Modul allein, da Gehäuse
der Zeit, hat dafür aber andere Testprozedur betrifft, schreiben
den müssen. Die Dringlichkeit und Einbaulage die Funkeigen-
Schwächen. FDA und ANSI nicht im Einzel-
praktikabler Lösungen legt der schaften beeinflussen. Noch wird
nen vor, wie der Konformitäts-
Nur anhand eines bestandenen Industrie deshalb nahe, initia- nicht in allen Ländern ein Koe-
nachweis zu führen ist, sondern
Tests nach dieser Norm lässt sich tiv zu werden und im eigenen xistenztest am fertig montierten
überlassen die Aufstellung der
kaum beurteilen, wie gut sich der Interesse Testverfahren zu ent- Produkt gefordert. Außerdem
Testkriterien (KPIs) und die Ent-
betreffende Empfänger tatsäch- wickeln, die ein verlässliches spielt es eine Rolle, aus welcher
wicklung eines adäquaten Test-
lich in der Praxis schlägt, denn Funktionieren ihrer Produkte Richtung Nutz- und Störsignal
verfahrens dem Hersteller, dem
als Maß für die Verschlechte- unter Einsatzbedingungen garan- auf das Testobjekt einwirken.
damit eine große Verantwortung
rung (KPI) dient die Häufigkeit tieren. Sie gewinnt dadurch nicht Zu einem aussagefähigen Test
übertragen wird. Allerdings sind
von Bildfehlern; treten solche nur mehr Sicherheit im Sinne der gehört deshalb auch die Variation
alle herstellerseitigen Einschät-
aufgrund der applizierten Stö- Produkthaftung, sondern kann der Einfallswinkel über DUT-
so auch Pluspunkte über die zungen und Maßnahmen der
rungen höchstens alle 15 Sekun- Behörde plausibel darzulegen und Antennenpositionierer.
den auf, ist die Norm erfüllt und Endnutzererfahrung sammeln
und sich Wettbewerbsvorteile und zusammen mit der Risiko-
das Gerät darf verkauft werden. bewertung, dem ausführlichen 4. Angemessene Störsignale
Ob der Kunde mit dieser Quali- erarbeiten. wählen
Testprotokoll und einer Unsi-
tät schon zufrieden ist, muss sich Ein zeitgemäßes Koexistenzsi- cherheitsanalyse einzureichen.
dann noch erweisen. Wie oben schon erwähnt, stres-
cherungs-Testverfahren sollte sen die von manchen Normen
die folgenden vier Aspekte ein- Um das Rad nicht mit jedem vorgegebenen Störsignale das
Koexistenz in der IoT-Ära beziehen: Produkt neu erfinden zu müssen, Messobjekt nicht hinreichend,
Durch die künftige Allgegen- ist die Industrie natürlich daran um Koexistenzprobleme im
wart funkender Produkte wird 1. Risiko einschätzen interessiert, Testprozeduren realen Einsatz auszuschließen.
Koexistenz zu einem Schlüs- Die Testanforderungen hängen zu entwickeln, die ganze Pro- Deshalb sollte mit Störsignalen
selthema der Industrie (Bild 3). stark von der Produktgruppe duktklassen abdecken. Rohde gearbeitet werden, die den Worst
Allerdings kann man nicht alle und den Einsatzbedingungen & Schwarz entwickelt derzeit Case nachbilden. HF-Leistung,
Produkte über einen Kamm sche- ab (Bild 4). Je größer der poten- zusammen mit einem Testhaus Störfrequenz, -spektrum und
ren, sondern muss differenzie- zielle Schaden bei einem Pro- entsprechende Tests für einen -bandbreite sind entsprechend
ren. Ein über Funk erreichbarer duktversagen insbesondere für Medizintechnikhersteller. zu bemessen.
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Bild 5: Mit einem Testaufbau wie diesem lässt sich das Koexistenzverhalten einer Vielzahl von Produktklassen analysieren
Werden all diese Faktoren beim nen hinzunimmt, um komplexe ist, um das Worst-Case-Szena- Fazit
Blocking-Test berücksichtigt, Signalszenarien zu modellieren. rio zu reproduzieren. Nach dem
sollte einem störungsfreien Die Sicherstellung der unge-
Der Funkkommunikationstes- Aufschalten des Störsignals wie-
Produktbetrieb nichts im Wege störten Koexistenz funkender
ter stellt zunächst eine Ende- derholt man die Messungen.
stehen. Produkte wird im IoT-Zeitalter
zu-Ende-Verbindung mit norma-
immer wichtiger. Aktuelle Koe-
lem Signalpegel zum DUT her, Sofern das Messobjekt optische
Ein typischer Koexistenz- xistenz-Teststandards bilden auf-
indem er dessen Funkschnitt- und/oder akustische Ausgaben
Testaufbau grund der schnellen Entwicklung
stelle emuliert, sei es ein Nah- erzeugt, überprüft eine Inspek-
von Technologie und Markt die
bereichsstandard wie WLAN tions-Software, die über Webcam
Bild 5 zeigt einen Testaufbau Einsatzwirklichkeit der Produkte
oder ein zellulares Netzwerk (2 und Mikrofon das DUT über-
für Objekte mit geringerer Risi- oft nicht mehr hinreichend gut
bis 5G). Der Leistungsverstärker wacht, ob diese die gewünschte
koeinstufung, der allen genann- ab. Deshalb sind die Hersteller
kann notwendig sein, um den
ten Kriterien gerecht wird. Er Qualität haben. Abweichungen insbesondere risikobehafteter
Signalpegel zu erhöhen.
umfasst einen Funkkommunika- werden mit Zeitstempel und Produkte gut beraten, über die
tionstester, einen Vektorsignal- Zunächst wird ein Funktions- Beweisdaten dokumentiert. vorgeschriebenen Tests hinaus
generator, einen Spektrumanaly- test ohne Störeinwirkung durch- zusammen mit Testhäusern rea-
sator, eine Echtzeit-Inspektions- geführt und die Ergebnisse für Messbegleitend stellt ein Spek- listischere Tests zu entwickeln
software und einen optionalen alle relevanten KPIs der phy- trumanalysator das HF-Spek- und durchzuführen. Sie mindern
Leistungsverstärker. Die Mes- sikalischen und der Anwen- dadurch einerseits ihre Haftungs-
trum dar. Mit ihm lässt sich
sung erfolgt in einem vollstän- dungsschicht (Datendurchsatz, risiken und steigern andererseits
dig reflexionsfreien, elektroma- PER, BLER, Video- und Audio- kontrollieren, ob die Nutz- und die Nutzerzufriedenheit und das
gnetisch abgeschirmten Raum. leistung) werden aufgezeichnet. Störsignale die richtigen Fre- Qualitätsimage ihrer Produkte.
Für Hochrisikoprodukte würde Dann wird der Leistungspegel quenzlagen und Pegel haben und Unter Beachtung weniger Test-
man die Störerseite noch deutlich des Nutzsignals auf einen Wert ob nicht irgendwelche Fremdsi- grundsätze lassen sich adäquate
ausbauen, indem man weitere reduziert, bei dem gerade noch gnale auftreten, die das Tester- Tests mit aktueller Messtechnik
Signalgeneratoren und Anten- eine Kommunikation möglich gebnis in Frage stellen würden. problemlos umsetzen. ◄
hf-praxis 9/2021 31
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