18.08.2011 16:30 | Expertenrunde Teil 2

Wireless: EMV, Messtechnik und die Rolle der Distributoren

Fachartikel von Siegfried W. Best

Das erste Roundtable-Gespräch der elektronik industrie zum Thema Wireless befasste sich mit den Themen WLAN, Bluetooth, Zigbee, ISM-Bänder, LTE und anderen Funkdisziplinen. Es stellte sich heraus, dass von der Produktseite viele Anforderungen erfüllt werden. Im ersten Teil ging es über die verschiedenen Funkmodule und die Klärung der Frage: Module fertig kaufen oder selbst entwickeln. Im zweiten Teil geht es hier um die EMV, die Messtechnik und die Rolle der Distributoren.

Die Teilnehmer der elektronik industrie Expertenrunde Wireless (von links): Bernd Hantsche, Rutronik, Antonio Zarcone, Renesas Mobile, Johan Nilsson, Rohde & Schwarz, Dirk Sollbach, IMST, Marian Kost, Silicon Labs, Dr. Ing. Christian Benz, Municom, Steph (Bild: Redaktion elektronik industrie)

Bekannt sind die Widerstände der Bevölkerung gegen die Errichtung von Basisstationen der Mobilfunkbetreiber. Deshalb wurde dieser Punkt zur Sprache gebracht und ausführlich diskutiert. Bei LTE Advanced, so A. Zarcone, wird zur Verringerung der Strahlenbelastung Beamforming angewendet, und zwar bei der Basisstation.

Dabei wird die Ausstrahlung im Sinne der EMV reduziert. Wenn ich mit meinem Handy unterwegs bin und die Basisstation macht in meine Richtung Beamforming, dann bekomme ich für mein Handy das beste Signal. Wenn man Beamforming auch auf dem Handy macht, ist ganz wenig Leistung nötig. Und zwar nur für die Richtung, die gebraucht wird.

Bei LTE Advanced, so A. Zarcone, wird zur Verringerung der Strahlenbelastung Beamforming angewendet, und zwar bei der Basisstation. (Bild: Redaktion elektronik industrie)

J. Nilsson hierzu: Das ist genau der Punkt, die Leistung die solche Handys abstrahlen und hier zu Schäden führen kann, wird verringert. Auch 3G-Systeme haben bereits eine Leistungsregelung. Das wird mit einer Frequenz von 1,5 kHz die Leistung in 1 dB-Schritten nach oben und unten geregelt. Bei den zellularen Systemen, um die es sich ja handelt, muss zunächst mal die ganze Zelle komplett ausgeleuchtet werden. Sonst hat man keine Informationen ob die Größe des Mobilfunknetz. Beim Beamforming muss auch erstmal das gesamte Netz ausgeleuchtet werden und dann wird der Beam geformt und die Leistung reduziert. Die Belastung für den Handytelefonierer wird dadurch geringer, stellt sich nur die Frage wieviel? Die ganze Situation ist aber deutlich entspannter als bei 2G- oder DECT-Systemen.

D. Sollbach: Im Grunde hat die EMV im Jahr 1992, als die ersten Handys aufkamen, zur Gründung von IMST geführt (Bild: Redaktion elektronik industrie)

Dr. Benz: Man muss 4G-Standards aus verschiedenen Blickwinkeln sehen. Wir, Municom, sind im Bereich Infrastruktur tätig, unabhängig von der Situation, wie es mit LTE-Module in der Industrie und im kommerziellen Markt sein wird. Im Bereich Netzwerk-Infrastruktur, bei den OEM-Herstellern, die dann die entsprechenden Carriers mit Komponenten, Systemen, Plattformen ausrüsten, sehen wir sehr viele Aktivitäten im Bereich LTE bei 2,6 GHz, teilweise auch schon im Bereich digitaler Dividende. Bei LTE 2600 ist es so, dass wir mit unseren Kunden sehr viel über Beamforming diskutieren. Da sind dann wirklich 8 -12 embedded Radios in der Antenne selber, das heißt, man hat dann wirklich die Möglichkeit des Beamformings. Bedeutet aber auch, dass die Ausgangsleistung der Endstufe deutlich reduziert werden kann. Wir werden hier also quasi mit Ausgangsleistung im Bereich 5 W linear arbeiten, das heißt, es wird ein Back-off von 10 dB unterstellt, was dann etwa also 40 W bei1 dB Kompression entspricht. Das ist nicht mit den aktuellen GSM-Systemen vergleichbar. LTE-Systeme haben geringere Ausgangsleistung, Beamforming und damit die Möglichkeit, wirklich räumlich selektiv abzustrahlen. Und das würde das Thema Elektromagnetische Verträglichkeit und Strahlungsbelastung schon auf ein ganz vernünftiges Niveau bringen. Die neuen Technologien können also dazu beitragen, dass sich diese Diskussion etwas entspannt. Das sind auch Technologien, um die Effizienz von Basisstationen, generell von HF-Frontends, zu steigern. Nicht einfach in den Raum abzustrahlen, sondern hier wirklich zielgerichtet eine gewisse Region zu beleuchten. Das sind wirkliche Neuerungen, die hier LTE 2600 mitbringt.

Dr. Benz: Beamforming bedeutet auch, dass die Ausgangsleistung der Endstufen das Basisstationen deutlich reduziert werden kann. (Bild: Redaktion elektronik industrie)

Natürlich wird es immer sehr schwer sein, das der Bevölkerung zu erklären, aber ich denke, diese Technologien sind nicht nur dazu ausgerichtet, die Coverage zu verbessern, sondern auch generell mit der Energie besser hauszuhalten. Bei aktuellen LTE 2600-Designs habe ich in einer aktiven Antenne bis zu 12 HF-Front-Ends. Da kann man die Ausstrahlung sehr gut optimieren. Natürlich ist ein ganz neuer Fokus die Software, die implementiert werden muss, um das aktiv zu gestalten. Das ist unsere Zielsetzung bei Municom, wir adressieren hier den Markt der Netzwerkausrüster, der OEMs, der Systemintegratoren, die für einen Carrier spezielle Netzwerke aufbauen. Wir sprechen hier auch von DAS-Systemen ( Distributed Antenna Systems ), um die Netzwerkverfügbarkeit in Gebäuden zu erhöhen, damit man seine E-Mails überall empfangen. Alles das sind Themen, die man mit LTE sehr gut abdecken kann.

Dr. Benz weiter: Mit LTE Pico-Zellen, die nahe am Verbraucher sind, kann man die Leistung stark reduzieren. Durch das Leistungsportfolio, das so eine LTE-Basisstation unterstützen soll, ist der Zielmarkt sicherlich Micro- und Pico-Zellen, aber keine Makrozellen. Das ist so die Tendenz bei den Basisstation und den Repeater-Herstellern.

J. Nilsson zur EMV: Die ganze Situation ist bei 3G deutlich entspannter als bei 2G- oder DECT-Systemen. (Bild: Redaktion elektronik industrie)

J.Nilsson hierzu: Die Femto-Zellen bei LTE sind eher so wie die WLAN-Access-Points. Man wird also dann neben DECT und WLAN auch Femtozellen im Haus haben. Und da ist die Leistung irgendwo im Bereich von 0 bis 15 oder 20 dBm. Also in der Größenordnung eines LTE-Handys.

Dr. Benz bringt das Thema MIMO ins Gespräch: Bei Beamforming ist alles adaptiv und somit ist auch die Softwaresteuerung besonders wichtig. MIMO-Aktivitäten sieht man im Bereich der digitalen Dividende. Man montiert auf dem Dach eine aktive Antenne und versucht den Empfang im Gebäude zu optimieren. Highspeed Internet for remote Areas ist hier ein Thema, und die Verfügbarkeit von Daten. Hier sehen wir Kunden, die im Bereich von 800 MHz, dem Bereich der digitalen Dividende, aktive MIMO-Antennen realisieren.

Wireless Expertenrunde Teil 1 und 3

Teil 1 geht auf die verschiedenen Module ein und gibt Antwort auf die Frage, kaufen oder selbst bauen. Teil 3 gibt Antworten auf die Frage, ob sich die Funkdienste nicht gegenseitig stören. Außerdem gibt es Statements der Diskussionsteilnehmer zur Akzeptanz der Funktechnik in Deutschland.

Die Frage der elektromagnetischen Verträglichkeit ist laut D.Sollbach eigentlich noch gar nicht so alt. Im Grunde hat sie im Jahr 1992 zur Gründung von IMST geführt. Als damals die ersten Handys aufkamen, wurde schon die Frage gestellt, ob Handys Einfluss auf Gehirnstrukturen haben können. Wir waren maßgeblich daran beteiligt, Messtechnik und Normen aufzusetzen, wie zum Beispiel die Messung der spezifischen Absorptionsrate von Handys, Entwicklung von Kopf- und Körpermodellen und entsprechenden Simulationstools. Jeder Handyhersteller muss schon seit vielen Jahren spezifische Absorptionsraten für seine Handys nachweisen. Das macht er klassischerweise wegen der Glaubwürdigkeit mit einem unabhängigen Dienstleister,. Aber zusammengefasst, es sind ermittelte Grenzwerte, die man irgendwann mal festgelegt hat, so wie andere Grenzwerte auch. Ob dieser Grenzwert nun niedrig genug ist, oder bei bestimmten empfindlichen Menschen nicht trotzdem zu Problemen führt, ist eine Sache, die die Zukunft zeigen wird. Wir sind ja nicht mit einem Handy am Kopf geboren, also wird das einen Einfluss haben. Welchen, wissen wir nicht.

Die Grenzwerte für WiFi, die unsere EMV vorschreibt, besagen: 10 mW sind selbst in direkter Körpernähe noch bedenkenlos. Bei 100 mW fängt es langsam an, dass ich einen bestimmten Abstand zum Körper einhalten sollte. Es ist aber noch nicht gefährdend. Welchen Einfluss es hat, kann man noch nicht sagen. Eine automatische Leistungsregelung gibt es nicht, man kann aber per Hand runter regeln. Im privaten Bereich haben fast alle Kanal 11 mit voller Leistung eingeschaltet, weil das die Werkseinstellung und nur ein geringer Prozentsatz der User die Werkseinstellungen ändern.

Es gibt auch eigene Grenzwerte für den medizinischen Bereich für Implantate ergänzt M.Kost zum Thema EMV. Es sind zwar geringere Leistungen als die 5 W, denen beispielsweise die Bobbys in London mit ihren Handfunkgeräten ausgesetzt sind, aber der medizinische Sender ist ja unmittelbar im menschlichen Körper. Es gibt aber auf Grund fehlender empirischer Daten eigentlich keine verlässlichen Werte, die sagen, wo eigentlich die Grenzlinie liegt.

M. Kost: Es gibt aber auf Grund fehlender empirischer Daten eigentlich keine verlässlichen Werte für medizinische Funkimplantate. (Bild: Redaktion elektronik industrie)

Jedoch sind Medical Wireless Sensoren ein stark wachsender Bereich, bei dem es in erster Linie auf höchste Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und damit niedrigster Leistungsaufnahme ankommt.

Die Kosten der Messtechnik

Was sind nun die Kosten für die Messtechnik im Zusammenhang mit den ISM-Modulen egal ob man sie selbst entwickelt oder es fertig einsetzt. Bei einfachen Modulen zum Beispiel für 2,4 GHz fängt die Messtechnik in Form eines Spektrumanalysators laut Johan Nilsson bei 10 000€ an. Will man ein Signal bei 6 GHz messen um auch alle Oberwellen zu erfassen, muss man schon 60 000€ allein für die Spektrummessung ausgeben. Wollte man weitere Qualitätsmerkmale erfassen wie Phasenrauschen, Modulationsqualität usw. kommt man schon in höhere Eurobereiche, besonders, wenn man spezielle Pakete zukaufen muss z.B. für Bluetooth oder einen Vektorsignalanalysator oder zur Messung der Antennenanpassung einen Netzwerkanalysator, einen Signalgenerator als Stimulus und so fort. Eine zuverlässige Preisaussage für die Messausrüstung zu treffen ist schwierig. Es kommt darauf an was man alles messen will: nur Sende- oder Empfangsparameter, auch die Protokolle usw. Aber als Hausnummer für eine Grundausstattung kann man Firmen, die eine Entwicklungsabteilung einrichten wollen, nennen. Die Grundausstattung sollte aus einem Spektrumanalysator bis 6 GHz (damit auch die 3. Oberwelle erfasst wird), einem Signalgenerator mit den entsprechenden Protokollen zum Empfängertest, evtl. noch einen Vektorsignalgenerator für ambitionierte Messungen und für das Antennendesign einen Netzwerkanalysator. Preislich beginnt man mit solch einer Grundausstattung bei 50 000 €.

Will man sich aber Funk Know How aufbauen und Schaltungen selbst entwickeln und bis zur Zulassung bringen, genügt diese Grundausstattung nicht, da landet man schnell bei 200 000€. Selbst wenn man ein Modul verwendet, benötigt man eine Antenne und die Integration in das Zielsystem. Das kann man mit „trial and error" machen, besser man verwendet ein Simulationstool wie es beispielsweise von IMST angeboten wird – und man braucht Erfahrung mit diesem Tool! Es sind also viele Komponenten, die man für eine ziel-, markt und zeitgerechte Produkteinführung benötigt.

Antonio Zarcone von Renesas Mobile weist auf einen Mittelweg zwischen Eigenentwicklung und Moduleinsatz hin, der sich auch auf die Messtechnik auswirkt. Es sind die Referenzdesigns, da entfallen die Kosten für Messgeräte, die Software-Entwicklung sowie für die Zertifizierung. Renesas Mobile bietet Halbleiter für Mobilfunk und Multimedia und geht den Markt über Plattformen an. Dies nicht mit Single Chip Lösungen, sondern mit kompletten Handy- oder Smartphone-Designs. Soll da Bluetooth-Funktion integriert werden, stehen große Stückzahlen oft von 500 Mio. dahinter, die rasch zu einer Amortisation der Produktionskosten führen. Es bleibt aber der Aufwand für Intermodulationsmessungen und die Zertifizierung des Gesamtgerätes, da sich die unterschiedlichen Frequenzen im System ja gegenseitig beeinflussen können. J.Nilsson mit einer abschließenden Bemerkung zur LTE-Messtechnik: Beim Einsatz von Funkmessplätzen in der LTE-Technik müssen die Geräte die entsprechend höheren Bandbreiten beherrschend. Bei der Spektrum- und Signalanalyse von Rohde & Schwarz haben wir das Problem nicht, da unsere Geräte schon seit Jahren auf Bandbreiten von 28 MHz ausgelegt sind und das reicht auch für LTE.

Die Rolle der Distributoren

Die Linecards der anwesenden Distibutoren Atlantik, Municom und Rutronik repräsentieren das Who is Who der Hochfrequenztechnik von ANT, AKM, Fastrax über Broadcom, CSR, DLI, Mini-Circuits, Nordic bis hin zu Voltronics Mitsubishi, RF Digital, Telit und ZMDI - um nur einige zu nennen. HF-Erfahrung beim Kunden kann man nach Erfahrung bei Rutronik nur bei sehr großen Konzernen oder auf Funktechnik spezialisierten Mittelständlern voraussetzen. Es bleibt zu klären ob und in welcher Tiefe diese vorhanden ist, welche Messgeräte zur Verfügung stehen, welche Stückzahlen angepeilt werden und welchen Aufwand der Kunde selbst betreiben möchte. Das beeinflusst die Entscheidung entweder zu einem Chipdesign - evtl. außer Haus - oder zu einem Moduldesign.

B. Hantsche: HF-Erfahrung beim Kunden kann man nach Erfahrung bei Rutronik nur bei sehr großen Konzernen oder auf Funktechnik spezialisierten Mittelständlern voraussetzen. (Bild: Redaktion elektronik industrie)

Alle IC/Modul-Anbieter von Rutronik zum Beispiel führen kostenlose Designreviews der Endanwendungen durch. Der Kunde macht sein Schaltungs-Layout, übermittelt die Dateien an den Distributor. Dieser koordiniert mit dem Modulhersteller einen Termin zur Analyse des Designs. Der Kunde erhält anschließend einen offiziellen Testreport mit Verbesserungsvorschlägen zum Platinenmaterial oder zur Dimensionierung externe Komponenten. Nach Optimierung des Designs sendet der Kunde einen Prototypen an den Disti und dieser wieder an den Bauteilehersteller, der dann letztendlich das funktionierende Design in seinen Laboren mit Messkammern und HF-Meßgeräten testet und letztendlich freigibt zur Zertifizierung. Die Rolle von Rutronik beschränkt sich, so B. Hantsche, auf die Vermittlung, Logistik, Übersetzungen, Terminüberwachung/Projektkoordination und den „Papierkram". Auch bei der Atlantik Elektronik, die sowohl ICs als auch Module anbietet, wird oft sehr viel Aufklärungsarbeit geleistet. Dabei muss man aber bedenken, dass die Kunden häufig durch Pressemitteilungen oder Artikel zu neuen ICs auf die neue Technik aufmerksam werden. Hinzu kommt, dass die Entwicklung von Modulen logischerweise etwas hinterherhinkt. Der Weg zu einer Lösung wird bei Kunden, die in Stückzahlen von 1000 denken, dann aber oft unterschätzt. Dies liegt zum Teil auch daran, dass HF-Know-how bei Mitarbeitern selten geworden ist, so dass es teuer extern eingekauft werden muss oder entsprechende Mitarbeiter erst eingestellt werden müssen. Natürlich muss auf den teuren Messaufwand und hohe Zertifizierungskosten hingewiesen werden. Gerade notwendige Zulassungen können zu Redesigns führen. Deswegen wird hier in den meisten Fällen empfohlen, fertige, bereits zertifizierte Module einzusetzen. Ein weiterer Aspekt sind die Protokolle oder Profile, die unterstützt werden müssen. Die Kompetenz eines Distributors zeigt sich dann in der Beratung bei der richtigen Auswahl - abgestimmt auf die Bedürfnisse und vor allem Kenntnisse des Kunden. Gerade bei der Softwareunterstützung können noch gravierende Probleme auftauchen, die aber bereits im Vorfeld vermieden werden können.

S. Bienert: Der Weg zu einer Funk-Lösung wird bei Kunden, die in Stückzahlen von 1000 denken, oft unterschätzt. (Bild: Redaktion elektronik industrie)

Atlantik verfügt über große Erfahrung im Zugriff auf neue Technologien in drahtloser Kommunikationstechnik. Hinzu kommt eine Grundausstattung an Messtechnik, bei Bedarf wird auch mit Testhäusern oder den IC-Herstellern selbst zusammengearbeitet. Wichtig ist für den Kunden aber auch immer mehr der Ansprechpartner für die Software, worauf bei Atlantik in den letzten Jahren zunehmend Wert gelegt wurde.

A.Zarcone ergänzt aus der Sicht eines Systemanbieters: Bei den Preisen von 2G- und LTE-Modulen liegen für Industriekunden Faktoren dazwischen. Das schreckt viele ab. Das wichtigste Argument von 2G weg zu gehen ist die Videoüberwachung. Aber da ist natürlich 3G der Favorit. Der einzige Grund warum man bei Smartgrids über LTE spricht, ist eine eventuelle Angst vor Abschaltung von 2G-Netzwerken. Bei Smartgrids ist das Thema der Dauer der Frequenzvergabe wichtig. Unsere Frequenzen sind für etwa 10 bis 15 Jahre vergeben, da muss man schon vorausschauend planen. Einmal in Häuser oder Haushalte eingebaute Smartgrids will man eigentlich nicht mehr ändern. Für die nächsten Jahre sehe ich für den Industriebereich keinen Grund auf LTE umzurüsten. Bis 2014 wird es dort kaum Interesse geben. Wenn man abseits von M-to-M und auf Module im Konsumerbereich blickt, gibt es dort eine Nische, die größer und größer wird. Zwei Faktoren treiben die Welt in diesem Bereich, einmal ist das IPR, also Patente, und GSM, 3G sowie in Zukunft LTE, wo man Lizenzgebühren an das 3GPP-Konsortium (Nokia, Alcatel, Nortel und andere) bezahlen muss, wenn man Module bauen will. Da macht es schon einen Unterschied, ob der Chipsatz in einem teuren System integriert wird oder auf einem kostengünstigen System. Eine Zertifizierung für GSM kann zum Beispiel schon mal 1 Mio. € kosten. Das geht nicht so einfach bei Modulen. Das andere ist die Time-to-Market. Die Zertifizierung für 800 MHz bis 2,4 GHz ist so wild geworden. Für einen Tablet-PC zum Beispiel muss man sie für jeden Operator separat machen. AT&T, t-mobile, Verizon, Vodafone, bei jedem Operator müssen sie zertifizieren. Und es gibt dabei manche die extremere Anforderungen haben, Anforderungen die über die Standards hinausgehen. Und im Nachhinein muss man auch Erweiterungen im Netzwerk, die Infrastruktur, Updates, berücksichtigen. Auch dann muss wieder zertifiziert werden. Es ist also ein Unterschied ob man das dann mit einem Tablet- oder Smartphone-Hersteller macht, oder mit einem Modul-Hersteller.

(sb, jj)

Weblinks zum Thema

Siegfried W. Best

Über den Autor

Siegfried W. Best : ist Chefredakteur der AUTOMOBIL ELEKTRONIK

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