Koexistenztest vermeidet Rückrufaktionen bei Smart-Home-Anwendungen

Das Internet der Dinge (IoT) ist im Rahmen der Heimautomatisierung und des Smart Home in den eigenen vier Wänden angekommen. Nutzer können heute von überall auf der Welt aus auf beliebige Objekte zuhause zugreifen und diese ansteuern, sofern Anwender und Geräte mit dem Internet verbunden sind.

Bild 1: Relevante Spektrallagen für das Störsignal, das mit in die Übertragung des erwünschten Eingangssignals eingespeist wird. Rohde & Schwarz

Drahtlose Lautsprechersysteme, Thermostate, Sicherheits- und Heimüberwachungssysteme, Haushaltsroboter, Rauchmelder, Beleuchtung, Überwachungseinrichtungen für den Energieverbrauch in Privathaushalten, Türschlösser, Kühlschränke, Waschmaschinen und Wassermelder – all diese Systeme verfügen heutzutage über integrierte Funkkommunikationsmodule auf WLAN-, Zigbee-, LPWAN- oder Bluetooth-Basis.

Konformität ist wichtig

Die neuen Vernetzungsmöglichkeiten bringen aber auch neue Herausforderungen und Konformitätsanforderungen mit sich. Produkte, die die gesetzlichen Vorgaben nicht erfüllen, können hohe Bußgelder und in manchen Ländern sogar Verkaufsverbote nach sich ziehen. Nahezu alle vernetzten Produkte sind mit Display, Lautsprechersystemen und App-Unterstützung ausgestattet, um den Bedienkomfort zu erhöhen. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen im Hinblick auf Sicherheit, Funktionalität und Qualitätssicherung.

Koexistenz mehrerer Funksysteme

Tabelle 1: Risikobewertungsmatrix für Tests an einem Empfänger für WLAN, Bluetooth und LTE; Grün steht für keine Gefahr, Gelb für mäßig riskant und Weiß und Rot für extrem riskant. Rohde & Schwarz

Meist kommen Wireless-Technologien zum Einsatz, die im 2,4-GHz-ISM-Band arbeiten, etwa WLAN oder Bluetooth. Befinden sich in der Nähe des Empfängers andere Funksysteme, die auf überlappenden Frequenzen senden, können sie dessen Leistungsfähigkeit herabsetzen. In der HF-Technik spricht man dann von einem Problem der Koexistenz der einzelnen Funktechnologien. Solche Koexistenzprobleme verschlechtern das Benutzererlebnis. Anwender, die die technische Ursache des Problems nicht verstehen, machen häufig das Produkt dafür verantwortlich. Das wiederum schadet dem Ruf des Herstellers.

Nicht ohne Koexistenztests

Bild 2: Mögliche Testlösung für gestrahlte HF-Koexistenztests von Smart-Home-Produkten. Rohde & Schwarz

Die meisten Gerätehersteller beziehen das drahtlose Kommunikationsmodul und das zugehörige Antennenmodul von unterschiedlichen Lieferanten, schließen beide an und integrieren sie in ihr Produkt. Die jeweiligen Komponentenhersteller garantieren mit entsprechenden Zertifikaten, dass ihre Komponenten verschiedenen Normvorschriften entsprechen. Dazu führt der Hersteller des Kommunikationsmoduls geräteinterne Koexistenz-Messungen durch, verwendet hierzu aber nur leitungsgebundene Testmethoden. Er macht keine gestrahlten Tests über die Luftschnittstelle (Over the Air, OTA Testing), bei der sein Modul mit einem integrierten Antennensystem verbunden ist. Damit ist die Leistungsfähigkeit des Komplettsystems im Endgerät jedoch unbekannt. Genauso liefert auch der Hersteller des Antennenmoduls Zertifikate zur Funkleistung und zu anderen relevanten Antennenparametern seines Produkts. Doch er testet es ebenfalls ohne das zugehörige Kommunikationsmodul. Das heißt, auch hier ist die Leistungsfähigkeit des Komplettsystems unklar.

Kombiniert nun der Hersteller diese beiden Funkkomponenten in seinem Gerät, dann ist das ein komplett neues Produkt, das nicht zertifiziert ist. Die Montageposition der Antenne oder auch eine Kopplung der Antenne mit dem Gehäuse ist entscheidend für die Übertragung und Empfangsqualität des Systems. Die Antenne empfängt je nach Einbausituation unterschiedliche elektromagnetische Interferenzsignale (EMI-Signale) aus verschiedenen Störquellen, die in ihre Richtung oder in ihrem Umfeld senden. Relevante Störquellen sind alle Komponenten und Fremdgeräte im Empfangsbereich der Antenne, die HF-Signale in benachbarten oder überlappenden Frequenzbereichen senden. Viele Smart-Home-Geräte besitzen Gehäuse aus Stahl oder Aluminium, was zu Kopplungseffekten zwischen Gerät und Antenne führen kann.

Mit den Einbaubedingungen verändert sich somit das Antennendiagramm. Es entspricht nicht mehr dem zertifizierten Diagramm des Lieferanten. Aus diesem Grund ist es entscheidend, dass der Hersteller das Gerät in seiner finalen Ausführung testet und qualifiziert. Dies geschieht über gestrahlte drahtlose Koexistenz-Messung im Umfeld des Geräts.

Unter widrigen Betriebsbedingungen testen

Damit sichergestellt ist, dass das Endprodukt alle Anforderungen erfüllt, ist ein auf die beabsichtigte Anwendung angepasster Testablauf notwendig. Dieser schließt Koexistenz- und Benutzererlebnistests mit ein, um eine hohe Dienstgüte bei der tatsächlichen Anwendung sowie Sicherheit und Produktkonformität sicherzustellen.

Diese Schritte sind notwendig, um möglichst alle potenziellen Risiken vor der Markteinführung zu minimieren. Außerdem verlangt dieser Prozess, dass vorab der beabsichtigte Anwendungsfall für das Messobjekt (DUT, Device under Test) möglichst genau definiert wird.  Denn das ist die Grundlage für die elektromagnetische Testumgebung und gibt die erwünschte funktionale Leistung für das Kommunikationssystem vor. Damit lässt sich dann ein Worst-Case-HF-Szenario definieren und anschließend in entsprechenden Tests nachbilden.

Am Beispiel einer intelligenten Waschmaschine in einem WLAN-Netzwerk lässt sich das gut veranschaulichen: Gemäß dem beabsichtigten Anwendungsfall befindet sich diese normalerweise in einem Bereich, in dem die elektromagnetische Umgebung die meiste Zeit unverändert und stabil bleibt. Das Worst-Case-Szenario tritt ein, wenn sich die Waschmaschine an einem Ort mit sehr schwachem WLAN-Signal befindet. Zudem liegt auf oder neben der Waschmaschine ein Smartphone, das mit einem Wi-Fi-Hotspot kommuniziert und gleichzeitig über Bluetooth mit maximaler Leistung sendet.

Was geschieht, wenn jetzt noch eine Smartwatch mit ins Spiel kommt? Die Herausforderung beim Testen besteht darin, genau diese elektromagnetische Umgebung und Testbedingungen innerhalb einer HF-Schirmkammer reproduzierbar nachzubilden.

Störsignale

Mithilfe von Stör- beziehungsweise EMI-Signalen soll sichergestellt werden, dass das DUT auch bei widrigen Umgebungsbedingungen befriedigende Empfangseigenschaften aufweist. Der Testingenieur muss dazu nicht nur eine reproduzierbare Teststrategie definieren, sondern auch das passende Störsignal, mit dem er die Empfangseinheit testen will. Diese unterstützt oft mehrere Kommunikationsstandards.

Es gibt zwei Ansätze, wie sich das richtige EMI-Signal auswählen lässt. Der erste basiert auf einer Risikoabschätzung der DUT-Fähigkeiten bezüglich unterstützter Übertragungstechniken, Frequenzen und Frequenzbändern. Daraus resultiert eine Risikobewertungsmatrix, in der die Störsignale mit Spektrallage festgelegt sind, die für dieses spezifische DUT sinnvoll sind.

Ein DUT unterstützt zum Beispiel WLAN und Bluetooth, die beide im 2,4-GHz-Band operieren, sowie LTE in den Frequenzbändern 7 und 18. Band 7 arbeitet im Downlink im 2,6-GHz-Band und Band 18 im 860-MHz-Band. Tabelle 1 zeigt für dieses spezielle Messobjekt die zugehörige Risikobewertungsmatrix.

Wenn der Tester die Empfangseigenschaften des DUTs während einer WLAN-Übertragung prüfen möchte, dann sind die zugehörigen Störsignale andere Bluetooth- und WLAN-Übertragungen, die gleichzeitig in der Nähe stattfinden. Denn bei diesen treten Überlappungen im Frequenzspektrum auf, die Koexistenzprobleme auslösen können. Bei einer LTE-Übertragung bei 2,6 GHz ist die Wahrscheinlichkeit für Koexistenzprobleme dagegen nur mäßig. Hier gibt es keine Überlappung mit dem 2,4-GHz-Band. Entsprechend wäre das eine mäßig riskante Störquelle für WLAN-Übertragungen. Eine Übertragung im LTE-800-Band schließlich, wäre für WLAN ohne Risiko und kommt deshalb nicht als Störquelle in Betracht.

Bild 3: Das Spektrogramm der OTA-Koexistenzmessung einer WLAN-Übertragung mit einer in-band eingekoppelten Bluetooth-Störung (links); das zugehörige Messergebnis ist rechts im Bild. Rohde & Schwarz

Mit dem zweiten Ansatz wird ein individueller Übertragungsstandard mit einer gängigen Störsignal-Strategie getestet. Das Störsignal, das die Leistung und Empfangseigenschaften des DUTs beeinflussen soll, wird über die EMI-Signalbandbreite, Leistungsniveau und Spektrallage definiert. Die Modulationstechnik des Störsignals hat keinen Einfluss auf die Funktion des Systems. Es ist aber ratsam, QPSK- oder QAM-modulierte (QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying, QAM: Quadrature Amplitude Modulation) Störsignale zu verwenden. Dieses Störsignal lässt sich dann mit unterschiedlicher Bandbreite und variablem Leistungsniveau in die Übertragung mit dem erwünschten Eingangssignal (WLAN, Bluetooth oder LTE) einspeisen. Interessant sind dabei bestimmte Spektrallagen wie die Mitte oder die Ränder des Übertragungsbandes (Bild 1). Relevant sind in der Regel nur Positionen innerhalb des zu prüfenden Übertragungsbandes, weil dort die größte Beeinflussung auf das erwünschte Eingangssignal zu erwarten ist. Spektrallagen außerhalb des Übertragungsbandes sind auch denkbar, doch die Erfahrung zeigt, dass die meisten aktuellen Empfangskomponenten heute gute Filtermechanismen besitzen, um die Störungen außerhalb des Übertragungsbandes herauszufiltern.

Die Testlösung

Bild 4: Das Spektrogramm der OTA-Koexistenzmessung einer WLAN-Übertragung mit einem in-band eingekoppelten LTE-Störsignal; das zugehörige Messergebnis ist rechts im Bild. Rohde & Schwarz

Bild 2 zeigt eine mögliche T&M-Lösung für solche Koexistenztests mit Messgeräten von Rohde & Schwarz. Sie umfasst einen Radio Communication Tester, einen Vektorsignalgenerator, gegebenenfalls mit einem Hochleistungsverstärker sowie einen Spektrumanalysator und eine echtzeitfähige Visual Inspection Software.

Das Messobjekt befindet sich in einer großen reflexionsfreien HF-Schirmkammer. Die Antenne des Radio Communication Testers (im Bild ein R&S CMW500) zeigt dabei genau auf die integrierte Antenne des DUTs und soll für die Tests eine aktive Ende-zu-Ende-Verbindung mit diesem herstellen. Er simuliert dazu ein nichtzellulares Funknetzwerk wie Bluetooth oder WLAN und, falls erforderlich, auch ein zellulares 3G- oder 4G-Netzwerk. Soll der Signalpegel während des gestrahlten Tests verstärkt werden, kann ein Hochleistungsverstärker wie der R&S BBA150 hinzukommen.

Als Messbasis dient ein funktionaler Leistungstest, bei dem alle relevanten Leistungskennzahlen der OSI-Bitübertragungs- und -Anwendungsschicht wie Durchsatz-Datenrate, Paketfehlerrate (PER), Blockfehlerrate (BLER), Video- und Audio-Performance des ungestörten WLAN-Signals aufgezeichnet werden.

Im nächsten Schritt wird der Leistungspegel des Nutzsignals auf die Bedingungen am Rand der Funkzelle reduziert, um ein Worst-Case-Szenario nachzubilden. Das Störsignal wird über den Vektorsignalgenerator eingespeist. Bei diesem Testaufbau ist es ein R&S SMW200A, der die möglichst realistischen, breitbandmodulierten, elektromagnetischen Störsignale generiert. Das extrem leistungsfähige Gerät kann jeden beliebigen Signaltyp auf jeder Frequenz spontan erzeugen. Die so gemessene funktionale Performance lässt sich mit den Ergebnissen aus der Messbasis vergleichen, um Abweichungen zu identifizieren.

Die meisten relevanten Normen schreiben für die Koexistenztests zudem eine Überwachung des HF-Spektrums vor. Somit sollte sich der Signal- und Spektrumanalysator sowohl im Echtzeit- als auch im Sweep-Modus betreiben lassen. Das ist bei den meisten aktuellen Spektrumanalysatoren der Fall. Für diese Testlösung wurde ein R&S FSVA3000 von Rohde & Schwarz verwendet.

Oft besitzen Smart-Home-Geräte ein Display und ein integriertes Lautsprechersystem, über die Anwender mit dem Gerät interagieren zu können. Es ist daher extrem wichtig, deren Leistungsfähigkeit auf Anwendungsebene in Gegenwart von Störsignalen zu testen. Für den zugehörigen Test streamt das DUT über die WLAN-Verbindung Video- und Audio-Inhalte vom Streaming-Server des Radio Communication Testers. Eine Visual Inspection Software wie R&S Advise führt dann in Echtzeit eine Qualitätsanalyse von Bild und Ton durch. Diese spezielle Inspektionssoftware kann von jeder USB-basierten HD-Webcam und jedem Mikrofon Live-Daten sammeln und so die Audio- und Video-Performance des Messobjekts in Echtzeit überwachen. Fehler-Ereignisse werden automatisch aufgezeichnet und im Prüfprotokoll dokumentiert.

Bild 3 zeigt das Spektrogramm eines drahtlosen Koexistenztest-Szenarios mit einer WLAN-Übertragung und einem 1 MHz breiten Bluetooth-Störsignal mitten im Frequenzband des WLAN-Signals. Das WLAN-Modul des Geräts ist über eine IEEE-802.11g-WLAN-Übertragung im 20-MHz-Kanal mit dem Access Point des Radio Communication Testers verbunden. Das Messergebnis der WLAN-Übertragung mit dem in-band Bluetooth-EMI-Signal ergibt eine durchschnittliche PER von 15 Prozent bei der Übermittlung von 1000 Paketen. Das Störsignal wurde mit einem Leistungsniveau von -30 dBm eingespeist.

Bild 4 stellt ebenfalls Spektrogramm und Messergebnis eines HF-Koexistenztest-Szenarios dar. Diesmal wird die WLAN-Übertragung durch ein 20 MHz breites LTE-EMI-Signal gestört, das wie beim anderen Szenario mitten im WLAN-Übertragungsfrequenzband positioniert ist. Hier wurde bei der Übertragung von 2000 Paketen eine durchschnittliche PER von 19,5 Prozent gemessen. Das Störsignal wurde mit einem allmählich ansteigenden Leistungspegel eingespeist. Mit zunehmender Störleistung stiegt die PER steil an.

Der Testbedarf nimmt zu

Der Artikel beschreibt einen systematischen Ansatz, wie gestrahlte drahtlose Koexistenztests an einem fertigen Produkt durchführbar sind. Diese drahtlosen Koexistenztests im direkten Umfeld des Messobjekts sind neu und finden zunehmend Verbreitung. Das Verfahren eignet sich nicht nur für Konformitätstests. Hersteller können einen Koexistenztest auch als End-of-Line-Funktionstest in der Produktion einsetzen. Derzeit erhalten die meisten Geräte noch als letzten Schritt, bevor sie das Werk verlassen, die neuesten Firmware-Updates. Doch das birgt das Risiko, dass dieses letzte Software-Update Koexistenzprobleme verursacht.

Die so ausgelieferten Geräte sind dann vielleicht nicht voll funktionstauglich. Das zieht teure Maßnahmen wie Rückrufaktion, Fehlersuche und Ersatz der Produkte nach sich. Aus diesem Grund, ist es sinnvoll, einen Koexistenztest ganz am Ende des Prozesses durchzuführen, direkt vor der Auslieferung des Produkts. Das spart Herstellern erheblich Zeit und Ressourcen. Ein für diese Zwecke nach dem Open-Lab-Prinzip angepasster, kurzer drahtloser Koexistenz-Testablauf prüft dann die tatsächliche Leistungsfähigkeit des Produkts in seiner angedachten Arbeitsumgebung. Das steigert das Vertrauen des Herstellers in sein Produkt und stärkt den Ruf der Marke.

(na)