Ultrabreitband-Tests

Die Zukunft der Industrie hat mit Ultrabreitband (UWB) begonnen und wird die Art und Weise, wie wir Fabriken und andere industrielle Prozesse betreiben, verändern. Dank ihrer Fähigkeit, mit intelligenten Autos und anderen intelligenten Geräten zu kommunizieren, sind UWB-Produkte auf dem besten Weg zum weltweiten Erfolg.

Was ist Ultrabreitband (UWB)?

Ultrabreitband ist eine Technologie, die die Sendeleistung dank extrem kurzer Sendeimpulse im Zeitbereich über einen breiten Frequenzbereich verteilt. Einerseits werden dadurch die Leistungspegel so reduziert, dass UWB-Signale andere schmalbandige Übertragungsverfahren nicht stören können. Andererseits sind UWB-Geräte sehr robust gegenüber mehreren gleichzeitig anliegenden Schmalbandsignalen: Schmalbandige Störer können aufgrund der großen Bandbreite des UWB-Signals im Frequenzbereich leicht herausgefiltert werden. Eine hohe Datenrate wird durch kurze Impulse im Zeitbereich mit einer hohen Wiederholrate erreicht. UWB-Geräte werden normalerweise in Entfernungen von bis zu 40 Metern eingesetzt.

All dies verschafft UWB erhebliche Sicherheitsvorteile gegenüber früheren Schmalbandtechnologien. Um beispielsweise das 100 kHz breite Signal eines Autoschlüssels mit einer Trägerfrequenz von 433 MHz zu kopieren, reicht ein einfaches Funkrelais (ein Aktenkoffer mit Ausrüstung für ein paar tausend Euro) aus. Das Kopieren von UWB-Signalen und die anschließende Reproduktion sind wesentlich komplizierter, nicht nur wegen der Eigenschaften des UWB-Signals, sondern auch wegen der Antennenanordnung am Auto selbst, die es ermöglicht, die genaue Position des Autoschlüssels zu bestimmen.

Anwendungsfälle für Ultra-Breitband

Die UWB-Technologie wird in immer mehr Branchen eingesetzt

Präzise Lokalisierung und Verfolgung

Tag/Anker-Systeme in der Logistik oder Unterhaltungselektronik, Handys (Apple, Samsung, Huawei), Automobilindustrie (Autoschlüssel)

Digitale Funkübertragung

Hohe Datenrate auf kurzen Entfernungen

Radargeräte

Zivile (Ground Penetrating Radars, Through-Wall Imaging Systems) und militärische Bereiche (Synthetic Aperture Radars)

Spektrum & Messbandbreiten

UWB-Messungen sind mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Man braucht moderne Spektrumanalysatoren mit Messbandbreiten bis zu 50 MHz, rauscharme Verstärker mit hohem Gewinn und gleichzeitig geringstem Eigenrauschen und eine Reihe von hochpräzisen Hornantennen, die in den engen Frequenzbereichen arbeiten. Der Schlüssel zum Erfolg ist jedoch Personal mit genügend Kompetenz und Erfahrung auf diesem Gebiet. Die IB-Lenhardt AG hat diese. Für UWB-Messungen verfügen wir über einen Spektrumanalysator FSW50 von Rohde & Schwarz, verschiedene rauscharme Verstärker von B&Z (die besten derzeit erhältlichen Modelle), eine Reihe von Hornantennen von Pasternack und Flann sowie Ingenieure, die Dutzende von UWB-Testprojekten erfolgreich durchgeführt haben.

Technische FAQ

Alles, was Sie über UWB-Prüfungen wissen sollten

Müssen wir nur ein normales oder auch ein modifiziertes Mustergerät mit SMA-Anschluss (im Folgenden "modifiziertes Gerät") für die durchgeführten Tests bereitstellen?

Die meisten Messungen für FCC, ISED und ETSI werden in der Regel gestrahlt durchgeführt, mit normalen (nicht modifizierten) Mustergeräten.

Parametermessungen (z. B. Bandbreitenmessung usw.) können auch leitungsgebunden durchgeführt werden. Diese Tests benötigen immer viel weniger Zeit als gestrahlte Tests. Insbesondere wenn das zu prüfende Gerät (EUT) mehrere Kanäle hat, kann die Verfügbarkeit eines modifizierten Geräts helfen, Prüfzeit zu sparen.

In Japan können die Messungen nur mit modifizierten Geräten durchgeführt werden. Die dort geltenden Grenzwerte lassen aufgrund des Rauschpegels keine gestrahlten Messungen zu.

In welchem Modus sollen die Proben für die Prüfarbeiten angeliefert werden?

Die Prüfungen für alle Länder (FCC, ISED, MIC, ETSI) erfordern einen kontinuierlichen Modulationsmodus für alle Kanäle. Für alle tragbaren UWB-Geräte ist zusätzlich ein normaler Betriebsmodus erforderlich. Außerdem benötigen wir ein Begleitgerät für das EUT, um die Möglichkeit zu haben, Tests im Normalbetrieb durchzuführen. Für die Prüfungen nach den Standards von ETSI und MIC benötigen wir zusätzlich einen Empfängermodus. Empfängermodus bedeutet, dass das EUT auf ein Signal vom Begleitgerät wartet, selbst aber keine Signale sendet. Wenn es technisch möglich ist, sollte der Empfängermodus so implementiert werden, dass er ohne ein Begleitgerät funktioniert. Das Vorhandensein eines Begleitgeräts im Empfängermodus während der Prüfung kann zusätzliche Emissionen verursachen.

Ist es für die FCC/ISED-Prüfung wichtig, ob ich ein Innenraum- oder ein tragbares UWB-Gerät zum Testen habe?

Ja, es ist wichtig. Für tragbare UWB-Geräte sind die Grenzwerte strenger. Außerdem muss ein zusätzlicher Test durchgeführt werden, nämlich der Test der Sendepause. Die FCC bezeichnet tragbare UWB-Geräte wie folgt: "Ein kleines UWB-Gerät, das für den häufigen Betrieb im Freien vorgesehen ist und ohne feste Infrastruktur betrieben werden kann". Wenn ein UWB-Gerät für den Betrieb in Innenräumen vorgesehen ist, sollte es auf dem Gerät selbst oder in der mitgelieferten Bedienungsanleitung den folgenden Hinweis enthalten: "Dieses Gerät darf nur in Innenräumen betrieben werden. Der Betrieb im Freien stellt einen Verstoß gegen 47 U.S.C. 301 dar und kann für den Betreiber zu schwerwiegenden rechtlichen Konsequenzen führen." Wichtige Angaben für das Gerät sind zudem, dass es nur in Verbindung mit festen Drahtnetzen funktioniert und das Fehlen einer internen Batterie, was die Stromversorgung über AC oder PoE zur Folge hat.

Gibt es einen Unterschied zwischen den Anforderungen für die FCC- und ISED-Prüfung?

Ja, hier gibt es einige wichtige Unterschiede. Für ISED (RSS-220) sind die Grenzwerte für die abgestrahlte Emission im unteren Frequenzbereich: -70 dBm für 1610 MHz - 4750 MHz. Bei der FCC liegt dieser Wert bei -41,3 für 3100 MHz - 100600 MHz für tragbare und Innenraumgeräte. In der Praxis bedeutet dies, dass es fast unmöglich ist, UWB-Geräte in Kanada im Frequenzbereich unter 4750 MHz zu verwenden.

Worauf sollte ich bei der Auswahl eines Labors für die Prüfung meiner UWB-Ausrüstung achten?

Die FCC verlangt, dass die Spitzenleistung innerhalb einer Bandbreite von 50 MHz gemessen wird. Das bedeutet, dass der im gewählten Labor verwendete Spektrumanalysator in der Lage sein sollte, mit einer Auflösungsbandbreite (RBW) von 50 MHz zu messen. Es gibt auch ein Verfahren zur Messung mit einer geringeren RBW. Labore, die nicht über einen geeigneten Spektrumanalysator verfügen und dieses Verfahren für eine geringere RBW verwenden, stehen in der Regel vor dem Problem, korrekte Ergebnisse für die gemessene Leistung zu erhalten. Dies führt zu Verzögerungen bei der Prüfung und nicht selten zur Übergabe des Projekts an ein Labor mit geeigneter Ausrüstung.

Das Testlabor sollte auch über eine Reihe von rauscharmen Verstärkern mit hoher Verstärkung und niedrigen Rauschzahlwerten sowie über eine Reihe von Antennen mit kleinem Frequenzbereich und hoher Verstärkung verfügen. Die Verwendung von nur einer kleinen Auswahl an Antennen und einem Verstärker oder Verstärkern mit unpassenden Parameterwerten wird für die meisten UWB-Projekte sicher nicht ausreichen. Die IB-Lenhardt AG verfügt über die beste auf dem Markt erhältliche Ausrüstung für UWB-Prüfungen.

Reicht es aus, Mustergeräte zum Testen per Post zu schicken? Oder muss ich persönlich kommen, um bei der Einstellung der Geräte im Betriebsmodus zu helfen?

Für die Prüfung aller Geräte benötigen wir eine detaillierte Prüfanweisung. Es wird auch empfohlen, einige Videos zu machen, wie man das EUT in einen geeigneten Betriebsmodus versetzt. Wenn das EUT für die Prüfung richtig vorbereitet ist, können alle Prüfungen auch ohne persönliches Erscheinen Ihrerseits von uns durchgeführt werden. Sollten während der Prüfungen Probleme auftreten, werden wir eine Fernsteuerungs-SW (z. B. TeamViewer) und Videoanrufe verwenden, um diese zu lösen. In jedem Fall ist es möglich, alle Tests ohne Ihre Anwesenheit an unserem Standort durchzuführen.

UWB Standards

Europäische Union (ETSI)

Norm: ETSI EN 302 065 (Teil 1, 2, 3, 4, 5)

  • Teil 1: Anforderungen für allgemeine UWB-Anwendungen

  • Teil 2: Anforderungen für die UWB-Standortverfolgung

  • Teil 3: Anforderungen an UWB-Geräte für bodengebundene Fahrzeuganwendungen

  • Teil 4: Materialerkennungsgeräte mit UWB-Technologie unter 10,6 GHz

  • Teil 5: Geräte mit UWB-Technologie an Bord von Flugzeugen

Die richtige Einordnung der entsprechenden Normen für das jeweilige Gerät ist entscheidend, da die Anforderungen je nach Norm sehr unterschiedlich sein können.

UWB Standards

Internationale Marktstandards

  • USA (FCC)
    Norm: CFR 47 Part 15 F (Ultra-Wideband Operation), KDB 393764 D01.
    Die meisten Geräte, die auf dem Markt zugelassen sind, fallen in Part 15.517 (Indoor-Geräte) und 15.519 (Handheld-Geräte). Es ist sehr wichtig, die Klassifizierung von Anfang an richtig zu bestimmen, da sich die Anforderungen an die Geräte dadurch erheblich unterscheiden. Einer der Parameter ist dabei ein entsprechender Nachweis, dass ein Indoor-Gerät wirklich nur innerhalb von Gebäuden und nicht außerhalb verwendet wird (z.B. AC- oder LAN-Kabelanschluss, kein Batteriebetrieb etc.).

  • Kanada (ISED)
    Standard: ISED RSS-220.
    Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass die UWB-Frequenzbereiche für FCC und IC gleich sind. Erlaubt die FCC ein UWB-Signal mit maximalem E.I.R.P. -41,3 dBm im Frequenzbereich 3,1 GHz - 10,6 GHz, so gelten für IC die gleichen Grenzen nur für den Frequenzbereich 4,75 GHz - 10,6 GHz. Da dies bei der Entwicklung oft nicht berücksichtigt wird, können später teure Nachbesserungsmaßnahmen (Firmware, Rezertifizierung) entstehen.

  • Japan (MIC)
    Standard: ARIB STD-T91
    Die Übertragungsbandbreite bei -10 dB beträgt mindestens 450 MHz.

Häufig gestellte Fragen

Allgemeine Informationen über UWB

Was ist Ultra-Breitband (Ultra-Wideband / UWB) und wie funktioniert es?

Ultra-Breitband ist eine funkbasierte Kommunikationstechnologie für den Nahbereich, die für eine schnelle und stabile Datenübertragung über Entfernungen von bis zu 40 Metern eingesetzt wird. Die Ultra-Breitband-Technologie zeichnet sich durch hohe Präzision, hohe Übertragungsgeschwindigkeit und hohe Zuverlässigkeit aus und wird zur Datenübertragung, Zugangskontrolle und Ortung von Personen und Objekten eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Funktechnologien, die sinusförmige Trägerfrequenzen modulieren, überträgt UWB extrem kurze Sendeimpulse mit geringer Leistung über einen breiten Frequenzbereich (mindestens 500 MHz). UWB-Signale können andere schmalbandige Übertragungsverfahren nicht stören und werden daher nur als Rauschen wahrgenommen.

Warum wird es Ultra-Breitband genannt?

Die Bezeichnung Ultra-Breitband kommt von der großen Bandbreite von mindestens 500 MHz des UWB-Signals im Frequenzbereich. Dank kurzer Impulse im Zeitbereich mit einer hohen Wiederholungsrate wird eine hohe Datenrate erreicht.

Wie wird mit UWB die Entfernung gemessen?

Die Grundlage für die Berechnung der Entfernung zwischen zwei Objekten bildet die Flugzeit (Time of Flight / ToF).

ToF basiert auf der Lichtgeschwindigkeit und misst die Zeit, die benötigt wird, um eine Strecke vom Sender zum Ziel und wieder zurück zu bewältigen. Die Zeitdifferenz zwischen der Übertragung und dem Empfang, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit, ergibt die tatsächliche Entfernung des Ziels in Millimetern mit sehr hoher Genauigkeit.

Wie groß ist die Reichweite von UWB?

Ultra-Breitband ist eine Kurzstreckentechnologie, bei der die Erkennung von Geräten unter 200 Metern möglich ist. Sie funktioniert jedoch am genauesten über Entfernungen zwischen 1-50 Metern und wenn zwischen den Geräten eine Sichtverbindung besteht.

Was ist der Unterschied zwischen UWB und Wi-Fi?

Der Unterschied zwischen Ultra-Breitband und Wi-Fi besteht darin, dass UWB eine Kurzstreckentechnologie ist, die eine große Frequenzbandbreite von 500 MHz abdeckt und bis zu 200 Meter Reichweite hat. Wi-Fi ist ein Funknetz, das in einer Bandbreite von etwa 20-40 MHz arbeitet und eine Reichweite von 10-70 Metern hat.

Außerdem wird Ultra-Breitband nicht nur für die Datenkommunikation, sondern auch für die Ortung und Zugangskontrolle verwendet. Es bietet ein höheres Maß an Genauigkeit und Sicherheit, da die Entfernung durch ToF und nicht wie bei Wi-Fi, durch Messung der Signalstärke, gemessen wird.

Ein weiterer Unterschied ist, dass UWB in Echtzeit und in alle Richtungen geortet werden kann, selbst wenn mehrere drahtlose Verbindungstechnologien in Betrieb sind. Wi-Fi kann sich mit benachbarten Kanälen überschneiden.

Welche rechtlichen Anforderungen sind erforderlich?

Um ein Produkt mit Ultra-Breitband-Technologie auf den Markt zu bringen, ist eine behördliche Zulassung für die entsprechenden nationalen und internationalen Märkte erforderlich. 

Die folgenden sind die wichtigsten:

  • EU (ETSI): 

    Standard: ETSI EN 302 065 (Teil 1, 2, 3, 4, 5)

  • USA (FCC):

    Standard: CFR 47 Teil 15 F (Ultra-Breitbandbetrieb), KDB 393764 D01

  • Kanada (ISED):

    Standard: ISED RSS-220

  • Japan (MIC):

    Standard: ARIB STD-T91

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