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Neue Funkmesstechnik am ifak

Seit mehr als zwei Jahrzehnten untersucht das ifak die Zuverlässigkeit von Funksystemen für industrielle Anwendungen. Denn der Nachweis der zuverlässigen Funktion und die Bewertung von Zeit- und Fehlerkenngrößen ist für Hersteller und Anwender industrieller Funklösungen von größter Bedeutung.

Um den gestiegenen Anforderungen neuer und zukünftiger Funktechnologien, wie z. B. 5G und WiFi 6, an derartige Untersuchungen gerecht zu werden, wurde seit Sommer 2021 hochwertige Messausrüstung angeschafft.

Das Erfassen des komplexen Übertragungsverhaltens industrieller Funkkanäle wird mit dem Netzwerkanalysator ZNB8 ermöglicht. Das Gerät kann in einem Frequenzbereich von 9 kHz bis 40 GHz verwendet werden. Es ist vorgesehen Funkkanäle bei Distanzen bis zu 40 m zu vermessen, da diese in realen Szenarien im industriellen Umfeld vorkommen können und bisher insbesondere für das Band von 3,7 bis 3,8 GHz noch nicht untersucht wurden. In diesem Band werden derzeit 5G Stand-alone Netzwerke betrieben. Basierend auf den Messergebnissen können anschließend Kanalmodelle entwickelt werden, die dann im Labor für die Evaluierung und Optimierung von Funksystemen genutzt werden können.

Ein Mixed-Signal-Oszilloskop MSO71254C mit 12,5 GHz Bandbreite und mit bis zu 100 Gigasamples pro Sekunde ermöglicht die Analyse von analogen und digitalen Signalen für High-Data-Rate Schnittstellen, wie z. B. PCIe, USB und Ethernet. Der vom ifak entwickelte Funk-Transfer-Tester, mit dem das Zeit- und Fehlerverhalten von Kommunikationssystemen aus Sicht der Applikation gemessen und bewertet werden kann, soll um genannte Schnittstellen erweitert werden. Das Oszilloskop wird hierbei entwicklungsbegleitend eingesetzt.

Vor dem Feldtest werden Prototypen unter Laborbedingungen untersucht, meist schon entwicklungsbegleitend. Die Reproduzierbarkeit der Untersuchungen von Funkgeräten erfordert die Einhaltung definierter Bedingungen, insbesondere jedoch, dass die Funkgeräte und deren Kommunikation von außen weitestgehend unbeeinflusst sind. Zum Zweck der physikalischen Abschirmung der Funkübertragung werden bei Laboruntersuchungen sogenannte Schirmboxen verwendet. Die Funkgeräte werden innerhalb einer Schirmbox platziert und kabelgebunden untereinander und mit weiterem Messequipment verbunden. Die angeschafften Schirmboxen unterschiedlicher Größe haben eine Schirmdämpfung von bis zu 100 dB bis 40 GHz und darüber hinaus 90 dB bis 90 GHz. Vielfältige Anschlussmöglichkeiten für jeweils vier Antennen, Netzspannung und Kommunikationsschnittstellen, wie z. B. USB, Ethernet, Digital IO und Lichtwellenleiter, eröffnen ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten. Eine der größeren Schirmboxen ist zusätzlich mit einem Zwei-Achsen-Positionierer ausgestattet. Im Zusammenspiel mit dem Netzwerkanalysator ist es somit möglich, die Charakteristik von Antennen zu vermessen.

Um die Spektrumnutzung zu erfassen, unbekannte Nutzer zu identifizieren sowie allgemein Signalformen von Funkgeräten zu analysieren, wird ein Signal- und Spektrumanalysator benötigt. Der neu am ifak vorhandene FSW 43 kann Signale von 2 Hz bis 43 GHz erfassen, analysieren und darstellen. Damit kann auch das mmWave-Band bis 27,5 GHz vermessen werden, in dem lokale 5G-Netze betrieben werden können. Entsprechend breitbandig Antennen für diese Frequenzbereiche wurden ebenfalls angeschafft.
Bei industriellen Funkanwendungen werden häufig sehr kurze Datenpakete übertragen, die das Spektrum nur für eine geringe Zeit nutzen. Mit der Echtzeit-Analysebandbreite von >500 MHz können auch diese Signale sicher erfasst werden.

Gefördert wurde diese investive Maßnahmen vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über das Förderprogramm Innovationskompetenz INNO-KOM.

Zusätzlich wurde im Projekt „5G Industrial Working and Co-Working Space“ (5GIWCoW) ein autonomer mobiler Netzwerkscanner (TSMA6) angeschafft. Mit seinem Ultra-Breitband-Frontend misst der integrierte Scanner alle unterstützten Mobilfunktechnologien im Frequenzbereich von 350 MHz bis 6000 MHz. Ein integrierter Multi-GNSS-Empfängers ermöglicht unterbrechungsfreie Standortverfolgung. Durch den passiven Scan werden eine Reihe von wichtigen Zusatzinformationen zu den erfassten Netzwerken erfasst. Der Nutzer erhält somit ein vollständiges Abbild der an einem Ort bzw. in einem Bereich verfügbaren Mobilfunknetze.
Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur.

Die Messgeräte werden in Forschungsprojekten, wie z. B. DIAL-IN, Emilia, Rebako, 5GIWCoW und Industrial Radio Lab Germany (IRLG) sowie für industrielle Auftragsforschung genutzt.