Applicazioni RF: le normative

Quali sono i vincoli a cui un prodotto radio è sottoposto per poter essere presente nel mercato? Comprendiamo l’approccio normativo adottato in ambito comunitario per poi guardare nel dettaglio un ambito applicativo interessante per la piccola industria elettronica, quello dei dispositivi a corto raggio (Short Range Device).

Nel panorama industriale moderno, un’azienda che voglia essere presente in un mercato ha la necessità di essere conforme ad un groviglio di requisiti normativi. Gli scopi che le norme si prefiggono sono:

» tutelare  la sicurezza del consumatore;

» tutelare  l’ambiente;

» regolamentare l’uso di (preziose) risorse condivise.

In particolare nell’ambito della radiofrequenza, sin dagli albori delle tecnologie che permettono la comunicazione via etere, fu evidente la necessità di avere delle regole comuni che consentissero un uso del mezzo sofisticato, efficiente e, allo stesso tempo, accessibile al maggior numero di utenti possibile. Inoltre, essendo considerate le radiofrequenze come beni pubblici afferenti il  patrimonio dello Stato (per la norma italiana parificati al demanio pubblico, con qualche leggera differenza), la normativa regolamenta anche lo sfruttamento della radiofrequenza per pubblico servizio (ad esempio: telefonia cellulare, radiotelevisione), servizio dal quale lo stato trae cospicue entrate dalle concessioni  alle società di telefonia mobile. In questo articolo tralasciamo le normative esterne alla Comunità Europea (tra cui la più importante quella statunitense soggetta al controllo del potente FCC), che saranno oggetto di approfondimenti in altri articoli e ci occupiamo delle normative europee. Le norme statali in Italia e negli altri stati europei sono soggette, dalla creazione della Comunità Economica Europea con il trattato di Roma 1950, ad una fonte superiore che è quella del diritto comunitario. Nel nostro ambito particolarmente interessante è la struttura normativa scelta dall’Europa per regolamentare le certificazioni  riguardanti  i prodotti commerciali. In effetti, la creazione di un mercato interno basato sulla libera circolazione delle merci dipende in modo critico da un adeguato livello di armonizzazione tecnica. Dal 1985, il “nuovo approccio in materia di armonizzazione e la standardizzazione” ha rappresentato un importante cambiamento nei rapporti con gli enti normativi, attraverso l’elaborazione di direttive proposte in applicazione dell’art. 100a (sostituito dall’art.95) del trattato fondante la CEE.

Regolamenti statali e norme  armonizzate

Questa nuova strategia, meglio conosciuta con il nome di ‘Nuovo Approccio’ si basa su alcuni principi fondamentali:

» vi è una netta separazione tra la normativa CEE e la standardizzazione a livello europeo;

» è azione legislativa CEE (ad esempio, quella relativa alle direttive comunitarie) è limitata ai requisiti essenziali (requisiti di sicurezza di interesse generale) necessari per garantire la libera circolazione dei prodotti in tutta la Comunità;

» il  compito di elaborare le corrispondenti specifiche tecniche è affidato agli organismi di normalizzazione europei (CEN, CENELEC, ETSI);

» prodotti fabbricati in conformità alle norme armonizzate sono presunti essere conformi ai requisiti essenziali;

» le norme non sono obbligatorie, ma rimangono su base volontaria. Percorsi alternativi sono possibili, ma il produttore che li sceglie ha l’obbligo di provare che i suoi prodotti sono rispondenti ai requisiti essenziali delle direttive;

» le norme devono offrire una garanzia di qualità per quanto riguarda  i requisiti essenziali delle direttive comunitarie;

» le autorità pubbliche sono ancora responsabili per i requisiti di protezione sul loro territorio (sorveglianza del mercato p.e.). Le direttive comunitarie di “Nuovo Approccio” sono supportate da “norme armonizzate” che svolgono un ruolo importante nel garantire la loro applicazione. Tali norme hanno le seguenti caratteristiche:

» le norme (di solito EN, ETS) sono redatte da uno dei tre organismi europei di standard (CEN, CENELEC, ETSI);

» il lavoro di creazione delle norme armonizzate si basa sul consenso;

» le norme sono adottate dopo un’inchiesta pubblica con votazioni da parte degli enti di standardizzazione statali con voti pesati;

» il soddisfacimento delle norme armonizzate rimane su base volontaria, ma non il soddisfacimento dei requisiti essenziali presenti nella direttiva. La loro trasposizione nella normativa nazionale e la revoca delle norme nazionali divergenti è obbligatoria per le regole interne degli organismi europei di normalizzazione.

Quindi in sintesi:

» la Comunità Europea emette delle direttive contenenti requisiti essenziali e normanti settori commerciali omologhi (automazione industriale, prodotti consumer, prodotti radio, etc...);

» uno (o più) degli enti di standardizzazione europei si occupa di redarre una o più norme armonizzate ispirate ai requisiti essenziali.  Il lavoro è portato avanti e approvato con il voto degli enti di standardizzazione nazionali degli stati membri;

» gli stati membri sono chiamati a legiferare per trasporre la norma armonizzata nella legislazione nazionale.

L’applicazione della norma rimane su base volontaria, ma è a carico del produttore che rifiuti di seguire l’approccio armonizzato, la prova che il ‘suo approccio’ copra i requisiti essenziali delle direttive. Alcune delle direttive comunitarie più importanti che normano il mercato per le imprese produttrici di elettronica (consumer o industriale) sono:

» direttiva  Low Voltage  (LV) 2006/95/EC, ha come obiettivo la sicurezza nell’uso di apparecchiature elettriche che abbiano in input e output tensioni entro alcuni livelli;

» direttiva ElectroMagnetic Compatibility (EMC) 2004/108/EC, ha come obiettivo assicurare un adeguato livello di emissioni elettromagnetiche e immunità ai disturbi elettromagnetici nelle apparecchiature elettroniche;

»   direttiva Machinery (Macchine) 1998/37/EC, ha come obiettivo la tutela della sicurezza nell’uso di Macchine (da norma Macchina è un insieme di parti o di componenti, almeno uno dei quali si muove, che abbia eventualmente azionatori, circuiti di comando e di potenza, ecc, collegati insieme per una specifica applicazione, in particolare per la trasformazione,  il trattamento, lo spostamento e il condizionamento  di uno specifico materiale);

» direttiva  R&TTE (Radiocommunications and Telecommunications  Terminal Equipment), 1999/5/EC, riguarda tutti i  prodotti che usano lo spettro radio o che siano connessi a reti pubbliche di telecomunicazioni.

Quest’ultima è quella che ci interessa nel prosieguo del nostro articolo.

Direttiva R&TTE e corrispondenti norme armonizzate

La direttiva R&TTE riguarda, come già detto, alcuni tipi di prodotti che all’interno della norma vengono definiti apparati. Per la norma sono apparati:

» i terminali  per le telecomunicazioni pensati allo scopo di essere connessi ad una rete pubblica;

» gli apparecchi che sfruttano lo spettro elettromagnetico nella banda compresa tra 9kHz e 3GHz;

I prerequisiti  essenziali perché un apparato soddisfi la direttiva sono:

» compatibilità con la direttiva EMC;

» compatibilità con la direttiva LV senza però particolari limiti di tensione.

Inoltre, per la R&TTE, un apparato deve:

» fare un uso efficiente dello spettro radio;

» se connesso ad una rete pubblica deve

essere progettato per non degradare in maniera inaccettabile le prestazioni della rete stessa e salvaguardare interoperabilità, privacy degli utenti, accesso ai servizi di emergenza etc... Ovviamente quelli indicati sono requisiti generici, come è lecito attendersi da una direttiva comunitaria. In pratica viene detto solo cosa assicurare, ma non viene spiegato come. Il peso dell’implementazione tecnica è tutto nelle declinazioni da dare agli aggettivi ‘efficiente’ (riguardo l’uso dello spettro radio) e ‘inaccettabile’ (riguardo le prestazioni della rete). Un altro punto che è importante notare è la suddivisione degli apparati in due diverse classi: la classe 1 comprende tutti gli apparati che possono essere immessi sul mercato senza autorizzazioni e messi in servizio senza limitazioni, la classe 2 tutti gli altri. Tipicamente tutti i ricevitori  radio, ma anche alcune apparecchiature che possono trasmettere solo sotto il controllo di una rete pubblica (ad esempio telefoni GSM) sono in classe 1; in classe 2 si trovano, di solito trasmettitori per cui le norme statali richiedono particolari autorizzazioni legate alla banda e al pubblico servizio (è il motivo per cui né io né voi possiamo aprire liberamente  il nostro operatore telefonico privato). Per una lista estensiva e sempre aggiornata di tute le apparecchiature che sono previste in classe 1, riferirsi al sito della ERO. La classe di appartenenza si riflette sulla marcatura, infatti, l’implementazione dei re quisiti fondamentali delle R&TTE per un prodotto radio è obbligatoria nel mercato comune europeo e viene dimostrata dal produttore verso terzi (principalmente  i consumatori) con l’apposizione del marchio CE sul prodotto stesso, sui manuali e su ogni posizione prevista per legge. E’ utile, qui ricordare brevemente, (per maggiori dettagli riferirsi al nostro articolo ‘La certificazione di prodotto’ su Firmware 6/2009) che la certificazione, nei casi generali, si esplica con una dichiarazione di conformità ai requisiti essenziali fatta dal produttore, evidentemente dopo che il prodotto abbia superato una procedura di valutazione della conformità e dopo aver costituito la documentazione tecnica (che ricordiamo va conservata per 10 anni). Per i prodotti di classe 2 la legge prevede la presenza del class identifier in figura 2, che va considerato parte integrale della marcatura CE, inoltre per tutte le classi il marchio va integrato con l’identificativo dell’ente notificato (Notified Body) che abbia contribuito alla verifica di conformità (nel caso di approccio armonizzato, solo se il produttore su base volontaria abbia deciso di sottomettere il prodotto a test presso l’ente). Ci sono interessanti casi di esclusione dalla direttiva che rendono possibile l’uso di apparecchiature anche difformi in ambiti particolari: apparecchiature anche prototipali nell’ambito di fiere di settore o per dimostrazioni a clienti (a patto che la non commerciabilità sia chiaramente indicata sul prodotto), apparecchiature radio amatoriali a patto che non siamo commercialmente acquistabili, apparecchiature marine, cavi, apparecchiature militari e/o per il controllo aereo, radio ricevitori adatti ai segnali televisivi o per ricevere radio commerciali nella banda 88-108 MHz, impianti cocleari per audiolesi, etc.

Figura 1: Gerarchia norme

Figura 1: Gerarchia norme

 

Figura 2: Class 2 identifier

Figura 2: Class 2 identifier

Uso dello spettro efficiente e radio test suites

Focalizziamo adesso l’attenzione sul primo dei requisiti R&TTE, riguardante gli apparati RF. L’obiettivo del requisito è di assicurare che:

» le emissioni elettromagnetiche del dispositivo non eccedano i livelli oltre i quali il funzionamento  delle apparecchiature radio e per le telecomunicazioni sia diverso da quello atteso;

» l’apparecchiatura ha un livello di immunità ai disturbi elettromagnetici che è lecito aspettarsi durante il suo uso tale da operare senza che le prestazioni degra

dino in maniera inaccettabile.

Tutti i dettagli tecnici riguardanti  il ‘come’ raggiungere questi obiettivi sono contenuti in una miriade di norme armonizzate che dettagliano  il concetto di uso efficiente dello spettro, spiegando per diverse categorie di apparecchiature e diverse bande di frequenza quali sono i  limiti tollerati e quali le necessarie verifiche per accertarsi che lo siano. Come già detto le norme vengono emesse dagli enti di standardizzazione europei ufficiali in ottemperanza delle direttive comunitarie e sotto la sorveglianza di un comitato europeo dedicato alle problematiche  radio (TCAM), gli enti sono:

» ETSI (European Telecommunications

Standards Institute);

» CEN (Comitato Europeo di Normalizzazione);

» CENELEC  (Comitato Europeo di Normalizzazione Elettrotecnica);

Nella tabella 1 ricordiamo alcune norme armonizzate, quelle più interessanti per il mondo della piccola elettronica.

Tabella 1: Enti normativi.

Tabella 1: Enti normativi.

In effetti, quello che si trova in una generica norma armonizzata (ricordo che si tratta di documenti di solito con nome Enxxx o ETSxxx, emessi dagli enti di standardizzazione) sono una serie di test suite che nel nostro caso sono tesi di tipo radio, che un’apparecchiatura del tipo corrispondente deve superare. Quindi risalendo la gerarchia delle norme citate in figura 2, essere conformi alla direttiva radio europea e poter quindi apporre l’agognato marchio CE significa superare la test suite del gruppo omogeneo per uso e per banda al quale il nostro prodotto appartiene. A margine del discorso vi è da notare che esistono enti terzi, di tipo statale con legami in ambito comunitario che possono emettere delle raccomandazioni che dettagliano meglio l’implementazione di una particolare norma armonizzata. Non potendo esaminare tutte le possibili norme armonizzate la nostra scelta è di descriverene a grandi linee una soltanto per capire, in generale, la struttura in due parti che in genere ETSI dà alle sue norme e come le test suite delineano  i limiti e le conformità da provare.

EN 300 220

La EN 300 220 (Norma armonizzata per dispositivi a corto raggio nella banda 25 MHz - 1GHz), come già detto, copre tutti i  dispositivi a corto raggio (SRD) operanti nella banda di frequenza tra 25 MHz e 1 GHz. Gli Short Range Devices sono dispositivi radio che offrono un basso rischio di interferenza con altri servizi di radiocomunicazione, di solito perché la loro potenza trasmessa, e quindi la loro banda occupata, è ristretta. La definizione di dispositivo ‘a corto raggio’ può essere applicata a diversi tipi di apparecchiature wireless, tra cui varie forme di:

» controllo degli accessi (comprese le porte e apricancelli);

» allarmi  e rilevatori di movimento;

» televisione  a circuito chiuso (CCTV);

» cordless dispositivi audio, inclusi microfoni senza filo;

» controllo industriale;

» Local Area Networks (in generale a banda ristretta);

» protesi mediche;

» sensori e radar UWB;

» controllo remoto;

» identificazione  a radiofrequenza (RFID);

» telemetria.

Questi dispositivi spesso beneficiano di un regime di regolamentazione rilassata rispetto ad altre apparecchiature di comunicazione radio, e come principio generale, un utente è libero di usarli senza licenza per operare, quindi ci è sembrato il  caso più attinente all’uso hobbistico o della piccola elettronica. La norma è in due parti (come lo sono la maggior parte delle norme armonizzate ETSI). La parte 1 (EN 300-220-1) riguarda i requisiti  tecnici, compresi quelli per applicazioni specifiche (da notare che l’ultima revisione di questa parte è in via di approvazione durante la fine del 2009), le caratteristiche tecniche e i metodi di test. La parte 2 (EN 300-220-1) è la vera e propria norma armonizzata, individua i parametri necessari per rispettare l’articolo 3.2 della direttiva R&TTE. Dal punto di vista giuridico l’attuazione del requisito essenziale citato nella direttiva avviene nella parte 2 dove questo viene messo in attinenza con il metodo di test atto a dimostrarlo, per il nostro scopo rimane molto più intere ssante invece la prima parte. Questa contiene due aspetti essenziali:

» limiti (di potenza, di banda, di emissione in banda modulata, di emissione fuori banda, di duty cycle, etc...) da non superare;

» metodologie di test (interfacce, temperatura, umidità, tensioni, correnti, etc...) per provare che i suddetti limiti non siano superati.

L’intera norma ha decine di raccomandazioni e limitazioni, solo per fare degli esempi, un’azienda che volesse produrre SRD nella banda citata deve:

» creare un adeguato setup di test per le misure: I  test vanno condotti in ambiente ben preciso, la norma riporta due condizioni tipiche di test: standard condition e extreme condition; limiti ci sono sul tipo di modulazione usata, range di temperature e umidità, impedenza e tipo di connessione ester na, etc...;

» controllare limiti di tipologia di uso in banda. La EN 300-220 delinea differe nti bande di frequenza inter n e alla banda di suo interesse 25 MHz - 1 GHz, nelle quali in alcune si hanno delle limitazioni di utilizzo, altre che sono libere a qualsiasi  uso.  Ad  esempio  la banda 169,400 MHz a 169,475 MHz, è una banda larga 25 kHz dedicata a livello europeo alle applicazioni di tracking e tracing delle misurazioni;

» controllare limiti di emissione di potenza in banda. La EN 300-220-1 nelle clausole 7.2 e 7.3 delimita la potenza nel caso di apparati con connettore per antenna ester na (che quindi consente una misura di tipo condotto) oppure emissione isotropica radiata (EIRP) nel caso degli altri. Per esempio nella banda 864,800 MHz - 865 MHz dedicata alle wireless audio application (tipicamente microfoni senza filo), la massima EIRP possibile è di 10 mW, con canali di trasmissione  spaziati al massimo di 50kHz entro la banda, senza restrizione nella spaziatura tra canali. Nella banda 433,050 MHz - 434,790 MHz, molto importante perché comprende molti dei nostri telecomandi per l’apertura cancello o allarme auto, la emissione è ad uso libero, ma la potenza emessa deve essere inferiore a 1mW senza restrizione di channel spacing;

» contro llare limiti di occupazione in tempo (duty cycle e channelizations). Per  esempio  nella,  già  citata, banda 864,800 MHz - 865 MHz dedicata alle wireless audio application (tipicamente microfoni senza filo), non ci sono limiti di duty cycle nell’emissione,  ma i  canali hanno  bisogno  di  spacing  intor no ai 50kHz. Nella banda 433,050 MHz - 434,790  MHz,  il  duty  cycle  massimo (occupazione del canale) is 100% @ 1mW;

» controllare limiti di errore di frequenza. A seconda della presenza o no nel sistema di canalizzazione e a seconda della banda, i limiti di errore in frequenza posso andare da 10kHz to 100 ppm per frequenze alte. Il  test va eseguito con la portante del sistema accesa, non modulata e il sistema connesso ad un’antenna esterna (quando possibile), attraverso un connettore a 50 ohm;

» controllare  la banda di modulazione: A seconda della banda di riferimento che si prevede di usare, la norma limita l’occupazione in banda dovuta alla modulazione usata (fanno eccezione  i sistemi a spettro esteso);

» controllare la potenza su canali adiacenti. La norma impone di limitare il quantitativo di potenza RF modulato che cade in canali adiacenti a quello dato. Il calcolo si basa sulla perdita di potenza (in dB) nella bande laterali a quelle di targa;

» controllare la potenza in banda durante i  transitori. Ognuno di questi aspetti va verificato nelle condizioni di test riportate per ognuno, usando il setup raccomandato.

Conclusione

Come sempre l’argomento è molto vasto, si può soltanto accennare ad alcuni aspetti introduttivi che spingano ad ulteriori approfondimenti. L’importante è sottolineare la necessità che considerazioni riguardanti la certificazione siano considerati fin dalle fasi iniziali dello sviluppo di prodotto, aiutandosi con le test suite citate nelle norme, che danno un supporto operativo al professionista impegnato in questo settore.

 

 

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