Valutazione della suscettibilità elettromagnetica di sistemi di misura alle interferenze generate da un trasmettitore ZigBee

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La presenza di una moltitudine di antenne di ogni tipo è associata 
naturalmente a potenza irradiata nello spazio e nonostante gli schemi di 
modulazione dei segnali trasmessi siano sempre più sofisticati, con un 
conseguente abbassamento dei livelli di potenza (vedi standard IEEE 
802.15.4 e IEEE 802.15.1), non si possono non affrontare i nuovi rischi 
connessi alla compatibilità elettromagnetica.  
In particolare, le reti wireless in via di sviluppo in ambienti industriali 
così come in uffici, ospedali, laboratori ecc, prevedono l’operatività di 
ogni sorta di antenna nelle vicinanze di apparecchiature elettriche ed 
elettroniche tra le più disparate. 
Sebbene siano presenti numerose norme riguardo l’EMC, è pur vero che 
esse spesso non contemplano tutte le possibili casistiche di rischio e 
spesso risultano troppo generiche. C’è anche da dire che la continua 
diffusione di nuove tecnologie non facilita l’aggiornamento sul profilo 
normativo da parte degli organi competenti. 
Tuttavia i rischi ci sono e uno studio approfondito è all’ordine del giorno 
come testimoniano i numerosi articoli divulgati anche da enti 
internazionali come l’FDA e riguardanti persino problemi per la salute 
umana; basti pensare alle conseguenze di un’interazione tra un telefono 
cellulare e un pacemaker! 
Oggetto di studio di questa tesi sarà in particolare, l’analisi 
dell’immunità radiata di strumenti di misura operanti nelle vicinanze di 
dispositivi wireless short-range. Attualmente essi prevedono frequenze 
di clock che raggiungono e spesso superano i rates dei dispositivi 
wireless a radiofrequenza. 
Per di più le nuove tecnologie senza filo continuano ad affermarsi anche 
in questo settore ed è sempre maggiore la tendenza a integrare tali 
apparecchiature nella strumentazione stessa di misura. 
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In particolare ci si chiede se la potenza irradiata da suddetti dispositivi 
possa in qualche maniera interferire col corretto funzionamento di uno 
strumento quale può essere un generatore di funzione, un oscilloscopio, 
un multimetro ecc. Ad avvalorare quanto già detto, già in passato sono 
stati effettuati test di suscettibilità, in accordo con gli standard EMC, che 
hanno dimostrato un reale decadimento delle prestazioni di sistemi di 
acquisizione dati PC-based. 
Le norme vigenti stabiliscono il luogo e il modo in cui effettuare le prove 
di immunità ma esse sono state studiate appositamente per radiotelefoni 
digitali operanti tra gli 800 e i 900MHz, ritenuti i responsabili principali 
di possibili disturbi sui DUT. Tuttavia anche i sistemi di nuova 
generazione, come quelli basati su ZigBee e Bluetooth, sebbene siano 
stati studiati per emettere bassi livelli di potenza, potrebbero interferire 
con sistemi elettrici ed elettronici circostanti, in particolare con 
strumentazione di misura, in genere molto sensibile a ogni sorta di 
disturbo elettromagnetico.  
Lo standard ZigBee, una delle tecnologie più diffuse nelle applicazioni 
di misura, sarà considerato come fonte di disturbo per il DUT e sarà 
valutata la sua influenza sul funzionamento e sulle prestazioni di un 
analizzatore di spettro analogico e di un oscilloscopio digitale. 
In conclusione, saranno effettuate alcune prove di suscettibilità in un 
ambiente elettromagneticamente schermato al fine di assicurare 
l’attendibilità dei risultati sperimentali e stabilire i rischi associati 
all’interoperabilità tra strumenti di misura e dispositivi wireless.  
Dopo aver esamintato le varie tecnologie wireless short-range 
attualmente sul mercato e averne evidenziato alcune applicazioni nei 
sistemi di misura (cap.1), nel secondo capitolo si porrà l’accento sulle 
problematiche di compatibilità elettromagnetica relative ad 
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apparecchiature elettriche/elettroniche operanti in prossimità di reti di 
comunicazione senza filo. Nel terzo capitolo saranno prese in 
considerazioni le attuali normative riguardanti l’immunità di dispositivi 
di misura ai campi prodotti da sistemi wireless. 
Infine i capitoli 4 e 5 comprenderanno una descrizione approfondita 
delle prove sperimentali eseguite nella camera anecoica della facoltà di 
Ingegneria di Cassino (FR) e un’analisi altrettanto dettagliata dei risultati 
ottenuti sui “Device Under Test”. 
  
 
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Tecnologie wireless short-range per la 
realizzazione di sistemi di misura 
distribuiti 
1.1 Introduzione 
Le comunicazioni wireless vanno oggi rapidamente diffondendosi in 
molteplici applicazioni di ogni genere e settore. 
Probabilmente meglio conosciuto in ambito di trasmissioni a lungo 
raggio, in seguito alla nascita della telefonia cellulare e dei sistemi 
satellitari, il mercato del wireless  sta rapidamente diffondendosi anche 
per sistemi a corto raggio (“short-range”). 
In un canale wireless la trasmissione avviene principalmente via 
radiofrequenza (RF)
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, nella banda ISM attorno ai 2,45 GHz (utilizzando 
segnali spread spectrum per ottenere una maggior robustezza nei 
confronti delle interferenze), o via infrarosso (IR). Vengono infatti 
utilizzate varie tecniche tra cui le principali sono: infrarosso, laser, via 
radio. Nel collegamento via radio distinguiamo:  
- trasmissione a banda singola che utilizza tutta l'ampiezza di 
banda disponibile; 
                                                 
1
 Tutte le sigle e relativo significato sono riportate nell’ Appendice A 
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- trasmissione a divisione di spettro con emissione contemporanea 
di più segnali e lo spettro suddiviso in più canali. 
Inoltre si impiegano tecniche a salto di frequenza (frequency hopping) e 
a sequenza diretta (direct sequence) per il trasporto dei dati. 
Dopo aver considerato i principali pro e contro dell’uso di sistemi “senza 
fili”, in questo capitolo verranno prese in esame le attualmente più 
diffuse tecnologie wireless “short range” sul mercato e le principali 
applicazioni previste per le stesse. 
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1.2 Vantaggi e Svantaggi di un approccio “senza fili” 
In via teorica, gli utenti di una rete locale wireless vogliono usufruire 
degli stessi servizi e disporre delle stesse potenzialità a cui una rete 
cablata li ha abituati. In pratica, l'equivalenza tra due reti wireless e 
wired, è una sfida aperta. In particolare, a fronte di innegabili vantaggi, il 
wireless è soggetto ad alcuni limiti non presenti in un sistema cablato. 
Osserviamo i punti chiave del confronto tra i due approcci: 
1.2.1Mobilità 
La libertà di movimento è uno dei vantaggi maggiori dei terminali 
wireless nei confronti di quelli cablati di per sé statici. La mobilità 
impone peró la necessità di considerare, a livello di sviluppo di sistemi, 
il problema dell' "handoff". In una wireless LAN infatti ogni terminale 
ha un'area di copertura chiamata "cella", sfruttando un paradigma delle 
reti di telefonia cellulare; in teoria, le celle di una stessa rete si 
sovrappongono e quindi, per la maggior parte del tempo, un terminale si 
trova all'interno della cella di uno o più terminali. Se i terminali sono 
mobili, essi devono poter passare da una cella ad un'altra in maniera 
"trasparente" e senza perdere la connessione alla rete. Questo processo di 
passaggio è detto appunto handoff. Grazie alla mobilità dei terminali è 
più facile la gestione della loro posizione ovvero è agevolata la 
scalabilità delle reti. Di solito in fase di progetto di nuovi edifici , si 
potrebbe considerare la possibilità di cablare gli ambienti dedicati alla 
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presenza di nodi di una rete locale (uffici, centri di calcolo e cosi via). È 
ovvio che tutto diventa più difficile per edifici già esistenti e per cui non 
è stata prevista la suddetta possibilità. Quest'ultima situazione è invece 
facilmente gestibile con le reti locali wireless. È notevolmente più 
semplice inoltre l'installazione di una rete wireless laddove limiti 
ambientali e strutturali impedirebbero l'installazione e la gestione di un 
cablaggio standard (ad esempio strutture culturali quali musei ed edifici 
storici da salvaguardare). 
1.2.2 Allocazione delle frequenze 
Tutti gli utenti di una stessa rete locale wireless devono operare su una 
banda di frequenza comune, a prescindere dal mezzo trasmissivo scelto. 
Le bande di frequenza dedicate a particolari applicazioni devono di 
solito essere approvate e necessitano di una licenza. Inoltre questa 
regolamentazione può variare da paese a paese. Questo problema è stato 
risolto dagli odierni standard per wireless LAN, i quali usano delle 
particolari bande accessibili nella maggior parte dei paesi senza bisogno 
di alcuna licenza. La tabella 1 riassume le frequenze “libere”: 
 
          Tabella 1: Bande tipicamente utilizzate per applicazioni WLAN 
Banda Mezzo Trasmissivo Limiti Normativa 
ISM  
Onde Radio in 
Spread Spectrum  
2.400 - 2.4835 GHz  
FCC CFR47 Part 15 in USA e 
Canada, E.T.S. 300-328 in Europa, 
Giappone ed altri paesi aderenti. 
U-NII Onde Radio  5.725 - 5.850 GHz  
FCC CFR47 Part 15 in USA e 
Canada, E.T.S. 300-328 in Europa, 
Giappone ed altri paesi aderenti. 
N/A  Infrarosso  Spettro visibile, circa 850nm 
Tutto lo spettro e' liberamente 
utilizzabile in tutti i paesi.  
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1.2.3 Interferenza e affidabilità 
L'interferenza nelle comunicazioni wireless può essere causata dalle 
cosiddette collisioni, ovvero trasmissioni simultanee da parte di due o 
più terminali nella stesso spettro. In realtà il problema dell'interferenza e' 
più ampio e coinvolge anche dispositivi di uso comune che non hanno 
nulla a che vedere con le wireless LAN ma che possono causare non 
pochi problemi al funzionamento di queste ultime (ad esempio, un 
comune forno a microonde che opera nella banda 2.4-2.5 GHz). 
L'affidabilità del canale di comunicazione è misurata in BER. Questo 
valore indica il numero di bit che hanno presentato un errore 
relativamente al numero totale di bit ricevuti per una trasmissione. Di 
solito viene espresso con una potenza negativa di dieci e dà un' 
indicazione di quante volte un pacchetto (o un'altra unità informativa) 
deve essere ritrasmesso a causa di un errore. 
 
1.2.4 Riservatezza dei dati 
In una rete cablata il mezzo di trasmissione può essere reso sicuro 
fisicamente e l'accesso alla rete può essere controllato facilmente. In una 
wireless LAN, invece il mezzo trasmissivo è aperto a tutti i terminali 
wireless che si trovano nel raggio d'azione di un trasmettitore ed è perciò 
più difficile gestire la sicurezza sia delle trasmissioni che dell' accesso 
alle varie reti. La riservatezza dei dati e la protezione degli accessi sono 
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di solito realizzati tramite crittografia a vari livelli. Alcune conseguenze 
dell' adozione di un certo grado di sicurezza si traducono generalmente 
in una perdita di prestazioni e in un aumento dei costi dei dispositivi. 
1.2.5 Consumo di potenza 
I dispositivi di una rete cablata standard di solito sono alimentati dalla 
tensione di rete. I dispositivi wireless invece, dovendo essere mobili, 
sono di solito alimentati a batteria. Essi devono perciò essere progettati 
con la massima attenzione per quanto riguarda il risparmio energetico. 
1.2.6 Sicurezza degli utenti 
Sono in corso da diverso tempo molteplici studi sui problemi che le 
emissioni RF potrebbero causare alla salute dell'utente. Le reti devono 
perciò essere progettate per minimizzare la potenza trasmessa dai 
dispositivi di rete. Per quel che riguarda i sistemi wireless che utilizzano 
la tecnologia IR, i trasmettitori ottici devono essere progettati, ed in 
seguito installati, in modo da evitare danni alla vista. 
1.2.7 Throughput 
Dal punto di vista del throughput
 
le wireless LAN, a causa di limiti sia 
fisici che di banda disponibile, partono svantaggiate rispetto alle reti 
cablate ma, nel corso degli anni le tecnologie che ne consentono la 
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realizzazione sono migliorate, fino a poter disporre oggi di terminali che 
possono comunicare a velocità discretamente elevate (decine di Mbit/s). 
1.3 Wi-Fi (“Wireless Fidelity”) 
Nel 1997 nasceva il primo standard  di riferimento l' IEEE 802.11 che 
dettava le specifiche a livello fisico e datalink per l’implementazione di 
una rete LAN wireless. Tale standard consentiva un data rate di 1 o 2 
Mbps usando la tecnologia basata su onde radio nella banda 2.4 GHz o 
su raggi infrarossi. La limitata velocità ne determinò uno scarso successo 
e diffusione. L'evoluzione di tale tecnologia diversi anni dopo, portò alla 
sua evoluzione IEEE 802.11b (denominato anche Wi-Fi) consentendo  
una trasmissione dai 5.5 agli 11 Mbit/s e un raggio di copertura da 50 a 
100m, oltre a mantenere la compatibilità con lo standard precedente. 
Questo standard ha avuto e sta avendo successo perché molte industrie 
leader nel settore Nokia, 3Com, Apple, Cisco System, Intersil, Compaq, 
IBM, ed altre,  lo hanno riconosciuto e  hanno fondato nel 1999 il  
WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) con l' obiettivo della 
certificazione, dell' interoperabilità e compatibilità tra i prodotti. Piccole 
reti wireless costituite da un terminale e una o più periferiche vengono 
indicate con il termine WPAN, mentre reti di più terminali senza fili es. 
notebook o palmari possono costituire una WLAN. 
Una rete wireless può essere un' estensione di una normale rete cablata, 
supportando tramite un acces point, la connessione a dispositivi mobili 
(notebook con scheda PCMCIA) o palmari predisposti, e a dispositivi 
fissi (pc con scheda wireless interfacciata via PCI o recentemente via 
USB). In generale le architetture per sistemi wireless sono basate su due 
tipologie di dispositivi : 
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- Access Point (Ap); 
- Wireless Terminal (WT). 
Gli access point  sono bridge (ponti) che collegano la sottorete wireless 
con quella cablata,  mentre i wireless terminal sono dei dispostivi  che 
usufruiscono dei servizi di rete. Gli AP possono essere implementati sia 
in hardware (esistono dei dispositivi dedicati) che in software 
appoggiandosi per esempio ad un pc o notebook dotato sia 
dell’interfaccia wireless sia di una scheda ethernet. Gli AP sono 
equipaggiati con antenne omnidirezionali o direzionali che consentono di 
aumentarne la loro portata. Esistono inoltre soluzione integrate con AP e 
router  facilitando così le implementazioni di reti ibride wireless 
(WLANn) e wired (LAN).  
I WT possono essere qualsiasi tipo di dispositivo come per esempio 
notebook, palmari, pda, cellulari, o apparecchiature che interfacciano 
standard IEEE 802.11, o sistemi consumer su tecnologia Bluetooth. 
Mode Ad-hoc  indica l'impostazione nelle reti wireless dei terminali in 
modo da poter comunicare direttamente tra loro senza l'utilizzo di un 
Access Point (AP). Nella modalità infrastruttura,  Infrastructure Mode, 
invece i terminali comunicano tra loro tramite un AP. 
Volendo garantire una connettività il più possibile distribuita tra 
ambienti di una stessa sede, si sfrutta una tipologia Client-Server. Questo 
modo consente a più dispositivi di rete di appoggiarsi ad un Access Point 
che agisca da ponte tra gli stessi e la rete wired, quindi una rete comune 
con maggior possibilità di collegamenti sia wireless che via cavo, in una 
struttura stabile. 
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Similmente ad una rete di telefonia cellulare è possibile all'interno di una 
Wlan il roaming  tra access point. Il collegamento al network attraverso 
un'altro AP che risiede in un diverso punto della WLAN, garantisce una 
mobilità operativa su un raggio di decine di metri (vedi figura1). 
Nel workgroup gli utenti possono stabilire una connessione di 
trasferimento dati o di accesso ai dati in modalità peer to peer. 
In tale configurazione più unità WT (wireless terminal) possono 
comunicare tra loro direttamente, realizzando una “net” paritetica, 
generalmente impiegata quando si necessita di una piccola rete per breve 
tempo ad es. nel caso di riunioni, convegni, stand, dimostrazioni. 
IEEE 802.11 usa come protocollo MAC il CSMA/CA che utilizza un 
algoritmo specifico per evitare collisioni, implementando un 
meccanismo di ascolto virtuale del traffico sulla portante. L' AP assegna 
una priorità ad ogni client, in modo da rendere più efficiente la 
trasmissione dei pacchetti. 
Lo standard IEEE 802.11b supporta un meccanismo per criptare il 
traffico dati e autenticare i nodi di connessione col nome di WEP (Wired 
 
Figura 1 Esempio di una tipica WLAN 
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Equivalent Privacy,  sistema di crittografia basato su una chiave 
condivisa ai fini della sicurezza contro le intercettazioni).  
IEEE 802.11 consente due possibili interfaccie RF della categoria SSS, 
nella banda dei 2,4 GHz, realizzate con due tecniche di modulazione 
distinte : 
- FHSS, dispersione di spettro a salto di frequenza; 
- DSSS, dispersione di spettro in banda base. 
Le tecniche SSS sfruttano una maggior banda di trasmissione radio ma 
consentono una miglior ricezione dei segnali deboli, garantiscono 
l'efficienza della trasmissione e una maggior sicurezza, distribuendo il 
segnale attraverso l'intero spettro di frequenze. Il segnale non rimane 
stabile su una singola frequenza, consentendo a più utenti di operare 
simultaneamente. L'uso dell' SSS è particolarmente importante poiché 
permette a molti utenti di occupare il canale per tutto il tempo assegnato 
su frequenze separate, compatibilmente con la larghezza di banda 
disponibile. 
Nell' FHSS il segnale ad una data frequenza viene fatto "saltare" da una 
canale all'altro, distribuendosi sullo spettro disponibile. Il vantaggio di 
tale sistema, in condizioni di elevato rapporto fra la larghezza di banda 
originale del segnale e quella del segnale di diffusione, è di offrire una 
grande immunità all' interferenza. La tecnologia consente a più utenti di 
condividere lo stesso spettro cambiando automaticamente la frequenza di 
trasmissione fino a 1600 volte al secondo, al fine di una maggiore 
stabilità di connessione e di una riduzione delle interferenze tra canali di 
trasmissione. Lo spectrum spreading consiste in una continua variazione 
di frequenza utilizzando una modulazione di frequency hopping. Gli 
hops corrispondono ai salti di frequenza all' interno della gamma 
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assegnata (2,402 GHz - 2,480 GHz salti di 1 Mhz, complessivamente 79 
hops set , canali). 
Viene impiegata una modulazione gaussiana di tipo FSK o GFSK. Nello 
specifico sono previste due tipologie di modulazione GFSK : a 2 livelli 
con data rate 1Mbps e a 4 livelli con data rate 2Mbps.  
DSSS è una tecnologia di trasmissione a "frequenza diretta" a banda 
larga. Tale metodo è indicato per la trasmissione e ricezione di segnali 
deboli e consente l'interoperabilità tra le reti wireless attuali a 11 Mbps e 
le precedenti a 1-2 Mbps. L' interfaccia DSSS utilizza un sistema con 
dispersione in banda base che si avvale di un chipping code (codice di 
dispersione), ossia il dato viene modulato prima di essere inviato sul 
canale; ogni bit viene disperso su una sequenza a 11 bit (sequenza 
Barker). Il segnale trasmesso consumerà una maggior larghezza di banda 
consentendo la ricezione di segnali deboli. 
I  vantaggi che l'interfaccia DSSS assicura contro l'interferenza sono 
piuttosto scarsi. Questa limitazione insidia significativamente il valore di 
DSSS come metodo per resistere a possibili disturbi nelle applicazioni 
reali delle WLAN. Il sistema  FHSS risulta molto sicuro contro l’ 
interferenza e l'intercettazione in quanto risulta statisticamente 
impossibile poter ostruire tutte le frequenze che possono essere usate, 
inoltre prevede l'implementazione di sistemi di filtri selettivi su bande 
diverse da quella del segnale trasmesso. 
Dunque il Wi-Fi è usato prevalentemente per la connessione di laptop ad 
internet ed è totalmente compatibile con applicazioni IP-based come 
Voice Over IP (VoIP). Le WLAN’S sono sistemi di comunicazione 
flessibili e implementabili nella loro estensione, o alternativamente, ad 
una rete fissa (“Wired LAN”) (figura 2). In una WLAN viene utilizzata 
una tecnologia di radio frequenza RF per la trasmissione e la ricezione