Le opportunità di mercato offerte dalla connessione di dispositivi e macchinari intelligenti alla connessione cellulare stanno aumentando esponenzialmente. Nonostante l’innovazione che si è avuta negli ultimi due anni, è sorprendente che le connessioni Machine to Machine (da macchina a macchina, M2M) incidano solo per il 2% sul numero totale di connessioni cellulari. Machina Research evidenzia che la tecnologia cellulare crescerà da 146 milioni di dispositivi alla fine del 2011 a 2,6 miliardi entro la fine del 2022”1. Oggi la scelta cellulare principale utilizzata a livello mondiale nella maggior parte dei sistemi intelligenti o delle applicazioni M2M è il 2G. Entro il 2022 questa inciderà per il 22%. Entro il 2022, 3G e LTE (Long Term Evolution) incideranno totalmente per quasi il 90% delle connessioni, a causa dei requisiti dettati da applicazioni che richiedono un’ampiezza di banda maggiore e la necessità di rendere la tecnologia a prova di futuro.
Opzioni cellulari disponibili
Oggi più che mai, sono disponibili diverse tipologie di soluzioni cellulari per distribuzioni GSM (Global System for Mobile Communications) e CDMA (Code Division Multiple Access). Nella scelta di una soluzione del modulo cellulare, il progettista dispone di quattro opzioni. La scelta effettuata per l’applicazione specifica dipenderà da diversi fattori.
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Chipset
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Modulo
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Modulo integrato
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Prodotto già pronto
Chipset
Il progetto di un modem cellulare su chipset è per applicazioni con volumi molto elevati, generalmente con un utilizzo annuo stimato (EAU, Estimated Annual Usage) di 300.000 unità o superiore. I progetti di chipset offrono la soluzione con l’ingombro e i costi di materiali (BOM) più ridotti, ma comportano, rispetto alle quattro soluzioni sopra elencate, anche costi di progetto non ricorrenti (NRE, non-recurring engineering) e di collaudo per la conformità più alti. I progetti di chipset sono soggetti anche a rischi di progetto maggiori, con pianificazioni più lunghe e, generalmente, con un elemento di licenza con il fornitore di chipset. Il progetto a livello di chip dovrebbe essere affrontato solo da aziende con una profonda esperienza nel campo dei progetti di cellulari. Per aiutare i clienti senza un livello di esperienza adeguato in questa disciplina, Arrow dispone di partner nei servizi di progettazione la cui esperienza nel progettare a livello di chip sarà di aiuto nell’implementazione.Modulo
Uno degli approcci più comuni per aggiungere la connettività cellulare al prodotto è quello di utilizzare un modulo certificato. I moduli certificati offrono una soluzione dall’ingombro ridotto o standard, ad esempio miniPCI-e, costi di materiali (BOM) ridotti e costi moderati per NRE e collaudo di conformità. L’introduzione sul mercato avviene generalmente più rapidamente con un modulo certificato, dato che i rischi di progetto sono inferiori rispetto alla soluzione di progetto di un chip e, rispetto a quest’ultimo, il collaudo di conformità rappresenta solo un sottoinsieme. L’implementazione di un modulo certificato è più semplice che in un chipset, ma non è così semplice quanto collegare alimentazione e antenna al modulo. Per garantire il successo del progetto, è necessario scegliere un fornitore che offra supporto tecnico e documentazione di progetto accurata.
In qualità di utente del modulo certificato, dopo aver integrato il modulo cellulare nel progetto, è necessario effettuare il collaudo sul prodotto finale risultante. Anche se è possibile sfruttare la maggior parte dei collaudi effettuati dal fornitore del modulo, sarà sempre necessario effettuare il collaudo sul prodotto finale.
Module integrato
Il modulo integrato offre una metodologia semplificata per aggiungere la connettività cellulare a un prodotto integrato. Esso offre una soluzione cellulare totalmente conforme, compresa un’antenna o un connettore a cui collegarla alla soluzione integrata. Anche se il costo di un modulo integrato è superiore a quello di un modulo, il fornitore si è fatto carico di tutti i rischi di progetto relativi al collaudo di conformità e alle certificazioni con gli operatori di telefonia.
Diversi moduli integrati offrono dimensioni di ingombro e interfaccia standard, consentendo all’utente di scegliere una soluzione CDMA o GSM a seconda dell’applicazione. Questa opzione può rappresentare un modo semplice ed efficace per offrire diverse scelte di tecnologie cellulari ai clienti. La scelta di un modulo integrato con ingombro standard, consente anche di rendere il progetto a “prova di futuro”, integrandovi con facilità e senza problemi la tecnologia più recente.
I moduli integrati offrono all’utente tempi rapidi di introduzione sul mercato, riducendo al tempo stesso il rischio di progetto, rendendo questa una scelta eccellente per introdurre rapidamente il prodotto sul mercato. Nella scelta di un modulo integrato è importante comprendere di chi è il modulo utilizzato nella soluzione integrata. Se il prodotto ha successo e si desidera ridurre i costi, il passaggio al modulo utilizzato dal fornitore del modulo integrato consente di ridurre i costi di sviluppo del software e dell’applicazione. Il livello di supporto offerto dai fornitori varia considerevolmente, per cui la scelta di una soluzione che offra un supporto di qualità per il modulo rappresenta un fattore importante da considerare. Con una soluzione per modulo integrato, le competenze tecniche che vadano oltre quelle di base dell’OEM non sono generalmente richieste.
Prodotto già pronto
Il prodotto già pronto per una soluzione cellulare offre i tempi più rapidi di introduzione sul mercato per implementarla. La maggior parte dei prodotti già pronti possono connettersi al dispositivo integrato tramite connessione seriale o USB. Delle quattro opzioni elencate, un prodotto già pronto rappresenta la soluzione con il costo maggiore, ma offre i tempi più rapidi di introduzione sul mercato e il rischio di progetto minore. L’utilizzo di un prodotto già pronto consente di creare rapidamente un prototipo e con l’hardware configurato e funzionante, lo sviluppo e il testing dell’applicazione può iniziare il prima possibile nel ciclo del progetto. Un prodotto già pronto rappresenta un’ottima soluzione per aggiornare l’hardware legacy presente sul campo, dove il costo di modificare l’hardware esistente è proibitivo o impossibile. In molti casi la soluzione offerta come prodotto già pronto è resa disponibile dal fornitore con o senza contenitore. La scelta dipende dal tipo di applicazione.
Quale tipo di modulo cellulare scegliere per l’applicazione?
Il fattore principale che influenza la scelta del modulo cellulare è l’area geografica nella quale il prodotto sarà venduto. Il secondo fattore è rappresentato dall’ottenere un piano con gli operatori di telefonia nelle aree geografiche in cui il prodotto verrà offerto.
Distribuzione in Nord America
o Nel Nord America, sono offerti sia il servizio cellulare CDMA che GSM, per cui CDMA e
Distribuzione globale
o GSM è lo standard globale per il resto del mondo. Quindi, se si
Potenza assorbita
o Se si utilizzano le batterie per alimentare un modem 2G, la potenza assorbita sarà molto inferiore rispetto a
Velocità di caricamento/scaricamento dei dati e latenza
o A seconda dell’applicazione, la necessità
Dimensioni del modulo
o Le dimensioni del prodotto finale possono dettare la scelta del modulo cellulare. Il progetto di un prodotto
Costo del modulo
o Il costo del modulo deve essere considerato sotto due punti di vista. Il primo, il costo del dispositivo e secondo,
Fattori di forma del modulo
o La scelta di un fattore di forma in un modem cellulare che consente di utilizzare più tecnologie
Piano dati cellulare
o Un altro punto da tenere in considerazione è rappresentato dal costo del piano dati associato alla
Per utilizzare un modem cellulare è richiesto un processore speciale?
La risposta sintetica a questa domanda è no. La necessità di un processore aggiuntivo è determinato dall’applicazione. Diverse soluzioni per modem cellulare sono basate su un’architettura per processore ARM9 ad alte prestazioni, in modo che il modulo abbia risorse aggiuntive on board per gestire semplici applicazioni senza la necessità di un processore aggiuntivo.
Come si effettua l’interfaccia al modulo cellulare?
Le due interfacce più comuni sono UART (Universal Asynchronous Receiver Transceiver) e USB (Universal Serial Bus). Per determinare il tipo di interfaccia, verificare la scheda dati.
Piani dati cellulare
Come per il cellulare personale, ogni dispositivo cellulare integrato richiede un piano dell’operatore di telefonia. Una delle prime domande a cui il progettista deve rispondere è in quale parte del mondo sarà utilizzato il dispositivo o il prodotto. La risposta determinerà la scelta del modem cellulare e la selezione dell’operatore di telefonia. Se la distribuzione è per gli Stati Uniti, sia CDMA che GSM possono rappresentare una soluzione, tuttavia se è necessario che il dispositivo funzioni in altre parti del mondo, GSM diventa la soluzione predominante.
Generalmente i dispositivi integrati richiedono solo un piano dati, ma in alcuni casi potrebbe essere richiesto anche un piano voce. Durante la ricerca per il piano dati atto a soddisfare le proprie necessità, le seguenti informazioni possono essere di aiuto nel determinare il piano richiesto:
- Numero di dispositivi distribuiti
- In quali paesi sarà richiesto il servizio
- Quantità di dati utilizzata al mese - generalmente misurata in kilobyte o megabyte
- Se sono richiesti messaggi di testo SMS
- Indirizzo IP statico
- APN (Access Point Name) personalizzato
- Piani dati in pool
Altri costi associati alla connettività cellulare sono, in via esemplificativa:
- Acquisto della scheda SIM
- Attivazione della scheda SIM
- Attivazione di ESN (Electronic Serial Number) e MEID
- Costi di sospensione associati a piani stagionali
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SIM di prova per la produzione e le verifiche
Per “gestire” efficacemente i dispositivi, potrebbero essere richieste più piattaforme o portali di gestione MNO e MVNO. La piattaforma di gestione consente di visualizzare e gestire tutti i dispositivi distribuiti. È importante notare che, a seconda della zona del mondo in cui sono stati distribuiti i prodotti, potrebbero essere richieste più piattaforme per gestire efficacemente tutti i dispositivi con le rispettive piattaforme di gestione dei dispositivi M2M e schede SIM. Il settore ha riconosciuto questo come una lacuna e nuovi e innovativi provider come Device Cloud Networks consentono di gestire e diagnosticare tutti i dispositivi attraverso una singola piattaforma.
Per colmare le lacune delle piattaforme di gestione odierne, la piattaforma innovativa della DCN offre:
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Scheda SIM programmabile da software come soluzione in policarbonato o eUICC (embedded Universal Integrated Circuit Card);
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Sistema automatizzato di provisioning autonomo per grandi volumi basato su cloud per la connettività wireless;
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Piattaforma basata su cloud per la diagnostica, la gestione, la programmazione e il controllo remoto di dispositivi e macchine;
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Connettività locale in un numero crescente di paesi;
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Motore di fatturazione per più valute e lingue;
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Il tutto offerto come un unico articolo SKU.
Qual è il ruolo di MNO, MVNO e MVNE?
Le tipologie di operatori da cui si possono ottenere i servizi dati cellulari sono due, operatori di rete mobile (MNO, Mobile Network Operator) e operatori virtuali di rete mobile (MVNO, Mobile Virtual Network Operator).
Un MNO è un provider di servizi di comunicazione wireless che possiede o controlla tutti gli elementi necessari a vendere e offrire i servizi all’utente finale. AT&T, Verizon, Sprint e T Mobile sono esempi di MNO negli Stati Uniti. Un MNO, oltre a generare fatturato offrendo i servizi al dettaglio con il proprio marchio, può anche vendere l’accesso ai servizi di rete a tariffe all’ingrosso agli MVNO.
Un MVNO è un provider di servizi di comunicazione che non possiede le frequenze radio o l’infrastruttura di rete wireless. Un MVNO può utilizzare i propri sistemi a supporto dell’assistenza clienti e della fatturazione, il proprio personale di marketing e vendita o può impiegare i servizi offerti da un Mobile Virtual Network Enabler (MVNE).
Un MVNE è un’organizzazione che offre soluzioni per l’infrastruttura aziendale agli MVNO. I servizi comprendono fatturazione, amministrazione, attività operative, supporto per il sottosistema della stazione di base, sistemi di supporto alle attività e provisioning degli elementi back-end della rete.
Perché scegliere un MVNO rispetto a un MNO?
Generalmente un MNO ricerca opportunità più vaste rispetto a un MVNO e in molti casi potrebbe non supportare un cliente di piccole dimensioni con dispositivi integrati. In secondo luogo, gli MVNO hanno stretto relazioni con diversi operatori regionali e globali. Questo è importante perché molti problemi correlati al roaming e al servizio globale sono stati risolti dagli MVNO. Senza il loro servizio sarebbe necessario stabilire personalmente relazioni con gli operatori in base a ogni regione e ogni paese. In genere, un MVNO può aver stabilito relazioni con 200 o più operatori diversi.
Le tariffe sono generalmente più favorevoli con un MNO, ma se è richiesto molto supporto e le dimensioni dell’azienda OEM sono piccole, si potrebbero verificare ritardi nel supporto.
Dismissione della rete 2G
Nell’agosto del 2012, AT&T Inc. ha annunciato che entro la fine del 2016 dismetterà la rete wireless di seconda generazione o “2G”. La dismissione non avverrà all’unisono, ma sparirà sporadicamente in varie aree del paese e dal 1 gennaio 2017, la rete wireless 2G cesserà di esistere. AT&T non certifica più nuove applicazioni GSM 2G per la distribuzione sulla sua rete. I clienti non possono più sviluppare nuovi prodotti M2M per GSM 2G da utilizzare o vendere negli Stati Uniti. Inoltre, AT&T non fornisce più nuove schede SIM per dispositivi e applicazioni GSM 2G esistenti e certificati. Questo significa che i clienti non possono più distribuire dispositivi GSM 2G nelle loro base installata di applicazioni M2M esistenti utilizzando la rete della AT&T.
La dismissione della rete GSM rappresenta un grosso problema per il settore M2M statunitense, dato che sono stati distribuiti moltissimi dispositivi GSM/GPRS. Per mantenere il servizio per le connessioni installate, un numero stimato tra 10 e 12 milioni di dispositivi GSM 2G dovrà essere sostituito o aggiornato entro il 2017. Quali sono quindi le opzioni per gli OEM con prodotti distribuiti?
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Passare a un altro operatore GSM 2G utilizzando il medesimo dispositivo GSM 2G
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Sostituire il dispositivo GSM 2G con uno HSPA 3G
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Sostituire il dispositivo GSM 2G con uno CDMA 2G
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Sostituire il dispositivo GSM 2G con uno LTE 4G
È bene notare che la dismissione della rete 2G è un problema solo per il Nord America. In Europa, dove il servizio 2G è utilizzato dalla maggior parte dei dispositivi M2M, la rete 2G continuerà a funzionare normalmente.
Cosa è una scheda SIM?
Un’altra differenza tra i dispositivi GSM e CDMA è la scheda SIM. Il GSM utilizza le schede SIM, mentre il CDMA generalmente non le usa. Tuttavia, per confondere un po’ le idee, nelle distribuzioni LTE sia GSM che CDMA utilizzano le schede SIM. Le schede SIM funzionano come dispositivi di memoria onboard e forniscono l’identità dell’abbonato, i dati sulle tariffe del piano e altri dati dell’utente, ad esempio, tutte le informazioni relative a contatti e calendario. CDMA memorizza i dati dell’utente, compresa la rubrica e le informazioni dello scheduler, nel database dell’operatore.
Le varietà di schede SIM di base sono quattro: Scheda SIM consumer con etichetta bianca
o Utilizzata principalmente nei prodotti e smartphone consumer.
Scheda SIM avanzata e irrobustita di plastica
o Progettata per funzionare in ambienti industriali estremi e soggetti a molte vibrazioni.
SIM 3FF
o Terzo fattore di forma (3FF) dello standard SIM e memorizza la medesima quantità di dati di
eUICC
o La scheda eUICC (embedded Universal Integrated Circuit Card) sostituisce la scheda
La SIM eUICC è anche più sicura delle tradizionali schede SIM in policarbonato, in quando non può essere semplicemente rimossa dal supporto all’interno del dispositivo. Se la sicurezza del dispositivo in località remote è una preoccupazione, la eUICC rappresenta un’ottima soluzione per evitare il furto della scheda SIM.
Ampiezza di banda e latenza
Nella selezione del piano dati cellulare è necessario comprendere i requisiti per payload dei dati, latenza e frequenza dei dati nelle trasmissioni di dati. Il dispositivo trasmette solo eccezioni o si trova sempre nello stato di comunicazione? L’applicazione, il payload dei dati e la latenza sono tutti fattori che possono influire sui costi del piano dell’operatore telefonico. Tenere presente che eccezioni quali gli aggiornamenti FOTA (Firmware over the Air) devono essere inclusi nelle necessità complessive del piano dati e del modello di costi.
Le distribuzioni integrate utilizzando i messaggi SMS?
Un’altra opzione per il monitoraggio remoto del sito consiste nell’utilizzo dei messaggi SMS per trasmettere notifiche di allarme da nodi e dispositivi remoti al personale di assistenza. I modem cellulari integrati comprendono connessioni d’ingresso per attivare l’invio di un messaggio al numero di telefono di un tecnico dell’assistenza, entrambi precedentemente programmati, notificando la condizione di allarme. I messaggi SMS possono essere addebitati individualmente o compresi nel piano dell’operatore telefonico.
Cosa è il roaming?
Il roaming è la possibilità offerta a un cliente cellulare di inviare e ricevere automaticamente dati o accedere ad altri servizi quando si trova al di fuori dell’area geografica coperta dalla rete del proprio operatore, utilizzando una rete diversa. Il roaming è supportato tecnicamente da gestione della mobilità, autenticazione e procedure di fatturazione. Se la rete visitata è nello stesso paese della rete del proprio operatore, questo è denominato roaming nazionale. Se la rete visitata è al di fuori del proprio paese, questo è denominato roaming internazione o globale.
Per semplificare il funzionamento delle distribuzioni M2M in località globali o remote, è necessario tenere in considerazione diversi fattori. La principale sfida a livello tecnico nel roaming M2M comprende “gestione e sicurezza dell’identità, gestione della configurazione, layer di servizio e gestione della connessione per i dispositivi M2M in roaming”2. Oltre a queste, altre sfide a livello di business possono complicare il processo di distribuzione, ad esempio qualità del servizio, gestione dei costi, più SKU e SIM ed extranet per la gestione delle applicazioni e certificazioni.
Le aziende come la Device Cloud Networks offrono un’integrazione semplice per la distribuzione globale dei dispositivi M2M attraverso un facile processo end-to-end per la gestione dei dispositivi fornendo una tecnologia atta a semplificare la connettività globale, la gestione dei dispositivi, la diagnostica e la fatturazione, il tutto con un unico SKU.
Testing per la certificazione
Infine, nessun articolo sulla trasmissione cellulare può ritenersi completo senza affrontare il testing di conformità. La continua crescita esponenziale delle opportunità di mercato per la connessione di dispositivi e macchine intelligenti e la necessità di verificare e certificare questi prodotti, ha portato le autorità di certificazione a semplificare i processi, consentendo lo sviluppo di soluzioni e riducendo i tempi di introduzione sul mercato. Il testing di conformità e normativo è diverso da paese a paese, ma tutti richiedono una qualche forma di testing obbligatorio di conformità alle normative, che gli OEM devono effettuare e superare prima di poter offrire i loro prodotti sul mercato.Panoramica del testing EMC/EMI
Con la proliferazione nell’introduzione sul mercato di nuovi dispositivi equipaggiati con moduli radio, gli OEM di tali prodotti integrati devono determinare quale testing di conformità e normativo sia richiesto per poter commercializzare un prodotto sul mercato domestico e internazionale. I moduli radio quali GSM/UMTS, WLAN/Wi-Fi®, Bluetooth®, GPS, RFID e molti altri ancora, possono essere pre-certificati, ma il testing potrebbe essere richiesto nuovamente una volta integrati nel dispositivo OEM. Con l’aggiunta di più moduli radio nei prodotti, la comprensione dei requisiti di testing e del progetto di sistema diventa ancora più complessa. Negli Stati Uniti, tutti i nuovi dispositivi devono superare il testing della FCC (Federal Communications Commission) secondo gli standard FCC & IC. Il processo di certificazione FCC esamina le emissioni irradiate e condotte, in modo intenzionale e non.
Cosa è il testing PTCRB?
Il testing PTCRB (PCS Type Certification Review Board) garantisce che i dispositivi che si connettono alle reti cellulari non causeranno danni a tali reti. Tutte le aziende che integrano un modem cellulare GMS/WCDMA in un prodotto che sarà distribuito in Nord America, devono effettuare e superare il testing PTCRB. La PTCRB è stata fondata dagli operatori del Nord America per creare una certificazione di terze parti, che dia agli operatori della rete la certezza che il dispositivo certificato soddisfi un insieme minimo di requisiti stabiliti dai membri. La PTCRB gestisce il processo di testing e certificazione per i produttori di dispositivi cellulari GSM/UMTS che dovranno funzionare sulle reti degli operatori appartenenti alla PTCRB.
E se si utilizza un modulo cellulare pre-certificato?
Una domanda frequente è: “Se nel progetto utilizzo un modulo pre-certificato, è ancora necessario effettuare il testing PTCRB”? Sinteticamente, la risposta è sì. Gli OEM che integrano un modulo pre-certificato nel loro prodotto wireless, devono presentare il loro “prodotto finale” nel suo fattore di forma di produzione finale a un laboratorio di testing autorizzato dalla PTCRB perché sia verificato e certificato. L’utilizzo di un modulo cellulare pre-certificato rispetto a un progetto chipset velocizza il processo di testing PTCRB, dato che la maggior parte delle voci del test sono già state completate durante la certificazione iniziale del modulo.
Testing da parte dell’operatore
Oltre ai requisiti della PTCRB, alcuni operatori del Nord America richiedono il loro processo di certificazione. Ad esempio, i dispositivi progettati per operare sulla rete della AT&T, devono superare il testing PTCRB e soddisfare specifici requisiti per sensibilità isotropa totale (TIS, Total Isotropic Sensitivity) e potenza totale irradiata (TRP, Total Radiated Power) prima di poter accedere alla rete della AT&T. È importante notare che i seguenti test devono essere superati con successo prima che il testing dell’operatore AT&T abbia luogo:
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Certificazione FCC
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Certificazione PTCRB
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Prestazioni RF/OTA
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CTIA IEEE 1725
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Tutte le certificazioni normative e di sicurezza rilevanti per un dispositivo con capacità vocali, ad esempio
E911 e compatibilità con apparecchi acustici.
Benefici del testing pre-certificazione
Il testing pre-certificazione è un modo vantaggioso per evitare di incorrere in problemi non previsti durante la certificazione ufficiale. Una consultazione con un laboratorio accreditato può fornire l’elenco di test che sono inclusi nella pre-scansione. Test quali emissioni spurie irradiate (RSE, Radiated Spurious Emissions) e OTA possono essere un esempio di quelli offerti nella pre-scansione. Le pre-scansioni non sono report ufficiali sulle prestazioni e sulla conformità del prodotto, ma offrono un maggior livello di fiducia per superare in futuro la certificazione prima che il processo ufficiale abbia inizio. Il pre-testing rappresenta un modo vantaggioso per trovare problemi a priori, quando è ancora possibile correggerli, evitando i costi di riprogettazioni, ritardi e nuovi testing che si avrebbero invece durante il processo di certificazione ufficiale. Nel caso in cui la pre-scansione non dia esito positivo, la Arrow può offrire supporto tramite i suoi partner di servizi di progettazione, che sono esperti nel risolvere questo tipo di problemi.
Quando tempo richiede in media il testing PTCRB e FCC?
La risposta più accurata può essere data dal laboratorio di testing. Il testing PTCRB e FCC con tutta la documentazione può essere completato in 4-6 settimane. La stagione estiva è generalmente un periodo impegnativo per i laboratori, dato che molti prodotti consumer che saranno in vendita durante le festività, sono nei laboratori in attesa di approvazione.
Supporto dalla Arrow Electronics per il processo di certificazione
La Arrow Electronics può contare su competenze e professionisti esperti che possono essere di supporto durante l’intero processo. La Arrow offre inoltre supporto tecnologico e servizi di progettazione per supportare i clienti con il progetto, l’integrazione e il testing dei loro prodotti.
Soluzioni Machine-to-Machine della Arrow
Le competenze nel campo wireless, l’ampia selezione di prodotti di fornitori all’avanguardia, il supporto tecnologico M2M senza eguali, i servizi completi e le rinomate capacità di gestione della catena di approvvigionamento della Arrow Intelligent Systems, supportano i clienti dalla fase concettuale alla produzione, durante ogni fase del ciclo del progetto, massimizzando le efficienze e semplificando l’introduzione del prodotto sul mercato.