Wie digitale HF-Tranceiver den Stromverbrauch bei IoT-Geräten senken

Der Integrationsgrad aktueller Halbleiterschaltungen und die damit verbundene Rechenleistung pro Logikbereich oder Gerät steigen gemäß dem Mooreschen Gesetz kontinuierlich an. Mehr Rechenleistung bedeutet aber nicht nur komplexere Berechnungen und Operationen, sondern auch größere Datenmengen erfassen und verwalten zu können. Dabei führen immer kleinere Geräte die gleichen Aufgaben mit geringerem Energiebedarf aus. Der Aufstieg von Edge-Computing-Anwendungen zeigt, wie dies in IoT- und ähnlichen Anwendungen zum Einsatz kommt. In Kombination mit den jetzt verfügbaren Ultra-Lowpower- und Sub-Threshold-Technologien lassen sich batteriebasierende Systeme bauen und ohne Kabelinstallation einfach installieren.

Energieverbrauch der Funkübertragung nicht mehr zeitgemäß

Bild 1: Realisiert als Modul mit Antenne ist Smart Digital Radio in Form eines Evaluationssystems erhältlich. Innophase

Wenn mehrere Geräte drahtlos Daten austauschen müssen, passt das verwendete HF-Protokoll oft nicht zur verfügbaren Infrastruktur und auch der beträchtliche Energiebedarf heutiger Funkarchitekturen entspricht nicht der Entwicklung der restlichen Elektronik. Für kleine Datenmengen gibt es realisierbare Lösungen mit Bluetooth Low Energy (BLE) und Zigbee. Bei Datenraten über 1 MBit/s, etwa für Videoübertragungen, sind verfügbare Systeme wie Wi-Fi in der Regel zu leistungshungrig für einen Batteriebetrieb über längere Zeit.

Dieser kritischste Umstand behindert die Marktentwicklung und das Wachstum von batteriebetriebenen oder sogar batterielosen IoT-Lösungen mit hoher Datenübertragung. Bisher ist die Betriebsdauer batteriegespeister IoT-Produkte zwischen dem Aufladen oder einem Batteriewechsel zu gering. Die kürzlich vorgestellte Smart-Digital-Radio-Architektur der US-amerikanischen Firma Innophase adressiert dieses Problem und erschließt damit großflächigere Einsatzbereiche für kabellose IoT-Anwendungen.

Aus analog wird digital

Bislang basieren grundlegende Architekturen der Funksignalverarbeitung hauptsächlich auf einer 50 Jahre alten HF-Technik, die als IQ-Verfahren oder Quadraturamplitudenmodulation (QAM) bekannt ist. IQ steht für die englischen Begriffe In-Phase und Quadrature und beschreibt die Art und Weise, wie das Funkgerät die HF-Wellendaten interpretiert. Diese analogbasierenden HF-Architekturen kommen in allen gängigen WLAN-, Bluetooth-, Zigbee-, Z-Wave- und den meisten anderen auf dem Markt befindlichen Funkprotokollen zum Einsatz.  Ihre Entwicklung erfolgte zu einem Zeitpunkt, lange bevor über batteriebasierende Anwendungen mit geringem Stromverbrauch nachgedacht wurde.

HF-Transceiver basierend auf QAM sind physikalisch einfach zu implementieren. Das Prinzip verwendet zwei sinusförmige Trägerwellen mit einer Phasenverschiebung von 90° zueinander, die die In-Phase- und Quadratur-Komponente des resultierenden HF-Signals darstellen. Um die erforderliche 90°-Phasenverschiebung zu realisieren, wurden verschiedene Empfänger- und Senderarchitekturen mit jeweils eigenen Merkmalen und Vorteilen für verschiedene Anwendungen entwickelt.

Während QAM-basierende Bauteile gut funktionieren, ist deren Leistungsaufnahme direkt abhängig von der Verarbeitung des HF-Signals in angepassten analogen Schaltungen. Die Konsequenz dieser Abhängigkeit ist, dass die Bauteile durch die Dominanz der analogen Schaltungen im Gegensatz zu digitalen Schaltungen eine unverhältnismäßig große Fläche der teuren Chipfläche in Anspruch nehmen und zudem einen hohen Stromverbrauch aufweisen. Sie können also die kontinuierlichen Fortschritte in der Halbleiterprozesstechnologie nicht nutzen. Entsprechend hinkt die Leistungsreduzierung der Transceiver in den letzten Jahren denen anderer integrierter Systeme hinterher und zeigt nur äußerst geringe Verbesserungen.

Bild 2: Darstellung eines Datenpunktes innerhalb eines HF-Signals; links: kartesische IQ-Koordinaten basierend auf QAM; rechts: Darstellung in Polarkoordinaten, Amplitude und Phase. Innophase

Paradigmenwechsel in der Funkarchitektur

Seit vielen Jahren ist klar, dass ein grundlegender Technologiewechsel in der verwendeten Funkarchitektur nötig ist, um diese Lücke zu schließen. Die analoge Verarbeitung muss digital werden. Innophase wurde mit dem Ziel gegründet, eine völlig neue, äußerst effiziente und digital dominierende Funkarchitektur zu schaffen. Die drahtlosen Lösungen sollten endlich die erheblichen Vorteile hinsichtlich Stromverbrauch, Größe, Integration und Kosten nutzen können, die die aktuelle Halbleiter-Prozesstechnologie ermöglicht. Das Ergebnis ist die innovative Technologie, die das Innophase-Team aus Forschern, HF-Experten, Mathematikern und Chipentwicklern über die letzten Jahre perfektioniert hat und jetzt präsentiert. Es ist ihnen gelungen, die Verarbeitung von HF-Signalen von den vorwiegend stromhungrigen analogen auf hocheffiziente digitale Schaltkreise zu transferieren.

Die neue Technologie Polarfusion realisiert die Codierung und Decodierung des HF-Signals unter Verwendung von Polarkoordinaten, also Amplitude und Phase anstelle der traditionellen kartesischen IQ-Koordinaten. Die unterschiedliche Darstellung von IQ- und polaren Koordinaten ist in Bild 2 gezeigt. Während QAM-Systeme physikalisch einfacher zu realisieren sind, ermöglicht eine digitale Verarbeitung des Signals in Polarkoordinaten die Nutzung effizienterer Schaltungen.

Mehr Bandbreite durch IQ-zu-Polar-Umwandlung

Bild 3a: Schema eines analog dominierten, QAM-basierenden Transceivers Innophase

Die Idee und das Konzept eines polaren Transceivers zur Minimierung des Energieverbrauchs ist nicht neu. Es wurde viele Jahre lang diskutiert und getestet, aber bisher hat sich niemand der Herausforderung gestellt, ein solches Produkt tatsächlich zu realisieren.

Dem Ingenieurteam von Innophase ist nun der technologische Durchbruch gelungen, indem es den weltweit ersten Polarkoordinaten-Receiver ohne Synthesizer geschaffen hat. Dieses fortschrittliche Empfängerkonzept erreicht Datenraten von bis zu 65 MBit/s und hat gleichzeitig eine überragende Energieeffizienz von nur 1,8 nJ/Bit. Neben dem neuen Empfängerkonzept hat das Unternehmen einen hochintegrierten digitalen, polarkoordinatenbasierenden Sender entwickelt, der Rekordwerte für niedrigen Stromverbrauch erreicht. Damit sind zwei wichtige Designherausforderungen für die Implementierung digitaler Sender erfolgreich gelöst.

Bild 3b: Durch Verringerung der analogen Schaltungsteile aus Bild 3a (rote Bereiche) nutzt die Polarfusion-Architektur die Vorteile neuer Halbleitertechnologien voll aus. Innophase

Einmal ist das die Bandbreitenerweiterung aufgrund einer IQ-zu-Polar-Umwandlung und damit ein Weg, um die stringente zeitliche Korrelation zwischen Amplitudenmodulations- (AM) und Phasenmodulationspfaden (PM) zu erhalten. Ergänzend dazu arbeitet der fortschrittliche ADPLL-basierende Breitbandphasenmodulator für polar interpretierte Funksignale mit einer Leistung, die um eine Größenordnung unter der bestehender Technologien liegt. Zusammenfassend ist so ein vollständig auf Polarkoordinaten basierender Digitaltransceiver mit einem Spitzenwirkungsgrad von 33 Prozent und einer Error Vektor Magnitude (EVM) von nahezu -30 dB entstanden (Bild 3a, 3b).

Neben der Transceiverarchitektur maximiert die neuentwickelte Polarkoordinatenverarbeitung die Energieeffizienz weiter. Die Berechnung erfolgt über einen optimierten Befehlssatz, der auf nichtlinearer Mathematik basiert und die Manipulation der digital dargestellten Polarkoordinaten ermöglicht. Damit lässt sich das Funksignal jetzt mithilfe von flexibel programmierbaren Softwarealgorithmen präzise verarbeiten, denn die Funkhardware ist ausschließlich als digitale Schaltung realisiert. Selbst die neuen und patentierten Flex-LNA (flexible low noise amplifier) und DPA (digital power amplifier) sind in Form von digitalen CMOS-Schaltungen implementiert.

Drahtlos und energiesparend

Der Wi-Fi-Transceiver mit digitaler Polarfusion-Architektur hat die derzeit niedrigste Leistungsaufnahme auf dem Markt. Verglichen mit dem Energieverbrauch derzeitiger QAM-basierender Wi-Fi-Lösungen in IoT-Anwendungen sind nun drei- bis achtfache Batterielaufzeiten realisierbar. Das komplett Chip-basierende System ermöglicht den Aufbau einer drahtlosen Kommunikation mit nur einem Bauteil.

Neben der HF-Verarbeitung enthält der Smart-Digital-Radio-Baustein zusätzlich die Intelligenz einer ARM-Cortex-M3-MCU. Dadurch können Entwickler einfache IoT-Anwendungen ausführen und gleichzeitig auf eine vollständige, integrierte drahtlose Kommunikationslösung zugreifen. Eine Reihe verschiedener konfigurierbarer Hochgeschwindigkeits-Standardschnittstellen sorgt für die einfache Integration in bestehende Systeme. Als eigenständiger IoT-Knoten betrieben sind verschiedene Sensoren, Mikrofone oder anderen Peripheriegeräte direkt anschließbar.

Wie beschrieben wird die Verarbeitung des HF-Signals in Software ausgeführt. Diese läuft auf einem Satz neuer, nichtlinearer, digitaler Signalprozessoren. Daraus resultiert ein weiterer entscheidender Vorteil: Da die HF-Protokolle nicht in Hardware implementiert sind, kann das gleiche System, das ein Wi-Fi-Protokoll ausführt, dynamisch in ein anderes Protokoll wechseln. Durch das Laden eines neuen Softwareprotokollmoduls wird das System innerhalb weniger Mikrosekunden beispielsweise zu einer BLE-Schnittstelle und lässt sich genauso schnell zurücksetzen. Damit sind selbst quasi co-existierende Protokolle möglich.

Wi-Fi-Leuchte per Sprachkommando steuern

Bild 4: Der WiFi-basierende intelligente Lichtschalter steuert Lichtquellen in der Home Automation per Sprachkommando. Die Systemkomponeten bestehen aus Evaluationssystemen von Innophase (grün), Ambiq Micro (blau) und einer Batterie von Fujitsu (rot). Innophase

Innophase und Fujitsu Electronics Europe bieten Referenzdesigns und Beispielanwendungen mit dem neuen Produkt an. Die erste Beispielanwendung ist ein über Wi-Fi angebundener, batteriebetriebener, smarter Lichtschalter mit Sprachsteuerung für Home Automation. Dieser verfügt über eine Intelligente Always-on-Verarbeitung für Nahfeld-Audiosignale zur Erkennung von Schlüsselwörtern. Basierend auf dem Befehl steuert das System eine smarte LED-Lampe, um Farbe und Helligkeit zu ändern. Die Ultra-Lowpower-MCU Apollo von Ambiq Micro führt dabei die Schlüsselwortverarbeitung aus. Das mit den jeweiligen Evaluationssystemen von Innophase und Ambiq Micro realisierte System ist in Bild 4 zusammen mit dem schematischen Blockdiagramm gezeigt.

Zunächst ist das Wi-Fi-Protokoll im Ruhemodus und das Smart Digital Radio schläft bei ausgeschalteten Funktionen. Es wacht lediglich alle 300 ms auf, um mit dem Wi-Fi-Netzwerk verbunden zu bleiben. Wenn ein Schlüsselwortbefehl erkannt wird, weckt die MCU-basierende Anwendung den Transceiver auf und schickt eine UDP-Nachricht an die intelligente Leuchte. Unter der Annahme einer signifikanten täglichen Nutzung von ungefähr 30 Mal pro Tag könnte das resultierende System sechs bis neun Monate mit zwei AA-Batterien betrieben werden. Diese lange Akkulaufzeit würde eine völlig neue Klasse von Hausautomations- und Industriesteuerungssystemen ermöglichen.

Überwachungskamera mit einem Jahr Batterielaufzeit

Die zweite als Konzeptstudie bewertete Anwendung ist eine batteriebasierende Überwachungskamera. Die Herausforderung bestand darin, eine drahtlose Fernüberwachungskamera zu bauen, die mit einem kleinen erschwinglichen Akku im Außenbereich arbeitet und eine Laufzeit von mindestens einem Jahr zwischen den Aufladezyklen erreicht.

Bild 5: Die Konzeptstudie einer batteriebasierenden Überwachungskamera erreicht mit Smart Digital Radio eine Laufzeit von einem Jahr. Innophase

Ein eingebauter Infrarot-Sensor aktiviert die schlafende Video-Anwendung, sobald ein Eindringling in den Erfassungsbereich tritt. Das aktivierte System zeichnet dann ein Video auf und überträgt dieses in ein WLAN-Netzwerk. Die auf Polarfusion basierende Plattform kann in einem solchen System eine Schlüsselrolle bei der Energieverwaltung und der drahtlosen Kommunikation spielen. Die integrierten MCU- und I/O-Funktionen steuern unabhängig den angeschlossenen IR-Sensor, während der stromhungrige Videoprozessor nur bei Bedarf läuft. Bild 5 zeigt das Blockdiagramm des Systems.

Überschlägige Berechnungen ergeben, dass eine solche Kamera über ein Jahr mit einer Batterie auskommt, deren Kapazität mit etwa 3000 mAh der eines typischen Mobiltelefons entspricht. Dies ist fast viermal länger als eine typische batteriebetriebene drahtlose Kamera auf dem heutigen Markt.

Damit Entwickler die Polarfusion-Technologie in ihrer Anwendung testen können, hat Fujitsu Electronics das Smart Digital Radio auch in die Click-Beetle-Plattform aufgenommen. Das kleine Evaluationssystem lässt sich auf einer Fläche von gerade mal 16 × 26 mm² mit anderen Click-Beetle-Referenz-Entwicklungsboards koppeln oder direkt in eine Prototypenanwendung integrieren.

Batteriebasierende IoT-Geräte im Aufschwung

Das Smart Digital Radio von Innophase eröffnet endlich die Möglichkeit für batteriebetriebene IoT-Systeme, die über eine Breitband-Cloud-Verbindung verfügen. Diese energiesparende HF-Technologie benötigt keine Gateway-Geräte mehr, die üblicherweise Edge-of-Network-Geräte miteinander oder mit der Cloud verbinden. Im Gegensatz zu herkömmlichen analogen Transceivern, die die Vorteile der Halbleitertechnologie nicht vollständig nutzen können, folgen die Bauteile von Innophase der Entwicklung zu geringerem Energieverbrauch durch höhere Integrationsdichte. Letztere wird den Energiebedarf der Bauteile in nächster Zeit um weitere 50 Prozent reduzieren. Angesichts der aktuellen und zukünftigen Möglichkeiten der Polarfusion-Technologie liegt die nächste Generation batteriegespeister IoT-Geräte in greifbarer Zukunft.

(jwa)