Беспроводные трансиверы используют UWB для передачи данных с низким энергопотреблением и малой задержкой

В то время как технология сверхширокополосной связи (UWB) до сих пор была представлена ​​несколькими производителями микросхем как технология для приложений с точным диапазоном, стартап из Монреаля, Канада, разработал собственную архитектуру радио, чтобы использовать UWB для сверхнизкой задержки и сверхнизкой задержки. безбатарейные датчики Интернета вещей (IoT).

Spark Microsystems анонсировала два чипа в составе своей серии микросхем маломощных сверхширокополосных беспроводных приемопередатчиков SR1000, обеспечивающих новый класс приложений беспроводной связи малого радиуса действия для продуктов, для которых задержка в канале связи в настоящее время препятствует полному погружению в процесс взаимодействия с пользователем в реальном времени. По сравнению с Bluetooth Low Energy (BLE), эфирное время которого обычно составляет несколько миллисекунд, вызывая заметную задержку в десятки миллисекунд, приемопередатчик SR1000 UWB может отправлять 1 Кб данных всего за 50 мкс, что обеспечивает значительно меньшую задержку беспроводной связи в широком диапазоне. приложений, таких как потоковое аудио.

Энергопотребление приемопередатчика Spark, обычно 1 нДж / бит, также значительно ниже, чем у BLE, обычно в 40 раз ниже при работе на скорости 1 Мбит / с. Скорость передачи данных до 10 раз выше, чем у BLE, скорость 10 Мбит / с у серии SR1000 подходит для приложений с большим количеством контента, таких как потоковое видео, где необходимы каналы с высокой пропускной способностью и низкой задержкой.

Это будет соответствовать требованиям таких продуктов, как игровые периферийные устройства, аудио и гарнитуры AR / VR, которые в противном случае необходимо было бы подключить для соответствия целевым показателям мощности и задержки. Он также учитывает требования устройств умного дома к питанию, задержке и потоковой передаче данных и безбатарейных датчиков Интернета вещей (IoT).

В отличие от других беспроводных протоколов, которые работают в перегруженных лицензированных спектрах беспроводной связи, серия SR1000 UWB работает в нелицензированном частотном диапазоне от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц, используя широкий спектр с низкой плотностью мощности, которая обычно составляет -41,3 дБм / МГц. Передача на уровнях, которые могут восприниматься как шум для других приемников, подход с широким спектром UWB в значительной степени способствует беспроводному сосуществованию, дополнительно улучшая характеристики производительности канала.

Радиоприемники, использующие кратковременные импульсы, а не несущие частоты
Соучредитель и технический директор Spark Microsystems Фредерик Набки объяснил embedded.com, как они достигают целевых показателей мощности и задержки. Он сказал, что такие технологии, как Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave и даже 5G, используют модулированные несущие частоты для передачи данных. Эти носители требуют значительного количества времени для запуска и стабилизации, а также сложного оборудования, чтобы гарантировать, что они находятся в фазе и имеют хорошие фазовые свойства; в результате для их обслуживания требуется значительное количество электроэнергии.

Spark пошла по другому пути. Вместо несущих его радиостанция использует временные импульсы, которые генерируют импульсы 2 нс, и, поскольку несущая сама не является частью уравнения напрямую, вам не нужно обслуживать эту несущую. Он сказал, что это означает, что у вас нет длительного времени запуска или сложной схемы для управления этим носителем. Это обеспечивает более быстрое время запуска и более быструю передачу данных, поскольку ширина импульсов составляет всего 2 нс, что означает, что вы можете довольно быстро их повторять, а также их можно быстро синхронизировать. Побочным продуктом необходимости генерации коротких импульсов является то, что радиостанциям Spark требуется очень широкая полоса пропускания и они используют импульсы для связи.

Набки сказал, что проблема заключалась в том, как заставить передатчик и приемник включаться и выключаться за микросекунды, чтобы использовать быстрое действие, которое обеспечивают импульсы. Он прокомментировал:«Поскольку вы можете действовать быстро, вы можете агрессивно выполнять рабочий цикл радиостанции, но как вы поддерживаете синхронизацию этих двух радиостанций, если у вас есть передатчик и приемник, которые вы включаете и выключаете, например, каждые 50 мкс? Нам нужно было разработать технологию, чтобы решить эту проблему. И, наконец, как обеспечить синхронизацию системы, а не просто синхронизацию? »

Всем беспроводным радиостанциям нужен кварцевый кристалл, чтобы получить достаточно точную временную развертку, чтобы они могли поддерживать синхронизацию, а также обслуживать свои несущие частоты. «В нашем случае мы очень усердно работали над использованием технологии UWB, чтобы позволить нам работать от таймера с очень низким энергопотреблением, который представляет собой кварцевый кристалл 32 кГц - по сути, то, что у вас есть в ваших часах, очень низкая стоимость и очень низкое энергопотребление. Это выбор, который мы сделали не только для того, чтобы уменьшить мощность нашего трансивера, мы также хотели уменьшить мощность на системном уровне ».

Набки также объяснил, как трансиверы Spark сосуществуют с другими радиостанциями. «Все мы знаем, что Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee используют частоту 2,4 ГГц, и эта полоса действительно перегружена. Полоса 5 ГГц также очень загружена. Spark UWB живет в диапазоне от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц. Его можно использовать бесплатно, поэтому он имеет те же преимущества, что и Bluetooth, Zigbee и Wi-Fi, поскольку ему не нужно лицензировать спектр. Но у него намного меньше EMI ​​(электромагнитные помехи) и излучения, потому что если вы посмотрите на мощность, которую передает радио Spark, она примерно в 1000 раз меньше, чем радио Wi-Fi, и примерно в 100 раз меньше, чем радио Bluetooth. Это означает, что это позволяет вам лучше сосуществовать с другими радиостанциями, а это означает, что для этих других радиостанций вы воспринимаетесь как уровень шума, они на самом деле вас не видят, вы ниже их чувствительности ».

Важно отметить, что ахиллесова пята радиостанций СШП на сегодняшний день - это чувствительность к помехам в диапазоне. Поэтому Набки сказал, что Spark разработал уникальные механизмы подавления и подавления помех, которые позволяют ему быть невосприимчивыми к узкополосным помехам, исходящим от Wi-Fi и сотовых диапазонов. «Мы считаем, что это будет ключевым свойством нашей системы, поскольку Wi-Fi начинает все больше и больше вторгаться в спектр СШП с Wi-Fi 6, и поэтому мы готовы к этому».

Spark разработала два продукта, предназначенные только для приемопередатчиков. Набки объяснил, что установка ядра процессора потребовала бы дополнительных инженерных усилий, и их цель в первую очередь - быстро выйти на рынок. «Схема может работать от батареи, без преобразователя постоянного тока в постоянный, все находится на микросхеме. Вам не нужно ничего внешнего, кроме кристалла 32 кГц. Вам нужен микроконтроллер вне микросхемы, который запускает протокол. В нашей дорожной карте мы в конечном итоге добавим микроконтроллер на чип в продукте второго поколения ».

СШП - это не просто позиционирование, это низкая задержка и передача данных с низким энергопотреблением
Набки объяснил, что, когда он и его соучредитель около десяти лет назад начали работать с UWB, их целью было не позиционирование. «Мы думали, что это классная функция, но UWB - это намного больше, чем просто это. Он может обеспечить связь со сверхнизким энергопотреблением и сверхмалой задержкой. Он может обмениваться данными с мощностью в несколько микроватт, с низкой задержкой и сосуществовать с Wi-Fi. У нас есть ранжирование, мы можем это сделать, и с гораздо меньшей мощностью, чем другие ребята, но это не обязательно самые большие надежды. Самым многообещающим является передача данных со сверхмалой задержкой и сверхнизким энергопотреблением ».

Он сказал, что, хотя радиостанции Spark являются собственностью и еще не являются стандартом, они надеются, что они станут стандартом. «То, как люди реализовали стандарт UWB сегодня, состоит в том, что они сосредоточились на определении расстояния, а затем задали себе вопрос:как мне сделать радиомодуль UWB на основе современных беспроводных архитектур. В результате они получили очень большие ВЧ-машины, которые потребляют много энергии, а не низкую стоимость, и мы уже слышим, что большинство автопроизводителей резервируют технологию СШП для автомобилей высокого класса из-за этого. То, что сделал Спарк, было совсем другим. Мы начали с чистого листа ».

Он сказал, что определение дальности - это одна из возможностей трансиверов Spark, но существуют более широкие потенциальные приложения, сочетающие дальность и связь; Кроме того, они могут обеспечивать низкую скорость передачи данных и высокую скорость передачи данных с малой задержкой. Он добавил:«Мы можем создавать системы без батарей. Ни у кого не может быть системы, которая непрерывно передает данные со здоровой скоростью и мощностью в несколько микроватт. Мы можем делать более традиционные системы лучше, например снижать энергопотребление устройств потоковой передачи звука ».

Единственное, что у Spark общего с другими устройствами на основе СШП, - это использование того же спектра. «Остальное действительно переработано из ядра, чтобы обеспечить беспроводное соединение нового поколения для личной сети, сети тела и пространства Интернета вещей».

Далее объяснил Фарес Мубарак, генеральный директор Spark Microsystems. «Мы примерно в 40 раз ниже, чем Bluetooth Low Energy, когда дело касается энергопотребления. Даже с развитием Bluetooth 5.1 и 5.2 мы все равно в 20 раз лучше, чем Bluetooth 5.2. У нас задержка в 60 раз меньше. Наша задержка изначально меньше. Мы можем выделить 50 мкс эфирного времени для передачи 1 Кбайт данных. Но помимо этого мы можем добиться на порядок большей скорости передачи данных. У нас на два порядка ниже EMI ​​(электромагнитные помехи), и, поскольку мы являемся сверхширокополосной радиостанцией, мы можем достичь определения местоположения по времени полета, которое может дать вам 30-сантиметровую точность в диапазоне радиосвязи при очень низкой мощности ».

Говоря о текущем рынке устройств СШП, Мубарак прокомментировал:«СШП сегодня известен по Decawave, NXP и новейшему чипу iPhone U1, которые известны своим позиционированием со сверхнизким энергопотреблением. Они заявляют о точности 10 см, но это очень высокая мощность, вероятно, из-за архитектуры, которую они используют со стандартом 802.15.4z, который вызывает мощность ».

Для сравнения он сказал, что трансиверы Spark обеспечивают точность 30 см при почти на два порядка меньшей мощности. «И наше следующее поколение также может достигать 10 см при малой мощности. Мы отличаемся от нынешних СШП значительным преимуществом в мощности. Мы можем быть радио пробуждения. Большинство беспроводных сетей сегодня имеют высокую мощность и, следовательно, нуждаются в очень маломощном радио для пробуждения; это особенно верно в случае UWB, чтобы разбудить MCU и радио ».

Для игр, аудио и умных домов
Мубарак сказал, что цель компании на данный момент - быстро добиться валидации своей технологии в потребительском пространстве, особенно в игровых, аудио- и игровых центрах. Он дал некоторую перспективу для игр. «Если вы посмотрите сегодня на сжатый звук с помощью этих наушников, вы получите почти 200 мс задержки. Мы продемонстрировали высокое качество звука с задержкой менее 5 мс. Полностью несжатый. В периферийных устройствах для мышей и клавиатур, для которых скорость отклика является ключевым фактором в играх, и мы продемонстрировали задержку менее миллисекунды - мы можем сократить задержку до четверти миллисекунды (250 мкс) ».

Для умных домов умные помощники - ключевая цель с точки зрения голоса и управления. Мубарак утверждает, что у них довольно много оценок лидеров рынка в этой области. В датчиках безопасности, особенно для домашней безопасности, он сказал, что 60% их обслуживания связано с необходимостью замены разряженных батарей в датчиках. Следовательно, целью Spark является создание надежных сенсорных узлов без батарей для датчиков с низкой скоростью передачи данных, необходимых для обнаружения движения, оконных и дверных датчиков, которые могут питаться от внутреннего освещения.

В автомобилестроении Мубарак сказал, что компания выполнила проекты NRE для подтверждения концепции, чтобы удовлетворить потребности в сверхнизком энергопотреблении в системах контроля давления в шинах и дистанционных брелоках с более чем 10-летним сроком службы батареи.

Серия SPARK Microsystems SR1000 включает в себя два варианта продукта с идентичными выводами для соответствия различным региональным распределениям спектра:SR1010 для частот от 3,1 ГГц до 6 ГГц и SR1020 для частот от 6 ГГц до 9,5 ГГц. Серия SR1000 также может использоваться для различных приложений определения дальности и позиционирования в дополнение к обеспечению симметричного канала передачи данных с низким уровнем выбросов, низким энергопотреблением и малой задержкой. Доступен ряд оценочных инструментов, плат для разработки и эталонных проектов для конкретных приложений для серии SR1000, которые помогают быстро создавать прототипы начальных проектов.