Hochfrequenz-ICs Synergie von HF- und Prozessor-Power

HF-Power
HF-Power

Hochfrequenz-ICs entwickeln sich immer mehr hin zu komplexen Kombinationen von analog/digitalen HF-Komponenten und High-Speed-Prozessor-Designs. Dieser Trend-Report gibt einen Überblick über zahlreiche Neuentwicklungen mit ihren wichtigsten technischen Eigenschaften und Daten.

Die HF-Technik macht vor allem in der CMOS-Halbleitertechnologie derzeit deutliche Fortschritte, vor allem, was die Kombination von analogen HF-Stufen mit digitalen Prozessor-Designs anbelangt. Treibende Applikationen sind die Smartphones und die Tablet-Computer, die zu Wireless-Universalrechnern werden.

Kombi-Power auf kleinster Chipfläche

Der HF-Kommunikations-Chip-Branchenprimus und weltweit begehrte Lizenzgeber für Mobilgeräte- und HF-Prozessoren - nämlich Qualcomm Technologies, das als Tochterunternehmen von Qualcomm Incorporated arbeitet - erweitert seine Produktfamilie Snapdragon S4 der mobilen Prozessoren um zwei neue Chipsets: Jetzt ergänzen auch der MSM8226 und der MSM8626 mit ihren jeweiligen Referenz-Designs beider Modelle das ohnehin schon breite Portfolio. Die beiden S4-Prozessoren mit Quad-Core-CPUs bieten Funktionen für Multimedia-Anwendungen in High-End-3G-Geräten (womit sich der Hersteller an recht stückzahlstarke Märkte wenden dürfte). In den Prozessoren werkeln u.a. eine leistungsstarke Adreno-305-GPU, eine 1080p-Bilderfassung und -wiedergabe. Nutzbar ist auch eine Kamera mit bis zu 13 Megapixeln. Die Prozessoren wurden speziell zur Verarbeitung visuell hochwertiger Bilddatensätze und für lange Akkulaufzeit entwickelt, so Qualcomm. Verfügbar sein werden beide Chipsets im zweiten Quartal 2013 für die Standards UMTS, CDMA and TD-SCDMA.

Ebenfalls am Horizont von Qualcomm-Anwendern sind bereits die Prozessoren Snapdragon 800 und 600. Sie sind auf hochkarätige Mobilgeräte der Premium-Klasse ausgerichtet, wo sie High-Speed-Kommunikations- und -Verarbeitungsaufgaben übernehmen sollen. Die Snap-dragon-800-Prozessoren beispielsweise arbeiten auf Basis der Quad-Core-CPU Krait 400 (bis 2,3 GHz Takt je Kern), einer Adreno-330-GPU, eines Hexagon-DSP v5 und eines 4G-LTE-Modems der jüngsten Generation (max. 150 Mbit/s Carrier Aggregation - also die neuesten Eigenschaften). Laut Qualcomm bieten die Snap-dragon-800-Prozessoren eine um 75 % gesteigerte Durchsatzleistung verglichen mit dem Snapdragon S4 Pro, das auch noch leistungssparend dank Integration in einer speziellen 28-nm-Technologie. Schnelle 2×32-bit-LP-DDR3-Speicher bei 800 MHz machen die High-Speed-Eigenschaften rund. USB 3.0, Bluetooth, WiFi nach 802.11ac und FM sind weitere Kommunikationskanäle. Angesteuert werden Displays bis zu 2.560 × 2.048 Pixel; bedient wird auch der Miracast-1080p-HD-Standard.
Die 600er-Prozessoren sind eine Leistungsklasse (in den verarbeitungsintensiven Disziplinen) niedriger; Krait 300 Quad, max. 1,9 GHz und die Adreno-320-GPU sind einige Eckdaten dieses Universal-Prozessors, der aber leicht auch noch die High-end-Klasse der Mobilgeräte adressiert.

Leistungsaufnahme minimieren

Eine ganz andere Zielgruppe: Mit nie-driger Stromaufnahme möchte eine von Atmel neu entwickelte HF-Transceiver-/Mikrocontroller-Familie punkten (Bild 1), die auf den Markt der Kfz-Zugangs-/Keyless-Entry- und „Smart RF“-Systeme mit groβer Reichweite ausgerichtet ist. Auch Garagentür-Öffner oder Telemetering-Anwendungen sollen anvisiert werden. Die monolithischen ICs kombinieren HF-Funktionen und einen Atmel-AVR-Mikrocontroller. Die Familie besteht aus den Chips ATA5831 (Firmware ist im ROM enthalten, zusätzliche Flash-Option für applikationsspezifische Software-Anforderungen), ATA5832 (kostenoptimierte Version des ATA5831, Anwendungs-Software ist maskenprogrammiert) und ATA5833 (sofort einsetzbares IC mit integrierter Firmware). Laut Datenblatt liegt die Stromaufnahme nur bei typ. 9,8 mA im Empfangsmodus (Low Band, 310 - 318 MHz, 418 - 477 MHz, 21 ms Zyklusdauer, 3-Kanal-Polling) und bei typ. 9,4 mA bzw. 13,8 mA im Sendemodus (Low Band, P = 6 dBm bzw. 10 dBm). Daher sind in den Geräten nur noch kleine Batterien notwendig.

Hohe Empfindlichkeit und hohe Ausgangsleistung sind zwei weitere wichtige Kriterien, um groβe HF-Reichweiten bei gleichzeitig sicherer Funkübertragung zu erreichen. Die neue HF-Transceiver-Familie reklamiert für sich Empfindlichkeitswerte von typisch -123 dBm (bei 0,75 kbit/s, FSK, Manchester-Modus, 433,92 MHz) bzw. -109 dBm (bei 20 kbit/s, ASK, Manchester-Modus, 433,92 MHz). Zusammen mit der hohen Ausgangsleistung von bis zu 14,5 dBm lassen sich damit gute Link-Budgets, letztlich groβe Reichweiten, erzielen. Durch die Konfigurierbarkeit via EEPROM ist die Anpassung an die jeweilige Anwendung unkompliziert realisierbar; die Programmierung über die serielle Peripherieschnittstelle (SPI) ist selbst während des laufenden Betriebes möglich. Falls kundenspezifische Modifikationen notwendig sind, kann die bestehende Firmware um Flash (ATA5831) oder Anwender-ROM (ATA5832) ergänzt werden. Muster der neuen HF-Transceiver im 5 mm × 5 mm kleinen QFN32-Gehäuse sind ebenso verfügbar wie ein Car Access System Kit als Design-Plattform.

Energieeffizient im Sub-GHz-Band

Für die Kommunikation in intelligenten Gebäude-Energienetzen wie auch im Außenbereich etablieren sich mittlerweile weltweit gleich mehrere Protokolle, die aber alle gemeinsam eines voraussetzen: robuste Kommunikation und geringe Stromaufnahme. Aus diesem Grund hat Freescale (www.freescale.com) den Kinetis-Wireless-Mikrocontroller (MCU) KW01 angekündigt und baut damit die bestehende Linie weiter aus. Zusammen mit einer strom sparenden und zahlreiche Netzwerkprotokolle bewältigenden CPU ist auf dem Chip ein Funkmodul integriert, das mit komplexen Modulationsverfahren (GFSK, MSK, GMSK und OOK) eine Übertragungsrate bis zu 600 kbit/s bietet und das gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzen von 290 bis 1020 MHz arbeiten kann, so dass die ISM-Bänder in Japan, USA, Europa, China, Indien, Brasilien, Mexiko und noch weiteren Ländern überstrichen werden können.

Für Anwendungen im Außenbereich, beispielsweise in Neighborhood Area Networks, die viele intelligente Zähler mit einem gemeinsamen Datensammelpunkt vernetzen, oder in Me-tropolitan Area Networks, die Straßenbeleuchtungen oder Sensoren miteinander verbinden, kann die neue MCU neben dem als Industriestandard etablierten IEEE-802.15.4e/g-Protokoll auch proprietäre Protokolle unterstützen und kommt auch mit 6LoWPAN, WMBUS (EN13757-4), KNX oder ECHONET zurecht.

Die auf einem mit bis zu 48 MHz taktenden ARM-Cortex-M0+-Prozessor mit 128 KB Flash und 16 KB SRAM basierende MCU nimmt unter typischen Betriebsbedingungen lediglich 40 µA/MHz auf. Das System und die Peripheriefunktionen wurden so konzipiert, dass der Baustein mit einem Standby-Strom von 1,7 µA auskommt und mit 4,3 µs kurze Weckzeiten bietet. Im Stopp-Modus liegt der Betriebsstrom unter 100 nA - und das unter Erhaltung der Konfigurationsdaten des Funkteils. Laut Datenblatt liegt das Link-Budget bei +137 dB (Benchmark). Ein umfassendes Software-Paket hilft bei der Design-Erprobung.


Ebenfalls als sehr stromsparend - jedoch nicht für das Sub-GHz-, sondern für das 2,4-GHz-ISM-Band - charakterisiert Atmel (www.atmel.com) die Wireless-MCU-Familie ATmegaRFR2 AVR. Sie besteht aus dem ATmega64RFR2, ATmega128RFR2 und ATmega256RFR2 mit neuen Speicher-Derivaten (64 KB bis 256 KB). Laut Datenblatt nehmen diese MCUs weniger als 6 mA Strom im Listen-Modus, unter 14,5 mA im Sendemodus sowie weniger als 1,5 µA im Deep-Sleep-Modus auf, was laut Atmel bis zu 50 % weniger sei als bei vergleichbaren Bausteinen. Die neue Baureihe bietet bis 2 Mbit/s Übertragungsrate und einen Betrieb mit 1,8 V bei 16 MHz und einen größeren Betriebstemperaturbereich bis 125 °C. Damit eignet sie sich auch für anspruchsvolle Umgebungen, wie z.B. funkgesteuerte Beleuchtungsregelungen. Das HF-Link-Budget liegt bei 103,5 dB.

Die neuen Bausteine können zusammen mit proprietären Kommunikations-Stacks und Protokollen nach IEEE 802.15.4 (letztlich auch ZigBee) verwendet werden. Atmel hat für seine neue ZigBee-Light-Link-Referenzimplementierung übrigens bereits den „Golden Units Status“ der ZigBee Alliance erhalten. Die neue Baureihe eignet sich auch für andere ZigBee-PRO-konforme
Wireless-Netzwerke, die auf den Standard-Derivaten ZigBee Home Automation (ZHA), ZigBee Building Automation (ZBA) oder ZigBee Smart Energy (ZSE) basieren. Um Wireless-Designs weiter zu vereinfachen und zu beschleunigen, steht ein Wireless Composer über Atmels Studio 6 Gallery bereit, dem neuen App-Store von Atmel, der mit zahlreichen Erweiterungen und Plug-ins ausgestattet ist. Der Wireless Composer bietet eine grafische Benutzeroberfläche für die HF-Leistungsmessung mit dem ATmegaRFR2-Evaluierungskit. ZigBee-PRO- und ZigBee-RF4CE-Referenzimplementierungen stehen kostenlos als Download bei Atmel zur Verfügung.

 

Cognitive Radio weiter voranbringen

Cognitive Radio ist bekanntlich ein - allerdings noch technisch unscharfer - Sammelbegriff für Super WiFi, Wi-Far, Wireless Regional Area Networks (WRAN), Funk nach Standard IEEE 802.11af, 802.22 und auch für die Nutzung ungenutzter Fernsehfrequenzen. Es geht dabei primär um die optimierte und den jeweiligen Belegungszuständen angepasste Auslastung eines verfügbaren Frequenzspektrums und letztlich in Geräten darum, den Mobil-Zugang zum Internet weltweit zu verbessern. Diesen Markt adressiert nun Texas Instruments (www.ti.com/de) mit Prozessoren auf Basis seiner DSP-Generation TMS320C66x (Bild 2). Auf der KeyStone-Architektur aufbauend bilden die SoC-ICs TMS320TCI6614 und TMS320TCI6612 eine Grundlage für derartige Cognitive-Radio-Applikationen. Die Bausteine enthalten eine Kombination aus HF-Treibern, Netzwerk- und Sicherheits-Coprozessoren, Fest- und Gleitkomma-DSPs und einem ARM-RISC-Prozessor. Azcom Technology arbeitet beispielsweise als Mitglied des TI Design Network außerdem am Design von Standard-Boards für LTE und IEEE 802.22. Diese werden auf den Wireless-Infrastructure-Bausteinen von TI basieren und sollen eine schnellere und einfachere Entwicklung von Cognitive-Radio-Applikationen erlauben.