HF-Bausteine Neue Transceiver für den Nahbereichsfunk

Eine Menge an Neuheiten zeigt der Bereich der HF-ICs.
Eine Menge an Neuheiten zeigt der Bereich der HF-ICs.

Während neue Komponenten für „Short Range Wireless Networks“ längere Zeit eher moderate technische Fortschritte gebracht haben, sind in jüngerer Zeit einige außerordentlich interessante strategische Entwicklungslinien deutlich geworden, die in diesem Beitrag an Hand von konkreten Produktbeispielen vorgestellt werden.

Der Nahbereichsfunk ist deswegen aus technischer Sicht so interessant, weil er zum Einen mit hohen technischen Anforderungen in Bezug auf die Reichweite, auf die Energieeffizienz der Netzwerkknoten, auf die effiziente der meist nur geringen zur Verfügung stehenden Bandbreite und auf die Skalierbarkeit der Netzwerke verbunden ist, zum Anderen aber auch sehr hohe Anforderungen an Kosten stellt. Dies führt naturgemäß zu einer Differenzierung des Produktangebots, weil die „eierlegende Wollmilchsau“, also das Produkt, das alle technischen Anforderungen gleichermaßen erfüllt, nicht kostengünstig zu realisieren ist. Spezialisierungen der Produkte sind aus technischer Sicht insbesondere in Richtung der Energieeffizienz (Ultra-Low Energy), aber auch in Richtung der Empfängerempfindlichkeit zu sehen, aus kommerzieller Sicht sicherlich auch noch in Richtung von kostenoptimierten Bauelementen.

 Konfigurierbare Strukturen haben große Zukunft

Neben diese spezialisierten Produkte tritt aber zunehmend die Kategorie der konfigurierbaren Bauelemente. Hier kommen zum Einen die immer weiter fortschreitenden Möglichkeiten der Halbleiterfertigung zum Tragen, die dazu führen, dass auch konfigurierbare Lösungen bis hin zum so genannten Software Defined Radio (SDR) nun zur Realität werden. Diese Produkte bringen natürlich für die Halbleiterlieferanten den Vorteil, dass Entwicklungskosten deutlich reduziert werden können, wenn Teilaspekte durch angepasste Software, aber nicht mehr durch ein neues IC realisiert werden können. Den Anwendern erlauben diese Produkte eine ungeahnte Flexibilität. Die Nutzung dieser Möglichkeiten ist aber natürlich auch mit einer deutlich gestiegenen Komplexität verbunden.

Entwicklungsrichtung Energieeffizienz

Die Energieeffizienz von Funktransceivern ist deswegen von so zentraler Bedeutung, um aus Systemen nicht nur das Kommunikationskabel, sondern auch das Kabel für die Energieversorgung zu kappen, um auf diese Weise „wireless“, also nicht nur mit „less wires“, sondern mit „no wires“ zu realisieren, um also batteriebetriebene oder energieautarke Systeme unter Nutzung von Energy Harvesting zu ermöglichen. Für die Energieeffizienz von Funktransceivern sind folgende Parameter relevant:

   Auch wenn die Energieeffizienz im Sendebetrieb häufig als zweitrangig betrachtet wird, weil sich die Funkknoten in Nahbereichsfunknetze meistens im Empfangsmodus befinden, so trägt der Sendebetrieb natürlich auch zum Energiebudget bei. Deswegen ist es erwähnenswert, dass auch in diesem Bereich deutliche Fortschritte erzielt werden konnten, die vor allem auf die Nutzung moderner Siliziumtechnologien mit kleinen Strukturgrößen zurückzuführen sind.

Aber richtig bleibt natürlich weiterhin, dass die Empfangsrichtung das Energiebudget in typischen Anwendungen dominiert. In diesem Bereich sind vor allem folgende Aspekte von Relevanz:

   Die Leistungsaufnahme im aktiven Empfangsmodus an sich sollte möglichst gering sein. Hierbei sind die Entwicklungen mit der Verringerung der Leistungsaufnahme im Sendebetrieb eng verwandt. Die größte Energieersparnis für den Empfangsbetrieb ergibt sich durch die Nutzung von Schlafmodi. Hierbei sind vor allem drei Techniken zur Verringerung der mittleren Energieaufnahme möglich, die auch alle drei genutzt werden:

Dies ist zum Einen die Verringerung der Leistungsaufnahme im Schlafmodus an sich. So ist eine Stromaufnahme von weniger als 1 µA im Schlafmodus mittlerweile Standard. Die Stromaufnahme der Si446x Familie von Silicon Labs beträgt nur noch 30 nA im Shutdown Modus und 50 nA im Standby Modus. Da viele Transceiver periodisch aufgeweckt werden, ist häufig auch die Stromaufnahme wichtig, wenn der Sleep Timer aktiv ist. Hier sind auch noch einmal größere Unterschiede zu verzeichnen. Der CC1200 von Texas Instruments verbraucht in diesem Fall beispielsweise nur 0,5 uA. Für die Berechnung der gesamten Lebensdauer ist zusätzlich die Temperaturabhängigkeit dieser Größen zu berücksichtigen, die jedoch in den meisten Standarddatenblättern nicht angegeben ist.

Wenn man die Transceiver auch komplett abschalten kann, ist diese Stromaufnahme weniger wichtig. Viel wichtiger sind dann die Aufwachzeiten aus einem ausgeschalteten Zustand, bzw. die Umschaltzeiten von einem Schlaf- in den aktiven Empfangsmodus. Diese Zeiten sind vor allem von der Einschwingzeit der PLL abhängig. Hier benötigt zum Beispiel der Si4464 von Silicon Labs nur noch 440 µs vom Standby oder vom Sleep Modus bis zum Beginn des Sendens oder der Empfangsbereitschaft. Für die neuen Transceiver SX1236 und SX1276 von Semtech werden geben sogar 100 µs angegeben.

Zum Dritten kann die Möglichkeit zum so genannten Schnüffeln („Sniffen“) verfügbar sein. Unter dem Schnüffeln versteht man, dass der Kanal nur für kurze Zeit oder nur auf bestimmte Merkmale (Bitmuster / Wakeup Pattern) überwacht wird. Auf diese Weise lässt sich der Traum vom Aufwecken einzelner Empfänger über den Funkkanal (Wake on Radio) zumindest ansatzweise ermöglichen. Der wesentliche Punkt ist hierbei, dass die Überwachung des Kanals auf ein Bitmuster in einer Synchronisationspräambel mit einer deutlich geringeren Leistungsaufnahme verbunden ist als der volle Empfangsmodus. So genehmigt sich ein CC1200 von Texas Instruments im Zustand „RX Wait for Sync“ nur 2,1 mA bei einer eingestellten Datenrate von 50 kbps und einer Präambel mit einer erwarteten Länge von 24 Bytes, was etwa einem Achtel der Stromaufnahme im normalen Empfangsmodus entspricht. Wichtig hierbei ist, dass das Sniffen auch nur periodisch durchgeführt werden kann, um die Anschaltzeit zu reduzieren.

   Während eine solche Low-Power-Kanalüberwachung für niederfrequente RF-Transceiver schon seit längerem verfügbar ist, wird dieses Feature erst seit dem vergangenen Jahr auch in höheren Frequenzbereichen angeboten. Mit den niederfrequenten Systemen im kHz-Bereich ist üblicherweise auf Grund der Limitierung der Antennengröße aber nur eine Reichweite von wenigen Metern erreichbar, was für viele Anwendungen eine empfindliche Einschränkung bedeutet.

   Über die Codierung mit Bitpatterns können weitere Features ermöglicht werden. So erlauben beispielsweise die Transceiver der CC112x- und CC12xx-Familien die so genannte SmartPreamble, die einen Zeitstempel beinhaltet. Dies ermöglicht es dem Empfänger, bis zur nächsten Datenübertragung erst einmal wieder zu schlafen und damit die Wachzeiten noch weiter zu reduzieren (Bild 1).