Technik und Applikation neuester ICs und HF-Module für das 2,4-GHz-Band 2,4-GHz-Chips: Hightech in einem boomenden Markt

Das ISM-Band bei 2,4 GHz wird von vielen Funkstandards benutzt: von WLAN über Bluetooth bis hin zu ZigBee. Diese Datenübertragungs-Technologien werden heute in fast allen mobilen oder stationären Kommunikationsgeräten integriert – und das in heute schon enormen und weiter steigenden Stück-zahlen. Ein attraktiver Markt also, der in diesem Artikel von seiner technologisch-applikativen Seite beleuchtet wird.

Technik und Applikation neuester ICs und HF-Module für das 2,4-GHz-Band

Das ISM-Band bei 2,4 GHz wird von vielen Funkstandards benutzt: von WLAN über Bluetooth bis hin zu ZigBee. Diese Datenübertragungs-Technologien werden heute in fast allen mobilen oder stationären Kommunikationsgeräten integriert – und das in heute schon enormen und weiter steigenden Stück-zahlen. Ein attraktiver Markt also, der in diesem Artikel von seiner technologisch-applikativen Seite beleuchtet wird.

Die Stückzahlen sind enorm: Allein die Integration von Bluetooth in die unzähligen Handys, Laptops und PDAs verlangt derzeit pro Woche (!) weltweit nach über 2 Mio. Chips für diesen Kurzstrecken-Datenfunk-Standard. Hinzu kommen noch die Millionen-Stückzahlen für die unterschiedlichen WLAN-Implementationen in Computer, die ein Marktvolumen von mittlerweile jährlich 750 Mio. Dollar einnehmen. Ein attraktiver Markt kombiniert sich also im 2,4-GHz-Frequenzband mit einer anspruchsvollen Hochfrequenz-Technologie. Hier ein Blick auf neueste Entwicklungen bei ICs und Modulen.

WLAN mit mehr Power

Fairchild Semiconductor (www.fairchildsemi.com) hat unter der Bezeichnung RMPA2453 ein HF-Leistungsverstärkermodul (PAM) für WLAN-Applikationen im Frequenzbereich von 2,4 bis 2,5 GHz angekündigt (Bild 1). Es ist für Wireless-LAN-802.11b/g-Applikationen optimiert und bietet als besonderes Merkmal, so der Hersteller, eine EVM (Error Vector Magnitude) von nur 2,5 % bei einem Ausgangspegel von 18 dBm. Der geringe Leistungsverbrauch und die besonders gute Linearität des Leistungsverstärkers werden durch eine proprietäre InGaP-HBT-Technologie (Heterojunction Bipolar Transistor) erzielt. Der Verstärker verfügt über eine interne 50-Ω-Anpassung für Ein- und Ausgang und zusätzlich über einen Leistungsdetektor mit einem Dynamikbereich von 20 dB, über eine Leistungsbegrenzungs- und (optionell) eine Abschaltautomatik. Das neue Modul eignet sich besonders für eine Verwendung in WLAN-Routern, Access Points, Adapterkarten und USB-Dongles.

Single-Chip-Transceiver im ultrakompakten Gehäuse

Von Atmel (www.atmel.com) wurde unter der Bezeichnung ATR2406 ein Single-Chip-Transceiver konzipiert, der speziell für kostengünstige Anwendungen im 2,4-GHz-ISM-Band geeignet ist und in Kombination mit dem Standard-AVR-Mikrocontroller eingesetzt wird. Zu den Anwendungen gehören Consumerprodukte wie z.B. Spielzeug-Fernsteuerungen, Infotainment-Systeme, Set-Top-Boxen, Headsets und Spielkonsolen. Daneben bietet der neue Transceiver aber auch anderen industriellen Anwendungen wie etwa EPOS-Systemen (Electronic Point of Sales) oder Diagnose-Telemetriesystemen Vorteile. Gefertigt wird der Baustein in SiGe-BiCMOS-Technologie; er ist in einem ultrakompakten QFN32-Kunststoffgehäuse (5 x 5 mm2) untergebracht. Mit der Low-IF-Empfängerarchitektur lässt sich eine hohe Empfängerempfindlichkeit von –93 dBm realisieren, im Sendeteil erlaubt die Ausgangsleistung von bis zu 4 dBm das Überbrücken von Entfernungen bis zu 70 m. Der Transceiver unterstützt Datenraten von 72, 144, 288, 576 und 1152 kbit/s und ist mit einer Empfangsfeldstärke-Detektion (Receiver Signal Strength Indication, RSSI) sowie mit einer digitalen Taktrückgewinnung ausgestattet. Beim Betrieb in Kombination mit einem AVR-Mikrocontroller soll die durchschnittliche Stromaufnahme in typischen Anwendungen mit niedrigem Datenaufkommen im Burst-Modus unter 5 mA liegen. Muster sind ab sofort erhältlich, die hochvolumige Produktion beginnt in diesen Wochen. Ein komplettes Evaluation-Kit einschließlich Referenz-Designs und HF-Protokoll-Firmware zur Vereinfachung des Design-Ins sind ebenfalls verfügbar.

Die National Semiconductor Corp. (www.nsc.com) kann auf recht gute industrielle Resonanz für das neu entwickelte „Cordless Voice Module“ (CVM) hoffen, das auf einem einzigen Board einen Funk-Transceiver gemeinsam mit einem Basisband-Controller und einem kompletten Protokollstack integriert (Bild 3). Systemdesigner können damit auf recht einfache und kostengünstige Weise ein schnurloses Telefon in DECT- (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) oder in 2,4-GHz-Technik entwerfen oder diese Funktionalität in andere Produkte einbauen. Das CVM wird in zwei Versionen angeboten: Das SC14CVM2.4 enthält den Basisband-Controller SC14428, ein CMOS-Chip, der die gesamte Audio-, Signal- und Datenverarbeitung in einem Mobilteil oder einer Basisstation für digitale Schnurlos-Telefone im 2,4-GHz-ISM-Band optimiert erledigt. Der gesamte Protokollstapel ist ebenso wie das Applikations-Interface in den ROM-Code integriert. Für die HF-Funktionen des SC14CVM2.4 ist das speziell für das 2,4-GHz-Band optimierte Funk-Transceiver-IC LMX4268 zuständig. Das Modul bietet dadurch eine hervorragende Reichweite von 350 m im Freien und von 75 m in Gebäuden. Der LMX4268 ist ein kompletter DCT-Radio-Transceiver nach dem FCC-Standard.

Die zweite Version, SC14CVM1.9, ist für den DECT-Standard optimiert und enthält ebenfalls den Basisband-Controller SC14428. Als Funk-Transceiver-IC kommt dagegen der LMX4168 zum Einsatz, der in seinen Spezifikationen dem LMX4268 entspricht, allerdings speziell für das 1,9-GHz-Band ausgelegt ist und auf dem ETSI-TBR06-Standard basiert.

Mittlerweile bekannt ist ja, dass Atmel zukünftig Chips auf der Basis der proprietären „WirelessUSB“-Technologie von Cypress herstellen und vertreiben darf. Diese Chips werden derzeit zur drahtlosen Datenübertragung mit niedrigen Übertragungsraten eingesetzt, z.B. bei PC-Tastaturen, Mäusen oder Videospiel-Controllern (Bild 4), und sind darüber hinaus Bestandteil zahlreicher anderer Anwendungen, z.B. von Fernbedienungen, Spielzeugen oder Sensoren. Mit einem Einstiegspreis von 1,95 Dollar für einen Transceiver (CYWUSB6934 von Cypress und ATR2434 von Atmel) bei einer Menge von 100 000 Stück ist auch ein durchaus annehmbares Preis-Leistungs-Verhältnis geboten, das sich sogar noch weiter nach unten entwickeln soll (Bild 5). WirelessUSB-LS-Bauteile können über eine Entfernung bis zu 10 m, bei einer durchschnittlichen Latenzzeit von weniger als 4 ms und einer Übertragungsrate von 62,5 kbit/s miteinander kommunizieren. Das Funktionskonzept bedient sich einer speziellen Technik zur Erhöhung der Störsicherheit, bei der die bidirektionale Da-tenübertragung unter Einsatz eines DSSS-Verfahrens (Direct Sequence Spread Spectrum) in Verbindung mit vordefinierten Pseudo-Rausch-codecs und einer dynamischen Kanalumschaltung eingesetzt wird. Anfang dieses Jahres wurde übrigens von Cypress unter der Bezeichnung WirelessUSB LR auch eine Produktversion mit größerer Reichweite (50 m) für kommerzielle und industrielle Anwendungen eingeführt.

Im Bluetooth-Standard hat sich einiges getan: So wurde erst kürzlich eine „Enhanced Data Rate“-Spezifikation zur Evaluierung herausgegeben, die skalierbar eine effektive Nutzdatenrate bis zu 2,2 Mbit/s bringen soll. Zusätzlich sind eine verbesserte Bit Error Rate und niedrigerer Stromverbrauch realisiert worden. Die ersten Produkte erwartet man Mitte 2005 hauptsächlich im Bereich der Multimedia-Übertragung zwischen Geräten.

Für die Haupt-Standard-Version 1.2 kommen natürlich derzeit auch viele Single-chip-Varianten auf den Markt; so z.B. von STMicroelectronics (www.st.com), die den Single-chip-Bluetooth-Transceiver STLC2500 entwickelten (Bild 6). Der Baustein enthält einen effizient arbeitenden Leistungsverstärker, ein auf einer Ericsson-Q-E!-Plattform aufbauendes Basisband-Teil, einen ARM7-Mikroprozessorkern sowie verschiedene RAM- und ROM-Bereiche.

Gefertigt ist der Baustein in einer HCMOS-Technologie mit 0,13 µm Strukturgeometrie, die aufgrund äußerst niedriger Leckströme gerade für Strom sparende Designs optimiert ist. Verschiedene und in Bluetooth nützliche „Power-down“-Betriebsarten ergänzen diese energieeffizienten Charakteristika. So verbraucht nach Firmenangaben der Baustein bei Audio-Kommunikation rund 10,9 mA, beim symmetrischen Datentransfer 21,8 mA und nur 6 µA im Shutdown-Modus. Die Schnittstellen nach außen bilden ein UART- und ein PCM-Interface.

Es ist also auch aus letztgenanntem Produkt erkennbar: Durch Nutzung der neuesten CMOS-Integrationsprozesse mit guten HF- und Leckstromeigenschaften lassen sich im 2,4-GHz-Band Bausteine realisieren, die es erlauben, immer noch bessere Leistungsdaten als die Vorgänger in die Datenblätter zu schreiben. Der Markt benötigt diese Fortschritte auch, denn nur damit können sich die Halbleiterhersteller in einem konkurrenzträchtigen Umfeld von den Mitbewerbern jeweils distanzieren.