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System-on-Chip

Erfolgreich Wearables entwickeln

16. Februar 2015, 10:24 Uhr | Mendy Ouzillou

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Schwieriges Antennendesign bei Wearables

Die Entwicklung von Wearables schließt auch die Sende- und Empfangseigenschaften der Antenne mit ein. Aufgrund von Größen- und Kostenbeschränkungen bieten die meisten WWD-Antennen schlechte Übertragungseigenschaften, da sie einfach auf das Leiterplattenmaterial (z.B. FR4) gedruckt werden. Eine verlustbehaftete beziehungsweise wenig Gewinn liefernde Antenne lässt sich durch eine höhere HF-Ausgangsleistung kompensieren, um so die gewünschte Sendeleistung zu erhalten. Leider wird dieser Sender viel mehr Strom verbrauchen als bei einer optimierten Antenne. Besser konstruierte, verlustarme Anpassungsschaltkreise sorgen für einen optimalen Betrieb.

Das Antennendesign ist und bleibt eine Herausforderung, vor allem wenn man die verschiedenen HF-Betriebsumgebungen von Wearables mit in Betracht zieht. Anpassungsschwankungen durch die Nähe zum menschlichen Körper führen zu Problemen, beispielsweise wenn eine Hand das Gerät bedeckt. Einige WMCUs, wie der Sendebaustein »Si4010« von Silicon Labs (Remote-Control-on-a-Chip) enthalten Antennenabstimmungsschaltkreise, welche die Antenne bei Vorkommnissen dieser Art aktiv kompensieren. Solche Schaltkreise spielen nicht nur bei der Kontrolle des Stromverbrauchs eine wichtige Rolle, sondern stellen auch sicher, dass die Störstrahlung innerhalb vorgeschriebener Höchstgrenzen bleibt.

Um einen schlechten Antennenempfang zu kompensieren, kann man das System mit Antennendiversität entwickeln, also mit mehreren Antennen. Zwar würden viele Anwendungen davon profitieren, allerdings sind einige Faktoren zu berücksichtigen. Antennendiversität ist dann sinnvoll, wenn der Abstand zwischen Sender und Empfänger so groß ist, dass der empfangene Signalpegel sich im Bereich des Hintergrundstörpegels befindet (d.h. nahe am Ende der Reichweite). Auch in signalabschwächenden Umgebungen mit Mehrwegeausbreitung oder Hindernissen im Signalpfad ist Antennendiversität zu empfehlen.

Um den Stromverbrauch und die Chipkosten zu verringern, enthalten WMCUs nur einen Empfangspfad. Daher muss die Antennendiversität über einen externen Switch erfolgen, der abwechselnd zwischen zwei Antennen hin- und herschaltet. Ein Empfangspfad für zwei Antennen kann jedoch wieder mehr Strom verbrauchen als erwartet. Dann muss die Übertragungspräambel verlängert werden, damit das System genug Zeit hat, beide Antennen auszuwerten. Auch die zusätzlichen Kosten für mehr Rechenleistung und Stromverbrauch sowie die Wahl der besten Antennen sind zu berücksichtigen.

Und schließlich ist auch das Platzproblem zu lösen. Der empfohlene Abstand zwischen Antennen in Funksystemen ist ein Vielfaches oder ein Bruchteil der Wellenlänge λ. Der minimale Abstand beträgt λ/4. Bei 2,4 GHz ist die Wellenlänge 125 mm, sodass der Mindestabstand mit λ/4 (31,25 mm) in einigen WWDs möglich ist. In Geräten, die im Sub-GHz-Bereich arbeiten, wird dies zu einer Herausforderung. Bei 868 MHz sollten die Antennen mindestens 86 mm auseinander liegen, was den Einsatz von Antennendiversität in vielen WWDs ausschließt.

Entwickler müssen daher zwischen höherer Reichweite, Empfang, Komplexität und Größe, Rechenleistung und Stromverbrauch abwägen. Spielt der Antennenabstand kei-ne Rolle, lassen sich die höheren Kosten für die Rechenleistung und der Stromverbrauch adressieren. In einer veränderlichen oder nicht synchronisierten Umgebung ist das regelmäßige Umschalten zwischen Antennen erforderlich, da das Funksystem keine Kenntnis hat, welche Antenne sich als die bessere erweist, sobald ein Datenpaket ankommt.

Die Transceiver der Familie »EZRadioPRO« von Silicon Labs sind mit einem Detektor ausgestattet, der die Qualität der Präambel erkennt und somit die Signalqualität auf Basis von RSSI-Werten bestimmt. Dabei wird der Empfang eines gültigen Datenpakets auf beiden Antennen bestätigt. Der integrierte Detektor wählt also die beste Antenne, entlastet somit die MCU und sorgt so für einen niedrigeren Gesamtstromverbrauch.

Die Autorin: Mendy Ouzillou, Marketing Director für IoT MCU and Wireless Products bei Silicon Labs.