UWB für drahtlose BANs mit geringer Leistungsaufnahme

UWB für drahtlose BANs mit geringer Leistungsaufnahme

Ultra-Breitband bezieht sich auf eine Funk-Modulationstechnik, die auf der Aussendung sehr schmaler Impulse beruht, die oft nur einige ns dauern und damit eine hohe Bandbreite aufweisen. Im Jahre 2001 gab die FCC (Federal Communications Commission) die UWB-Technologie unter drei Bedingungen für Kommunikationszwecke frei: Frequenzbereich 3,1 bis 10,6 GHz, minimale Bandbreite von 500 MHz und eine spektrale Leistungsdichte von weniger als –41,25 dBm pro MHz. Vom Leistungsbedarf her gesehen arbeiten UWB-Systeme im Nahbereich generell effizienter als schmalbandige Lösungen. Dem Sensor-Knoten des WBAN reichen z.B. sehr niedrige Datenraten, so dass die Funkverbindung im Burst-Modus mit minimalem Tastverhältnis arbeiten kann. Beim pulsbasierten UWB ist der Sender nur während der Pulsaussendung in Betrieb und erzeugt ein zweites Tastverhältnis innerhalb des Bursts, was den Grundleistungsbedarf weiter reduziert. Dazu kommt noch, dass die Leistungsbilanzen von Sensor-Knoten und den Master-Bauteilen unterschiedlich ausfallen: Während das Leistungsbudget in den Sensor-Knoten sehr knapp bemessen ist, gestattet der Master in dieser Hinsicht etwas mehr Freiräume. Dieser Unsymmetrie lässt sich Rechnung tragen, indem soviel Komplexität wie möglich zum Master hin verlagert wird. So liegt die größte Komplexität der UWB-Kommunikation im Empfänger: Das erlaubt die Realisierung eines sehr einfachen Senders mit extrem niedriger Leistung im Uplink-Zweig, d.h. vom Sensor zum Master. Schließlich bietet der unkomplizierte Hardware-Aufbau des UWB-Senders das Potential für kostengünstige und hochintegrierte Lösungen.

Ein UWB-Pulser für 3 bis 5 GHz in CMOS

Als zentrale Komponente eines UWB-Senders ist bei IMEC ein UWB-Pulser entwickelt worden, bei dem zwei Aspekte besonders beachtet wurden:

• Design und Implementierung des Pulsgenerators, der in Bezug auf den Leistungsbedarf die kritische Komponente darstellt.
• Kalibrierung der Mittenfrequenz und Bandbreite des Pulses, um die FCC-Vorgaben einzuhalten.

Herkömmliche UWB-Pulsgeneratoren benötigen sehr spezielle Komponenten, wie Step-Recovery-Dioden, Induktivitäten oder Spezialantennen. Diese Teile sind aber sehr schwer zu integrieren. Außerdem sorgt die dafür notwendige, komplexe Gehäusetechnik für einen Anstieg des Leistungsbedarfs und der Gesamtkosten des Pulsers. Als interessante Alternative lassen sich die kurzen HF-UWB-Impulse durch Schalten eines Oszillators erzeugen. Dabei bestimmen Mittenfrequenz des Oszillators und Dauer des Schaltimpulses die Mittenfrequenz des HF-Signals und dessen Bandbreite. Für „sanfte“ Pulsformen und verringerten Anteil der Nebenspektren wird die Ausgangsamplitude durch ein dreieckförmiges Signal moduliert. Dazu werden ein Dreiecksgenerator und ein Ringoszillator gleichzeitig aktiviert, wobei sich die Dauer des Dreieckimpulses nach der gewünschten Bandbreite richtet.

Die Aufwärtsmischung des Signals zu einer gewünschten Mittenfrequenz ist notwendig, um das Spektrum in die vom FCC vorgegebenen Grenzen von 3,1 bis 10,6 GHz umzusetzen. Zur Kalibrierung von Mittenfrequenz fc und Bandbreite BW sind zwei Kalibrierungsschaltungen vorgesehen: Die Mittenfrequenz wird durch eine PLL-Schaltung (Phase Locked Loop) eingestellt, die für jeden Burst nur einmal wirken muss, während die Kalibrierung der Bandbreite durch die Flankensteilheit und damit die Dauer des Pulses erfolgt.

1. UWB für drahtlose BANs mit geringer Leistungsaufnahme
2. Gesamtleistungsbedarf von UWB- und Schmalband-Lösungen
3. UWB für drahtlose BANs mit geringer Leistungsaufnahme