Ultrabreitband-Nahfunk 50x mal schneller: Turbo-Chip soll UWB revolutionieren

Datenraten von bis zu 1,66 GBit/s bei 10 mW Leistungsaufnahme: Das Imec hat einen Ultra-Breitband-Senderchip entwickelt, der rund 50-mal höhere Datenraten erreicht als im UWB-Standard IEEE 802.15.4z definiert. Das soll UWB neue Anwendungsmöglichkeiten öffnen – von Smart Glasses für AR/VR-Erlebnisse bis hin zu drahtlosen Telemetriemodulen für die intrakortikale Sensorik.

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Auf der diese Woche stattfindenden International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) hat Imec, Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, einen neuen Impulsradio-Ultrabreitband (IR-UWB)-Senderchip vorgestellt, der die Zukunft der UWB-Technologie neu definieren könnte.

Der in 28-nm-CMOS gefertigte und nur 0,155 mm² große IR-UWB-Chip nimmt laut Imec im Betrieb weniger als 10 mW auf und soll „nachweislich Datenübertragungsraten von 1,66 GBit/s“ für In-Body- und Short-Range-Anwendungen erreicht haben. Das wäre das 50-fache der vom aktuellen UWB-Standard IEEE 802.15.4z unterstützten Geschwindigkeit. Angesichts dieser Leistung sind die Forscher überzeugt, dass UWB zu mehr taugt als die bisherigen typischen Anwendungsfälle der „genauen und zuverlässigen Entfernungsmessung“.

Einsatzbereich von UWB erweitern

Derzeit kommt die UWB-Kommunikationstechnik häufig zur Unterstützung von Anwendungen wie dem sicheren schlüssellosen Zugriff in der Automobilindustrie und im Gastgewerbe, der Lokalisierung in Innenräumen und der Verfolgung von Vermögenswerten zum Einsatz. Experten betonen jedoch schon seit einiger Zeit, dass das Potenzial von UWB weitaus größer ist.

Mit seinem Team will Christian Bachmann, Programmdirektor für UWB am Imec, die Grenzen der Funktechnik erweitern: „Wir haben untersucht, ob die Technik tatsächlich in der Lage ist, Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch und höherer Bitrate zu unterstützen.“ Das hätte zur Entwicklung des neuen Ultrabreitband-Senderchips geführt.

Komplexe Modulationsverfahren ermöglichen hohe Datenraten

Die Energieeffizienz des Chips hat Imec mit 5,8 picoJoule/bit ermittelt. Gegenüber Wi-Fi sei das eine Verbesserung „um mindestens eine Größenordnung“. Um diese höheren Datenübertragungsraten zu erreichen, nutzt der Chip komplexere und kombinierte Modulationsschemata, die auf dem Know-how von Imec bei der Entwicklung volldigitaler Phasenregelkreise (ADPLLs) und digital gesteuerter Leistungsverstärker aufbauen. Um diese hybriden Impulsmodulationsverfahren bei möglichst geringem Platzbedarf aufbauen zu können, entwickelten die Forscher einen sehr energieeffizienten und Jitter-armen Ringoszillator in Kombination mit einem stromsparenden Polarsender.

Die nun vorgestellten Ergebnisse beweisen laut Imec, dass UWB tatsächlich in der Lage ist, eine breite Palette neuer Anwendungen zu unterstützen, die hohe Datenübertragungsraten bei kurzen Entfernungen mit einem sehr geringen Energieverbrauch und einem kleinen Formfaktor kombinieren.

Von beeindruckenden AR/VR-Erlebnissen bis zur neurowissenschaftlichen Forschung

„Ein passender Anwendungsfall ist die nächste Generation von Smart Glasses, die beeindruckende AR/VR-Erlebnisse ermöglichen“, sagt Bachmann. Auch die neurowissenschaftliche Forschung könne von diesen neuen Erkenntnissen profitieren, indem sie drahtlose Telemetriemodule mit hoher Bitrate und Miniaturisierung für intrakortikale Messzwecke nutzt. „In jedem dieser Fälle könnte UWB zu einem starken Konkurrenten der Wi-Fi-Technologie werden, da letztere in der Regel einen viel größeren Platzbedarf und mehr Komplexität aufweist“, sagt der Imec-Forscher.

Nun sind weitere Forschungs- und Standardisierungsanstrengungen erforderlich, um diese Technologie zur Reife zu bringen „und damit die Welt von ihren Vorteilen profitieren kann“. Zu diesem Zweck sucht das Imec Partner, die sich seinem UWB-F&E-Programm und seinem Partnernetzwerk anschließen möchten.

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