Evolution bei Funkstandards Imec vervierfacht UWB-Reichweite

Das belgische Forschungszentrum Imec hat einen Schmalband-Empfängerchip entwickelt, der die Reichweite von Ultrabreitband-Signalen vervierfacht. Die Technologie erfüllt den kommenden IEEE-Standard und stabilisiert die drahtlose Kommunikation in dichten Netzwerken deutlich.

Auf dem diesjährigen Symposium für integrierte Hochfrequenzschaltungen (IMS/RFIC) stellt das Forschungs- und Innovationszentrum Imec einen neuen Schmalband-Empfängerchip vor. Dieser Baustein setzt als erste Entwicklung weltweit den sogenannten NBA-Mechanismus (Narrowband Assistance) um, der im kommenden Ultrabreitband-Standard IEEE 802.15.4ab definiert ist. Die Impulsfunk-Ultrabreitband-Technologie (IR-UWB) kommt bereits in Smartphones, Automobilplattformen sowie IoT-Geräten zum Einsatz. Bislang schränken jedoch begrenzte Reichweiten und eine hohe Anfälligkeit für Störsignale in dichten Funknetzen die Nutzung ein.

Der neue IEEE-Standard soll diese Hürden noch im laufenden Jahr abbauen. Ein zentrales Konzept bildet dabei die Narrowband Assistance. Dieser Ansatz kombiniert eine Schmalbandsignalisierung im Frequenzbereich von fünf bis sechs Gigahertz für die Geräteerkennung und Synchronisation mit der präzisen Entfernungsmessung der Ultrabreitband-Technologie. Systeme arbeiten auf diese Weise effizienter, skalieren besser für mehrere Nutzer und halten Kommunikationsverbindungen auch bei niedrigen Signalpegeln über größere Distanzen aufrecht.

Architektur filtert Störsignale frühzeitig

Der NBA-Mechanismus verlangt eine sehr niedrige Rauschzahl, um schwache Signale zuverlässig zu erkennen. Gleichzeitig muss das System einen robusten Betrieb garantieren, wenn starke Störquellen in überlappenden Frequenzbändern funken. Imec fertigt das Design des neuen Chips in einem 22-Nanometer-CMOS-Prozess. Die Architektur verwendet einen Transimpedanzverstärker zweiter Ordnung, der über eine präzise gesteuerte Filterung verfügt. Diese Technik unterdrückt externe Störsignale, wie etwa Emissionen von nahegelegenen WLAN-Netzwerken, bereits sehr früh in der Signalkette. Das eigentlich gewünschte Signal bleibt dabei vollständig erhalten.

Ein integrierter Clip-Detektor mit hohem Dynamikbereich überwacht zudem kontinuierlich die aktuellen Betriebsbedingungen des Empfängers. Treten starke Störungen auf, wechselt das System dynamisch in einen robusteren Modus. In diesem Zustand greifen zusätzliche Filter und eine angepasste Verstärkungsregelung, um Verzerrungen des Signals zu unterbinden. Arbeiten die Geräte hingegen in einer störungsarmen Umgebung, verbleibt der Empfänger in einem Energiesparmodus.

Erweiterung der Transceiver-Leistung

Anoop Bhat, Forschungsleiter bei Imec, ordnet die Leistungsfähigkeit der Neuentwicklung ein: „Diese Innovationen sorgen für einen Quantensprung bei der Empfängerleistung. Unser energiesparendes Design – mit einem Verbrauch von weniger als 6 mW – erzielt eine Verbesserung des Dynamikbereichs um 9 dB gegenüber modernsten Implementierungen, behält eine niedrige Rauschzahl von 3,2 dB bei und toleriert WLAN-Störsignale bis zu –32 dBm.“ Der Empfänger behalte seine Empfindlichkeit gegenüber schwachen Signalen auch bei starken Störungen bei und unterstütze so eine Vervierfachung der Entfernungsmessreichweite.

Darüber hinaus hat das Forschungsinstitut auf Basis des Chips die erste vollständige Transceiver-Architektur demonstriert, die den Richtlinien des Standards IEEE 802.15.4ab entspricht. Die Kombination der Neuerungen an Empfänger und Sender verbessert die Leistung bei der Entfernungsmessung um das bis zu 32-Fache. Solche Systeme bilden die Grundlage für neue Anwendungen, die eine präzise Positionsbestimmung ohne zeitliche Verzögerungen erfordern. Mögliche Einsatzgebiete umfassen die Koordination von Robotern oder die Umgebungsinteraktion von Augmented-Reality-Brillen.

Ausblick auf kommende Bluetooth-Generationen

Die Entwickler prüfen nun, inwieweit sich die Architektur auf andere Systeme übertragen lässt. Mitra Gilasgar, Portfoliomanagerin für drahtlose Systeme mit geringem Stromverbrauch bei Imec, gibt einen Ausblick: „Als nächsten Schritt untersuchen wir, wie diese NBA-Architektur auf andere drahtlose Systeme mit geringem Stromverbrauch ausgeweitet werden kann, einschließlich zukünftiger Weiterentwicklungen von Bluetooth – wie beispielsweise Bluetooth Higher Bands.“ Um den Technologietransfer voranzutreiben und die Lösungen zügig in kommerzielle Plattformen zu integrieren, arbeitet das Unternehmen eng mit Partnern aus der Industrie zusammen. (mc)

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