Wi-Fi-HaLow-Transmitter für IoT Wie Morse Micro den Stromverbrauch seines SoC auf ein Viertel drückt

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Morse Micro Pty. Ltd.

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Schneider Electric GmbH

Beim MM8108 handelt es sich um einen CMOS-SoC, der per Wi-Fi HaLow funkt und (deswegen) vierfach so effizient ist wie herkömmliche Wi-Fi-Transmitter. Hier beschreiben wir die Techniken, wie die Australier das geschafft haben.

Moderne drahtlose Kommunikationssysteme müssen gleichzeitig hohe Datenraten, große Reichweiten und lange Batterielaufzeiten ermöglichen – eine Anforderungskombination, die besonders im Design energieeffizienter Transmitter eine Herausforderung darstellt. Das ist insbesondere bei OFDM-basierten Standards der Fall, zu denen auch Wi-Fi HaLow (IEEE 802.11ah) zählt. Der Grund hierfür liegt im hohen Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsleistung (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR), das bei OFDM-Signalen typisch ist.

Diese Eigenschaft wurde in zahlreichen Studien dokumentiert, etwa in der IEEE-Publikation "On the High Peak-to-Average Power Ratio of OFDM Signals" (Han & Lee, 2005). Traditionelle lineare Leistungsverstärker arbeiten hier häufig ineffizient, da sie im Normalbetrieb weit unterhalb ihrer Spitzenleistung betrieben werden müssen, um lineare Signalübertragung sicherzustellen.

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Das australische Unternehmen Morse Micro entgegnet dieser Herausforderung mit dem MM8108, einem hochintegrierten CMOS System-on-Chip (SoC).

Die herstellereigenen Messergebnisse des MM8108 zeigen erhebliche Effizienzgewinne gegenüber vergleichbaren Lösungen. Während marktübliche CMOS-basierte Wi-Fi-Transmitter meist Effizienzen zwischen 7 und 12 Prozent erreichen, kommt der MM8108 laut Hersteller auf 37 Prozent. Dies entspricht einer Effizienzsteigerung um etwa das Vierfache gegenüber gängigen Lösungen.

Systemweit betrachtet bedeutet das konkret – basierend auf System-Level-Messungen unter praxisnahen Laborbedingungen mit realitätsnaher Schaltungsintegration:

• Verlängerte Batterielebensdauer: Dank viermal so hoher Effizienz sinkt der Energieverbrauch erheblich, was insbesondere IoT- und batteriebetriebenen Geräten zugutekommt. 

• Reduzierte thermische Belastung: Weniger Energieverlust führt zu geringerer Wärmeentwicklung und damit vereinfachtem Wärmemanagement.

• Verbesserte Netzabdeckung und Datenraten: Durch die effiziente Signalverstärkung können Geräte höhere Reichweiten oder bessere Durchsatzraten erzielen.

Die System-Level-Messungen erfolgten unter realistischen Bedingungen, inklusive aller notwendigen unterstützenden Schaltungen und einer einzigen Betriebsspannungsquelle. Damit bietet der MM8108 eine praxisnahe und sofort einsatzfähige Lösung, die vollständig den regulatorischen Anforderungen entspricht.

Architekturoptimierungen im MM8108

Der Chip kombiniert folgende Technologien, um den Effizienzverlust unter realistischen Betriebsbedingungen zu reduzieren:

• Digitaler Leistungsverstärker (DPA): Anstelle der herkömmlichen analogen Verstärker nutzt der DPA schnelle digitale Schaltkreise. Das minimiert Verluste und ermöglicht eine effizientere Signalverstärkung.

• Multi-Way-Doherty-Konfiguration: Der Verstärker wird in mehrere Sub-Arrays unterteilt, von denen jedes für unterschiedliche Leistungsniveaus optimiert ist. Das sorgt für hohe Effizienz auch bei starken Leistungsrücknahmen.

• Polarmodulation: Durch die Zerlegung der Signale in Amplituden- und Phasenkomponenten lässt sich eine effizientere Verarbeitung und damit bessere Linearität und Gesamteffizienz erreichen.

• Spannungsanpassung (Supply Voltage Scaling): Durch dynamische Anpassung der Versorgungsspannung werden Effizienzverluste minimiert, die sonst beim Zurücknehmen der Ausgangsleistung auftreten würden.

• Digitale Vorverzerrung (DPD): Diese Technik korrigiert Verzerrungen, die durch nichtlineare Effekte entstehen. Damit erfüllt der Transmitter strenge Spektral- und Linearitätsanforderungen zuverlässig.Zudem ist der Transmitter flexibel genug, um auch zukünftigen Anforderungen wie höheren Modulationsschemata (z. B. 1024QAM), größeren Kanalbandbreiten und höheren Frequenzbändern – etwa im Bereich von 2,4 GHz bis hin zu 6 GHz – gerecht zu werden.

 (mc)

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