Współcześnie zjawisko indukcji magnetycznej jest powszechnie wykorzystywane do komunikacji w polu bliskim (NFC) oraz do bezprzewodowego ładowania urządzeń. W porównaniu do komunikacji Bluetooth, która wykorzystuje pasmo 2,4 GHz, komunikacja w polu bliskim z użyciem indukcji elektromagnetycznej (NFMI) może zapewnić bardziej niezawodne i bezpieczne połączenie radiowe przy znacznie niższym zużyciu mocy. Pozwala też zrealizować komunikację w bezpośredniej bliskości ludzkiego ciała.

Niniejszy artykuł przedstawia różnice między technologią NFMI w stosunku do NFC i Bluetooth. Następnie są wymienione produkty i rozwiązania NXP NFMI pozwalające na komunikację bezprzewodową w bezpośredniej bliskości ciała (wireless body-area network, WBAN). W dalszej części został opisany projekt anteny NFMI i obliczenia związane z budżetem łącza w polu bliskim. Na końcu zostały też omówione przykłady zastosowań wykorzystujących układy NFMI firmy NXP pozwalające na bezprzewodowe strumieniowanie audio i danych.

Wprowadzenie do sieci bezprzewodowych w bezpośredniej bliskości ciała (WBAN)

Gwałtowny rozwój zminiaturyzowanych czujników stanu ciała ludzkiego, technologii łączności bezprzewodowej i centralnych bram dla całego obszaru ciała pozwolił na realizację komunikacji bezprzewodowej w bezpośredniej bliskości ciała i w dalszym etapie na transmisję tych danych przez Internet w czasie rzeczywistym. Pierwsze zastosowania WBAN będą związane z opieką zdrowotną, pozwalając na tanie i ciągłe monitorowanie stanu zdrowia pacjentów. Najważniejsze parametry dotyczące chorób, takich jak cukrzyca, choroby układy krążenia i układu oddechowego, będzie można gromadzić i wymieniać między pacjentem a szpitalem. Jest to kluczowe do realizacji koncepcji zwanej mobile health (mHealth) lub Telehealth.

Rys. 1. Ilustracja komunikacji Bluetooth (a) w porównaniu do komunikacji NFMI (b)

Porównanie NFMI, NFC oraz Bluetooth dla WBAN

Mówiąc o rozwiązaniu łączności bezprzewodowej dla systemów WBAN, myślimy zazwyczaj o Bluetooth. Gdy sygnał Bluetooth dociera do anteny, propaguje się w przestrzeni na taką odległość, aż całkowicie utraci swą energię. Takie zachowanie nazywamy transmisją w polu dalekim. To dobre rozwiązanie, jeśli rzeczywiście zachodzi potrzeba transmisji na dużą odległość. Jednak protokół Bluetooth może sprawiać problemy, jeżeli transmisja bezprzewodowa musi wykorzystywać bardzo niską moc i odbywać się na stosunkowo małe odległości wokół ciała. Po pierwsze, samo ludzkie ciało stanowi integralną część kanału komunikacji. Niepoprawne umieszczenie urządzeń Bluetooth zbyt blisko ciała ludzkiego może zmienić impedancję wejściową anteny, co oznacza spadek sprawności i zniekształcenie charakterystyki promieniowania. Innym problemem jest wnikanie sygnału Bluetooth do wnętrza ciała. Transmisji Bluetooth nie można wykorzystać do komunikacji z implantami medycznymi znajdującymi się głęboko wewnątrz ciała. Jest to niemożliwe, ponieważ absorpcja sygnału Bluetooth jest wysoka, powodując szybkie tłumienie  powodu wysokiej przewodności tkanek ludzkich. Po drugie, interferencja w paśmie Bluetooth może być bardzo silna z powodu wykorzystywania przez zarówno przez Bluetooth, Wi-Fi, jak i ZigBee pasma ISM 2,4 GHz. Po trzecie, słuchawki Bluetooth wytrzymują tylko kilka godzin bez ładowania. Obniżenie poboru mocy Bluetooth i wydłużenie czasu ciągłej pracy jest ważne, aby zapewnić nieprzerwane działanie czujników.

Jest jednak jeszcze jeden problem –  Bluetooth stwarza potencjalne problemy z zapewnieniem bezpieczeństwa. Sygnał Bluetooth propagowany w wolnej przestrzeni można przechwycić i rozszyfrować. Przykładowo, żołnierze wykorzystujący Bluetooth na polu walki mogliby się ujawnić jako łatwo widoczne cele. Z tego powodu NSA wydała ostrzeżenia, które mocno ograniczają wykorzystanie Bluetooth przez siły zbrojne USA.

NFMI jest technologią krótkiego zasięgu, która wykorzystuje komunikację za pośrednictwem pola magnetycznego ściśle sprzężonego z urządzeniami. Tym samym NFMI pozwala na komunikację przyjazną dla ludzkiego ciała, niezawodną i bezpieczną, a przy tym energooszczędną. W systemach komunikacji NFMI zmodulowany sygnał wysyłany przez uzwojenie nadajnika stanowi pewne pole magnetyczne. To pole indukuje napięcie w uzwojeniu odbiornika, które następnie jest mierzone przez odbiornik NFMI. Gęstość mocy sygnałów NFMI spada odwrotnie proporcjonalnie do szóstej potęgi odległości, natomiast w przypadku Bluetooth jest to druga potęga. Zatem dla pewnej odległości gęstość mocy sygnału NFMI będzie 10000 razy mniejsza, niż sygnału Bluetooth nadanego z tą samą mocą. Ten rodzaj transmisji bezprzewodowej określa się jako „w polu bliskim”. NFC działa na tej samej zasadzie i używa tego samego pasma HF. Jednak NFMI stanowi znaczne rozwinięcie NFC i zwiększa zasięg z kilkudziesięciu centymetrów do prawie 3 metrów. Na częstotliwości około 13 MHz NFMI zapewnia przepustowość transmisji ponad 400 kbps na kanał częstotliwości – dostępnych jest dziesięć kanałów o różnych częstotliwościach oraz do 10 podkanałów w każdym z nich dzięki multipleksacji czasowej. To daje w sumie 100 oddzielnych łączy bezprzewodowych dla pojedynczego smartfonu wykorzystującego pojedynczą bezprzewodową sieć o niewielkim zasięgu (PAN). Bluetooth natomiast pozwala na stosowanie tylko kilku kanałów. Porównanie podstawowych parametrów protokołów bezprzewodowych NFMI, NFC i Bluetooth znalazło się w tabeli 2.

Tabela 2. Porównanie różnych protokołów komunikacji bezprzewodowej

Tabela 3. Najważniejsze parametry układów NxH22xx dla częstotliwości próbkowania 48 kHz

Rys. 4. Układ NFMI z uzwojeniem anteny (a), Zestaw projektowy (SDK) NxH22xx (b), Zestaw projektowy (ADK) NxH22xx z układem Bluetooth firmy CSR

Oferta produktów NXP NFMI Nx22xx

Produkty NXP oznaczone symbolami NxH3380/81/61 są jednoukładowymi rozwiązaniami o bardzo niskim poborze mocy. Zostały zoptymalizowane pod kątem strumieniowania danych i audio wysokiej jakości za pośrednictwem NFMI. Dzięki temu zapewniają niezawodną i ściśle sprzężoną sieć komunikacji działającą w bezpośredniej bliskości ciała użytkownika.

Seria NxH22xx obejmuje trzy produkty wymienione w tabeli 3. NxH2280 stanowi pierwszy produkt przeznaczony do obsługi audio w słuchawkach. NxH2281 zapewnia podwyższoną jakość audio, która dorównuje obecnym zestawom słuchawkowym Bluetooth A2DP. Z kolei układy Nx2261 stanowią standardowe rozwiązanie w obudowach zgodnych z normami europejskimi (CE).

Najważniejsze cechy układów NxH2280/81/61:

• Kompatybilność z ludzkim ciałem: Sygnał NFMI może przeniknąć przez komórki, ulegając słabej absorpcji. Współczynnik absorpcji swoistej jest 100 razy mniejszy, niż w przypadku Bluetooth.
• Większe bezpieczeństwo w polu bliskim: W obrębie utworzonego pola magnetycznego mogą porozumiewać się dziesiątki urządzeń, natomiast poza tym polem sygnał jest silnie tłumiony.
• Kontroler programowany przez użytkownika: Produkty zawierają programowalny procesor Cortex M0 z wszechstronnymi interfejsami, dzięki czemu możliwa jest realizacja energooszczędnych systemów strumieniowania audio bez wykorzystania mikrokontrolera hosta.
• Wbudowany protokół sieciowy: Pozwala na bardzo elastyczną implementację sieci. Potrafi obsłużyć do 15 urządzeń i 2 strumieni nadawczych, 2 odbiorczych strumieni audio oraz wiele strumieni danych równolegle. Jest to zoptymalizowany protokół zapewniający niską latencję podczas komunikacji między słuchawkami dousznymi.
• Programowalny układ DSP CoolFlux: Układ DSP CoolFlux ma interfejs I²C pozwalający na komunikację z hostem lub kodekami. Obsługuje częstotliwości próbkowania od 16 do 48 kHz.
• Wysoki stopień integracji i bardzo niski pobór mocy: Układu NxH22xx mieszczą się w obudowach z wypustkami, a ich powierzchnia wynosi niecałe 11 cm2. Zawierają też wbudowane układy regulacji zasilania. Mogą pracować bez oscylatora kryształowego i potrzebują tylko kilku zewnętrznych kondensatorów odsprzęgających. Maksymalny pobór prądu wynosi 1,35 mA przy napięciu 1,2 V podczas obsługi jednego strumienia nadawczego lub odbiorczego. Wartość ta wynosi ułamek poboru prądu Bluetooth.

Aby uprościć projektowanie z użyciem układów NxH2280/81/61 i skrócić czas wprowadzenia produktu na rynek, firma NXP oferuje zestaw programistyczny (SDK) oraz zestaw do tworzenia aplikacji (ADK) w postaci płytek widocznych na rys. 4. SDK zawiera układ NxH22xx, mikrokontroler hosta LPC1115, kodek audio, złącza dla interfejsu SWD i urządzenia peryferyjne, takie jak wyświetlacz LCD i przełączniki. Zestaw SDK pozwala na demonstrację jednokierunkowego i dwukierunkowego strumieniowania audio w formacie stereo, jak też testowanie stopy błędów (BER) – to umożliwia ocenę zasięgu łącza w stosunku do nadawanej mocy. Natomiast płytka ADK zawiera układ NxH2281 wraz z CSR8670. Występuje w dwóch wariantach: jedna zawiera zarówno układ NxH2281, jak i CSR8670, natomiast druga zawiera tylko układ NxH2281. Kod CSR8670 został minimalnie zmieniony w stosunku do oprogramowania producenta. Płytki ADK są zasilane z baterii i bardzo pomocne podczas symulacji słuchawek czy zestawów słuchawkowych.

Wskazówki dotyczące projektowania anteny i layoutu

Wybór i umiejscowienie anteny mają kluczowe znaczenie dla uzyskanego zasięgu i parametrów łącza radiowego wykorzystującego NFMI. W odróżnieniu od popularnych anten monopolowych (układów ceramicznych / PIFA / odwróconego L) lub anten dipolowych (np. anten prostych), anteny NFMI są jedynie luźno sprzężonymi uzwojeniami w kształcie cewki. W tej części zostanie przedstawiony schemat zastępczy uzwojenia anteny NFMI, a następnie model łącza NFMI. W dalszej kolejności będą omówione takie zagadnienia, jak czułość uzwojenia anteny i jej wpływ na zasięg transmisji oraz odbioru. Na końcu znajdują się wskazówki dotyczące projektowania anteny i jej umiejscowienia.