Imec osiąga czterokrotne zwiększenie zasięgu UWB dzięki wąskopasmowemu układowi odbiorczemu zgodnemu ze standardem IEEE 802.15.4ab

Podczas odbywającego się w zeszłym tygodniu sympozjum IEEE MTT-S RF Integrated Circuits (IMS/RFIC) firma imec zaprezentowała pierwszy układ odbiornika wąskopasmowego, który jest zgodny z mechanizmem NBA (Narrowband Assistance), zdefiniowanym w przyszłym standardzie IEEE 802.15.4ab UWB (Ultra-Wideband). Implementacja pozwala na czterokrotne zwiększenie zasięgu pomiaru odległości i stanowi kluczowy krok w kierunku niezawodnych, skalowalnych i energooszczędnych wdrożeń technologii UWB w gęstych środowiskach bezprzewodowych, charakteryzujących się dużą ilością zakłóceń.

Źródło: imec

Technologia radiowa impulsowa ultraszerokopasmowa (IR UWB) zyskuje na popularności dzięki jej integracji ze smartfonami, urządzeniami ubieralnymi, platformami motoryzacyjnymi oraz urządzeniami IoT. Jednak ograniczenia dotyczące zasięgu, skalowalności i niezawodności – szczególnie w gęstych środowiskach bezprzewodowych, w których występuje wiele zakłóceń – nadal hamują pełne wykorzystanie jej potencjału.

Standard IEEE 802.15.4ab UWB

Stanowi ważny krok w kierunku przezwyciężenia tych ograniczeń. Jego publikacja spodziewana jest jeszcze w tym roku. Kluczową koncepcją jest wspomaganie wąskopasmowe (NBA). Pozwala ono na połączenie sygnalizacji wąskopasmowej (w paśmie częstotliwości 5–6 GHz), służącej do wykrywania urządzeń, synchronizacji i koordynacji, z precyzyjnym pomiarem odległości i lokalizacją zapewnianymi przez technologię UWB. Wykorzystując łącze wąskopasmowe, system może działać wydajniej, lepiej obsługiwać skalowalność w środowiskach wieloużytkownikowych oraz utrzymywać niezawodną komunikację przy niższych poziomach sygnału i na większych odległościach.

Mechanizm NBA wprowadza jednak rygorystyczne wymagania dotyczące zakresu dynamicznego i odporności na zakłócenia: aby zapewnić wymagany budżet łącza, odbiornik wąskopasmowy musi charakteryzować się bardzo niskim współczynnikiem szumów, co pozwoli mu wykrywać słabe sygnały. Jednocześnie musi on zachowywać niezawodne działanie w obecności silnych źródeł zakłóceń Wi-Fi, w nakładających się lub sąsiednich pasmach częstotliwości.

Pierwszy na świecie odbiornik wąskopasmowy zgodny z normą IEEE 802.15.4ab

Firma imec jako pierwsza na świecie opracowała i przetestowała odbiornik wąskopasmowy, który umożliwia działanie mechanizmu NBA zdefiniowanego w przyszłej normie IEEE 802.15.4ab. Układ, zaprojektowany w procesie CMOS 22 nm, zawiera nowatorski wzmacniacz transimpedancyjny (TIA) drugiego rzędu z precyzyjnie sterowanym filtrowaniem. Tłumi on silne zakłócenia pozapasmowe – takie jak pobliskie sygnały Wi-Fi – na wczesnym etapie łańcucha sygnałowego, zachowując jednocześnie pożądany sygnał i utrzymując niski współczynnik szumów.

Uzupełnieniem tego rozwiązania jest zintegrowany w architekturze detektor przesterowania o wysokim zakresie dynamicznym, który na bieżąco monitoruje warunki pracy odbiornika. W przypadku wykrycia silnych zakłóceń system dynamicznie przełącza się w tryb o większej odporności, aktywując dodatkowe filtrowanie i kontrolę wzmocnienia w celu zapobiegania zniekształceniom. W warunkach niskiego poziomu zakłóceń odbiornik pozostaje w trybie niskiego poboru mocy, zapewniając energooszczędną pracę.

Źródło: imec

– Te innowacje to znaczący skok w wydajności odbiornika. Nasza konstrukcja o niskim poborze mocy, zużywająca mniej niż 6 mW, zapewnia poprawę zakresu dynamicznego o 9 dB, utrzymuje niski współczynnik szumów na poziomie 3,2 dB i toleruje zakłócenia Wi-Fi rzędu około -32 dBm. Zachowując czułość na słabe sygnały w warunkach silnych zakłóceń, odbiornik umożliwia niezawodną komunikację UWB wspomaganą pasmem wąskopasmowym, czterokrotnie zwiększając zasięg pomiaru odległości – powiedział Anoop Bhat, badacz z imec. – Zademonstrowaliśmy również pierwszą kompletną architekturę nadajniko-odbiornika, zgodną z normą IEEE 802.15.4ab, zapewniającą nawet 32-krotną poprawę wydajności pomiaru odległości, dzięki połączeniu innowacji w zakresie odbiornika, nadajnika oraz standardu IEEE 802.15.4ab.

Od robotyki i okularów AR po kształtowanie przyszłych systemów bezprzewodowych o niskim poborze mocy

Prace firmy Imec torują drogę dla aplikacji, które wymagają bezpiecznego, precyzyjnego i charakteryzującego się niskim opóźnieniem pozycjonowania względnego oraz synchronizacji w gęstych środowiskach bezprzewodowych. Potencjalne zastosowania technologii UWB wspomaganej pasmem wąskopasmowym obejmują koordynację między robotami lub interakcję okularów AR z otoczeniem.

– Zbadamy też, w jaki sposób architekturę NBA można rozszerzyć na inne systemy bezprzewodowe o niskim poborze mocy, w tym przyszłe wersje Bluetooth, takie jak Bluetooth Higher Bands. Równolegle współpracujemy z partnerami branżowymi, aby przyspieszyć transfer własności intelektualnej i integrację tej technologii z platformami komercyjnymi – dodała Mitra Gilasgar, menedżerka ds. portfolio rozwiązań bezprzewodowych o niskim poborze mocy w firmie imec.

Wyniki te zostały zaprezentowane podczas sesji technicznej poświęconej „radarom FMCW w paśmie milimetrowym i nadajnikom-odbiornikom UWB” na sympozjum IEEE MTT-S RF Integrated Circuits (IMS/RFIC).