Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
Transceiver arbeitet mit weniger als 1 mW bei einer Datenübertragungsrate von 1 MBit/s: Ausgabe 11-12/2019, 18.07.2019

Auf minimalen Energieverbrauch getrimmt

Energieverbrauch im System oder auf Chipebene ist für Systemdesigner eines der schwierigsten Probleme und eine der grössten Herausforderungen. Es gibt verschiedene Lösungsvarianten, die aber selten optimal sind. Ein neuer Transceiver ist da eine interessante Alternative.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent, Text und Bilder

Der Energieverbrauch wurde eigentlich erst dann zu einem realen Problem, als die rasante Entwicklung der elektronischen Uhrenschaltkreise begann. Digitale LED-Uhren waren sehr teuer und für den normalen Verbraucher bis etwa 1975 unerreichbar. Dann begann Texas Instruments, LED-Uhren in einem Kunststoffgehäuse in Serie zu produzieren. Auch bei der ersten Entwicklung von PCs war der Energieverbrauch kein Problem. Das änderte sich aber schnell, als die Laptops die Märkte überrollten.

Kernspannung in vier Jahren halbiert
Ursprünglich liefen die meisten Prozessoren als auch die I/O-Schaltungen mit 5 V, wie beim Intel 8088, der vom ersten Compaq Portable verwendet wurde. Die Versorgungsspannung wurde später auf 3,5, 3,3 und 2,5 V reduziert, um den Stromverbrauch zu senken. So sank beispielsweise die Kernspannung des IntelPentium P5 von 5 V im Jahr 1993 auf 2,5 V im Jahr 1997.
Parallel dazu wurden auch die anderen Komponenten eines Elektroniksystems auf möglichst geringen Energieverbrauch getrimmt, sei es durch die Materialauswahl oder durch optimierte Funktionsabläufe, wie die optimierte Taktfrequenz – bis hin zum von der Software gesteuerten Schlafzustand einzelner Systemkomponenten. Man denke in diesem Zusammenhang auch an die vollstatische Logik, die keine minimale Taktfrequenz hat.

Drahtlose Kommunikation reduziert Batterielaufzeit
Mobilfunk und WiFi brachten den Konsumenten handfeste Vorteile, während die Geräteentwickler wieder einmal alles daran setzten, auch in diesem Bereich den Energieverbrauch bei den batteriebetriebenen Handgeräten in den Griff zu bekommen. Batterielaufzeit war das Schlagwort. Hinzu kam, dass die drahtlose Datenkommunikation im Nahbereich mehrere Funktionsverfahren mit sich brachte, wie zum Beispiel Bluetooth (LE) und ZigBee. Aber auch hier kann man auf immer noch notwendige Verbesserungen gespannt sein.

Sparsame Spark-Radio-Technologie
Von der kanadischen Firma Spark Microsystems wurde eine sehr interessante WirelessTransceiver-Architektur (Serie SR1000) mit einer Reichweite von 50 m vorgestellt, die zum Beispiel gegenüber BLE (Bluetooth Low Energy) eine erheblich (20-fach) bessere Energieeffizienz (<1 nJ/Bit), eine geringere Latenzzeit (60-mal kürzer, <50 µs) sowie eine deutlich höher Datenrate (10 MBit/s) bieten soll. Hinzu kommt ein Energieverbrauch von weniger als 1 mW bei 1 MBit/s. Weitere besondere Merkmale dieser Technologie sind:
■ Versorgungsspannungsbereich von 1,8 bis 3,3 V
■ Tiefschlafstrom von 750 nA (Hibernate 55 nA)
■ konfigurierbares Breitbandspektrum von 3  bis 9 GHz (TX-Leistung 10 dBm)
■ Reichweite von 50 m bei 3 MBit/s, mit 500 kBit/s werden es dann 100 m
Bei einem derart geringen Energieanspruch eignet sich die Spark-Radio-Technik für den Betrieb mit einfachen Solarzellen, Energiesammlern (Harvesting) und kapazitiven Zellen. Das Unternehmen weist darauf hin, dass die EMI des Transceivers extrem gering ist und deshalb für andere typische Funksysteme als Rauschen erscheint. Das spricht für eine bessere Kommunikation, wobei die inhärente Unterdrückung aller anderen «in-band»-IoTProtokolle eine sichere Kommunikation in einer Umgebung mit hoher Interferenz gewährleistet.
Selbstverständlich unterstützt das neue System verschiedene Netzkonfigurationen (device-to-device, star, mesh) und kann Hunderte von Komponenten im selben Bereich multiplexen. Im Gegensatz zur RFID-Technologie akzeptiert die Serie SR1000 auch externe Systeminformationen, wie Temperatur, Systemlaufzeiten, Luftfeuchtigkeit und andere Sensorsignale.

Ortsbestimmung lässt sich integrieren
Nach Angaben des Unternehmens lässt sich ein Zwei-Wege-Entfernungsmesssystem mit dem Spark-Radio integrieren. Die so festgestellte Entfernung zwischen zwei Geräten kann eine Genauigkeit von weniger als 10 cm mit sich bringen. Und mit drei festen SparkRadios lässt sich die exakte, dreidimensionale Position eines sich bewegenden oder festen Spark-Chips festlegen. Eine Verwendung des neuen Transceivers mit BLE-, Zigbee- oder anderen IoT-Protokollen ist möglich. Die hohen Frequenzen des Spark-Radios bringen auch kleinere Antennenabmessungen mit sich.
Applikationen sieht der Hersteller in vielen Marktbereichen: Vom IoT, batterielosen Systemen, medizinischer Diagnostik sowie industrieller Automation und M2M, bis hin zu Smartphones, Streaming von Daten (Audio, Video), Wireless-Peripherie und Wearables.

Infoservice
SPARK Microsystems International
400 rue Montfort, Suite C-2150 Montréal Québec, Canada H3C 4J9
Tel. 001514 396 87 89
www.sparkmicro.com

Spark-Technologie: 11-12_19.01.pdf



Die mobile Welt mit Mobilfunk und WiFi bringt den Konsumenten handfeste Vorteile, während sie die Geräteentwickler herausfordert


Blockschaltbild des SR1000-Transceivers


Die Spark-Radio-Serie SR1000 bietet eine Reichweite von 50 m


Energieverbrauch der verschiedenen Funktechnologien in Abhängigkeit der Datenrate


Vergleich der verschiedenen Wireless-Technologien


Beispiel einer Netzlösung mit der Spark SR1000-Serie