Ein universeller Chip für Mobiltelefone

Untersuchungen der University of California, Los Angeles (UCLA), haben gezeigt, dass ein einzelner drahtloser Chip – man kann ihn den Universalchip nennen – in nur drei Jahren in Mobiltelefonen und anderen drahtlosen Geräten sein könnte, um deren Batterie zu verlängern Leben, ermöglicht schlankere Designs und ermöglicht ihnen den Zugriff auf Funktionen jenseits von Wi-Fi, GPS, globalem Telefondienst und Bluetooth.

Ein Prototyp für den Empfängerteil eines universellen drahtlosen Chips, der Funkfrequenzen von 800 Megahertz bis 6 Gigahertz empfangen kann – was die Notwendigkeit mehrerer Chips in mobilen Geräten überflüssig machen, ihre Batterielebensdauer verlängern und sie kleiner machen könnte. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Asad Abidi, UCLA.)

Heutige Handys können bis zu sechs enthalten drahtlose Funkchips, die Informationen in Form von elektromagnetischen Wellen senden und empfangen. Jeder Chip hat eine bestimmte Funktion: Einer ist für die Frequenz des Mobilfunksignals ausgelegt und andere für Wi-Fi-, GPS- und Bluetooth-Frequenzen.



Historisch, Ingenieure haben diese Chips so konstruiert, dass sie nur in einem kleinen Frequenzbereich des Funkspektrums arbeiten. Um beispielsweise mit einem Mobilfunkmast zu kommunizieren, kann ein Chip so optimiert werden, dass er Informationen bei 900 Megahertz (oder einer anderen Frequenz je nach Dienstanbieter) sendet und empfängt. Um auf ein WLAN-Signal zuzugreifen, muss ein separater Chip hinzugefügt werden, um im 2,4-Gigahertz-Band zu kommunizieren.

Obwohl einige Chiphersteller (wie Texas Instruments) Triband- und Quadband-Chips gebaut und eingesetzt haben, die sich auf drei oder vier verschiedene Bänder einstellen können, ist die Entwicklung eines wirklich universellen Chips, der auf alle Frequenzen zugreifen kann, eine Herausforderung geblieben. Aber der Anreiz ist da: Ein Telefon mit einem universellen Chip könnte auf alle Dienste des Spektrums zugreifen – von lokalem Fernsehen und Radio bis hin zu Wi-Fi und WiMax – und spart außerdem Strom und kostbaren Platz in immer kleiner werdenden Geräten.

Die drahtlose Welt braucht keine weiteren kundenspezifischen Funkgeräte, die Sie in ein Mobilteil stecken, sagt Asad Abidi , Professor für integrierte Schaltkreise und Systeme an der UCLA und leitender Forscher des Universalchip-Projekts. Stattdessen braucht es ein vielseitiges Radio, das so allgemein und flexibel ist, dass es TV, Bluetooth-Verbindungen und drahtloses Internet empfangen kann.

Dieser universelle Chip würde eine ähnliche Flexibilität wie ein Autoradio-Tuner bieten, sodass die meisten Sender ignoriert und nur auf eine Frequenz eingestellt werden können. Das Chipdesign des Teams, das im Februar auf der International Solid-State Circuits Conference in San Francisco vorgestellt wurde, ist eine Arbeit, die sich auf die Entwicklung eines echten abstimmbaren Radios zubewegt, sagt Bill Krenik, Wireless Advanced Architectures Manager bei Texas Instruments. Abidi hat einen Chip entwickelt, der auf alle eingehenden Funksignale zugreifen kann, sagt er, über ein Spektrum von 800 Megahertz bis 5 Gigahertz.

Die Arbeit des UCLA-Teams basiert auf einem technologischen Konzept namens Software-Defined Radio (SDR). SDR wurde erstmals Anfang der 1990er Jahre von Joe Mitola von der Mitre Corporation vorgeschlagen und basiert auf dem Konzept, alle eingehenden Funksignale (die elektromagnetische Wellen und daher analog sind) in digitale umzuwandeln eins s und 0 S. Dies würde es der Software einer Schaltung ermöglichen, verschiedene Frequenzbänder zu sortieren und das gewünschte auszuwählen. Die Verwendung von Software umgeht die Notwendigkeit, für jedes Band ein spezielles Radio zu entwerfen und hinzuzufügen.

Eine universelle Funkantenne empfängt alle Arten von Signalen, die durch die Luft wandern – manche stark, manche schwach – und alle auf unterschiedlichen Frequenzen. Um jedes analoge Signal in digitale Form umzuwandeln, benötige ein Chip einen Analog-Digital-Wandler, der mehrere hundert Watt Leistung verbrennt, sagt Abidi – viel zu viel für ein tragbares Gerät.

Daher hat sein Team eine modifizierte Version von SDR verwendet, die sich die Tatsache zunutze macht, dass nicht alle eingehenden Signale auf einmal umgewandelt werden müssen. Die Leute interessierten sich normalerweise nur für einen Kanal, sagt er, wie zum Beispiel Wi-Fi zu verwenden oder über eine bestimmte Frequenz in einem Mobilfunknetz zu sprechen. Deshalb haben die Forscher eine Art Gerät in ihre Schaltung eingebaut, das zuvor nur in obskuren Anwendungen verwendet wurde, das in der Lage ist, den weiten Bereich von Funkfrequenzen zu untersuchen, das interessierende Band herauszufiltern und es hervorzuheben, während die anderen weniger betont werden. Im Wesentlichen kann dieses Tool – was Ingenieure ein Breitband-Anti-Aliasing-Gerät nennen – auf das Spektrum zugreifen und sich auf ein einzelnes Band konzentrieren, sodass nur kleine Mengen analoger Informationen in ein digitales Signal umgewandelt werden müssen. Durch den Einbau der Bandauswahl in die Schaltung benötigt die Analog-Digital-Wandlung nur zehn Milliwatt Leistung, sagt Abidi.

Ihr Fortschritt, bemerkt er, bestand darin, das Potenzial dieses bisher wenig genutzten Breitband-Anti-Aliasing-Geräts zu erkennen und es mit anderen Breitband-Schaltungskomponenten zu integrieren, um einen kompletten Empfänger zu bauen. Das Konzept habe es schon eine Weile gegeben, erklärt er, aber niemand habe gesehen, wie leistungsfähig es für softwaredefinierte Funkanwendungen sein würde.

Ein Chip, der das eingehende Signal wie der von Abidi aussortiert, ist die Art von Technologie, die dazu beitragen könnte, dass SDR in Mobiltelefonen Realität wird, sagt Bruce Fette, leitender Wissenschaftler für Kommunikationsnetzwerke bei General Dynamics C4 Systems, einem Unternehmen, das große softwaredefinierte . baut Funkgeräte für militärische Zwecke. Und die Idee von SDR werde für die Mobilgerätebranche immer attraktiver, weil es so viel mehr Flexibilität in den Funktionen eines einzigen Geräts bietet, von der Verwendung desselben Mobiltelefons auf der ganzen Welt bis hin zum Entsperren eines PDAs deine Autotür.

Abidi sagt, dass noch mehr Forschung betrieben werden muss, bevor der Chip für kommerzielle Anwendungen bereit ist. Zum einen hat sein Team nur das Konversionsproblem gelöst eingehend analoge zu digitalen Signalen über einen so breiten Frequenzbereich. Drahtlose Geräte müssen auch ein ausgehende Analogsignal. Ein wirklich universeller Chip muss ausgehende Signale über einen ähnlich breiten Frequenzbereich von digital in analog umwandeln.

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Dennoch habe sein Team den schwierigsten Teil des Problems gelöst, indem es den Empfänger angesprochen habe, sagt Abidi. Eingehende Signale seien viel komplizierter, weil man mit einem Empfänger die ganze Welt höre, sagt er, während man bei Sendern nicht mit unerwünschten Signalen zu kämpfen habe.

Krenik fügt hinzu, dass der Fortschritt von Adibi zwar nicht alle Probleme der Branche löst, aber eine starke Grundlage für die weitere Arbeit in Richtung SRD bildet.

Abidi und sein Team hoffen, bis zum Spätsommer die verbleibenden technischen Probleme mit ihrem Universalchip beheben zu können. Von dort aus werden die Arbeiten anderer Forscher, die den digitalen Prozessor und die Software für SDR entwickeln, ins Spiel kommen, sagt er. Abidi schätzt, dass all diese Teile irgendwann im nächsten Jahr zu einem Prototyp zusammenkommen werden. Und, sagt er, könnte innerhalb von drei bis fünf Jahren ein universeller Chip in drahtlosen Handgeräten sein.

Foto der Homepage mit freundlicher Genehmigung von Asad Abidi, UCLA. Bildunterschrift: Ein Prototyp für den Empfängerteil eines universellen drahtlosen Chips, der Funkfrequenzen von 800 Megahertz bis 6 Gigahertz empfangen kann – was die Notwendigkeit mehrerer Chips in mobilen Geräten überflüssig machen, deren Batterielebensdauer verlängern und sie kleiner machen könnte.

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