Устройства, поддерживающие Bluetooth 4.2, позволяют снизить потребляемый ток, улучшить работу радиоканала, повысить скорость и безопасность, а также снизить количество компонентов.
Компания Toshiba Electronics Europe подтверждает, что устройства Bluetooth® с низким энергопотреблением [1] (BLE) «система на кристалле» (SoC) последнего поколения (Generation2, "G2") – первые устройства, обеспечивающие полное соответствие новым требованиям спецификации Bluetooth версии 4.2. Кроме того, новые устройства Toshiba могут снизить энергопотребление на 50 % по сравнению с текущими изделиями [2] для устройств Интернета вещей с питанием от миниатюрных литиевых батарей, одновременно снижая стоимость компонентов и необходимое пространство на печатной плате. Они также поддерживают функции BLE 4.2, недоступные во многих устройствах конкурентов.
Значения потребляемого тока 3.3 мА для приема (RX) и 3.3 мА для передачи (TX) [3] достигаются за счет использования соответствующей архитектуры и схемных решений аналоговых цепей, что значительно увеличивает срок службы батареи. Технология SoC компании Toshiba также предусматривает интеграцию радиочастотных [4] согласующих цепей, что позволяет избавиться от согласующих цепей между устройством и антенной. Устройство позволяет проектировщикам не использовать конденсаторы, которые обычно устанавливаются вместе с внешними кварцевыми генераторами. Это способствует уменьшению размеров устройств Интернета вещей за счет сокращения количества требуемых внешних компонентов до семи, обеспечивая дальнейшее уменьшение габаритов схемы на печатной плате на 20%.
Технология Bluetooth® с низким энергопотреблением, разработанная специально для беспроводного обмена данными низкой мощности, используется во многих устройствах Интернета вещей в целях снижения веса и увеличения времени работы батареи. Как правило, существует компромисс между потреблением тока (для носимых устройств основным требованием является потребление тока в диапазоне 3-4 мА) и эффективностью работы радиочастотного блока (чувствительностью приемника и мощностью передатчика). Традиционные устройства SoC BLE не могут удовлетворять обоим требованиям одновременно. Хотя интеграция внешних компонентов в SoC BLE служит эффективным способом уменьшения размеров устройств Bluetooth® с низким энергопотреблением, ухудшение чувствительности приемника и снижение мощности передатчика SoC BLE со встроенными радиочастотными согласующими цепями остается проблемой из-за потерь на рассогласование.
Компания Toshiba реализовала три технологии снижения потребляемого тока SoC BLE: (1) конфигурация архитектуры приемника для снижения потребляемого тока; (2) высокоэффективная система управления питанием; (3) конструкция радиочастотного блока с низким потребляемым током.
- В архитектуре приемника используется локальный синтезатор с частотой, равной половине частоты традиционного приемника, что позволяет снизить потребляемый ток локального генератора. Несмотря на то, что архитектура может быть уязвимой для помех из-за сложной конфигурации частот, высокая устойчивость к помехам достигается путем применения схемы распределения частот, позволяющей избегать свертывания от сигналов сети.
- Для снижения потерь в регуляторах (LDO: малое падение напряжения) [5] LDO-регуляторы отсутствуют в устройстве SoC. Поскольку снижение эффективности из-за шума переключения преобразователя постоянного тока представляет проблему, для корректировки частоты переключения преобразователя постоянного тока применена схема фазовой автоподстройки частоты [6], чтобы устранить помехи в диапазоне, используемом модулем Bluetooth® с низким энергопотреблением.
- В конструкциях радиочастотных блоков с низким потребляемым током передатчик и приемник используют общий генератор, управляемый напряжением (ГУН), и поэтому диапазон частот настройки ГУН должен быть достаточно широким, что увеличивает потребление тока. Использование отдельных ГУН для передачи и приема в целях сокращения требуемых диапазонов настройки частоты для каждого ГУН позволяет добиться низкого потребляемого тока. Кроме того, для снижения потребляемого тока в усилителе мощности используется технология импульсного усилителя.
За счет этих методов технология SoC BLE компании Toshiba позволяет снизить потребляемый рабочий ток и одновременно улучшить работу радиоканала. Чувствительность на приеме составляет –93 дБ/мВт, а выходная мощность равна 0 дБ/мВт. Кроме того, интеграция всех радиочастотных согласующих цепей на кристалле SoC, для изготовления которого используется технологический процесс КМОП 65 нм, позволяет сократить число внешних компонентов до семи по сравнению с 19, необходимыми для работы выпускающихся в настоящее время устройств Toshiba.
Устройства Toshiba BT4.2 снабжены полным комплектом микропрограммного обеспечения BLE 4.2.
В отличие от многих других устройств, доступных в настоящее время, SoC Toshiba BLE 4.2 поддерживают до восьми подключений BLE одновременно. Благодаря этому они могут использоваться в сетях Bluetooth® с ячеистой топологией и других средах с многосвязной архитектурой. Технология BLE 4.2 обеспечивает повышенную безопасность за счет защищенных подключений с использованием криптографии на основе протокола Диффи-Хелмана на эллиптических кривых (ECDH) с открытым и закрытым ключом, а также защиты канального уровня (Link Layer Privacy) для автоматической генерации и разрешения частных адресов Bluetooth и дополнительного шифрования передаваемых данных. Все эти возможности отсутствуют в качестве стандартных функций многих других ИС BLE.
BLE 4.2 также предусматривает увеличение длины пакета BLE до 251 байта по сравнению с 27 байтами в стандарте 4.1. Это обеспечивает повышение теоретической скорости с 305 кбит/с до 803 кбит/с.
Эта технология была официально представлена на Азиатской конференции IEEE по полупроводниковым приборам (A-SSCC) в г. Тояма, Япония, 8 ноября 2016 г. Компания использует новую технологию снижения потребляемого тока в устройствах Bluetooth® с низким энергопотреблением, серийное производство которых началось в декабре 2016 года [7].
Примечания
[1] Надпись и логотипы Bluetooth® являются зарегистрированными товарными знаками, принадлежащими компании Bluetooth SIG.
[2] По сравнению с устройством TC35667FTG компании Toshiba.
[3] Самое низкое потребление тока в мире по состоянию на 11 июля 2016 г. Данные исследования компании Toshiba.
[4] Частота, используемая для беспроводного обмена данными.
[5] Регулятор, который может управляться даже небольшой разницей в напряжении между входом и выходом.
[6] Электронная схема для синхронизации фазы и частоты входного и выходного сигнала при помощи управления с обратной связью.
[7] Ознакомительные образцы были доступны начиная с октября 2016 г.
