Трудно спорить с тем, что беспроводные технологии переживают самый настоящий расцвет. Однако существуют приложения, которые до сих пор вынуждены были использовать проводные соединения. Это связано с тем, что традиционные методы радиопередачи имеют целый ряд ограничений. Новая технология NFMI (Near Field Magnetic Induction) позволяет создавать узконаправленный, высокоэффективный и малопотребляющий канал передачи данных с высокой пропускной способностью. В настоящее время NFMI уже имеет практическую реализацию в виде беспроводных наушников на базе микросхем NxH2280 от NXP.
 |
|
| Рис. 1. | Микросхемы NxH2280 от NXP с поддержкой беспроводной технологии NFMI. |
Беспроводные технологии обеспечили настоящий прорыв в области потребительской электроники: сотовая связь, беспроводной доступ к Internet по Wi-Fi, обмен данными с помощью Bluetooth и т. д.
В настоящее время именно Bluetooth является основным инструментом для связи малопотребляющих устройств, расположенных на небольших расстояниях. Невозможно представить современный смартфон, который не поддерживал бы этот протокол. Его используют для обмена данными между пользователями (картинки, видеофайлы и т. д.), для коммуникации с различными датчиками, для передачи аудио в беспроводные наушники и т. д. Основными достоинствами Bluetooth являются: малое потребление, достаточно высокая скорость передачи данных, малые габариты конечных решений. Однако для некоторых приложений этого оказывается недостаточно, так как у Bluetooth есть целый ряд ограничений. Их можно продемонстрировать на примере все тех же беспроводных наушников.
Типовое решение на базе Bluetooth включает приемник и передатчик, а также пару наушников, соединенных с помощью проводов (Рис. 2). Передатчик находится в смартфоне или в MP3-плеере. Приемник встроен в одном из наушников. На него по каналу Bluetooth поступает общий аудиопоток для левого и правого наушников. Аудиопоток для другого наушника передается по проводному каналу. Естественно возникает вопрос: почему не используется два радиоканала – по одному на каждый из наушников? Для этого есть несколько причин.
 |
|
| Рис. 2. | Стандартное решение Bluetooth для наушников. |
Во-первых, Bluetooth изначально предназначался для установки соединений типа точка-точка. Современные версии Bluetooth поддерживают многоточечное соединение, но это приводит к увеличению потребления. Во-вторых, используемая частота 2.4 ГГц не всегда эффективна. При малой мощности сигнала даже голова человека окажется весьма серьезным препятствием и не позволит качественно передать аудио. В-третьих, Bluetooth использует широковещательную передачу, а не узконаправленную, что снижает его КПД. По этой же причине Bluetooth оказывается более «шумным». Сигнал, передающийся на наушники потребителя, «загрязняет» эфир в радиусе нескольких метров. Если передавать два потока, то шума окажется еще больше. В итоге проводное соединение между наушниками оказывается самым простым решением при использовании Bluetooth. Однако ситуацию можно изменить, если использовать новую технологию NFMI (Near Field Magnetic Induction).
В отличие от Bluetooth, в NFMI используется направленная передача сигнала. Это позволяет повысить эффективность передачи без роста мощности передатчика. Промоделировать NFMI можно как взаимодействие двух катушек без общего сердечника. Это весьма слабое взаимодействие, однако оно оказывается более эффективным, чем ненаправленная передача при расстояниях вплоть до 0.5 м (Рис. 3). Достоинством NFMI также является высокая проникающая способность. Линии электромагнитного поля NFMI беспрепятственно проходят сквозь ткани человеческого тела без значительного поглощения (Рис. 3).
 |
|
| Рис. 3. | Сравнение передачи данных с помощью радиосигнала (RF) и NFMI. |
Еще одной особенностью NFMI является использование катушек в качестве антенн. При этом из-за направленности передачи очень большое значение имеет их взаимное расположение (Рис. 4). Если линии магнитного поля катушки-передатчика пересекают витки катушки приемника, то происходит прием полезного сигнала. Если же катушки расположены перпендикулярно, и магнитные линии не пересекают витков приемника, то сигнал, очевидно, принят не будет. Такие жесткие требования по направленности позволяют рассчитывать на высокий уровень защиты от сторонних источников шума.
 |
|
| Рис. 4. | Особенности взаимного положения антенн приемника и передатчика. |
Чтобы дать некий ориентир по габаритам конечного решения, можно привести пример антенны для беспроводных наушников (Рис. 5). При расстоянии передачи 20…25 см, вполне можно использовать катушку диаметром от 2 мм и длиной от 6 мм.
 |
|
| Рис. 5. | Габариты антенны для стандартных наушников. |
Направленность излучения и быстрое убывание линий магнитного поля с расстоянием дают NFMI еще одно преимущество – низкий уровень генерируемых шумов. На дистанции более одного метра передаваемый сигнал становится практически неразличимым. Это означает, что вокруг пользователя формируется своего рода «информационный пузырь» (Рис. 6). Внутри него происходит обмен данными с высокой частотой, зато за его пределами шумовой фон оказывается едва различимым. Напомним, что в случае с Bluetooth диапазон действия поля был гораздо больше. Это хорошо для дальности передачи и плохо с точки зрения электромагнитных помех. Очевидно, что если речь идет о прослушивании музыки, то предпочтительней вариант NFMI, когда реализуется принцип: «никто не мешает мне, никому не мешаю я».
 |
|
| Рис. 6. | Создание близкодействующего поля NFMI. |
Теперь можно подвести небольшой итог и перечислить достоинства технологии NFMI:
- высокий КПД при работе на дистанциях до 0.5…1 м;
- низкий уровень питающих токов в режиме приема и передачи;
- низкий коэффициент поглощения поля тканями человеческого тела;
- высокая степень защиты данных – чтобы перехватить данные, злоумышленнику нужно в буквальном смысле «сесть на хвост» своей жертве;
- низкий уровень шумов за счет создания короткодействующего поля.
Как же можно использовать эти достоинства в реальной жизни? В качестве примера вернемся все к той же схеме с наушниками, приведенной на рисунке 2. С помощью NFMI можно легко отказаться от проводного соединения левого и правого наушника (Рис. 7). При этом исходный общий аудиопоток транслируется по Bluetooth на левый наушник, а от него передается на правый наушник по NFMI.
 |
|
| Рис. 7. | Совместное использование Bluetooth и NFMI для наушников. |
Есть и еще один вариант. Если в один из наушников встроить MP3-плеер, то от Bluetooth и вовсе можно отказаться (Рис. 8). Впрочем, стоит отметить, что это приложение - не вопрос будущего, а реальность, так как оно уже реализовано в виде демонстрационных образцов на базе микросхем семейства NxH2280 от NXP.
 |
|
| Рис. 8. | Совместное использование MP3-плеера и NFMI. |
NxH2280 – интегральное решение, объединяющее в одном корпусе (Рис. 9):
- программируемый пользователем микроконтроллер на базе ARM Cortex-M0;
- развитый набор системной периферии: блок тактирования, блок контроля питания DMA;
- периферия общего назначения: таймеры, порты ввода/ вывода;
- коммуникационные интерфейсы: I2C, UART, SPI;
- развитая аудиосистема: программируемый пользователем цифровой сигнальный процессор Cool Flux DSP, аудиокодек, I2S;
- приемопередатчик NFMI.
 |
|
| Рис. 9. | Блок-схема микросхем NxH2280 от NXP. |
Каждая из микросхем NxH2280 поддерживает по два канала NFMI на прием и передачу. Также существует возможность многопотоковой передачи или приема данных. Скорость передачи позволяет транслировать аудио с частотой семплирования от 16 кГц до 48 кГц. При этом устройства NxH2280 способны объединиться в сеть с числом участников до 15.
NxH2280 позволяет реализовывать малогабаритные и малопотребляющие устройства благодаря своим особенностям:
- минимальное потребление: всего 1.2 мА при частоте сэмплирования 16 кГц и 1.9 мА при частоте семплирования 48 кГц;
- возможность работы с низкими рабочими напряжениями, что делает актуальным использование воздушно-цинковых питающих элементов;
- малые габариты: на плате NxH2280 занимает всего 11 мм2.
Кроме того, что корпус NxH2280 занимает минимум места на плате, стоит отметить и простую схему включения микросхемы. Для работы ей потребуется всего несколько внешних компонентов. В итоге и сама система окажется сверхкомпактной (Рис. 10). То есть уже сейчас можно разместить микросхему с обвязкой, передатчик, батарейку в габаритах внутриканального наушника!
 |
|
| Рис. 10. | NxH2280 занимает минимум места на печатной плате. |
На выставках компания NXP активно продвигает новую технологию, и уже сейчас предлагает разработчикам испытать возможности NxH2280 с помощью оценочного набора NxH2280 starter kit. Этот набор позволяет без потерь времени начать создание NFMI-устройств и исследовать возможности однонаправленной и двунаправленной передачи данных, а также передачи звука (в том числе стерео).
Основным элементом набора является отладочная плата, на которой помещен микроконтроллер LPC1115, аудиокодек, соединители для отладки и программирования, Mini USB, ЖК-экран, пользовательские и системные кнопки.
Отладочный набор включает: три отладочные платы, три NFMI антенны, одну плату отладки LPC expresso, USB-кабель, пару аудиокабелей (разъем mini-jack), Flash-накопитель с документацией и ПО.
 |
|
| Рис. 11. | Стартовый набор NxH2280 starter kit. |
Новая технология NFMI и микросхемы NxH2280 будут востребованы не только в наушниках. Они представляют интерес для подключения различных датчиков (например, в медицине), для связи мобильных гаджетов, например, умных часов и смартфона, и т. д.
Характеристики NxH2280:
- состав микросхемы: микроконтроллер с ядром ARM Cortex-M0, аудиопериферия, приемопередатчик NFMI;
- скорость передачи данных NFMI: 596 кбит/с;
- количество узлов в сети NFMI: до 15;
- количество каналов передачи (Tx): 2;
- количество каналов приема (Rx):2;
- потребление: 1.2 мА при частоте семплирования 16 кГц; 1.9 мА при частоте семплирования 48 кГц;
- корпус: площадь менее 11 мм2.
Состав оценочного набора NxH2280 starter kit:
- 3 × отладочных платы;
- 3 × NFMI антенны;
- 1 × плата отладки LPC expresso;
- 1 × USB-кабель;
- 2 × аудиокабель (разъем mini-jack);
- Flash-накопитель с документацией и ПО.
О компании
NXP Semiconductors – изначально являлась дочерней компанией Philips. После слияния с Freescale Semiconductor, NXP вошла в четверку крупнейших производителей полупроводниковых компонентов в мире. Компания разрабатывает и производит практически весь спектр полупроводниковых компонентов: дискретные компоненты (транзисторы, диоды и др.), элементы питания (DC/DC преобразователи, стабилизаторы и др.), микроконтроллеры и процессоры, компоненты для беспроводных технологий, логические ИС, МЭМС-датчики и т. д.
Посмотреть подробнее характеристики микросхем NxH2280 от NXP
