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Aunque puede encontrar productos IoT basados ​​en protocolos inalámbricos como Bluetooth, Zigbee y Wi-Fi, ninguna de estas tecnologías inalámbricas está diseñada originalmente para aplicaciones IoT.
Por ejemplo, Bluetooth (IEEE 802.15.1) se desarrolló originalmente para proporcionar conectividad inalámbrica entre una computadora y sus periféricos. IEEE 802.15.4, que se utiliza en Zigbee, se creó como una alternativa de baja potencia y baja velocidad de datos a Bluetooth. Y el estándar de Wi-Fi (IEEE 802.11) se creó para proporcionar una conexión basada en Ethernet mediante comunicaciones inalámbricas. Es por eso que el Wi-Fi tiene un mayor alcance y un mayor consumo de energía en comparación con Bluetooth y 802.15.4.

Bluetooth, Zigbee, Wi-Fi: ¿Cuál es la mejor opción para IoT basado en batería?

Entre los estándares como Bluetooth, Zigbee y Wi-Fi, el estándar de Wi-Fi puede ser una opción atractiva para muchas aplicaciones de IoT debido a su mayor alcance, conectividad IP nativa y alto ancho de banda. Sin embargo, los protocolos estándar de Wi-Fi consumen mucha energía, lo que representa un serio desafío para los productos de IoT que funcionan con baterías.
Para abordar este problema, InnoPhase, una compañía de semiconductores sin fábrica especializada en soluciones inalámbricas de baja potencia, ha presentado los módulos Talaria TWO, INP1010 e INP1011. Según Innophase, la plataforma Talaria TWO puede introducir importantes ahorros de energía para dispositivos IoT basados ​​en baterías conectados a Wi-Fi.
El director de marketing de productos de Innophase, Robert McCormick, dice que es posible que esta solución incluso reemplace protocolos de baja potencia como Zigbee y Z-Wave.
"Casi todos tienen un enrutador Wi-Fi en su hogar y negocio, pero no muchos tienen un enrutador Zigbee separado", explica. "Nuestra unidad puede igualar los niveles de potencia de Zigbee … así que creo que esos protocolos específicos de baja potencia desaparecerán y el Wi-Fi se hará cargo en su lugar".

¿Qué es la arquitectura PolaRFusion?

Integrado en los módulos Talaria TWO están los SoC Talaria TWO, que se dice que agregan conectividad Wi-Fi a las aplicaciones de IoT con restricción de energía. Es una solución inalámbrica de un solo chip altamente integrada basada en una tecnología patentada llamada PolaRFusion.
La inspiración para la arquitectura PolaRFusion provino del CEO de Innphase, el Dr. Yang Xu. Hace años, la esposa de Xu, un profesional médico, trabajaba con pequeñas píldoras tragables que actuaban como cámaras en el tracto digestivo del paciente, enviando información a los médicos de forma inalámbrica. Para evitar el alto consumo de batería de estos dispositivos, Xu desarrolló una nueva arquitectura digital que consumió menos energía. Terminó ideando una arquitectura de radio polar, que luego se convirtió en tecnología PolaRFusion.
PolaRFusion es una arquitectura de radio avanzada digitalmente dominante que utiliza la representación polar para codificar / decodificar información. Esta arquitectura contrasta las arquitecturas de radio convencionales que tienen varios bloques analógicos que consumen mucha energía en los circuitos frontend y se basan en rutas en fase y en cuadratura (I / Q) (o la representación cartesiana).

Coordenadas cartesianas en comparación con las coordenadas polares. Imagen utilizada por cortesía de InnoPhase

Según InnoPhase, el transceptor PolaRFusion reemplaza muchos de los bloques analógicos de una radio convencional con circuitos digitales. Esto reduce significativamente el consumo de energía del sistema y facilita la adición de conectividad Wi-Fi a los productos IoT que funcionan con baterías.
McCormick señala que debido a que PolaRFusion se basa digitalmente, "nos da la capacidad de hacer algo de programación, lo que significa que dentro de la misma radio, podemos tener tanto Wi-Fi como BLE".

Especificaciones clave de los dos módulos de Talaria

Los módulos Talaria TWO incorporan un microcontrolador Cortex-M3 de 80 MHz incorporado para acomodar tanto el control del sistema como las aplicaciones opcionales del usuario. Además, la solución inalámbrica de un solo chip incluye 512 KB de SRAM y 2 MB de memoria Flash. Este enfoque integrado es clave para reducir la huella y el consumo de energía del sistema.

Diagramas de bloques INP1010 e INP1011. Imagen utilizada por cortesía de Innophase

El SoC es una plataforma inalámbrica multiprotocolo que admite los estándares Wi-Fi 802.11 b / g / ny BLE 5.0. Ofrece un consumo de corriente de ahorro de energía muy bajo (DTIM10 con 75 µA). Dichos modos de ahorro de energía pueden reducir el consumo de energía de los circuitos de Wi-Fi en un factor de ocho en ciertas aplicaciones.
Otra característica interesante del Talaria TWO SoC son sus elementos de seguridad avanzados que incluyen motores criptográficos basados ​​en hardware, flash cifrado y soporte para identificación única por dispositivo.
Como se mencionó anteriormente, la compañía ha empleado técnicas de circuito innovadoras, como la arquitectura avanzada de radio PolaRFusion para reducir el consumo de energía del sistema. Otras dos técnicas que contribuyen a las ventajas de potencia del sistema son un amplificador de potencia digital (DPA) patentado de baja potencia y un amplificador de bajo ruido (LNA) de alto rendimiento llamado flexLNA.

Reducción del consumo de energía del transmisor

InnoPhase intenta reducir el consumo de energía del transmisor empleando un amplificador de potencia más eficiente.
En general, los amplificadores de potencia son los bloques de construcción que consumen más energía de un transceptor de RF. InnoPhase afirma que ha inventado un eficiente amplificador de potencia digital (DPA) para su plataforma inalámbrica Talaria TWO.
Si bien la compañía no ha publicado muchos detalles técnicos sobre su DPA, los DPA en general codifican la información de la banda base en un tren de pulsos para que la amplificación se pueda lograr mediante un interruptor de encendido. Justo antes de la antena, se usa un filtro de paso de banda para restaurar la señal analógica de la secuencia de pulsos. La idea básica se muestra en la siguiente figura.

Diagrama de bloques de un transmisor digital. Imagen utilizada por cortesía de Andreas Wentzel, Florian Hühn, Wolfgang Heinrich

Ahora, echemos un vistazo más de cerca a la arquitectura de receptor polar patentada de la compañía.

Un receptor polar digitalmente dominante

El diagrama de bloques del receptor polar patentado de InnoPhase se muestra en la siguiente figura.

Diagrama de bloques del receptor polar Innophase. Imagen utilizada por cortesía de Innophase

El funcionamiento básico de este receptor se puede resumir de la siguiente manera:
La señal de RF recibida es amplificada por una etapa de banda ancha de bajo ruido (bloque denotado por 104).
La salida se aplica luego a amplificadores de bajo ruido específicos de la banda (bloques 106, 108, 110) para una mayor amplificación. Esta etapa realiza un filtrado de paso de banda. Tenga en cuenta que varias etapas de amplificador específicas de la banda se pueden utilizar en paralelo para recibir y decodificar señales en diferentes bandas de frecuencia. Por ejemplo, mientras se incorpora una etapa de amplificador para 800 MHz a 1.6 GHz, otra etapa de amplificación (en paralelo) recibe 1.6 GHz a 3.2 GHz.
La salida del amplificador específico de banda apropiado se inyecta en un oscilador bloqueado por inyección (bloque 122). La fase de la salida del oscilador se procesa adicionalmente a través del divisor de frecuencia y las etapas TDC (bloques 124 y 126) para determinar la fase de la señal de entrada.
Se utiliza un multiplicador de frecuencia junto con una celda Gilbert (bloques 130 y 132) para extraer una señal analógica proporcional a la amplitud de la señal de RF recibida.
Se obtienen equivalentes digitales de la información de amplitud y fase y el resultado se aplica a un circuito CORDIC para extraer la representación I / Q de la señal recibida.
Muchos bloques de construcción del receptor anterior se pueden implementar utilizando circuitos digitales. Por ejemplo, el oscilador puede ser un oscilador de anillo bloqueado por inyección. Estar principalmente en el dominio digital nos permite reducir la cantidad de bloques analógicos que consumen mucha energía y aprovechar la ley de Moore en nuestra arquitectura de receptor.

¿Cómo se compara un receptor polar con el filtrado de N-Path?

Un receptor polar como el que se discutió brevemente anteriormente incorpora varias técnicas interesantes para llegar a una solución inalámbrica eficiente; Sin embargo, me preguntaba cómo se puede comparar esta tecnología con el filtrado de N-path.
Los filtros de N-path son filtros de condensador conmutado de tiempo continuo que se pueden usar para implementar filtros de RF de paso de banda alto y de parada de banda. Esta técnica de filtrado se propuso y analizó originalmente en la década de 1960, pero se olvidaron en gran medida hasta hace aproximadamente una década, cuando los diseñadores de RF notaron que al usar los interruptores disponibles en las modernas tecnologías CMOS, el filtrado de RF de alta Q basado en la técnica de N-path es realizable.
La siguiente figura ilustra un LNA que utiliza el filtrado de N-path.

El diagrama de la izquierda muestra un intento inicial de implementación frontal, mientras que el gráfico de la derecha ilustra la respuesta de frecuencia a la salida de LNA. Imagen utilizada por cortesía de Joung Won Park y Behzad Razavi

Los transistores en el camino de avance son las etapas de amplificación del LNA. Estos son los únicos transistores de la estructura que están en la región de saturación. La ruta de retroalimentación se denota con el "Banco 1", que consta de ocho ramas paralelas de condensadores conmutados. La figura muestra solo una de estas ramas. Tenga en cuenta que los transistores en la ruta de retroalimentación actúan como interruptores y pueden aprovechar la ley de Moore.
La figura anterior también representa la respuesta de frecuencia de este LNA. Tenga en cuenta que su ancho de banda de 3 dB es de 300 kHz a aproximadamente 1 GHz. Por lo tanto, es posible realizar la selección de canales en RF. La representación I / Q de la señal recibida se puede obtener directamente de los voltajes en los condensadores de retroalimentación (CF).
Este circuito necesita generación de reloj multifase para accionar los interruptores. Además, los transistores utilizados para los interruptores deben ser muy grandes para lograr una pequeña resistencia en el estado. Este circuito parece ser mucho más simple que una arquitectura de base polar como la que se discutió anteriormente.

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¿Cómo crees que un receptor polar se compara con el LNA N-path que se muestra arriba? Comparte tus ideas en los comentarios a continuación.