RF-communicatie kruipt bij elkaar in mobiele telefoon

Smartphones raken steeds meer verbonden met hun omgeving. Voor de platforms van ST-Ericsson betekent dit dat ze steeds meer draadloze connectiviteit moeten bieden: Bluetooth, FM, GPS, WLan en steeds vaker ook NFC. Manager voor de analoog- en RF-ontwikkeling Mark Tomesen over de trends en uitdagingen in IC-ontwerp voor mobieltjes.

Begin dit jaar lanceerde ST-Ericsson zijn geïntegreerde Novathor-oplossing voor smartphones. Het platform bestaat grofweg uit een applicatieprocessor met een dualcore Arm Cortex-A9 die de gebruikersinterface verzorgt en de programmatuur die daarin draait, een HSPA-modemchip die de communicatie onderhoudt met het cellulaire netwerk en enkele connectiviteits-IC‘s voor functionaliteit als Bluetooth, FM-radio, GPS, WLan en steeds vaker ook NFC. Daarnaast is er een blok voor powermanagement.

De connectiviteit die Novathor biedt, wordt voor een belangrijk deel verzorgd door silicium dat is ontwikkeld in België en Nederland. Zo is de Bluetooth-FM-GPS-combochip op het platform een coproductie van de ST-Ericsson-sites in Nijmegen en Zaventem en het Delftse IC-designhuis Catena. ’Het Bluetooth-stuk komt uit onze keuken‘, vertelt Mark Tomesen, manager analoog- en RF-ontwikkeling bij de Nijmeegse divisie, ’de GPS-functionaliteit uit Zaventem en de FM-radio uit Delft. Catena is altijd een belangrijke partner geweest voor FM, met name de groepen in Science Park Eindhoven en het Zweedse Kista.‘

Op de elfde verdieping van het Fiftytwodegrees-gebouw richten Tomesen en zijn mensen zich vooral op RF-design, niet alleen voor Bluetooth maar ook voor WLan – Novathors Wifi-functionaliteit komt eveneens bij hen vandaan. Daarnaast maken ze analoge schakelingen zoals AD‘s, DA‘s, PLL‘s en switch-mode power supplies. ’Dertig van de ruim vijftig mensen doen puur IC-ontwerp‘, aldus Tomesen. ’Verder hebben we lay-outcapaciteiten, een groep die onze producten valideert en een team dat onze klanten ondersteunt bij de integratie.‘

Digitale ontwerpen maakt de voormalige NXP-club ook, maar niet zo veel. ’Vijf tot tien procent van wat we hier doen, is digitaal‘, schat Tomesen. ’Dan gaat het met name om het digitaliseren van transmitters, waarbij we in feite klassieke analoge functies op een andere manier implementeren. Omdat het zo dicht tegen de fysica aan zit, is het niet veel anders dan analoog design. Het blijven ook analoog-ontwerpers die het doen.‘

Toenemende cohabitatie

Een van de Nijmeegse specialiteiten is het combineren van verschillende RF-signalen op één chip zonder dat deze elkaar in de weg zitten. ’Daar maken we systeemoplossingen voor, waarbij we onder meer de klokken, signalen en interfaces zorgvuldig kiezen‘, zegt Tomesen. ’We definiëren welke blokken wanneer mogen werken en op welke frequenties ze dat dan mogen doen. Ook bepalen we de fysieke designaspecten, zoals waar de isolatie moet komen, en maken we de testcases voor validatie.‘

Cohabitatie, zoals Tomesen het geruisloos samenwonen van verschillende signalen noemt, wordt steeds belangrijker. ’Goedkoper is de trend. Dat betekent zo veel mogelijk IP op één chip. Een paar jaar geleden was het credo om bijvoorbeeld Bluetooth en FM bij het modem te stoppen. Nu zie je de connectivity steeds meer geclusterd worden op een eigen chip, apart van het cellulaire. Deze integratie drukt de kosten: waar je vijf jaar geleden een Bluetooth-chip voor kreeg, heb je straks een hele connectiviteits-IC voor. Het wordt echter ook steeds meer een kunst om alles met elkaar samen te laten werken.‘

ST-Ericsson biedt thans Bluetooth, FM en GPS in verschillende single-chipbundelingen, vrijwel allemaal ontworpen in de Lage Landen. De sites in Nijmegen en Zaventem werken aan uitgebreidere combinaties. Nieuwe technologieën staan te trappelen om zich naast de oude te nestelen op dezelfde chip. WLan komt eraan en daarachter ook NFC. Beide zitten nu nog vaak als stand-alone IC‘s in een handset, maar volgens Tomesen komt daar snel verandering in. Zijn club is druk bezig om de nieuwe IP-blokken toe te voegen.

De toenemende cohabitatie brengt ook de nodige antenne-uitdagingen met zich mee.  Tomesen: ’Een gemiddeld smartphoneplatform heeft wel zeven antennes: voor Bluetooth, FM en GPS elk eentje, een voor WLan op 2,5 GHz en een voor 5 GHz, een voor cellulair en zelf twee als er Mimo op zit. Die vechten allemaal om een plekje boven in de telefoon, waar de gebruiker het apparaat niet vasthoudt en dus het minste signaal blokkeert. Vroeger was cellulair het meest kritiek en zat die antenne daar, maar met de komst van GPS heeft dat de beste plek gekregen. Bij een satelliet zit je namelijk altijd aan de grens, waardoor een hand voor de GPS-antenne al te veel kan zijn.‘

Antennes is niet de business van Tomesen en zijn mensen, dus deze problematiek lijkt wat verder van hun bed. ’Voor onze designers is dat inderdaad zo. Hoewel wij referentieplatforms leveren mét gematchte antennes, zijn het uiteindelijk de klanten die bepalen welke antennes zij eraan hangen en hoe. Onze mensen van customer support helpen ze daar echter bij. Voor hen zijn de antenne-uitdagingen daarom wel degelijk van belang.‘

Beste kaarten

Voor de Nijmegenaren is WLan de technologie van het moment. ’Er was een tijd dat FM heel belangrijk was. Nu is het iets meer aan de zijlijn geraakt. We bouwen het nog steeds in, bijvoorbeeld om radio-ontvangst mogelijk te maken op headsets en telefoons en om muziek van een mobieltje te streamen naar de autoradio. Het is echter geen speerpunt meer. In Bluetooth hebben we de laatste twee jaar een flinke slag gemaakt. Dat hebben we heel klein gekregen. De standaard is nu echter vrijwel uitontwikkeld. Daar gebeurt niet zo veel meer in. Het momentum ligt momenteel bij WLan.‘

Een belangrijke recente ontwikkeling is Wifi Direct. ’Bluetooth kent het idee van profielen: apparaten herkennen elkaar en weten wat ze van elkaar kunnen verwachten. Wifi Direct voegt dit concept toe aan WLan‘, legt Tomesen uit. ’Dat maakt het bijvoorbeeld mogelijk om met een mobiele telefoon automatisch contact te leggen met een groot scherm in de buurt dat WLan ondersteunt en daar HD-video naartoe te streamen. De hoge throughput die dit vereist, is Bluetooth te machtig maar WLan op het lijf geschreven. De designuitdaging is de modulatievorm voor de dataoverdracht. Die is digitaal, maar op zo‘n hoge resolutie dat het bijna analoog is, zo weinig vervorming kun je je veroorloven. Om toch de performance te halen, combineer je eigenlijk een heleboel analoge trucs met digitale technieken als predistortie.‘

Een andere interessante richting is WLan op 60 GHz. ’Omdat 2,5 GHz al zo vol zit, komen er steeds meer toepassingen op 5 GHz. De stap daarna is 60 GHz. Die band is vrijgegeven en daar zie je nu de eerste ontwikkelingen. De applicaties zijn wel heel anders, want hoe hoger de frequentie, hoe ongunstiger de propagatiekarakteristieken: 900 MHz reikt heel ver, 2,5 GHz wat minder ver maar nog steeds een heel eind, 5 GHz is nog beperkter en bij 60 GHz kom je bijna niet meer door muren heen. Als je line-of-sight hebt, zoals bij de communicatie tussen een mobieltje en een nabij scherm, is dat echter geen probleem. Bovendien kun je op 60 GHz een enorme throughput halen vanwege de grote bandbreedte die daar beschikbaar is. Hoe hoger de frequentie, hoe moeilijker de band namelijk is af te bakenen, dus hoe groter de brokken die worden vrijgegeven.‘

Hoewel WLan op de meeste fronten beter of op zijn minst gelijkwaardig is, ziet Tomesen Bluetooth niet zo snel verdrongen worden. ’WLan heeft inderdaad een groter bereik en een veel hogere throughput. Daardoor is het aan de ene kant veel breder toepasbaar, maar aan de andere kant ook veel minder powerefficiënt. Bluetooth is juist op maat gesneden voor een selecte verzameling toepassingen en voor die applicaties is het heel energiezuinig. Dat geldt al helemaal voor Bluetooth Low Energy. WLan is weliswaar terug te schalen en in Nijmegen kijken we intensief naar mogelijkheden om het stroomverbruik verder terug te dringen, maar het wordt nooit zo efficiënt. Daarbij kun je met Bluetooth heel snel een verbinding leggen, binnen een seconde. Dat is ook erg aantrekkelijk.‘

Zigbee, dat van de Bluetooth-concurrenten de beste kaarten heeft als het gaat om energiezuinigheid, staat op de Nijmeegse radar, maar meer nog niet. ’We houden het in de gaten‘, vertelt Tomesen. ’Zigbee kan interessant worden als grote groepen dat in hun mobieltjes willen hebben. Dat zie ik nu nog niet. Headsets is een ander toepassingsgebied, maar daar heb je met Bluetooth al een gevestigde technologie. Die miljarden Bluetooth-devices druk je niet zomaar even uit de markt, of je moet flink wat extra‘s te bieden hebben in termen van bereik, energieconsumptie of snelheid. Ook dat heb ik nog niet ontdekt. Gebruikers zijn heel tevreden met wat ze krijgen bij Bluetooth.‘

Beveiligd en persoonlijk

Een aandachtsgebied dat bij ST-Ericsson in Nijmegen snel in belang wint, is NFC. Het stroomverbruik ligt lager dan bij Bluetooth en de tijd die het kost om een verbinding op te zetten, is korter. ’Met een tiende seconde is NFC daar een factor tien sneller in‘, weet Tomesen. ’Dat maakt de technologie zinvol voor applicaties waarbij een snelle reactie gewenst is. Een tag op een poster zou een NFC-mobieltje bijvoorbeeld direct naar de bijbehorende website kunnen leiden. Het voordeel boven QR-codes is dat zo‘n tag programmeerbaar is. Als je NFC integreert in een connectivity-IC, zou je het ook kunnen gebruiken om het eerste contact tot stand te brengen, waarna je bijvoorbeeld overschakelt naar WLan om grote hoeveelheden data over te sturen.‘

In de vorm van het zogeheten secure element biedt NFC bovendien beveiligd geheugen om toepassingen op te slaan. ’Dat kun je koppelen aan het abonnement dat je hebt met een mobiele telefoon. De resulterende combinatie van beveiligd en persoonlijk geeft weer heel nieuwe mogelijkheden. Bekendste voorbeeld is de elektronische portemonnee. Technisch zitten daar niet zo veel haken en ogen aan. De grootste uitdaging is om iedereen de meerwaarde ervan te laten inzien. Net als bij overgang van laptop naar smartphone, waar we ook middenin zitten, kan dat zomaar tien jaar duren.‘