Michiel Soer is chief engineer en medeoprichter van Spark Microsystems in het Canadese Montreal. Hij studeerde en promoveerde in de elektrotechniek aan de Universiteit Twente.

12 February

Ultrawideband (UWB) leek een roemloze dood gestorven. Verschillende grote en kleine bedrijven hebben de technologie echter nieuw leven ingeblazen. De Canadese startup Spark Microsystems van de Nederlandse chief engineer Michiel Soer won onlangs zelfs de Nokia Innovation Challenge met zijn ultrazuinige UWB-radio.

Het is eerste kerstdag 2018. Ik zou graag bij mijn familie willen zijn, maar de tape-outdeadline is op 2 januari en er is zo weinig tijd over en nog zo veel te doen. Ik zie niemand op kantoor en plof neer in mijn stoel voor mijn pc. Joe heeft gisteren nog doorgewerkt en cruciale metingen gedaan aan de chip, hopelijk kan ik nu achterhalen wat ik moet veranderen in de lay-out. Ah, ik ben eindelijk ingelogd op de pc, ik verbind met de usb-drive in mijn broekzak en ga door de bestanden heen …

Wacht even, hier klopt iets niet. Draadloos verbinden met een usb-drive? Dit was de toekomst die we kregen voorgeschoteld in 2002, met de ontwikkeling van de IEEE 802.15.3a-standaard, ook bekend als Wimedia. Deze technologie beloofde USB 2.0-achtige datasnelheden over korte draadloze verbindingen. Ideaal voor computerrandapparatuur. Jammer genoeg had de onderliggende Ultrawideband-technologie (UWB) te veel haken en ogen, en na zeven jaar ging de stekker uit het Wimedia-consortium.

Snel vooruitspoelen naar vandaag: UWB is weer in het vizier van de grote chipontwikkelaars, plus een aantal startups. Hebben we dan niets geleerd van het Wimedia-debacle of kunnen we het deze keer anders aanpakken? Bij Spark Microsystems hebben we de afgelopen jaren een UWB-technologie ontwikkeld voor ultrazuinige dataverbindingen voor streaming- en internet of things-toepassingen, en we denken dat we nu de juiste UWB-formule te pakken hebben.

De UWB-chip van Spark op een radiomodule

Wat is UWB?

De meeste commerciële radiosystemen zijn smalbandig: de gemoduleerde bandbreedte is vele malen kleiner dan de frequentie van de draaggolf. Bij UWB is de bandbreedte een significante fractie van de draaggolffrequentie. Dit heeft twee gevolgen. Ten eerste is de datasnelheid ruwweg evenredig met de gebruikte bandbreedte. UWB heeft dus de potentie om snelle dataverbindingen te ondersteunen. Ten tweede is het maximale bereik omgekeerd evenredig met de bandbreedte. Dit betekent dat UWB-systemen beperkt zijn in het bereik.

Het Wimedia-consortium propageerde orthogonal frequency division multiplexing (ofdm) om een datasnelheid tot 480 Mb/s te halen over een afstand van ongeveer tien meter. In de uiteindelijke technische implementaties bleek deze snelheid onrealistisch. Binnen het consortium konden ze het bovendien niet eens worden over de standaard.

Nadat was gebleken dat ofdm ongeschikt was als implementatie voor UWB-systemen, kwam de nadruk in onderzoek te liggen op impulsradio’s. Deze gebruiken geen draaggolf, maar zenden in plaats daarvan snel achter elkaar series van pulsen uit. De voordelen hiervan zijn een simpelere modulatie en immuniteit tegen multipadverzwakking. De gebruikte modulatie is meestal on/off keying (ook) of pulse position modulation (ppm).

UWB bij Spark

Spark Microsystems hebben we in 2016 opgericht met als fundament een combinatie van innovatie-ideeën voor een energiezuinige UWB-radio. Ten eerste hadden we geconcludeerd dat coherente radioarchitecturen, waarin de rf-klokfrequentie zeer nauwkeurig is bepaald, veel energie gebruiken voor de kloksynthese. We kwamen daarom met een idee voor een niet-coherente radio, die een grote afwijking in de rf-klok tolereert zonder veel gevoeligheid op te offeren.

Ten tweede hadden we het idee om datapakketten zo snel mogelijk te versturen en de radio verder zo veel mogelijk te laten slapen. Het verbruik is dan relatief hoog gedurende verzending, maar gemiddeld gezien laag. De benodigde energie voor een datapakket bleken we te kunnen voorzien uit een condensator die al aanwezig was om de voeding te stabiliseren.

Ten derde waren we ons ervan bewust dat de ideale datasnelheid met hoge energie-efficiëntie niet lag in de honderden megabits per seconde, maar in enkele tientallen. Bij deze lagere snelheden is er een balans voor de energie die nodig is om de klokken te genereren en de energie gebruikt om bits te zenden en ontvangen. In de ontwerpfase hadden we een onverwachte tegenvaller toen we erachter kwamen dat het genereren van de symboolklok met een kristal meer energie verbruikte dan de daadwerkelijke radio. Uiteindelijk bleek dat het vermenigvuldigen van een zeer laagfrequent 32,768 kHz kristal met een phased-lock loop tot de vereiste symboolklok veel zuiniger was. Het heeft wel even geduurd om de faseruis van dit systeem laag genoeg te krijgen.

Toepassingen

Met ons UWB-systeem hebben we een flexibele radio ontwikkeld die dankzij een energiezuinig ontwerp efficiënt werkt bij zowel hoge als lage datasnelheden. Een aantrekkelijke toepassing ligt in het draadloos streamen van hoogkwalitatieve audio naar draagbare hoofdtelefoons. De huidige technologieën hebben een te lage datasnelheid en een hoog stroomverbruik, wat leidt tot lage geluidskwaliteit en een korte batterijduur. Onze UWB-radio biedt genoeg datasnelheid om een lage compressie toe te passen op de audio, wat resulteert in geluid van cd-kwaliteit met een korte signaalvertraging. Dit laatste is belangrijk in interactieve toepassingen thuis, waar vertraging van het geluid zeer merkbaar is.

Daarnaast zien wij ook mogelijkheden in superzuinige iot-sensorsystemen. Deze snelgroeiende markt voorziet in kleine draadloze apparaten die hun eigen energie verzamelen en periodiek data verzenden naar een centraal netwerk. Onze UWB-radio is uitstekend geschikt voor deze toepassingen vanwege het lage piekstroomgebruik van de batterij en de lage energiekosten voor het verzenden van een datapakket.

UWB verdient een tweede kans, nu met de nadruk op energiezuinige radio’s. De technologie is hiervoor uitermate geschikt, omdat de radio’s snel kunnen schakelen tussen verzending en slaapstand. Er is wel een omslag nodig in het radio-ontwerp: hier moeten nieuwe technieken voor komen, aangezien de traditionele aanpakken niet geschikt zijn. Gelukkig is er volop aandacht voor UWB in zowel onderzoek als industrie, zodat de kans groot is dat consumenten de vruchten van onze arbeid gaan plukken.

Het is december 2018. Ik werk achter mijn pc aan de tape-out en alles gaat soepel. Mijn hoofdtelefoon speelt mijn favoriete stuk muziek draadloos met cd-kwaliteit over een Spark-verbinding vanuit de andere hoek van de kamer. Puur genieten. Mijn telefoon gaat en aan de andere kant van de lijn hangt onze ceo vanuit Bell Labs in Murray Hill: ‘We hebben de Nokia Innovation Challenge gewonnen!’ Ik ren naar de andere kamer met onze ingenieurs en roep: ‘We hebben gewonnen, we hebben gewonnen!’ Gejuich barst uit en iedereen springt op. Na enkele minuten loop ik weer terug naar mijn bureau en ga zitten met een tevreden gevoel van euforie: alles is precies zoals het zou moeten zijn.

Edited by Nieke Roos