Ett universellt chip för mobiltelefoner

Forskning från University of California, Los Angeles (UCLA) har visat att ett enda trådlöst chip – kalla det universella chipet – kan finnas i mobiltelefoner, såväl som andra trådlösa prylar, på så lite som tre år, vilket förlänger deras batteri. liv, vilket möjliggör snyggare design och ger dem tillgång till funktioner utöver Wi-Fi, GPS, global telefontjänst och Bluetooth.

En prototyp för mottagardelen av ett universellt trådlöst chip som kan ta emot radiofrekvenser från 800 megahertz till 6 gigahertz – vilket skulle kunna eliminera behovet av flera chips i mobila enheter, förlänga deras batteritid och göra dem mindre. (Foto med tillstånd av Asad Abidi, UCLA.)

Dagens mobiltelefoner kan innehålla upp till sex trådlösa radiochip, som skickar och tar emot information i form av elektromagnetiska vågor. Varje chip har en specifik funktion: det finns ett som är utformat för att fungera med frekvensen av mobiloperatörens signal och andra för Wi-Fi, GPS och Bluetooth-frekvenser.

Historiskt sett, ingenjörer har designat dessa chips för att fungera inom endast ett litet frekvensområde i radiospektrumet. Till exempel, för att kommunicera med ett mobiltelefontorn, kan ett chip optimeras för att skicka och ta emot information med 900 megahertz (eller annan frekvens beroende på tjänsteleverantör). För att komma åt en Wi-Fi-signal måste ett separat chip läggas till, för att kommunicera i 2,4 gigahertz-bandet.

Även om vissa chiptillverkare (som Texas Instruments) har byggt och distribuerat triband- och quadband-chips som kan ställas in på tre eller fyra olika band, har det förblivit en utmaning att designa ett verkligt universellt chip som kan komma åt alla frekvenser. Men incitamentet finns där: en telefon med ett universellt chip kan komma åt vilken tjänst som helst på spektrumet – från lokal tv och radio, till Wi-Fi och WiMax – förutom att spara ström och värdefullt utrymme i krympande prylar.

Den trådlösa världen behöver inte mer anpassade radioapparater som du stoppar i en telefon, säger Asad Abidi , professor i integrerade kretsar och system vid UCLA och ledande forskare på det universella chipprojektet. Istället behöver den en mångsidig radio som är så allmän och så flexibel att [den] kan ta emot TV, Bluetooth-anslutningar och trådlöst internet.

Detta universella chip skulle ge flexibilitet liknande den för en bilradiotuner, vilket gör att de flesta stationer kan ignoreras och nollställas på bara en frekvens. Teamets chipdesign, som presenterades i februari vid International Solid-State Circuits Conference i San Francisco, är ett arbete som går mot att göra en riktig avstämbar radio, säger Bill Krenik, chef för trådlös avancerad arkitektur på Texas Instruments. Abidi har designat ett chip som kan komma åt alla inkommande radiosignaler, säger han, över ett spektrum från 800 megahertz till 5 gigahertz.

UCLA-teamets arbete bygger på ett tekniskt koncept som kallas mjukvarudefinierad radio eller SDR. Först föreslogs i början av 1990-talet av Joe Mitola från Mitre Corporation, SDR bygger på konceptet att omvandla alla inkommande radiosignaler (som är elektromagnetiska vågor och därför analoga) till digitala ett s och 0 s. Detta skulle göra det möjligt för en krets programvara att sortera igenom olika frekvensband och välja ut det av intresse. Genom att använda programvara kringgår behovet av att designa och lägga till en specifik radio för varje band.

En universell radioantenn tar emot alla typer av signaler som färdas genom luften – vissa starka, andra svaga – och alla med olika frekvenser. För att konvertera varje analog signal till digital form skulle ett chip kräva en analog-till-digital-omvandlare som förbränner flera hundra watt effekt, säger Abidi – alldeles för mycket för en bärbar enhet.

Därför använde hans team en modifierad version av SDR som utnyttjar det faktum att inte alla inkommande signaler behöver konverteras på en gång. Folk är vanligtvis bara intresserade av en kanal åt gången, säger han, som att använda Wi-Fi eller prata via en specifik frekvens i ett mobilnät. Så forskarna inkorporerade en typ av enhet – som tidigare bara användes i obskyra applikationer – i sin krets som kan undersöka det stora utbudet av radiofrekvenser, välja ut det intressanta bandet och framhäva det, samtidigt som de understryker de andra. I huvudsak kan detta verktyg – vad ingenjörer kallar en bredbandskantutjämningsenhet – komma åt spektrumet och fokusera på ett enda band, så att endast små mängder analog information behöver omvandlas till en digital signal. Genom att bygga in bandval i kretsen tar analog-till-digital-omvandlingen bara tiotals milliwatt effekt, säger Abidi.

Deras framsteg, noterar han, var att inse potentialen för denna tidigare underutnyttjade bredbandskantutjämningsenhet och att integrera den med andra bredbandskretskomponenter för att bygga en komplett mottagare. Konceptet hade funnits ett tag, förklarar han, men ingen såg hur kraftfullt det skulle vara för programvarudefinierade radioapplikationer.

Ett chip som sorterar ut den inkommande signalen som Abidis är den typ av teknik som kan hjälpa SDR att bli verklighet i mobiltelefoner, säger Bruce Fette, chefsforskare för kommunikationsnätverk på General Dynamics C4 Systems, ett företag som bygger stora mjukvarudefinierade radioutrustning för militärt bruk. Och idén med SDR blir mer attraktiv för mobila enhetsindustrin, säger han, eftersom det ger så mycket mer flexibilitet i funktionerna för en enda enhet, allt från att använda samma mobiltelefon över hela världen, till att ha en PDA upplåst din bildörr.

Abidi säger att det fortfarande finns mer forskning att göra innan chippet är redo för kommersiella tillämpningar. För det första har hans team bara löst problemet med att konvertera inkommande analoga till digitala signaler över ett så brett spektrum av frekvenser. Trådlösa enheter måste också sända en utgående analog signal. Ett verkligt universellt chip kommer att behöva konvertera utgående signaler från digital till analog form över ett liknande brett frekvensområde.

Ändå har hans team löst den svåraste delen av problemet genom att vända sig till mottagaren, säger Abidi. Inkommande signaler är mycket mer komplicerade eftersom du med en mottagare lyssnar på hela världen, säger han, medan du med sändare inte brottas med oönskade signaler.

Krenik tillägger att även om Adibis framsteg inte löser alla problem som branschen står inför, så lägger det en stark grund för fortsatt arbete mot SRD.

Abidi och hans team hoppas kunna lösa de återstående tekniska problemen med sitt universella chip till sensommaren. Därifrån kommer arbetet från andra forskare som designar den digitala processorn och mjukvaran för SDR att spela in, säger han. Abidi uppskattar att alla dessa bitar kommer att samlas för en prototyp någon gång nästa år. Och, säger han, ett universellt chip kan finnas i handhållna trådlösa prylar inom tre till fem år.

Hemsidans foto med tillstånd av Asad Abidi, UCLA. Bildtext: En prototyp för mottagardelen av ett universellt trådlöst chip som kan ta emot radiofrekvenser från 800 megahertz till 6 gigahertz – vilket skulle kunna eliminera behovet av flera chips i mobila enheter, förlänga deras batterilivslängd och göra dem mindre.

Dölj