Elektrisk feltmodulation: forskning fra 2023 i et alternativ til Bluetooth

Bluetooth har været brugt i årtier i telefoner, biler og højttalere. Denne artikel gennemgår forskning fra 2023 i en ny teknologi fra University of Sussex. Elektrisk feltmodulation kan muligvis spare energi ved kommunikation over meget korte afstande og muliggøre mindre kredsløb.

Forståelse af Bluetooth

Først ser vi på, hvordan Bluetooth fungerer.

Hvad er Bluetooth?

Bluetooth er en trådløs teknologi til dataudveksling over korte afstande. Navnet kommer fra Harald Blåtand, kongen der forenede Danmark og Norge i 900-tallet, og symboliserer forbindelsen mellem forskellige enheder.

Ericsson (ERIC ), et svensk teleselskab, indledte udviklingen i 1994 som alternativ til RS-232-kabler. Den første Bluetooth-specifikation blev udgivet i 1999.

De første versioner havde problemer med interoperabilitet. Bluetooth var dog udbredt allerede før 2010. Version 4.0 introducerede det år Bluetooth Low Energy og udvidede især anvendelser med lavt energiforbrug.

Bluetooth bruges til filoverførsel, lyd og kommunikation mellem IoT-enheder. Parring og forbindelser kan give problemer; strømforbruget afhænger af version, anvendelse og driftstilstand.

Wi-Fi Direct og NFC opfylder andre behov for hastighed, rækkevidde og energiforbrug. Elektrisk feltmodulation tilføjer en forskningsretning for enheder tæt på hinanden. Det er ikke påvist, at metoden kan erstatte Bluetooth i alle anvendelser.

Hvordan fungerer det?  Elektromagnetisk modulation

Modulation koder information ved at ændre et signal. Bluetooth bruger radiobølger i ISM-båndet på 2,4 GHz.

Her er tre generelle former for modulation. Bluetooth bruger ikke alle tre som særskilte transmissionsmetoder:

1. Amplitudemodulation (AM): Bølgens amplitude ændres.
2. Frekvensmodulation (FM): Bølgens frekvens ændres.
3. Fasemodulation (PM): Bølgens fase ændres.

Specifikt for Bluetooth:

• Gaussian Frequency-Shift Keying (GFSK): Frekvensændringer koder digitale data. Bluetooth Basic Rate og Bluetooth Low Energy bruger GFSK.
• Enhanced Data Rate (EDR): EDR blev indført med Bluetooth 2.0. Pakkehovedet bruger GFSK, mens nyttelasten bruger fasemodulation, π/4-DQPSK eller 8DPSK, for højere datahastighed.
• Frekvenshop: Sender og modtager skifter kanal koordineret. Det begrænser påvirkningen fra interferens og fading. Sikkerhed kræver særskilte mekanismer til autentifikation og kryptering.

Bluetooth overfører altså data med frekvens- eller fasemodulation afhængigt af driftstilstanden. Kanalskift øger modstandsdygtigheden over for interferens.

Forståelse af elektrisk feltmodulation

Med den baggrund kan vi se på metoden med elektriske felter og dens mulige anvendelser.

Hvad er elektrisk feltmodulation?

Elektrisk feltmodulation undersøger en anden måde at sende data trådløst over meget korte afstande.

Sussex-forskerne, blandt andre professorerne Robert Prance og Daniel Roggen, præsenterede metoden som en mulig energibesparende forbindelse mellem nærliggende enheder. Den bruger elektrisk feltkobling frem for en almindelig udstrålet radioforbindelse. Det er stadig elektromagnetisk fysik, ikke et fænomen uden for elektromagnetismen.

Ved at styre ændringer i det elektriske felt kan nærliggende kredsløb udveksle data. Den oprindelige artikel oplyste, at prototypen sendte 8-bit monolyd med en samplingsfrekvens på 16 kHz, svarende til 128 kbps. Den rapporterede en bitfejlrate (BER) under 10^−6.7 ved 50 cm og under 10⁻⁴ ved 75 cm. Det er rapporterede resultater for den konkrete forsøgsopstilling, ikke garanteret ydelse for alle enheder.

Den korte rækkevidde passer til kropsbårne og personlige enheder, som bruges tæt på hinanden. Forskerne vurderer, at en mere energibesparende forbindelse kan forlænge batteritiden.

Holdet foreslog også nye former for samspil:

Sussex nævner udveksling af kontaktoplysninger ved et håndtryk og åbning af en dør ved berøring som mulige anvendelser.

Idéerne knytter dataudveksling til daglige handlinger og kræver passende udstyr.

Mulige fordele

Daniel Roggen, professor i teknik og design ved Sussex, beskrev mulighederne:

Elektrisk feltkobling mellem nærliggende enheder kan muligvis reducere energiforbruget og give nye måder at betjene apparater i hjemmet på.

Omkostninger og kredsløbenes størrelse påvirker mulighederne for udbredelse. Roggen vurderede:

Ved masseproduktion kan løsningen muligvis integreres i en enkelt chip til en pris på nogle få britiske pence pr. enhed.

De mulige fordele gælder især forbindelser over meget korte afstande. Pris, strømforbrug og brugervenlighed skal vurderes for hver anvendelse. I november 2023 søgte universitetet industrielle partnere til yderligere miniaturisering.

Muligheden for integration i et lille kredsløb gør metoden interessant til kropsbårne enheder og produkter til intelligente hjem. Det beviser ikke generel overlegenhed i forhold til Bluetooth eller kommerciel parathed.

Mulige anvendelser

Mulige anvendelsesområder omfatter:

• Kropsbåren teknologi: Aktivitetsarmbånd og smarture kan muligvis kommunikere med nærliggende telefoner med mindre energi.
• Smart home-interaktion: Lys eller termostater kan muligvis betjenes ved berøring.
• Socialt og professionelt netværk: Kontaktoplysninger eller profiler kan muligvis deles med et håndtryk.
• Sikkerhedsapplikationer: Berøring af et dørhåndtag kan muligvis aktivere nøglefri adgang. Sikker adgang kræver stadig autentifikation.

Disse foreslåede anvendelser kombinerer fysiske bevægelser med datakommunikation.

Virksomheder i branchen

Det er ikke fastslået her, at følgende virksomheder bruger netop Sussex-metoden. De er eksempler på virksomheder inden for trådløs forbindelse.

*Tabellerne bevarer historiske tal fra artiklen i 2023, ikke aktuelle værdiansættelser. Markedsværdi og EPS er i amerikanske dollar. Broadcoms tal pr. aktie er fra før aktiesplittet 10:1 i juli 2024. Intels forventede P/E og historiske EPS vedrører forskellige perioder.*

1.  NXP Semiconductors

NXP Semiconductors (VNX.DE ) (NXPI ), en nederlandsk halvlederproducent, har et bredt udvalg til trådløs kommunikation. Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, NFC og Ultra-Wideband bruges i biler, IoT og intelligente hjem. Teknologierne understøtter præcis positionering, trådløs styring og forbindelsesstandarder som Matter. NXP købte Marvells trådløse aktiviteter i 2019. Løsningerne bruges i industriel IoT samt medicinsk elektronik og forbrugerelektronik.

2.  Broadcom Inc.

AVGO Prisdiagram

Broadcom Inc. (AVGO ) er en multinational virksomhed inden for halvledere og infrastruktursoftware. Den betjener markeder for kablet og trådløs kommunikation, virksomheders datalagring og industri. Sortimentet omfatter digitale CMOS-kredsløb og kredsløb til blandede signaler, analoge III-V-produkter, lageradaptere og controllere. De to hovedsegmenter er halvlederløsninger og infrastruktursoftware. Virksomheden leverer også komponenter til trådløs kommunikation.

3.  Intel Corporation

INTC Prisdiagram

Intel (INTC ) Corporation er en amerikansk halvlederproducent grundlagt i 1968. Intel bidrog til udviklingen af SRAM- og DRAM-hukommelse og introducerede den første kommercielt tilgængelige mikroprocessor, 4004, i 1971. Væksten i personlige computere i 1980’erne styrkede fokus på mikroprocessorer. I den historiske oversigt fra 2023 omfattede aktiviteterne processorer, chipsæt, netværkscontrollere og grafikchips. Konkurrence fra blandt andre AMD påvirkede markedsandelen og drev strategiske ændringer inden for halvlederbranchen.

Andre børsnoterede virksomheder

Afsluttende tanker

Elektrisk feltmodulation er en interessant forskningsretning til kommunikation over meget korte afstande. Sussex-gruppen sigter mod lavere energiforbrug og nye former for samspil. Bluetooth betjener fortsat en lang række enheder og anvendelser.

Videre udvikling og integration i produkter vil vise, hvor metoden giver praktiske fordele. Præsentationen fra 2023 beskriver en udviklingsmulighed, ikke en færdig erstatning for Bluetooth.