Sähkökenttämodulaatio: vuoden 2023 tutkimus Bluetoothin vaihtoehdosta

Bluetoothia on käytetty vuosikymmeniä puhelimissa, autoissa ja kaiuttimissa. Tässä artikkelissa tarkastellaan vuonna 2023 esiteltyä uutta teknologiaa, jota Sussexin yliopiston tutkijat kehittivät. Sähkökenttämodulaatio voisi säästää energiaa hyvin lyhyen kantaman yhteyksissä ja mahdollistaa pienemmät piirit.

Bluetoothin ymmärtäminen

Ennen sähkökenttämodulaation tarkastelua on hyvä ymmärtää Bluetoothin toimintaperiaate.

Mikä on Bluetooth?

Bluetooth on langaton tiedonsiirtotekniikka lyhyille etäisyyksille. Nimi viittaa 900-luvulla eläneeseen kuningas Harald Sinihampaaseen, joka yhdisti Tanskan ja Norjan. Se symboloi erilaisten laitteiden yhdistämistä.

Ericsson (ERIC ), ruotsalainen tietoliikenneyritys, aloitti kehityksen vuonna 1994 vaihtoehdoksi RS-232-kaapeleille. Ensimmäinen Bluetooth-määritys julkaistiin vuonna 1999.

Varhaisissa versioissa oli yhteentoimivuusongelmia. Bluetooth oli kuitenkin laajassa käytössä jo ennen vuotta 2010. Tuolloin julkaistu versio 4.0 toi Bluetooth Low Energyn, joka laajensi etenkin vähän energiaa kuluttavia käyttökohteita.

Bluetoothia käytetään tiedostojen ja äänen siirtoon sekä esineiden internetin (IoT) laitteiden yhteyksiin. Pariliitos ja yhteys voivat aiheuttaa ongelmia. Virrankulutus riippuu versiosta, käyttökohteesta ja toimintatilasta.

Wi-Fi Direct ja NFC palvelevat erilaisia nopeus-, kantama- ja energiantarpeita. Sähkökenttämodulaatio tarjoaa uuden tutkimussuunnan lähellä toisiaan oleville laitteille. Sen ei ole osoitettu korvaavan Bluetoothia kaikissa käyttökohteissa.

Miten se toimii?  Elektromagneettinen modulaatio

Modulaatiossa tietoa koodataan muuttamalla signaalia. Bluetooth käyttää 2,4 GHz:n ISM-taajuusalueen radioaaltoja.

Seuraavat ovat kolme yleistä modulaatiotapaa. Bluetooth ei käytä niitä kaikkia erillisinä tiedonsiirtomenetelminä:

1. Amplitudimodulaatio (AM): Aallon amplitudia eli voimakkuutta muutetaan.
2. Taajuusmodulaatio (FM): Aallon taajuutta muutetaan.
3. Vaihemodulaatio (PM): Aallon vaihetta muutetaan.

Bluetoothissa käytetään erityisesti seuraavia menetelmiä:

• Gaussinen taajuussiirtokoodaus (GFSK): Taajuuden muutokset koodaavat digitaalista tietoa. Bluetooth Basic Rate ja Bluetooth Low Energy käyttävät GFSK:ta.
• Parannettu tiedonsiirtonopeus (EDR): EDR tuli käyttöön Bluetooth 2.0:ssa. Paketin otsake käyttää GFSK:ta ja hyötykuorma vaihemodulaatiota, π/4-DQPSK:ta tai 8DPSK:ta, suurempaa siirtonopeutta varten.
• Taajuushyppely: Lähetin ja vastaanotin vaihtavat kanavaa sovitusti. Tämä vähentää häiriöiden ja häipymisen vaikutusta. Tietoturva edellyttää erillisiä todentamis- ja salausmekanismeja.

Bluetooth siis siirtää tietoa taajuus- tai vaihemodulaatiolla toimintatilasta riippuen. Kanavanvaihto parantaa häiriönsietoa.

Sähkökenttämodulaation ymmärtäminen

Tämän pohjalta voidaan tarkastella sähkökenttään perustuvaa lähestymistapaa ja sen mahdollisia käyttökohteita.

Mikä on sähkökenttämodulaatio?

Sähkökenttämodulaatiolla tutkitaan toisenlaista tapaa siirtää tietoa langattomasti hyvin lyhyillä etäisyyksillä.

Sussexin tutkijat, muun muassa professorit Robert Prance ja Daniel Roggen, esittelivät menetelmän mahdollisena vähävirtaisena ratkaisuna lähellä toisiaan oleville laitteille. Menetelmä käyttää sähkökenttäkytkentää tavallisen säteilevän radioyhteyden sijaan. Se kuuluu silti sähkömagnetismiin; kyse ei ole sen ulkopuolisesta ilmiöstä.

Sähkökenttää hallitusti muuttamalla voidaan siirtää tietoa lähekkäisten piirien välillä. Alkuperäinen artikkeli kertoi prototyypin siirtävän 8-bittistä monoääntä 16 kHz:n näytteenottotaajuudella eli 128 kbps:n nopeudella. Sen mukaan bittivirhesuhde (BER) oli alle 10^−6.7 50 cm:n etäisyydellä ja alle 10⁻⁴ 75 cm:n etäisyydellä. Nämä ovat kyseiselle koejärjestelylle ilmoitettuja tuloksia, eivät kaikkien laitteiden taattuja suoritusarvoja.

Lyhyt kantama sopii puettaville ja henkilökohtaisille laitteille, jotka ovat lähellä toisiaan. Tutkijat arvioivat vähävirtaisemman yhteyden voivan pidentää akunkestoa.

Sussexin tiedotteessa mahdollisiksi käyttökohteiksi ehdotetaan yhteystietojen vaihtamista kädenpuristuksella ja oven avaamista kahvaa koskettamalla.

Mahdolliset edut

Sussexin tekniikan ja suunnittelun professori Daniel Roggen kuvasi mahdollisuuksia seuraavasti:

Lähekkäisten laitteiden sähkökenttäkytkentä voisi vähentää energiankulutusta ja mahdollistaa uudenlaisia vuorovaikutustapoja kodin laitteiden kanssa.

Kustannukset ja piirien koko vaikuttavat tekniikan yleistymiseen. Roggen arvioi:

Massatuotannossa ratkaisu voitaisiin yhdistää yhteen siruun, jonka kustannus olisi muutama Britannian penny laitetta kohti.

Mahdolliset hyödyt koskevat etenkin hyvin lyhyen kantaman yhteyksiä. Kustannukset, virrankulutus ja käytettävyys on arvioitava käyttökohteittain. Marraskuussa 2023 yliopisto etsi teollisia kumppaneita tekniikan pienentämiseksi edelleen.

Pieneen piiriin integroiminen tekee menetelmästä kiinnostavan puettaville laitteille ja älykodin tuotteille. Se ei osoita yleistä paremmuutta Bluetoothiin nähden tai kaupallista valmiutta.

Käytännön sovellukset

Mahdollisia käyttökohteita ovat:

• Puettavat laitteet: Aktiivisuusrannekkeet ja älykellot voisivat viestiä lähellä olevien puhelinten kanssa pienemmällä energiankulutuksella.
• Älykodin vuorovaikutus: Valaistusta tai termostaattia voitaisiin ohjata koskettamalla.
• Sosiaalinen ja ammatillinen verkostoituminen: Yhteystietoja tai profiileja voitaisiin jakaa esimerkiksi kädenpuristuksella.
• Turvasovellukset: Ovenkahvan kosketus voisi käynnistää avaimettoman sisäänpääsyn. Turvallinen pääsy edellyttää silti käyttäjän todentamista.

Nämä ehdotetut sovellukset yhdistävät fyysiset eleet ja tiedonsiirron.

Alan toimijat

Tässä ei ole vahvistettu, että seuraavat yhtiöt käyttäisivät juuri Sussexin menetelmää. Ne ovat esimerkkejä langattomien yhteyksien alalla toimivista yrityksistä.

*Taulukot säilyttävät vuoden 2023 artikkelissa esitetyt historialliset luvut, eivät nykyisiä arvostuksia. Markkina-arvo ja EPS ovat Yhdysvaltain dollareissa. Broadcomin osakekohtaiset luvut edeltävät heinäkuun 2024 osakejakoa suhteessa 10:1. Intelin ennustettu P/E ja historiallinen EPS koskevat eri ajanjaksoja.*

1.  NXP Semiconductors

NXP Semiconductors (VNX.DE ) (NXPI ), alankomaalainen puolijohdevalmistaja, tarjoaa laajan valikoiman langattomia ratkaisuja. Sen Bluetooth Low Energy-, Wi-Fi-, NFC- ja Ultra-Wideband-tuotteita käytetään autoissa, IoT-laitteissa ja älykodeissa. Tekniikat tukevat tarkkaa paikannusta, langatonta ohjausta ja Matterin kaltaisia yhteysstandardeja. NXP osti Marvellin langattomat liiketoiminnot vuonna 2019. Sen ratkaisuja käytetään teollisessa IoT:ssä sekä lääketieteellisessä ja kuluttajaelektroniikassa.

2.  Broadcom Inc.

AVGO Hintakaavio

Broadcom Inc. (AVGO ) on monikansallinen puolijohde- ja infrastruktuuriohjelmistoyhtiö. Se palvelee langallisen ja langattoman viestinnän, yritysten tiedontallennuksen ja teollisuuden markkinoita. Tuotevalikoimaan kuuluvat digitaaliset ja sekasignaali-CMOS-piirit, analogiset III-V-tuotteet, tallennussovittimet ja ohjaimet. Kaksi pääsegmenttiä ovat puolijohderatkaisut ja infrastruktuuriohjelmistot. Yhtiö toimittaa myös langattoman viestinnän komponentteja.

3.  Intel Corporation

INTC Hintakaavio

Intel (INTC ) Corporation on vuonna 1968 perustettu yhdysvaltalainen puolijohdevalmistaja. Intel osallistui SRAM- ja DRAM-muistien kehittämiseen ja esitteli ensimmäisen kaupallisesti saatavan mikroprosessorin, 4004:n, vuonna 1971. Henkilökohtaisten tietokoneiden kasvu 1980-luvulla vahvisti keskittymistä mikroprosessoreihin. Vuoden 2023 historiallisessa katsauksessa toimintaan kuuluivat prosessorit, piirisarjat, verkko-ohjaimet ja grafiikkapiirit. Kilpailu esimerkiksi AMD:n kanssa vaikutti markkinaosuuteen ja johti strategisiin muutoksiin puolijohdealalla.

Huomionarvoiset maininnat

Myös seuraavat pörssiyhtiöt toimivat vastaavilla teknologia-aloilla:

Lopulliset ajatukset

Sähkökenttämodulaatio on kiinnostava tutkimussuunta hyvin lyhyen kantaman viestintään. Sussexin ryhmä tavoittelee pienempää virrankulutusta ja uusia vuorovaikutustapoja. Bluetooth palvelee edelleen laajaa laite- ja sovellusjoukkoa.

Jatkokehitys ja integrointi tuotteisiin osoittavat, missä menetelmä tarjoaa käytännön etuja. Vuoden 2023 tiedote esittelee kehitysmahdollisuuden, ei Bluetoothin valmista korvaajaa.