Elektrisk fältmodulering: forskning från 2023 om ett alternativ till Bluetooth

Bluetooth har använts i årtionden i telefoner, bilar och högtalare. Den här artikeln beskriver forskning från 2023 om en ny teknik från University of Sussex. Elektrisk fältmodulering skulle kunna minska energiförbrukningen för mycket korta förbindelser och möjliggöra mindre kretsar.

Förstå Bluetooth

Innan vi dyker ner i elektrisk fältmodulering och dess fördelar är det viktigt att förstå vad Bluetooth är och hur det fungerar.

Vad är Bluetooth?

Bluetooth är en trådlös teknik för datautbyte över korta avstånd. Namnet kommer från Harald Blåtand, kungen som förenade Danmark och Norge på 900-talet, och symboliserar att förena olika enheter.

Ericsson (ERIC ), ett svenskt telekommunikationsföretag, inledde utvecklingen 1994 som ett alternativ till RS-232-kablar. Den första Bluetooth-specifikationen publicerades 1999.

De första versionerna hade problem med interoperabilitet. Bluetooth användes dock brett redan före 2010. Version 4.0 introducerade det året Bluetooth Low Energy och utökade framför allt användningsområden med låg energiförbrukning.

Bluetooth används för filöverföring, ljud och kommunikation mellan IoT-enheter. Parkoppling och anslutningar kan ge problem, medan energiförbrukningen beror på version, användningsområde och driftläge.

Wi-Fi Direct och NFC möter andra behov av hastighet, räckvidd och energiförbrukning. Elektrisk fältmodulering tillför ett forskningsspår för närliggande enheter. Någon generell ersättning för Bluetooth är därmed inte visad.

Hur fungerar det?  Elektromagnetisk modulering

Modulering kodar information genom att förändra en signal. Bluetooth använder radiovågor i ISM-bandet på 2,4 GHz.

Nedan följer tre allmänna typer av modulering. Bluetooth använder inte alla tre som separata överföringsmetoder:

1. Amplitudmodulering (AM): Vågens amplitud ändras.
2. Frekvensmodulering (FM): Vågens frekvens ändras.
3. Fasmodulering (PM): Vågens fas ändras.

För Bluetooth specifikt:

• Gaussian Frequency-Shift Keying (GFSK): Frekvensändringar kodar digital information. Bluetooth Basic Rate och Bluetooth Low Energy använder GFSK.
• Enhanced Data Rate (EDR): EDR infördes med Bluetooth 2.0. Pakethuvudet använder GFSK och nyttolasten fasmodulering, π/4-DQPSK eller 8DPSK, för högre datahastighet.
• Frekvenshoppning: Sändare och mottagare byter kanal samordnat. Det minskar påverkan från störningar och fädning. Säkerhet kräver separata mekanismer för autentisering och kryptering.

Bluetooth överför alltså data med frekvens- eller fasmodulering beroende på driftläge. Kanalbyten förbättrar störningståligheten.

Förstå elektrisk fältmodulering

Med den bakgrunden kan vi undersöka metoden med elektriska fält och dess möjliga användningsområden.

Vad är elektrisk fältmodulering?

Elektrisk fältmodulering undersöker ett annat sätt att överföra data trådlöst över mycket korta avstånd.

Sussex-forskarna, bland andra professorerna Robert Prance och Daniel Roggen, presenterade metoden som en möjlig energisnål förbindelse mellan närliggande enheter. Den använder elektrisk fältkoppling i stället för en vanlig utstrålad radiolänk. Även detta är elektromagnetisk fysik, inte ett fenomen utanför elektromagnetismen.

Genom att styra förändringar i det elektriska fältet kan närliggande kretsar utbyta data. Ursprungstexten uppgav att prototypen överförde 8-bitars monoljud med samplingsfrekvensen 16 kHz, motsvarande 128 kbps. Den rapporterade en bitfelskvot (BER) under 10^−6.7 vid 50 cm och under 10⁻⁴ vid 75 cm. Det är rapporterade resultat för den specifika uppställningen, inte garanterad prestanda för varje enhet.

Den korta räckvidden passar kroppsburna och personliga enheter som befinner sig nära varandra. Forskarna bedömer att en energisnålare länk skulle kunna förlänga batteritiden.

Sussex nämner i sin presentation utbyte av kontaktuppgifter genom ett handslag och upplåsning av en dörr genom beröring som möjliga tillämpningar.

Idéerna kopplar datautbyte till vardagliga handlingar och kräver lämplig utrustning.

Möjliga fördelar

Daniel Roggen, professor i teknik och design vid Sussex, beskrev möjligheterna:

Elektrisk fältkoppling mellan närliggande enheter skulle kunna minska energiförbrukningen och möjliggöra nya sätt att samverka med apparater i hemmet.

Kostnad och kretsstorlek påverkar möjligheterna till bred användning. Roggen uppskattade att:

Vid massproduktion skulle lösningen kunna integreras i ett enda chip till en kostnad av några brittiska pence per enhet.

De möjliga fördelarna gäller främst förbindelser över mycket korta avstånd. Kostnad, energiförbrukning och användbarhet måste bedömas för varje tillämpning. I november 2023 sökte universitetet industripartner för ytterligare miniatyrisering.

Möjligheten att integrera lösningen i en liten krets gör den intressant för kroppsburna enheter och smarta hem. Det visar inte generell överlägsenhet gentemot Bluetooth eller att tekniken är kommersiellt färdig.

Möjliga tillämpningar

Möjliga användningsområden omfattar:

• Kroppsburen teknik: Aktivitetsarmband och smartklockor skulle kunna kommunicera med närliggande telefoner med lägre energiförbrukning.
• Smart hem‑interaktion: Belysning eller termostater skulle kunna styras genom beröring.
• Socialt och professionellt nätverkande: Kontaktuppgifter eller profiler skulle exempelvis kunna delas genom ett handslag.
• Säkerhetsapplikationer: Beröring av ett dörrhandtag skulle kunna aktivera nyckelfri åtkomst. Säker åtkomst kräver fortfarande autentisering.

Dessa föreslagna tillämpningar kombinerar fysiska rörelser med dataöverföring.

Branschaktörer

Det är inte fastställt här att följande företag använder just Sussex-metoden. De är exempel på företag inom trådlös anslutning.

*Tabellerna behåller historiska siffror från artikeln 2023, inte aktuella värderingar. Börsvärde och EPS anges i amerikanska dollar. Broadcoms siffror per aktie är från tiden före aktiesplitten 10:1 i juli 2024. Intels framåtblickande P/E och historiska EPS avser olika perioder.*

1.  NXP Semiconductors

NXP Semiconductors (VNX.DE ) (NXPI ), en nederländsk halvledartillverkare, har ett brett sortiment för trådlös kommunikation. Bluetooth Low Energy, Wi-Fi, NFC och Ultra-Wideband används i bland annat fordon, IoT och smarta hem. Teknikerna stöder precisionspositionering, trådlös styrning och anslutningsstandarder som Matter. NXP förvärvade Marvells trådlösa verksamhet 2019. Lösningarna används i industriell IoT samt medicinteknisk elektronik och konsumentelektronik.

2.  Broadcom Inc.

AVGO Prisdiagram

Broadcom Inc. (AVGO ) är ett multinationellt företag inom halvledare och infrastrukturprogramvara. Det betjänar marknader för trådbunden och trådlös kommunikation, företagslagring och industri. Sortimentet omfattar digitala CMOS-kretsar och kretsar för blandade signaler, analoga III-V-produkter, lagringsadaptrar och styrenheter. Huvudsegmenten är halvledarlösningar och infrastrukturprogramvara. Företaget levererar också komponenter för trådlös kommunikation.

3.  Intel Corporation

INTC Prisdiagram

Intel (INTC ) Corporation är en amerikansk halvledartillverkare som grundades 1968. Intel bidrog till utvecklingen av SRAM- och DRAM-minnen och presenterade den första kommersiellt tillgängliga mikroprocessorn, 4004, 1971. Persondatorernas tillväxt på 1980-talet stärkte inriktningen på mikroprocessorer. I den historiska översikten 2023 omfattade verksamheten processorer, chipset, nätverksstyrenheter och grafikkretsar. Konkurrens från bland andra AMD påverkade marknadsandelen och drev strategiska förändringar inom halvledarbranschen.

Andra noterade företag

Följande börsnoterade företag arbetar också inom närliggande teknikområden:

Slutliga tankar

Elektrisk fältmodulering är ett intressant forskningsspår för kommunikation över mycket korta avstånd. Sussex-gruppen siktar på lägre energiförbrukning och nya sätt att samverka med enheter. Bluetooth används samtidigt i en stor mängd produkter och tillämpningar.

Fortsatt utveckling och integrering i produkter får visa var metoden ger praktiska fördelar. Presentationen 2023 beskriver en utvecklingsmöjlighet, inte en färdig ersättning för Bluetooth.