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Un chip universale per telefoni cellulari
Una ricerca dell'Università della California, Los Angeles (UCLA) ha dimostrato che un singolo chip wireless, chiamato chip universale, potrebbe essere presente nei telefoni cellulari, così come in altri gadget wireless, in soli tre anni, estendendo la loro batteria life, consentendo design più eleganti e consentendo loro di accedere a funzionalità oltre Wi-Fi, GPS, servizio telefonico globale e Bluetooth.
Un prototipo per la parte ricevente di un chip wireless universale in grado di ricevere frequenze radio che vanno da 800 megahertz a 6 gigahertz, il che potrebbe eliminare la necessità di più chip nei dispositivi mobili, prolungare la durata della batteria e ridurli. (Foto per gentile concessione di Asad Abidi, UCLA.)
I cellulari di oggi possono contenere fino a sei chip radio wireless, che inviano e ricevono informazioni sotto forma di onde elettromagnetiche. Ogni chip ha una funzione specifica: ce n'è uno progettato per funzionare alla frequenza del segnale del gestore di telefonia mobile e altri per le frequenze Wi-Fi, GPS e Bluetooth.
Storicamente, gli ingegneri hanno progettato questi chip per funzionare solo entro una piccola gamma di frequenze nello spettro radio. Ad esempio, per comunicare con una torre di telefoni cellulari, un chip può essere ottimizzato per inviare e ricevere informazioni a 900 megahertz (o un'altra frequenza a seconda del fornitore di servizi). Per accedere a un segnale Wi-Fi, è necessario aggiungere un chip separato, per comunicare nella banda di 2,4 gigahertz.
Sebbene alcuni produttori di chip (come Texas Instruments) abbiano costruito e distribuito chip triband e quadband in grado di sintonizzarsi su tre o quattro bande diverse, la progettazione di un chip veramente universale in grado di accedere a tutte le frequenze è rimasta una sfida. Ma l'incentivo c'è: un telefono con un chip universale potrebbe accedere a qualsiasi servizio sullo spettro – dalla televisione e radio locale, al Wi-Fi e WiMax – oltre a risparmiare energia e spazio prezioso all'interno di gadget sempre più piccoli.
Il mondo wireless non ha bisogno di radio più personalizzate da inserire in un telefono, afferma Asad Abidi , professore di circuiti e sistemi integrati all'UCLA e ricercatore capo del progetto chip universale. Invece, ha bisogno di una radio versatile che sia così generale e così flessibile da poter ricevere TV, connessioni Bluetooth e Internet wireless.
Questo chip universale fornirebbe una flessibilità simile a quella di un sintonizzatore radio per auto, consentendo di ignorare la maggior parte delle stazioni e di azzerare su una sola frequenza. Il design del chip del team, presentato a febbraio alla International Solid-State Circuits Conference di San Francisco, è un lavoro che si muove verso la realizzazione di una vera radio sintonizzabile, afferma Bill Krenik, responsabile delle architetture avanzate wireless presso Texas Instruments. Abidi ha progettato un chip in grado di accedere a tutti i segnali radio in entrata, dice, su uno spettro da 800 megahertz a 5 gigahertz.
Il lavoro del team dell'UCLA si basa su un concetto tecnologico chiamato radio definita dal software, o SDR. Proposto per la prima volta all'inizio degli anni '90 da Joe Mitola di Mitre Corporation, SDR si basa sul concetto di convertire tutti i segnali radio in ingresso (che sono onde elettromagnetiche e quindi analogici) in digitale uno sabbia 0 S. Ciò consentirebbe al software di un circuito di ordinare diverse bande di frequenza e selezionare quella di interesse. L'utilizzo del software evita la necessità di progettare e aggiungere una radio specifica per ciascuna banda.
Un'antenna radio universale riceve tutti i tipi di segnali che viaggiano nell'aria, alcuni forti, altri deboli, e tutti a frequenze diverse. Per convertire ogni segnale analogico in forma digitale, un chip richiederebbe un convertitore analogico-digitale che brucia diverse centinaia di watt di potenza, afferma Abidi, decisamente troppo per un dispositivo portatile.
Pertanto, il suo team ha utilizzato una versione modificata di SDR che sfrutta il fatto che non tutti i segnali in ingresso devono essere convertiti contemporaneamente. Di solito le persone sono interessate a un solo canale alla volta, dice, come usare il Wi-Fi o parlare tramite una frequenza specifica su una rete cellulare. Quindi i ricercatori hanno incorporato un tipo di dispositivo - precedentemente utilizzato solo in applicazioni oscure - nel loro circuito in grado di esaminare la vasta gamma di frequenze radio, individuare la banda di interesse ed enfatizzarla, riducendo al contempo l'enfasi sulle altre. In sostanza, questo strumento, quello che gli ingegneri chiamano dispositivo anti-aliasing a banda larga, è in grado di accedere allo spettro e concentrarsi su una singola banda, in modo che solo piccole quantità di informazioni analogiche debbano essere convertite in un segnale digitale. Incorporando la scelta della banda nel circuito, la conversione da analogico a digitale richiede solo decine di milliwatt di potenza, afferma Abidi.
Il loro progresso, osserva, è stato riconoscere il potenziale di questo dispositivo anti-aliasing a banda larga precedentemente sottoutilizzato e integrarlo con altri componenti del circuito a banda larga per costruire un ricevitore completo. Il concetto era in circolazione da un po', spiega, ma nessuno vedeva quanto sarebbe stato potente per le applicazioni radio definite dal software.
Un chip che risolve il segnale in ingresso come quello di Abidi è il tipo di tecnologia che potrebbe aiutare l'SDR a diventare una realtà nei telefoni cellulari, afferma Bruce Fette, capo scienziato delle reti di comunicazione presso General Dynamics C4 Systems, un'azienda che costruisce grandi software-defined apparecchiature radio per uso militare. E l'idea di SDR sta diventando più attraente per l'industria dei dispositivi mobili, dice, perché fornisce molta più flessibilità nelle funzioni di un singolo dispositivo, che vanno dall'uso dello stesso telefono cellulare in tutto il mondo, allo sblocco del PDA la portiera della tua macchina.
Abidi dice che c'è ancora più ricerca da fare prima che il chip sia pronto per applicazioni commerciali. Per prima cosa, la sua squadra ha solo risolto il problema della conversione in arrivo segnali analogici a digitali su una gamma così ampia di frequenze. I dispositivi wireless devono anche trasmettere un estroverso segnale analogico. Un chip veramente universale dovrà convertire i segnali in uscita dalla forma digitale a quella analogica su una gamma di frequenze altrettanto ampia.
Tuttavia, la sua squadra ha risolto la parte più difficile del problema rivolgendosi al ricevitore, afferma Abidi. I segnali in ingresso sono molto più complicati perché, con un ricevitore, stai ascoltando il mondo intero, dice, mentre con i trasmettitori, non stai combattendo con segnali indesiderati.
Krenik aggiunge che, sebbene l'avanzamento di Adibi non risolva tutti i problemi che l'industria deve affrontare, pone solide basi per ulteriori lavori verso SRD.
Abidi e il suo team sperano di appianare i restanti problemi tecnici con il loro chip universale entro la fine dell'estate. Da lì, entrerà in gioco il lavoro di altri ricercatori che progettano il processore digitale e il software per SDR, dice. Abidi stima che tutti questi pezzi verranno messi insieme per un prototipo l'anno prossimo. E, dice, un chip universale potrebbe essere presente nei dispositivi wireless portatili entro tre o cinque anni.
Foto della home page per gentile concessione di Asad Abidi, UCLA. Didascalia: Un prototipo per la parte ricevente di un chip wireless universale in grado di ricevere frequenze radio che vanno da 800 megahertz a 6 gigahertz, il che potrebbe eliminare la necessità di più chip nei dispositivi mobili, prolungare la durata della batteria e ridurli.