Da Toshiba SoC Bluetooth pienamente conformi alle specifiche 4.2 BLE

Toshiba Electronics Europe ha confermato che i propri dispositivi di tipo Bluetooth a bassa energia (BLE) di Generazione 2 (G2) realizzati con la tecnologia SoC sono i primi ad offrire la piena conformità con le nuove caratteristiche della versione 4.2 della specifica Bluetooth. Ne consegue che i nuovi dispositivi di Toshiba possono abbattere il consumo di potenza del 50% rispetto a quella degli attuali prodotti per IoT alimentati da una batteria al litio di piccole dimensioni, riducendo al contempo i componenti esterni necessari al funzionamento.  Essi supportano anche le funzioni BLE 4.2 che non sono disponibili in molti dispositivi della concorrenza.

In particolare il consumo di corrente di 3,3mA in ricezione (RX) e di 3,3mA in trasmissione (TX) sono ottenuti attraverso una specifica architettura che prolunga considerevolmente la durata della batteria.

La tecnologia SoC di Toshiba integra anche delle reti di accoppiamento RF; ciò elimina la necessità di aggiungere la circuiteria di accoppiamento fra il dispositivo e l’antenna. Il dispositivo consente inoltre ai progettisti di eliminare i condensatori che si troverebbero tipicamente accanto agli oscillatori al quarzo esterni. Questo contribuisce alla miniaturizzazione dei dispositivi IoT consentendo di ridurre il numero dei componenti esterni sulla distinta materiali ad appena sette, fornendo un’ulteriore riduzione del 20% dell’ingombro su PCB.

La tecnologia Bluetooth a bassa energia, sviluppata specificamente per le comunicazioni wireless a bassa potenza, è usata in molti dispositivi IoT per abbattere il peso ed estendere la durata delle batterie. In generale, si ha un compromesso fra il consumo di corrente (per i dispositivi indossabili un consumo di corrente nella fascia attorno a 3-4mA è uno dei principali requisiti) e le prestazioni a radiofrequenza (sensibilità del ricevitore e potenza in trasmissione). I SoC convenzionali di tipo BLE non sono in grado di soddisfare contemporaneamente entrambi i requisiti. Sebbene risulti efficace includere componenti esterni in un SoC BLE per ridurre le dimensioni del dispositivo Bluetooth a bassa energia, il degrado della sensibilità del ricevitore e della potenza in trasmissione di un SoC BLE con reti di accoppiamento RF integrate rimane un problema, dovuto alle perdite di disaccoppiamento.

Toshiba ha introdotto tre tecniche per ridurre il consumo di corrente nei SoC BLE:

1. una configurazione di architettura di ricevitore predisposta per il basso consumo di corrente; l’architettura del ricevitore introduce un sintetizzatore locale che si avvale di una frequenza pari alla metà di quella di un ricevitore convenzionale, riducendo il consumo di corrente nell’oscillatore locale. Malgrado l’architettura tenda ad essere vulnerabile ai segnali di interferenza per via della complessità della sua configurazione in frequenza, si ottiene un’alta tolleranza all’interferenza adottando una pianificazione delle frequenze in grado di evitare distorsioni da intermodulazione da parte dei segnali dei cellulari.
2. un sistema di gestione dell’alimentazione altamente efficiente; allo scopo di ridurre le perdite di potenza nei regolatori (LDO: Low Drop Out), gli LDO sono eliminati dal SoC. Siccome il degrado delle prestazioni dovuto al rumore di commutazione di un convertitore DC-DC costituisce un aspetto critico, viene usato un circuito ad aggancio di fase per fissare la frequenza di commutazione del convertitore DC-DC e per impedire l’interferenza con la banda usata dal Bluetooth a bassa energia.
3. la progettazione RF a bassa corrente; nei progetti RF a bassa corrente, per far sì che TX e RX possano condividere un unico oscillatore controllato in tensione (VCO), l’intervallo di regolazione delle frequenze del VCO deve essere significativamente ampio, il che aumenta il consumo di corrente. Dividendo il VCO per la TX e la RX per restringere l’intervallo di regolazione in frequenza richiesto per ciascun VCO, si ottiene un basso consumo di corrente. Inoltre, nell’amplificatore di potenza è inclusa una tecnica di amplificazione a commutazione per ridurre il consumo di corrente.

Adottando queste tecniche a basso consumo di corrente, la tecnologia SoC BLE di Toshiba riduce il consumo di corrente operativa, migliorando al contempo le prestazioni a radiofrequenza; nel ricevitore la sensibilità è pari a -93 dBm e la potenza in uscita è 0 dBm. Inoltre, integrando tutte le reti di accoppiamento RF nel SoC, che è fabbricato con il processo CMOS da 65 nm, il numero di componenti esterni può essere ridotto a sette dai 19 richiesti dall’attuale prodotto di Toshiba.

I dispositivi BT4.2 di Toshiba sono dotati di risorse firmware complete di tipo BLE4.2. Diversamente da molti altri dispositivi attualmente disponibili, i SoC BLE 4.2 di Toshiba possono gestire fino a otto connessioni BLE simultaneamente. Di conseguenza, essi sono adatti per l’uso in reti Mesh Bluetooth e in altre architetture multi-connessione. Le specifiche BLE 4.2 migliorano la sicurezza offrendo connessioni sicure che sono basate sulla crittografia ECDH (a Curva Ellittica di Diffie-Hellman) con chiave pubblica e privata, oltre alla Privacy a Livello di Connessione per la generazione e la risoluzione automatica di indirizzi Bluetooth privati e per la cifratura aggiuntiva del carico utile – tutte funzionalità queste che non sono fornite come standard in molti altri IC BLE.

La soluzione BLE4.2 presenta anche l’estensione della lunghezza del Pacchetto BLE a 251 byte dai 27 byte specificati nello standard 4.1. Essa fornisce un miglioramento teorico della velocità da 305kbps a 803kbps.

Questa tecnologia è stata presentata formalmente durante l’edizione 2016 dell’IEEE Asian Solid-State Circuits Conference (A-SSCC) a Toyama, in Giappone, l’8 Novembre 2016. La società ha adottato la nuova tecnologia a basso consumo di corrente nei prodotti Bluetooth a bassa energia che sono entrati in produzione in volumi nel Dicembre 2016.

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