La tecnologia NFMI

NFMI (Near Field Magnetic Induction) è una tecnologia wireless a corto raggio per streaming audio e dati wireless che utilizza un campo magnetico strettamente accoppiato tra i dispositivi. L’NFMI consente anche comunicazioni wireless nelle vicinanze del corpo umano, affidabili, sicure ed efficienti dal punto di vista energetico. Per questo motivo i dispositivi NFMI sono particolarmente indicati per supportare soluzioni di comunicazione per WBAN (Wireless Body-Area Network), ovvero per realizzare dispositivi in ambito medico che si trovano a stretto contatto col corpo umano.

In questo caso la tecnologia Bluetooth non è adatta in quanto, dovendo operare con potenze molto basse e vicino al corpo umano, l’emissione radio è fortemente condizionata dalla conduttività dei tessuti che a quelle frequenze è molto alta. Lo stesso discorso vale per i dispositivi impiantati. Bisogna anche considerare che le interferenze con la banda Bluetooth possono essere molto elevate a causa della presenza di numerose altre sorgenti nella banda ISM a 2,4 GHz. Infine c’è da considerare anche l’elevato consumo energetico della tecnologia Bluetooth.

Nei sistemi di comunicazione NFMI, il segnale modulato generato dalla bobina del trasmettitore si presenta sotto forma di un campo magnetico. Questo campo magnetico induce tensione sulla bobina di ricezione, che a sua volta è collegata ad un ricevitore NFMI.

Questo tipo di trasmissione wireless viene definito “near-field” ed è simile all’NFC (Near Field Communication) in quanto si basa sugli stessi principi ed utilizza la stessa banda di frequenza. La prima, grande, differenza tra i due sistemi riguarda la portata, che nel caso dell’NFC è al massimo di 10 cm mentre raggiunge i 2-3 metri (max) nei dispostivi NFMI.

Inoltre l’NFMI garantisce una velocità dati di oltre 400 Kbps per canale, dispone di 10 canali di frequenza separati e 10 sub-canali in time-division. Con questa tecnologia è dunque possibile avere un centinaio di collegamenti wireless separati all’interno di una singola Personal Area Network.

Le altre tecnologie utilizzate in quest’ambito – NFC e Bluetooth – hanno prestazioni decisamente più modeste come si può vedere in Tabella 1.

NXP Semiconductors è la società che ha sviluppato numerosi prodotti con questa tecnologia: i prodotti NXP NxH2280 / 81/61 della famiglia MiGLO sono soluzioni single-chip a bassissima potenza e sono ottimizzati per lo streaming audio e di dati wireless NFMI di alta qualità in grado di fornire una rete corporea affidabile e strettamente accoppiata intorno all’utente. L’NxH2280 rappresenta l’offerta NFMI iniziale per l’udito e gli auricolari; l’NxH2281 ha aumentato la qualità dell’audio al livello degli auricolari Bluetooth A2DP  (Advanced Audio Distribution Profile) esistenti mentre i chipset NxH2261 rappresentano il pacchetto standard per prodotti CE.

Le caratteristiche principali di questi prodotti sono:

• Compatibilità con il corpo umano: il segnale NFMI penetra attraverso il tessuto del corpo umano con un basso tasso di assorbimento. Il tasso di assorbimento specifico (SAR) è 100 volte inferiore al Bluetooth.
• Sicurezza garantita dalla portata: decine di dispositivi possono comunicare all’interno del campo magnetico prodotto mentre all’esterno il segnale viene notevolmente attenuato.
• Processore programmabile: questi prodotti integrano un processore Cortex M0 programmabile dal cliente con interfacce flessibili, rendendo possibile la creazione di applicazioni di streaming audio a bassissima potenza senza MCU host.
• Protocollo di rete integrato: è possibile implementare reti embedded molto flessibili in grado di supportare fino a 15 dispositivi e 2 flussi audio di trasmissione, 2 flussi audio di ricezione e più flussi di dati in parallelo. Il protocollo è ottimizzato per comunicazioni ear-to-ear a bassa latenza.
• DSP CoolFlux programmabile dall’utente con interfaccia I2S per host o codec. Sono supportate frequenze di campionamento audio comprese tra 16 KHz e 48 KHz.
• Elevata integrazione e consumi ridottissimi: i chipset NxH22XX occupano meno di 11 mm² e comprendono il regolatore; possono funzionare senza quarzo e necessitano solo di pochi condensatori di disaccoppiamento esterni. L’assorbimento di corrente è pari a 1,35 mA/1,2V nei picchi con un singolo flusso TX / RX; un assorbimento che è una frazione di quello dei dispositivi Bluetooth.

Per semplificare lo sviluppo e ridurre il time-to-market, NXP dispone di una scheda SDK (Software Development Kit) e un Application Development Kit (ADK). L’SDK è in grado di dimostrare lo streaming audio stereo unidirezionale e bidirezionale nonché l’applicazione Bit-Error Rate (BER) per valutare la potenza di trasmissione rispetto alla distanza del collegamento.

La selezione e il posizionamento delle antenne hanno un’influenza notevole sulla gamma e sulle prestazioni che possono essere raggiunte dai sistemi NFMI. A differenza delle antenne comunemente utilizzate, le antenne NFMI non sono altro che induttori a bobina accoppiati.

Nella classica applicazione per auricolari audio, l’auricolare sinistro integra sia un dispositivo Bluetooth che una radio NFMI mentre quello di destra non ha bisogno di un dispositivo Bluetooth e richiede solo una radio NFMI. Per compensare la latenza introdotta dalla trasmissione audio tra i due sistemi NFMI, di solito viene implementata una linea di ritardo nel dispositivo Bluetooth nell’auricolare sinistro prima del codec audio. Solitamente viene utilizzata una frequenza di campionamento audio di 48 kHz.