Rosnąca powszechność urządzeń do szybkiej komunikacji bezprzewodowej, od telefonów komórkowych 5G po czujniki pojazdów autonomicznych, prowadzi do coraz większego zatłoczenia fal radiowych. To sprawia, że możliwość blokowania sygnałów zakłócających, które mogą utrudniać działanie urządzenia, staje się jeszcze ważniejszym — i trudniejszym — problemem.
Mając na uwadze te i inne pojawiające się zastosowania, naukowcy z MIT zademonstrowali nową architekturę odbiornika bezprzewodowego o wielu wejściach i wyjściach milimetrowych (MIMO), która może obsługiwać silniejsze zakłócenia przestrzenne niż poprzednie projekty. Systemy MIMO mają wiele anten, co umożliwia im przesyłanie i odbieranie sygnałów z różnych kierunków. Ich odbiornik bezprzewodowy wyczuwa i blokuje zakłócenia przestrzenne przy pierwszej okazji, zanim niepożądane sygnały zostaną wzmocnione, co poprawia wydajność.
Kluczem do architektury odbiornika MIMO jest specjalny obwód, który może namierzać i eliminować niepożądane sygnały, znany jako niewzajemny przesuwnik fazowy. Tworząc nowatorską strukturę przesuwnika fazowego, którą można rekonfigurować, zużywającą niewielką moc i zwartą, badacze pokazują, jak można ją wykorzystać do eliminacji zakłóceń na wcześniejszych etapach łańcucha odbiornika.
Ich odbiornik może zablokować do czterech razy więcej zakłóceń niż niektóre podobne urządzenia. Ponadto elementy blokujące zakłócenia można włączać i wyłączać w razie potrzeby, aby oszczędzać energię.
W telefonie komórkowym taki odbiornik może pomóc w łagodzeniu problemów z jakością sygnału, które mogą prowadzić do powolnych i przerywanych połączeń telefonicznych lub strumieniowego przesyłania wideo w aplikacji Zoom.
„W zakresach częstotliwości, które staramy się wykorzystać w nowych systemach 5G i 6G, zachodzi już duże wykorzystanie. Zatem wszystko, co próbujemy dodać, powinno już mieć zainstalowane systemy łagodzące zakłócenia. Tutaj pokazaliśmy że zastosowanie niewzajemnego przesuwnika fazowego w tej nowej architekturze zapewnia nam lepszą wydajność, jest to dość znaczące, zwłaszcza że używamy tej samej zintegrowanej platformy co wszyscy inni” – mówi Negar Reiskarimian, adiunkt ds. rozwoju kariery w konsorcjum X-Window. Inżynierii Elektrycznej i Informatyki (EECS), członek Laboratoriów Technologii Mikrosystemów i Laboratorium Badawczego Elektroniki (RLE) oraz starszy autor artykułu na temat tego odbiornika.
Reiskarimian napisał artykuł wraz ze studentami EECS, Shahabeddinem Mohinem, który jest głównym autorem, Soroushem Araei i Mohammadem Barzgari, postdoktorem z RLE. Praca została niedawno zaprezentowana na sympozjum IEEE Radio Frequency Circuits i otrzymała nagrodę za najlepszą pracę studencką.
Blokowanie zakłóceń
Cyfrowe systemy MIMO mają część analogową i cyfrową. Część analogowa wykorzystuje anteny do odbioru sygnałów, które są wzmacniane, konwertowane w dół i przepuszczane przez przetwornik analogowo-cyfrowy przed przetworzeniem w domenie cyfrowej urządzenia. W takim przypadku do odzyskania pożądanego sygnału wymagane jest cyfrowe kształtowanie wiązki.
Ale jeśli silny, zakłócający sygnał pochodzący z innego kierunku uderzy w odbiornik w tym samym czasie co pożądany sygnał, może nasycić wzmacniacz, tak że pożądany sygnał zostanie zagłuszony. Cyfrowe MIMO mogą filtrować niepożądane sygnały, ale filtrowanie to następuje później w łańcuchu odbiornika. Jeśli zakłócenia są wzmacniane wraz z pożądanym sygnałem, trudniej jest je później odfiltrować.
„Wyjście początkowego wzmacniacza o niskim poziomie szumów to pierwsze miejsce, w którym można przeprowadzić to filtrowanie z minimalną karą, więc właśnie to robimy w naszym podejściu” — mówi Reiskarimian.
Naukowcy zbudowali i zainstalowali cztery niewzajemne przesuwniki fazowe bezpośrednio na wyjściu pierwszego wzmacniacza w każdym łańcuchu odbiornika, wszystkie podłączone do tego samego węzła. Te przesuwniki fazowe mogą przepuszczać sygnał w obu kierunkach i wykrywać kąt przychodzącego sygnału zakłócającego. Urządzenia mogą regulować swoją fazę, aż do wyeliminowania zakłóceń.
Fazę tych urządzeń można precyzyjnie dostroić, dzięki czemu mogą one wyczuć i anulować niepożądany sygnał, zanim przejdzie on do reszty odbiornika, blokując zakłócenia, zanim wpłyną one na inne części odbiornika. Ponadto przesuwniki fazowe mogą śledzić sygnały, aby nadal blokować zakłócenia, jeśli zmienią lokalizację.
„Jeśli zaczniesz tracić połączenie lub jakość sygnału spadnie, możesz to włączyć i złagodzić zakłócenia na bieżąco. Ponieważ nasze podejście jest równoległe, możesz je włączać i wyłączać przy minimalnym wpływie na działanie samego odbiornika – dodaje Reiskarimian.
Kompaktowe urządzenie
Oprócz tego, że nowatorską architekturę przesuwnika fazy naukowcy zaprojektowali tak, aby zajmował on mniej miejsca na układzie scalonym i zużywał mniej energii niż typowe przesuwniki fazy nieodwrotne.
Gdy badacze przeprowadzili analizę, aby wykazać, że ich pomysł zadziała, ich największym wyzwaniem było przełożenie teorii na obwód, który osiągnąłby ich cele wydajnościowe. Jednocześnie odbiornik musiał spełniać ścisłe ograniczenia rozmiaru i napięty budżet mocy, w przeciwnym razie nie byłby przydatny w rzeczywistych urządzeniach.
Ostatecznie zespół zademonstrował kompaktową architekturę MIMO na chipie o powierzchni 3,2 milimetra kwadratowego, która mogła blokować sygnały, które były do czterech razy silniejsze niż te, które mogły obsłużyć inne urządzenia. Prostsza niż typowe projekty, ich architektura przesuwnika fazowego jest również bardziej energooszczędna.
W przyszłości badacze chcą skalować swoje urządzenie do większych systemów, a także umożliwić mu działanie w nowych zakresach częstotliwości wykorzystywanych przez urządzenia bezprzewodowe 6G. Te zakresy częstotliwości są podatne na silne zakłócenia ze strony satelitów. Ponadto chcieliby przystosować niewzajemne przesuwniki fazowe do innych zastosowań.
Badania te były częściowo finansowane przez Centrum Układów Zintegrowanych i Systemów MIT.