Coraz większa obecność urządzeń do szybkiej komunikacji bezprzewodowej, od telefonów komórkowych 5G po czujniki do pojazdów autonomicznych, prowadzi do coraz gęstszych fal radiowych. Dlatego zdolność blokowania sygnałów zakłócających, które mogą zakłócać działanie urządzeń, stała się ważniejszym i trudniejszym problemem.

Mając na uwadze te i inne nowe zastosowania, naukowcy z MIT zademonstrowali nową architekturę odbioru bezprzewodowego z wieloma wejściami i wyjściami (MIMO) w paśmie milimetrowym, która może obsługiwać silniejsze zakłócenia przestrzenne niż wcześniejsze projekty. Systemy MIMO mają wiele anten, co umożliwia im nadawanie i odbieranie sygnałów z różnych kierunków. Ich odbiornik bezprzewodowy wykrywa i blokuje zakłócenia przestrzenne tak wcześnie, jak to możliwe, zanim niechciane sygnały zostaną wzmocnione, co poprawia wydajność.

Kluczem do tej architektury odbioru MIMO jest specjalny obwód, który może celować i anulować niechciane sygnały, znany jako nieodwracalna zmiana fazy. Naukowcy stworzyli nową strukturę zmiany fazy, która jest rekonfigurowalna, niskoenergetyczna i kompaktowa, i pokazali, jak można ją wykorzystać do anulowania zakłóceń wcześniej w łańcuchu odbiornika.

Ich odbiornik może blokować do czterech razy więcej zakłóceń niż niektóre podobne urządzenia. Ponadto, komponenty blokujące zakłócenia mogą być włączane i wyłączane w razie potrzeby, aby oszczędzać energię.

W telefonie komórkowym taki odbiornik może pomóc w złagodzeniu problemów z jakością sygnału, które mogą prowadzić do wolnych i przerywanych połączeń Zoom lub strumieniowania wideo.

"Istnieje już wiele zastosowań w pasmach częstotliwości, które próbujemy wykorzystać dla nowych systemów 5G i 6G. Więc wszystko, co próbujemy dodać, musi już mieć wbudowane systemy łagodzenia zakłóceń. Tutaj pokazaliśmy, że wykorzystanie nieodwracalnej zmiany fazy w tej nowej architekturze zapewnia lepszą wydajność. Jest to dość znaczące, zwłaszcza że używamy tej samej zintegrowanej platformy, co wszyscy inni," mówi Negar Reiskarimian, profesor asystent ds. rozwoju kariery w konsorcjum X-Window w Wydziale Elektrotechniki i Informatyki (EECS), członek Laboratorium Technologii Mikrosystemów i Laboratorium Badawczego Elektroniki (RLE), oraz główny autor pracy na temat tego odbiornika.

Reiskarimian napisał pracę razem z absolwentami EECS Shahabeddinem Mohinem, który jest głównym autorem, Soroushem Araeijem i Mohammadem Barzgarim, doktorantem w RLE. Praca została niedawno przedstawiona na Sympozjum Obwodów Radiowych IEEE i otrzymała nagrodę za najlepszą pracę studencką.

Blokowanie zakłóceń
Cyfrowe systemy MIMO mają część analogową i cyfrową. Część analogowa wykorzystuje anteny do odbierania sygnałów, które są wzmacniane, konwertowane i przekazywane przez przetwornik analogowo-cyfrowy, zanim zostaną przetworzone w części cyfrowej urządzenia. W tym przypadku, cyfrowe formowanie wiązki jest potrzebne do przechwycenia pożądanego sygnału.

Jednakże, jeśli silny sygnał zakłócający z innego kierunku uderzy w odbiornik w tym samym czasie co pożądany sygnał, może nasycić wzmacniacz, tak że pożądany sygnał zostanie przytłoczony. Cyfrowe systemy MIMO mogą filtrować niepożądane sygnały, ale to filtrowanie odbywa się później w łańcuchu odbiornika. Jeśli zakłócenia są wzmacniane razem z pożądanym sygnałem, trudniej jest je później odfiltrować.

"Wyjście początkowego wzmacniacza o niskim szumie 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 nieodwracalne zmiany fazy bezpośrednio na wyjściu pierwszego wzmacniacza w każdym łańcuchu odbiornika, wszystkie połączone z tym samym węzłem. Te zmiany fazy mogą przepuszczać sygnał w obu kierunkach i wykrywać kąt nadchodzącego sygnału zakłócającego. Urządzenia mogą dostosować swoją fazę, aż do zneutralizowania zakłóceń.

Fazę tych urządzeń można precyzyjnie dostosować, aby mogły wykrywać i anulować niechciany sygnał, zanim przejdzie do reszty odbiornika, blokując zakłócenia, zanim wpłyną na jakąkolwiek inną część odbiornika. Ponadto, zmiany fazy mogą śledzić sygnały, aby kontynuować blokowanie zakłóceń, jeśli zmienią one swoje położenie.

"Jeśli zaczynasz tracić połączenie lub jakość sygnału spada, możesz to włączyć i złagodzić zakłócenia na bieżąco. Ponieważ nasze podejście jest równoległe, możesz je włączać i wyłączać z minimalnym wpływem na wydajność samego odbiornika," dodaje Reiskarimian.

Kompaktowe urządzenie
Oprócz tego, że uczynili swoją nową architekturę zmiany fazy regulowaną, naukowcy zaprojektowali ją tak, aby zajmowała mniej miejsca na chipie i zużywała mniej energii niż typowe nieodwracalne zmiany fazy.

Po przeprowadzeniu analizy, która pokazała, że ich pomysł będzie działać, ich największym wyzwaniem było przetłumaczenie teorii na obwód, który osiągnie ich cele wydajnościowe. Jednocześnie odbiornik musiał spełniać rygorystyczne ograniczenia wielkości i ścisły budżet energetyczny, w przeciwnym razie nie byłby przydatny w rzeczywistych urządzeniach.

Ostatecznie zespół zademonstrował kompaktową architekturę MIMO na chipie o powierzchni 3,2 milimetrów kwadratowych, która może blokować sygnały, które były cztery razy silniejsze niż te, z którymi mogły sobie poradzić inne urządzenia. Prostsza niż typowe projekty, ich architektura zmiany fazy jest również bardziej energooszczędna.

W przyszłości naukowcy chcą skalować swoje urządzenie do większych systemów i umożliwić jego działanie w nowych pasmach częstotliwości używanych przez urządzenia bezprzewodowe 6G. Te pasma częstotliwości są podatne na silne zakłócenia z satelitów. Ponadto, chcą dostosować nieodwracalne zmiany fazy do innych zastosowań.

To badanie zostało częściowo wsparte przez MIT Center for Integrated Circuits and Systems.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology