Die heutige schnelle drahtlose Kommunikation, einschließlich 5G-Mobiltelefone und Sensoren für autonome Fahrzeuge, überlastet zunehmend die Funkfrequenzen. Dies macht das Blockieren von Störungen, die den Betrieb von Geräten stören können, wichtiger und herausfordernder.

Mit diesen und anderen Anwendungen im Hinterkopf haben Forscher am MIT eine neue Architektur für einen drahtlosen Empfänger mit Millimeterwellen-Mehrfacheingang und -ausgang (MIMO) demonstriert, der stärkere räumliche Störungen als frühere Designs bewältigen kann. MIMO-Systeme verfügen über mehrere Antennen, die das Senden und Empfangen von Signalen aus verschiedenen Richtungen ermöglichen. Ihr drahtloser Empfänger erkennt und blockiert räumliche Störungen so früh wie möglich, bevor unerwünschte Signale verstärkt werden, was die Leistung verbessert.

Der Schlüssel zu dieser MIMO-Empfängerarchitektur ist ein spezieller Schaltkreis, der unerwünschte Signale anvisieren und unterdrücken kann, bekannt als nicht-reziproker Phasenschieber. Durch die Gestaltung einer neuen Phasenschieberstruktur, die rekonfigurierbar, energiesparend und kompakt ist, demonstrieren die Forscher, wie sie zur Unterdrückung von Störungen früher in der Empfängerkette verwendet werden kann.

Ihr Empfänger kann bis zu viermal mehr Störungen blockieren als einige ähnliche Geräte. Darüber hinaus können die Störunterdrückungskomponenten bei Bedarf ein- und ausgeschaltet werden, um Energie zu sparen.

In einem Mobiltelefon könnte ein solcher Empfänger dazu beitragen, Signalqualitätsprobleme zu reduzieren, die zu langsamen und abgehackten Zoom-Anrufen oder Video-Streaming führen können.

Störungen Blockieren
Digitale MIMO-Systeme haben sowohl einen analogen als auch einen digitalen Teil. Der analoge Teil verwendet Antennen zum Empfangen von Signalen, die verstärkt, umgewandelt und durch einen Analog-Digital-Wandler geleitet werden, bevor sie im digitalen Bereich des Geräts verarbeitet werden. In diesem Fall ist digitales Beamforming erforderlich, um das gewünschte Signal zu erfassen.

Aber wenn ein starkes Störsignal aus einer anderen Richtung den Empfänger zur gleichen Zeit wie das gewünschte Signal trifft, kann es den Verstärker so sättigen, dass das gewünschte Signal überflutet wird. Digitale MIMOs können unerwünschte Signale filtern, aber dieses Filtern erfolgt später in der Empfängerkette. Wenn die Störung zusammen mit dem gewünschten Signal verstärkt wird, ist es schwieriger, sie später zu filtern.

„Der Ausgang des anfänglichen rauscharme Verstärkers ist der erste Ort, an dem Sie dieses Filtern mit minimaler Strafe durchführen können, und genau das tun wir mit unserem Ansatz“, sagt Reiskarimian.

Die Forscher bauten und installierten vier nicht-reziproke Phasenschieber sofort am Ausgang des ersten Verstärkers in jeder Empfängerkette, alle verbunden mit demselben Knoten. Diese Phasenschieber können das Signal in beide Richtungen durchlassen und den Winkel des eintreffenden Störsignals erkennen. Die Geräte können ihre Phase anpassen, bis sie die Störungen aufheben.

Die Phase dieser Geräte kann präzise eingestellt werden, sodass sie das unerwünschte Signal erkennen und unterdrücken können, bevor es zum Rest des Empfängers gelangt, wodurch Störungen blockiert werden, bevor sie einen anderen Teil des Empfängers beeinträchtigen. Darüber hinaus können die Phasenschieber Signale verfolgen, um weiterhin Störungen zu blockieren, wenn sie ihren Standort ändern.

„Wenn Sie anfangen, die Verbindung zu verlieren oder Ihre Signalqualität sinkt, können Sie dies einschalten und diese Störungen unterwegs mindern. Da unser Ansatz parallel ist, können Sie ihn ein- und ausschalten, mit minimalen Auswirkungen auf die Leistung des Empfängers selbst“, fügt Reiskarimian hinzu.

Kompaktes Gerät
Zusätzlich dazu, dass sie ihre neue Phasenschieberarchitektur verstellbar gemacht haben, haben die Forscher sie so gestaltet, dass sie weniger Platz auf dem Chip einnimmt und weniger Energie verbraucht als typische nicht-reziproke Phasenschieber.

Nachdem die Forscher eine Analyse durchgeführt hatten, die zeigte, dass ihre Idee funktionieren würde, bestand ihre größte Herausforderung darin, die Theorie in einen Schaltkreis zu übersetzen, der ihre Leistungsziele erreicht. Gleichzeitig musste der Empfänger strenge Größenbeschränkungen und ein knappes Energiebudget erfüllen, sonst wäre er in realen Geräten nicht nützlich.

Am Ende demonstrierte das Team eine kompakte MIMO-Architektur auf einem 3,2-Quadratmillimeter-Chip, die Signale blockieren konnte, die bis zu viermal stärker waren als die, die andere Geräte bewältigen konnten. Einfacher als typische Designs ist ihre Phasenschieberarchitektur auch energieeffizienter.

In Zukunft möchten die Forscher ihr Gerät auf größere Systeme skalieren und es in neuen Frequenzbereichen betreiben lassen, die von 6G-Drahtlosgeräten verwendet werden. Diese Frequenzbereiche sind anfällig für starke Störungen durch Satelliten. Darüber hinaus möchten sie nicht-reziproke Phasenschieber für andere Anwendungen anpassen.

Diese Forschung wurde teilweise vom MIT Center for Integrated Circuits and Systems unterstützt.

Quelle: Massachusetts Institute of Technology