Die zunehmende Präsenz von Geräten für schnelle drahtlose Kommunikation, von 5G-Mobiltelefonen bis hin zu Sensoren für autonome Fahrzeuge, führt zu immer dichteren Funkwellen. Daher ist die Fähigkeit, störende Signale zu blockieren, die den Betrieb von Geräten stören können, zu einem wichtigeren und herausfordernden Problem geworden.

Mit diesen und anderen neuen Anwendungen im Hinterkopf haben Forscher des MIT eine neue Millimeterwellen-Multiple-Input-Output (MIMO)-Empfangsarchitektur demonstriert, die stärkere räumliche Interferenzen als frühere Designs bewältigen kann. MIMO-Systeme verfügen über mehrere Antennen, die es ihnen ermöglichen, Signale aus verschiedenen Richtungen zu senden und zu empfangen. Ihr drahtloser Empfänger erkennt und blockiert räumliche Interferenzen so früh wie möglich, bevor unerwünschte Signale verstärkt werden, was die Leistung verbessert.

Der Schlüssel zu dieser MIMO-Empfangsarchitektur ist ein spezieller Schaltkreis, der unerwünschte Signale anvisieren und unterdrücken kann, bekannt als nichtreziproker Phasenschieber. Die Forscher haben eine neue Phasenschieberstruktur entwickelt, die rekonfigurierbar, energiearm und kompakt ist, und gezeigt, wie sie zur Unterdrückung von Interferenzen früher im Empfängerpfad eingesetzt werden kann.

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

In einem Mobiltelefon könnte ein solcher Empfänger dazu beitragen, Signalqualitätsprobleme zu lindern, die zu langsamen und unterbrochenen Zoom-Anrufen oder Videostreams führen können.

"Es gibt bereits viele Nutzungen in den Frequenzbereichen, die wir für neue 5G- und 6G-Systeme nutzen möchten. Alles, was wir hinzufügen möchten, muss also bereits eingebaute Interferenzminderungssysteme haben. Hier haben wir gezeigt, dass die Verwendung nichtreziproker Phasenschieber in dieser neuen Architektur bessere Leistung bietet. Das ist ziemlich bedeutend, besonders da wir dieselbe integrierte Plattform wie alle anderen verwenden," sagt Negar Reiskarimian, Assistenzprofessorin für Karriereentwicklung im X-Window-Konsortium im Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Mitglied des Microsystems Technology Laboratory und des Research Laboratory of Electronics (RLE), und Hauptautorin des Papiers über diesen Empfänger.

Reiskarimian schrieb das Papier zusammen mit den EECS-Absolventen Shahabeddin Mohin, der Hauptautor ist, Soroush Araei und Mohammad Barzgari, einem RLE-Postdoktoranden. Das Papier wurde kürzlich auf dem IEEE Radio Frequency Circuits Symposium vorgestellt und erhielt den Preis für das beste Studentenpapier.

Interferenzen blockieren
Digitale MIMO-Systeme haben einen analogen und einen digitalen Teil. Der analoge Teil verwendet Antennen, um Signale zu empfangen, die verstärkt, umgewandelt und durch einen Analog-Digital-Wandler weitergeleitet werden, bevor sie im digitalen Teil des Geräts verarbeitet werden. In diesem Fall ist eine digitale Strahlenformung erforderlich, um das gewünschte Signal zu erfassen.

Wenn jedoch ein starkes, störendes Signal aus einer anderen Richtung gleichzeitig mit dem gewünschten Signal auf den Empfänger trifft, kann es den Verstärker sättigen, sodass das gewünschte Signal überwältigt wird. Digitale MIMO-Systeme können unerwünschte Signale filtern, aber diese Filterung erfolgt später im Empfängerpfad. Wenn die Interferenz zusammen mit dem gewünschten Signal verstärkt wird, ist es später schwieriger, sie zu filtern.

"Der Ausgang des anfänglichen rauscharmen Verstärkers ist der erste Ort, an dem Sie diese Filterung mit minimaler Strafe durchführen können, und genau das tun wir mit unserem Ansatz," sagt Reiskarimian.

Die Forscher bauten und installierten vier nichtreziproke Phasenschieber direkt am Ausgang des ersten Verstärkers in jeder Empfängerkette, alle an denselben Knoten angeschlossen. Diese Phasenschieber können das Signal in beide Richtungen passieren und den Winkel des ankommenden Störsignals erkennen. Die Geräte können ihre Phase anpassen, bis sie die Interferenz unterdrücken.

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 Interferenzen blockiert werden, bevor sie einen anderen Teil des Empfängers beeinträchtigen. Darüber hinaus können die Phasenschieber Signale verfolgen, um die Interferenz weiterhin zu blockieren, wenn sie den Ort ändert.

"Wenn Sie beginnen, die Verbindung zu verlieren oder Ihre Signalqualität sinkt, können Sie dies einschalten und die Interferenz sofort mildern. Da unser Ansatz parallel ist, können Sie ihn mit minimalen Auswirkungen auf die Leistung des Empfängers selbst ein- und ausschalten," fügt Reiskarimian hinzu.

Kompaktes Gerät
Zusätzlich zur Anpassbarkeit ihrer neuen Phasenschieberarchitektur haben die Forscher diese so gestaltet, dass sie weniger Platz auf dem Chip einnimmt und weniger Energie verbraucht als typische nichtreziproke Phasenschieber.

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

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

In Zukunft wollen die Forscher ihr Gerät auf größere Systeme skalieren und es in neuen Frequenzbändern betreiben, die von 6G-Drahtlosgeräten genutzt werden. Diese Frequenzbänder sind anfällig für starke Interferenzen von Satelliten. Darüber hinaus wollen sie die nichtreziproken Phasenschieber für andere Anwendungen anpassen.

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

Quelle: Massachusetts Institute of Technology