Dzisiejsza szybka komunikacja bezprzewodowa, w tym telefony komórkowe 5G i czujniki do pojazdów autonomicznych, coraz bardziej zatykają częstotliwości radiowe. To sprawia, że blokowanie zakłóceń, które mogą zakłócać działanie urządzeń, staje się ważniejsze i bardziej wymagające.

Mając na uwadze te i inne zastosowania, badacze z MIT zademonstrowali nową architekturę milimetrowo-falowego bezprzewodowego odbiornika z wieloma wejściami i wyjściami (MIMO), która może poradzić sobie z silniejszymi zakłóceniami przestrzennymi niż wcześniejsze projekty. Systemy MIMO mają wiele anten, które umożliwiają wysyłanie i odbieranie sygnałów z różnych kierunków. Ich bezprzewodowy odbiornik wykrywa i blokuje zakłócenia przestrzenne tak wcześnie, jak to możliwe, zanim niechciane sygnały zostaną wzmocnione, co poprawia wydajność.

Kluczem do tej architektury odbiornika MIMO jest specjalny układ, który może namierzać i eliminować niechciane sygnały, znany jako nierównowagowy przesuwacz fazy. Projektując nową strukturę przesuwacza fazy, która jest rekonfigurowalna, energooszczędna i kompaktowa, badacze pokazują, jak można ją wykorzystać do eliminowania zakłóceń wcześniej w łańcuchu odbiornika.

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

W telefonie komórkowym taki odbiornik mógłby pomóc w zmniejszeniu problemów z jakością sygnału, które mogą prowadzić do wolnych i przerywanych rozmów na Zoomie lub transmisji wideo.

Blokowanie Zakłóceń
Cyfrowe systemy MIMO mają część analogową i cyfrową. Część analogowa wykorzystuje anteny do odbierania sygnałów, które są wzmacniane, konwertowane i przechodzą przez przetwornik analogowo-cyfrowy przed przetworzeniem w domenie cyfrowej urządzenia. W tym przypadku, cyfrowe formowanie wiązki jest potrzebne do wychwytywania pożądanego sygnału.

Jednak jeśli silny sygnał zakłócający z innego kierunku trafi do odbiornika w tym samym czasie co pożądany sygnał, może on nasycić wzmacniacz tak, że pożądany sygnał zostanie przysłonięty. Cyfrowe MIMO mogą filtrować niechciane sygnały, ale to filtrowanie odbywa się później w łańcuchu odbiornika. Jeśli zakłócenie zostanie wzmocnione wraz z pożądanym sygnałem, trudniej jest je później odfiltrować.

„Wyjście początkowego wzmacniacza o niskim poziomie szumów jest pierwszym miejscem, gdzie można wykonać to filtrowanie z minimalną karą, więc dokładnie to robimy w naszym podejściu” - mówi Reiskarimian.

Badacze zbudowali i zainstalowali cztery nierównowagowe przesuwacze fazy bezpośrednio na wyjściu pierwszego wzmacniacza w każdym łańcuchu odbiornika, wszystkie połączone do tego samego węzła. Te przesuwacze fazy mogą przesyłać sygnał w obu kierunkach i wykrywać kąt nadchodzącego sygnału zakłócającego. Urządzenia mogą dostosowywać swoją fazę, aż zniosą zakłócenia.

Faza tych urządzeń może być precyzyjnie regulowana, aby mogły wykrywać i eliminować niechciany sygnał zanim przejdzie do reszty odbiornika, blokując zakłócenia zanim wpłyną na jakąkolwiek inną część odbiornika. Ponadto, przesuwacze fazy mogą śledzić sygnały, aby kontynuować blokowanie zakłóceń, jeśli zmienią swoje położenie.

„Jeśli zaczynasz tracić połączenie lub jakość sygnału spada, możesz to włączyć i złagodzić te 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 uczynienia ich nowej architektury przesuwacza fazy regulowaną, badacze zaprojektowali je tak, aby zajmowały mniej miejsca na chipie i zużywały mniej energii niż typowe nierównowagowe przesuwacze fazy.

Po przeprowadzeniu analizy, która wykazała, że ich pomysł zadziała, ich największym wyzwaniem było przetłumaczenie teorii na układ, który osiąga ich cele wydajnościowe. Jednocześnie odbiornik musiał spełniać rygorystyczne ograniczenia dotyczące rozmiaru i ścisły budżet energetyczny, w przeciwnym razie nie byłby użyteczny 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 inne urządzenia mogły obsłużyć. Prostszą od typowych projektów, ich architektura przesuwacza fazy jest również bardziej energooszczędna.

W przyszłości badacze chcą skalować swoje urządzenie do większych systemów, a także umożliwić mu działanie w nowych zakresach częstotliwości używanych przez urządzenia bezprzewodowe 6G. Te zakresy częstotliwości są podatne na silne zakłócenia z satelitów. Ponadto chcieliby dostosować nierównowagowe przesuwacze fazy do innych zastosowań.

Te badania były wspierane częściowo przez MIT Center for Integrated Circuits and Systems.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology