Odbiornik bezprzewodowy zwiększa wydajność telefonu komórkowego, zapobiegając zakłóceniom

Rosnące rozpowszechnienie szybkich urządzeń do komunikacji bezprzewodowej, od telefonów komórkowych 5G po czujniki pojazdów autonomicznych, prowadzi do coraz bardziej zatłoczonych fal radiowych. To sprawia, że ​​możliwość blokowania sygnałów zakłócających, które mogą utrudniać działanie urządzenia, jest jeszcze ważniejszym i trudniejszym problemem.

Mając na uwadze te i inne nowe zastosowania, badacze z MIT zademonstrowali nową architekturę odbiornika bezprzewodowego MIMO, wykorzystującą fale milimetrowe, z wieloma wejściami i wieloma wyjściami, która jest w stanie wytrzymać silniejsze zakłócenia przestrzenne niż poprzednie konstrukcje. Systemy MIMO mają wiele anten, dzięki czemu mogą wysyłać i odbierać sygnały z różnych kierunków. Ich bezprzewodowy odbiornik wykrywa zakłócenia przestrzenne i blokuje je przy najbliższej okazji, zanim niepożądane sygnały zostaną wzmocnione, co skutkuje lepszą wydajnością.

Kluczem do architektury odbiornika MIMO jest specjalny obwód, który może namierzać i eliminować niepożądane sygnały, zwany szyną fazową bez ruchu posuwisto-zwrotnego. Tworząc nową, rekonfigurowalną, kompaktową strukturę z przesunięciem fazowym o małej mocy, badacze demonstrują, w jaki sposób można ją wykorzystać do eliminacji zakłóceń na początku przyszłej serii.

Ich odbiornik może zablokować do czterech razy więcej zakłóceń niż niektóre podobne urządzenia. Dodatkowo elementy tłumiące zakłócenia można włączać i wyłączać w razie potrzeby, aby oszczędzać energię.

Na urządzeniach mobilnych ten odbiornik może pomóc złagodzić problemy z jakością sygnału, które mogą prowadzić do powolnych i niestabilnych połączeń Zoom lub przesyłania strumieniowego wideo.

„W pasmach częstotliwości, które staramy się wykorzystać w nowych systemach 5G i 6G, dzieje się już dużo pracy, więc wszystko, co próbujemy dodać, musi być już zainstalowane w tych systemach łagodzących zakłócenia , pokazaliśmy to” – mówi Nigar Riskarimian, adiunkt ds. rozwoju kariery w X. -Window Consortium na Wydziale: „Zastosowanie niewzajemnego przesuwnika fazowego w tej nowej architekturze zapewnia lepszą wydajność, co jest bardzo ważne, zwłaszcza ponieważ używamy tej samej zintegrowanej platformy, co wszyscy inni, mając doktorat z inżynierii elektrycznej i informatyki (EECS), jest członkiem laboratoriów Technologii i Badań Mikrosystemów Elektroniki (RLE) oraz głównym autorem książki. papieru na temat tego odbiornika.

Riskarimian napisał artykuł wraz ze studentami EECS Shihabeddinem Mohinem, który jest głównym autorem, Soroushem Arayee i Mohammadem Barazgharim, pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w RLE. Praca została niedawno zaprezentowana na sympozjum IEEE Radio Frequency Circuits i otrzymała nagrodę dla najlepszej pracy studenckiej.

Zapobiegaj zakłóceniom

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.

Jeśli jednak silny, zakłócający sygnał pochodzący z innego kierunku trafi do odbiornika w tym samym czasie, co sygnał pożądany, może nasycić wzmacniacz i w ten sposób zagłuszyć pożądany sygnał. Cyfrowe urządzenia MIMO mogą odfiltrowywać niepożądane sygnały, ale filtrowanie to następuje później w łańcuchu odbiornika. Jeśli zakłócenia żądanego sygnału zostaną wzmocnione, trudno będzie je później odfiltrować.

„Niskoszumowe wyjście przedwzmacniacza to pierwsze miejsce, w którym można przeprowadzić filtrowanie przy najmniejszych kosztach, dlatego właśnie to robimy w naszym podejściu” – mówi Riskaremian.

Naukowcy zbudowali i zainstalowali cztery bezpowrotne 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, aby wyeliminować zakłócenia.

Fazę tych urządzeń można precyzyjnie wyregulować, dzięki czemu mogą wykryć niechciany sygnał i anulować go, zanim dotrze do reszty odbiornika, zapobiegając zakłóceniom, zanim dotkną one innych części odbiornika. Ponadto przesuwniki fazowe mogą śledzić sygnały, aby w dalszym ciągu zapobiegać zakłóceniom w przypadku zmiany lokalizacji.

„Jeśli zaczniesz zrywać połączenia lub jakość sygnału spadnie, możesz to włączyć i szybko złagodzić zakłócenia, a ponieważ nasze podejście jest równoległe, możesz je włączać i wyłączać przy minimalnym wpływie na działanie samego odbiornika”. Riskarimyan dodaje.

Wbudowane urządzenie

Oprócz możliwości przestrajania nowej architektury przesuwnika fazowego badacze zaprojektowali ją tak, aby zajmowała mniej miejsca na chipie i zużywała mniej energii niż tradycyjne beztłokowe przesuwniki fazowe.

Kiedy badacze przeprowadzili analizę, aby wykazać, że ich pomysł się sprawdził, największym wyzwaniem było przełożenie teorii na obwód, który spełnił ich cele w zakresie wydajności. Jednocześnie odbiornik musiał spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące wymiarów i ograniczonego budżetu mocy, w przeciwnym razie nie nadawałby się do rzeczywistych urządzeń.

Ostatecznie zespół zademonstrował wbudowaną architekturę MIMO w chipie o powierzchni 3,2 milimetra kwadratowego, która może blokować sygnały nawet czterokrotnie silniejsze niż te, które są w stanie obsłużyć inne urządzenia. Są prostsze niż typowe konstrukcje, a ich struktura z przesunięciem fazowym jest bardziej energooszczędna.

W przyszłości badacze chcą skalować swoje urządzenie do większych systemów, a także umożliwić mu działanie w nowych pasmach częstotliwości wykorzystywanych przez urządzenia bezprzewodowe 6G. Te pasma częstotliwości są podatne na silne zakłócenia ze strony satelitów. Ponadto chcieliby przystosować bezruchowe przesuwniki fazowe do innych zastosowań.

Badania te były częściowo wspierane przez Centrum Układów Scalonych i Systemów MIT.