Sve veća prisutnost uređaja za brzu bežičnu komunikaciju, od 5G mobilnih telefona do senzora za autonomna vozila, dovodi do sve gušćih radio valova. Stoga je sposobnost blokiranja interferentnih signala, koji mogu ometati rad uređaja, postala važniji i izazovniji problem.

S tim i drugim novim aplikacijama na umu, istraživači sa MIT-a demonstrirali su novu milimetarsku valnu višestruku ulazno-izlaznu (MIMO) bežičnu prijemnu arhitekturu koja može podnijeti jaču prostornu interferenciju od prethodnih dizajna. MIMO sustavi imaju više antena, omogućujući im prijenos i primanje signala iz različitih smjerova. Njihov bežični prijemnik detektira i blokira prostornu interferenciju što je ranije moguće, prije nego što se neželjeni signali pojačaju, što poboljšava performanse.

Ključ ove MIMO prijemne arhitekture je poseban krug koji može ciljati i poništiti neželjene signale, poznat kao nerecipročni fazni pomak. Istraživači su napravili novu strukturu faznog pomaka koja je rekonfigurabilna, niskoenergetska i kompaktna, te pokazali kako se može koristiti za poništavanje interferencije ranije u lancu prijemnika.

Njihov prijemnik može blokirati do četiri puta više interferencije nego neki slični uređaji. Osim toga, komponente za blokiranje interferencije mogu se uključiti i isključiti po potrebi radi uštede energije.

U mobilnom telefonu, takav prijemnik mogao bi pomoći ublažiti probleme s kvalitetom signala koji mogu dovesti do sporih i prekidajućih Zoom poziva ili video streaminga.

"Već postoji mnogo korištenja u frekvencijskim rasponima koje pokušavamo koristiti za nove 5G i 6G sustave. Dakle, sve što pokušavamo dodati treba već imati ugrađene sustave za ublažavanje interferencije. Ovdje smo pokazali da korištenje nerecipročnog faznog pomaka u ovoj novoj arhitekturi daje bolje performanse. Ovo je prilično značajno, pogotovo jer koristimo istu integriranu platformu kao i svi drugi," kaže Negar Reiskarimian, pomoćna profesorica razvoja karijere u X-Window konzorciju na Odjelu za elektrotehniku i računalne znanosti (EECS), članica Laboratorija za mikrosistemske tehnologije i Laboratorija za istraživanje elektronike (RLE), te glavna autorica rada o ovom prijemniku.

Reiskarimian je rad napisala s diplomiranim studentima EECS-a Shahabeddinom Mohinom, koji je glavni autor, Soroushom Araeijem i Mohammadom Barzgarijem, RLE postdoktorandom. Rad je nedavno predstavljen na Simpoziju o radiofrekvencijskim krugovima IEEE-a i dobio je nagradu za najbolji studentski rad.

Blokiranje interferencije
Digitalni MIMO sustavi imaju analogni i digitalni dio. Analogni dio koristi antene za primanje signala, koji se pojačavaju, pretvaraju i prosljeđuju kroz analogno-digitalni pretvarač prije nego što se obrade u digitalnom dijelu uređaja. U ovom slučaju, digitalno formiranje zraka je potrebno za dohvat željenog signala.

No, ako snažan, ometajući signal iz drugog smjera udari u prijemnik u isto vrijeme kad i željeni signal, može zasićiti pojačalo tako da je željeni signal preplavljen. Digitalni MIMO sustavi mogu filtrirati neželjene signale, ali to filtriranje se događa kasnije u lancu prijemnika. Ako se interferencija pojača zajedno s željenim signalom, kasnije je teže filtrirati.

"Izlaz početnog niskobučnog pojačala je prvo mjesto gdje možete obaviti ovo filtriranje s minimalnom kaznom, pa upravo to radimo s našim pristupom," kaže Reiskarimian.

Istraživači su izgradili i instalirali četiri nerecipročna fazna pomaka odmah na izlazu prvog pojačala u svakom lancu prijemnika, svi povezani na isti čvor. Ovi fazni pomaci mogu prolaziti signal u oba smjera i detektirati kut dolaznog interferentnog signala. Uređaji mogu prilagoditi svoju fazu dok ne ponište interferenciju.

Faza ovih uređaja može se precizno namjestiti, tako da mogu detektirati i poništiti neželjeni signal prije nego što prođe do ostatka prijemnika, blokirajući interferenciju prije nego što utječe na bilo koji drugi dio prijemnika. Osim toga, fazni pomaci mogu pratiti signale kako bi nastavili blokirati interferenciju ako promijeni mjesto.

"Ako počnete gubiti vezu ili vam kvaliteta signala opada, možete ovo uključiti i ublažiti tu interferenciju u hodu. Budući da je naš pristup paralelan, možete ga uključiti i isključiti s minimalnim utjecajem na performanse samog prijemnika," dodaje Reiskarimian.

Kompaktan uređaj
Osim što su napravili svoju novu arhitekturu faznog pomaka podesivom, istraživači su ih dizajnirali da zauzimaju manje prostora na čipu i troše manje energije nego tipični nerecipročni fazni pomaci.

Nakon što su istraživači napravili analizu koja je pokazala da će njihova ideja funkcionirati, njihov najveći izazov bio je prevesti teoriju u sklop koji postiže njihove ciljeve performansi. Istovremeno, prijemnik je morao zadovoljiti stroge veličinske ograničenja i čvrsti energetski budžet, ili ne bi bio koristan u stvarnim uređajima.

Na kraju je tim demonstrirao kompaktnu MIMO arhitekturu na čipu veličine 3,2 kvadratna milimetra koja može blokirati signale koji su bili do četiri puta jači nego što su to mogli drugi uređaji. Jednostavnija od tipičnih dizajna, njihova arhitektura faznog pomaka je također energetski učinkovitija.

Krećući se naprijed, istraživači žele skalirati svoj uređaj na veće sustave, kao i omogućiti mu rad u novim frekvencijskim rasponima koje koriste 6G bežični uređaji. Ti frekvencijski rasponi su skloni snažnoj interferenciji sa satelita. Osim toga, žele prilagoditi nerecipročne fazne pomake za druge primjene.

Ovo istraživanje djelomično je podržao MIT Centar za integrirane krugove i sustave.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology