無(wú)線接收器可阻擋干擾提高移動(dòng)設(shè)備性能

從 5G 手機(jī)到自動(dòng)駕駛汽車傳感器，高速無(wú)線通信設(shè)備日益普及，導(dǎo)致無(wú)線電波越來(lái)越擁擠。這使得屏蔽可能影響設(shè)備性能的干擾信號(hào)的能力變得更加重要，也更具挑戰(zhàn)性。

考慮到這些和其他新興應(yīng)用，麻省理工學(xué)院的研究人員展示了一種新的毫米波多輸入多輸出 (MIMO) 無(wú)線接收器架構(gòu)，它可以處理比以前的設(shè)計(jì)更強(qiáng)的空間干擾。MIMO 系統(tǒng)有多個(gè)天線，使它們能夠從不同方向發(fā)送和接收信號(hào)。它們的無(wú)線接收器可以在不需要的信號(hào)被放大之前盡早感知并阻止空間干擾，從而提高性能。

這種 MIMO 接收器架構(gòu)的關(guān)鍵是一種可以瞄準(zhǔn)和消除無(wú)用信號(hào)的特殊電路，稱為非互易移相器。通過(guò)制作一種可重構(gòu)、低功耗且緊湊的新型移相器結(jié)構(gòu)，研究人員展示了如何使用它在接收器鏈的早期消除干擾。

他們的接收器可以阻擋高達(dá)一些類似設(shè)備的四倍的干擾。此外，可以根據(jù)需要打開(kāi)和關(guān)閉干擾阻擋組件以節(jié)省能源。

在手機(jī)中，這樣的接收器可以幫助緩解可能導(dǎo)致 Zoom 通話或視頻流緩慢且不流暢的信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題。

“我們?cè)噲D用于新 5G 和 6G 系統(tǒng)的頻率范圍已經(jīng)得到了廣泛的利用。因此，我們?cè)噲D添加的任何新東西都應(yīng)該已經(jīng)安裝了這些干擾緩解系統(tǒng)。在這里，我們已經(jīng)證明，在這種新架構(gòu)中使用非互易移相器可以提高性能。

“這非常有意義，特別是因?yàn)槲覀兒推渌耸褂孟嗤募善脚_(tái)，”電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)X-Window 聯(lián)盟職業(yè)發(fā)展助理教授、微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和電子研究實(shí)驗(yàn)室(RLE)成員、這款接收器論文的資深作者 Negar Reiskarimian 說(shuō)道。

Reiskarimian 與 EECS 研究生 Shahabeddin Mohin(第一作者)、Soroush Araei 和 RLE 博士后 Mohammad Barzgari 共同撰寫了這篇論文。該論文最近在IEEE 射頻電路研討會(huì)上發(fā)表，并獲得了最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)。

阻斷干擾

數(shù)字 MIMO 系統(tǒng)包含模擬和數(shù)字部分。模擬部分使用天線接收信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、下變頻，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，然后在設(shè)備的數(shù)字域中進(jìn)行處理。在這種情況下，需要數(shù)字波束成形來(lái)檢索所需信號(hào)。

但是，如果來(lái)自不同方向的強(qiáng)干擾信號(hào)與有用信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收器，它會(huì)使放大器飽和，從而淹沒(méi)有用信號(hào)。數(shù)字 MIMO 可以濾除無(wú)用信號(hào)，但這種濾除發(fā)生在接收器鏈的后期。如果干擾與有用信號(hào)一起被放大，則后期濾除會(huì)更加困難。

Reiskarimian 表示：“初始低噪聲放大器的輸出是我們能夠以最小代價(jià)進(jìn)行濾波的第一個(gè)地方，這正是我們采用的方法。”

研究人員在每個(gè)接收器鏈中第一個(gè)放大器的輸出端直接構(gòu)建并安裝了四個(gè)非互易移相器，它們都連接到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些移相器可以雙向傳遞信號(hào)，并感應(yīng)傳入干擾信號(hào)的角度。這些設(shè)備可以調(diào)整相位，直到消除干擾。

這些設(shè)備的相位可以精確調(diào)整，因此它們可以在干擾信號(hào)傳遞到接收器的其余部分之前感知并消除干擾信號(hào)，從而在干擾信號(hào)影響接收器的任何其他部分之前將其阻止。此外，如果干擾信號(hào)改變位置，移相器可以跟蹤信號(hào)以繼續(xù)阻止干擾。

“如果您開(kāi)始斷線或信號(hào)質(zhì)量下降，您可以打開(kāi)它并即時(shí)緩解干擾。因?yàn)槲覀儾捎玫氖遣⑿蟹椒?，所以您可以打開(kāi)和關(guān)閉它，而對(duì)接收器本身的性能影響最小，”Reiskarimian 補(bǔ)充道。

緊湊型設(shè)備

除了使其新穎的移相器架構(gòu)可調(diào)之外，研究人員還設(shè)計(jì)它們以比典型的非互易移相器占用更少的芯片空間并消耗更少的功耗。

一旦研究人員完成分析并證明他們的想法可行，他們面臨的最大挑戰(zhàn)就是將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)現(xiàn)其性能目標(biāo)的電路。與此同時(shí)，接收器必須滿足嚴(yán)格的尺寸限制和嚴(yán)格的功率預(yù)算，否則它在現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備中就無(wú)法使用。

最終，該團(tuán)隊(duì)在一塊 3.2 平方毫米的芯片上展示了一種緊湊型 MIMO 架構(gòu)，該架構(gòu)可以阻擋比其他設(shè)備處理能力強(qiáng)四倍的信號(hào)。與典型設(shè)計(jì)相比，他們的移相器架構(gòu)更簡(jiǎn)單，也更節(jié)能。

展望未來(lái)，研究人員希望將他們的設(shè)備擴(kuò)展到更大的系統(tǒng)，并使其能夠在 6G 無(wú)線設(shè)備使用的新頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。這些頻率范圍容易受到衛(wèi)星的強(qiáng)烈干擾。此外，他們還希望將非互易移相器應(yīng)用于其他應(yīng)用。

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