Die Entwicklung von Geräten, die unerwünschte Signale effektiv blockieren können, ist keine leichte Aufgabe, insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Verbreitung von 5G-Netzen und die Entwicklung zukünftiger Generationen drahtloser Kommunikationssysteme. Herkömmliche Verfahren verwenden zahlreiche Filter, um verschiedene Signale zu blockieren. Diese Filter sind jedoch sperrig, teuer und treiben die Produktionskosten in die Höhe.
Forscher des MIT haben eine Schaltungsarchitektur entwickelt, die unerwünschte Signale am Eingang eines Empfängers blockiert, ohne dessen Leistung zu beeinträchtigen. Sie nutzten dafür eine Technik aus der digitalen Signalverarbeitung und einige Kniffe, die einen effektiven Betrieb in einem Hochfrequenzsystem über einen breiten Frequenzbereich ermöglichen.
Sein Empfänger blockierte selbst starke Störsignale, ohne zusätzliches Rauschen oder Ungenauigkeiten in die Signalverarbeitung einzuführen. Der Chip, der eine bestimmte Art von Störungen etwa 40-mal besser blockiert als andere Breitbandempfänger, benötigt keine zusätzliche Hardware oder Schaltung. Dies würde seine Massenproduktion erleichtern.
„Wir entwickeln elektronische Schaltungen und Systeme, die den Anforderungen von 5G und zukünftigen Generationen drahtloser Kommunikationssysteme gerecht werden. Bei der Entwicklung unserer Schaltungen lassen wir uns von anderen Bereichen wie der digitalen Signalverarbeitung und der angewandten Elektromagnetik inspirieren. Wir glauben an die Eleganz und Einfachheit von Schaltungen und streben danach, multifunktionale Hardware zu entwickeln, die weder mehr Strom verbraucht noch mehr Chipfläche benötigt“, so die Hauptautorin Negar Reiskarimian, außerordentliche Professorin für berufliche Weiterbildung im X-Window-Konsortium des Fachbereichs Elektrotechnik und Informationstechnik (EECS) und Mitglied des Lehrkörpers der Mikrosystemtechnologie-Laboratorien.
Reiskarimian verfasste die Publikation gemeinsam mit den EECS-Doktoranden Soroush Araei (Erstautor) und Shahabeddin Mohin. Die Arbeit wird auf der Internationalen Konferenz für Festkörperschaltungen vorgestellt.
Harmonische Interferenz
Die Forscher entwickelten den Empfängerchip mithilfe einer sogenannten Mixer-First-Architektur. Das bedeutet, dass das Gerät ein empfangenes Hochfrequenzsignal sofort in ein Signal mit niedrigerer Frequenz umwandelt, bevor es an den Analog-Digital-Wandler weitergeleitet wird, um die darin enthaltenen digitalen Daten zu extrahieren. Dieses Verfahren ermöglicht es dem Funkgerät, einen breiten Frequenzbereich abzudecken und gleichzeitig Störungen in der Nähe der Betriebsfrequenz herauszufiltern.
Obwohl Empfänger mit Mischern effektiv sind, sind sie anfällig für eine bestimmte Art von Störungen, die als Oberwellenstörungen bekannt sind. Oberwellenstörungen entstehen durch Signale, deren Frequenzen Vielfache der Betriebsfrequenz des Geräts sind. Arbeitet ein Gerät beispielsweise mit 1 Gigahertz, verursachen Signale mit 2, 3, 5 usw. Gigahertz Oberwellenstörungen. Diese Oberwellen können während der Frequenzumsetzung vom ursprünglichen Signal nicht mehr zu unterscheiden sein.
„Viele andere Breitbandempfänger kümmern sich erst um Oberwellen, wenn es darum geht, die Bedeutung der Bits auszuwerten. Sie tun dies erst später in der Signalkette, was aber bei starken Signalen im Bereich der Oberwellenfrequenzen nicht gut funktioniert. Wir hingegen wollen Oberwellen so früh wie möglich eliminieren, um keinen Informationsverlust zu riskieren“, erklärt Araei.
Um dies zu erreichen, ließen sich die Forscher von einem Konzept der digitalen Signalverarbeitung, der sogenannten digitalen Blockfilterung, inspirieren. Sie übertrugen diese Technik mithilfe von Kondensatoren, die elektrische Ladungen speichern, auf den analogen Bereich. Die Kondensatoren werden während des Empfangs des Signals zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgeladen und anschließend wieder abgeschaltet, sodass die Ladung erhalten bleibt und später zur Datenverarbeitung genutzt werden kann.
Diese Kondensatoren lassen sich auf verschiedene Weise verbinden, beispielsweise parallel, wodurch sie gespeicherte Ladungen austauschen können. Diese Technik kann zwar Oberwellenstörungen entgegenwirken, führt aber zu erheblichen Signalverlusten. Auch das Stapeln von Kondensatoren ist möglich, jedoch reicht diese Methode allein nicht aus, um Oberwellen zu unterdrücken.
Die meisten Radioempfänger verwenden bereits geschaltete Kondensatorschaltungen zur Frequenzumsetzung. Diese Frequenzumsetzungsschaltungen können mit Blockfiltern kombiniert werden, um Oberwellenstörungen zu unterdrücken.
Eine präzise Anordnung
Die Forscher entdeckten, dass die Anordnung der Kondensatoren in einer bestimmten Form, bei der einige von ihnen in Reihe geschaltet und die Ladung geteilt wurde, es ihnen ermöglichte, harmonische Störungen zu blockieren, ohne dabei Informationen zu verlieren.
„Diese Techniken wurden bisher zwar getrennt, aber nie gemeinsam angewendet. Wir haben festgestellt, dass beide Techniken gleichzeitig eingesetzt werden müssen, um diesen Vorteil zu erzielen. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, wie dies passiv im Mischpult ohne zusätzliche Hardware möglich ist, wodurch die Signalintegrität erhalten bleibt und die Kosten gesenkt werden“, sagt er.
Sie testeten das Gerät, indem sie gleichzeitig ein gewünschtes Signal und Oberwellenstörungen aussendeten. Der Chip blockierte die Oberwellensignale effektiv, wobei die Signalstärke nur geringfügig abnahm. Er konnte Signale verarbeiten, die 40-mal stärker waren als die der modernsten Breitbandempfänger.
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Verfasst von Adam Zewe, MIT-Pressestelle
