Concevoir des dispositifs capables de bloquer efficacement les signaux indésirables est une tâche complexe, d'autant plus que les réseaux 5G se généralisent et que les futures générations de systèmes de communication sans fil sont en plein développement. Les techniques conventionnelles utilisent de nombreux filtres pour bloquer divers signaux, mais ces filtres sont encombrants, coûteux et augmentent les coûts de production.
Des chercheurs du MIT ont mis au point une architecture de circuit qui bloque les signaux indésirables à l'entrée d'un récepteur sans en altérer les performances. Ils ont emprunté une technique au traitement numérique du signal et utilisé des astuces permettant son fonctionnement efficace dans un système radiofréquence sur une large bande de fréquences.
Son récepteur bloquait même les signaux indésirables de forte puissance sans introduire de bruit ni d'imprécisions supplémentaires dans le traitement du signal. La puce, dont les performances de blocage d'un type spécifique d'interférence sont environ 40 fois supérieures à celles des autres récepteurs à large bande, ne nécessite aucun matériel ni circuit supplémentaire, ce qui faciliterait sa production en série.
« Nous nous intéressons au développement de circuits et de systèmes électroniques répondant aux exigences de la 5G et des futures générations de systèmes de communication sans fil. Lors de la conception de nos circuits, nous nous inspirons d'autres domaines, tels que le traitement numérique du signal et l'électromagnétisme appliqué. Nous croyons en l'élégance et la simplicité des circuits et nous nous efforçons de créer du matériel multifonctionnel qui ne nécessite ni plus d'énergie ni une surface de puce supplémentaire », explique Negar Reiskarimian, auteure principale de l'étude, professeure associée de développement professionnel au sein du consortium X-Window du département de génie électrique et informatique (EECS) et membre permanent des laboratoires de technologie des microsystèmes.
Reiskarimian a co-écrit l'article avec Soroush Araei, auteur principal, et Shahabeddin Mohin, doctorants en génie électrique et informatique. Ces travaux sont présentés à la Conférence internationale sur les circuits intégrés à semi-conducteurs.
Interférence harmonique
Les chercheurs ont développé la puce réceptrice selon une architecture dite « à mélangeur d'abord ». Concrètement, lorsqu'elle reçoit un signal radiofréquence, elle le convertit immédiatement en un signal de fréquence inférieure avant de le transmettre au convertisseur analogique-numérique pour en extraire les bits numériques. Cette approche permet à la radio de couvrir une large gamme de fréquences tout en filtrant les interférences proches de sa fréquence de fonctionnement.
Bien qu'efficaces, les récepteurs équipés de mélangeurs sont sensibles à un type particulier d'interférences : les interférences harmoniques. Celles-ci proviennent de signaux dont la fréquence est un multiple de la fréquence de fonctionnement de l'appareil. Par exemple, si un appareil fonctionne à 1 gigahertz, les signaux à 2 gigahertz, 3 gigahertz, 5 gigahertz, etc., provoqueront des interférences harmoniques. Ces harmoniques peuvent être indiscernables du signal d'origine lors de la conversion de fréquence.
« De nombreux autres récepteurs haut débit ne traitent les harmoniques qu'au moment d'interpréter les données. Ils le font plus tard dans la chaîne, mais cette méthode est peu efficace avec des signaux de forte puissance aux fréquences harmoniques. Nous, au contraire, cherchons à éliminer les harmoniques le plus tôt possible afin de ne perdre aucune information », explique Araei.
Pour ce faire, les chercheurs se sont inspirés d'un concept de traitement numérique du signal appelé filtrage par blocs numériques. Ils ont adapté cette technique au domaine analogique en utilisant des condensateurs, qui stockent des charges électriques. Ces condensateurs sont chargés à différents moments lors de la réception du signal, puis déchargés afin de conserver la charge et de pouvoir l'utiliser ultérieurement pour le traitement des données.
Ces condensateurs peuvent être connectés de différentes manières, notamment en parallèle, ce qui permet l'échange de charges. Bien que cette technique puisse atténuer les interférences harmoniques, elle entraîne une perte de signal importante. L'empilement de condensateurs est une autre possibilité, mais cette méthode seule est insuffisante pour contrer les harmoniques.
La plupart des récepteurs radio utilisent déjà des circuits à condensateurs commutés pour la conversion de fréquence. Ces circuits de conversion de fréquence peuvent être associés à un filtrage par blocs pour lutter contre les interférences harmoniques.
Un arrangement précis
Les chercheurs ont découvert qu'en disposant les condensateurs selon une configuration spécifique, en connectant certains d'entre eux en série et en partageant la charge, on pouvait bloquer les interférences harmoniques sans perte d'information.
« Jusqu'à présent, ces techniques étaient utilisées séparément, jamais conjointement. Nous avons découvert qu'il est nécessaire de les appliquer simultanément pour obtenir ce résultat. De plus, nous avons trouvé comment procéder passivement au sein de la console de mixage, sans matériel supplémentaire, préservant ainsi l'intégrité du signal et réduisant les coûts », explique-t-il.
Ils ont testé le dispositif en envoyant simultanément un signal utile et des interférences harmoniques. La puce a bloqué efficacement les signaux harmoniques, avec une légère réduction de la puissance du signal. Elle était capable de gérer des signaux 40 fois plus puissants que les récepteurs haut débit les plus performants.
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Article rédigé par Adam Zewe, service de presse du MIT
