Progettare dispositivi in grado di bloccare efficacemente i segnali indesiderati non è un compito facile, soprattutto con la crescente diffusione delle reti 5G e lo sviluppo delle future generazioni di sistemi di comunicazione wireless. Le tecniche convenzionali utilizzano numerosi filtri per bloccare una vasta gamma di segnali, ma questi filtri sono ingombranti, costosi e fanno lievitare i costi di produzione.
I ricercatori del MIT hanno sviluppato un'architettura di circuito in grado di bloccare i segnali indesiderati all'ingresso di un ricevitore senza comprometterne le prestazioni. Hanno mutuato una tecnica dall'elaborazione digitale dei segnali e l'hanno integrata con alcuni accorgimenti che ne consentono il funzionamento efficace in un sistema a radiofrequenza su un'ampia gamma di frequenze.
Il suo ricevitore bloccava anche segnali indesiderati ad alta potenza senza introdurre rumore o imprecisioni aggiuntive nelle operazioni di elaborazione del segnale. Il chip, che offre prestazioni circa 40 volte superiori rispetto ad altri ricevitori a banda larga nel bloccare uno specifico tipo di interferenza, non richiede hardware o circuiti aggiuntivi. Ciò ne faciliterebbe la produzione di massa.
"Siamo interessati a sviluppare circuiti e sistemi elettronici che soddisfino le esigenze del 5G e delle future generazioni di sistemi di comunicazione wireless. Nella progettazione dei nostri circuiti, traiamo ispirazione da altri campi, come l'elaborazione digitale dei segnali e l'elettromagnetismo applicato. Crediamo nell'eleganza e nella semplicità dei circuiti e ci impegniamo a creare hardware multifunzionale che non richieda maggiore potenza o superficie del chip", afferma l'autore principale Negar Reiskarimian, professore associato di sviluppo professionale per l'X-Window Consortium presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) e membro del corpo docente dei Microsystems Technology Laboratories.
Reiskarimian ha scritto l'articolo insieme agli studenti di dottorato in Ingegneria Elettrica e Informatica Soroush Araei, autore principale, e Shahabeddin Mohin. Il lavoro verrà presentato alla Conferenza Internazionale sui Circuiti a Stato Solido.
Interferenza armonica
I ricercatori hanno sviluppato il chip ricevitore utilizzando un'architettura nota come "mixer-first". Ciò significa che, quando il dispositivo riceve un segnale a radiofrequenza, lo converte immediatamente in un segnale a frequenza inferiore prima di inviarlo al convertitore analogico-digitale per estrarre i bit digitali che trasporta. Questo approccio consente alla radio di coprire un'ampia gamma di frequenze, filtrando al contempo le interferenze in prossimità della frequenza operativa.
Sebbene efficaci, i ricevitori con miscelatori sono soggetti a un particolare tipo di interferenza nota come interferenza armonica. L'interferenza armonica deriva da segnali le cui frequenze sono multipli della frequenza operativa del dispositivo. Ad esempio, se un dispositivo opera a 1 gigahertz, i segnali a 2 gigahertz, 3 gigahertz, 5 gigahertz, ecc., causeranno interferenza armonica. Queste armoniche possono risultare indistinguibili dal segnale originale durante il processo di conversione di frequenza.
"Molti altri ricevitori a banda larga non intervengono sulle armoniche finché non arriva il momento di interpretare i bit. Lo fanno in una fase successiva della catena, ma questo non funziona bene se si hanno segnali ad alta potenza alle frequenze armoniche. Noi, invece, vogliamo eliminare le armoniche il prima possibile per non perdere informazioni", spiega Araei.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori si sono ispirati a un concetto di elaborazione del segnale digitale noto come filtraggio a blocchi digitale. Hanno adattato questa tecnica al dominio analogico utilizzando condensatori, che immagazzinano cariche elettriche. I condensatori vengono caricati in momenti diversi man mano che il segnale viene ricevuto, e poi spenti in modo che la carica venga trattenuta e possa essere utilizzata in seguito per elaborare i dati.
Questi condensatori possono essere collegati in vari modi, incluso il collegamento in parallelo, che consente ai condensatori di scambiare le cariche immagazzinate. Sebbene questa tecnica possa contrastare le interferenze armoniche, comporta una significativa perdita di segnale. Un'altra possibilità è quella di impilare i condensatori, ma questo metodo da solo non è sufficiente a resistere alle armoniche.
La maggior parte dei ricevitori radio utilizza già circuiti a condensatori commutati per la conversione di frequenza. Questi circuiti di conversione di frequenza possono essere combinati con filtri a blocco per contrastare le interferenze armoniche.
Una disposizione precisa
I ricercatori hanno scoperto che posizionando i condensatori in una configurazione specifica, collegandone alcuni in serie e condividendo la carica, era possibile bloccare le interferenze armoniche senza perdere informazioni.
"Finora queste tecniche erano state utilizzate separatamente, ma mai insieme. Abbiamo scoperto che entrambe devono essere applicate simultaneamente per ottenere questo risultato. Inoltre, abbiamo scoperto come farlo passivamente all'interno del mixer, senza utilizzare hardware aggiuntivo, mantenendo l'integrità del segnale e riducendo i costi", afferma.
Hanno testato il dispositivo inviando simultaneamente un segnale desiderato e un'interferenza armonica. Il chip ha bloccato efficacemente i segnali armonici con solo una leggera riduzione dell'intensità del segnale. È stato in grado di gestire segnali 40 volte più potenti rispetto ai ricevitori a banda larga più avanzati.
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Articolo di Adam Zewe, Ufficio Stampa del MIT
