Le récepteur sans fil bloque les interférences pour de meilleures performances des appareils mobiles

La prévalence croissante des appareils de communication sans fil à haut débit, des téléphones mobiles 5G aux capteurs pour véhicules autonomes, conduit à des ondes de plus en plus encombrées. La capacité à bloquer les signaux interférents qui peuvent nuire aux performances des appareils est donc un problème encore plus important et plus difficile à résoudre.

En gardant à l’esprit ces applications et d’autres applications émergentes, les chercheurs du MIT ont présenté une nouvelle architecture de récepteur sans fil à ondes millimétriques à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) capable de gérer des interférences spatiales plus fortes que les modèles précédents. Les systèmes MIMO disposent de plusieurs antennes, ce qui leur permet de transmettre et de recevoir des signaux provenant de différentes directions. Leur récepteur sans fil détecte et bloque les interférences spatiales dès que possible, avant que les signaux indésirables ne soient amplifiés, ce qui améliore les performances.

La clé de cette architecture de récepteur MIMO est un circuit spécial capable de cibler et d’annuler les signaux indésirables, appelé déphaseur non réciproque. En créant une nouvelle structure de déphaseur reconfigurable, à faible consommation d’énergie et compacte, les chercheurs montrent comment elle peut être utilisée pour annuler les interférences plus tôt dans la chaîne de réception.

Leur récepteur peut bloquer jusqu’à quatre fois plus d’interférences que certains appareils similaires. De plus, les composants de blocage des interférences peuvent être activés et désactivés selon les besoins pour économiser l’énergie.

Dans un téléphone mobile, un tel récepteur pourrait aider à atténuer les problèmes de qualité du signal qui peuvent entraîner des appels Zoom ou des diffusions vidéo lentes et saccadées.

« Il y a déjà beaucoup d’utilisation dans les gammes de fréquences que nous essayons d’utiliser pour les nouveaux systèmes 5G et 6G. Par conséquent, tout ce que nous essayons d’ajouter de nouveau devrait déjà avoir ces systèmes d’atténuation des interférences installés. Ici, nous avons montré que l’utilisation d’un déphaseur non réciproque dans cette nouvelle architecture nous donne de meilleures performances. C’est assez significatif, d’autant plus que nous utilisons la même plateforme intégrée que tout le monde », déclare Negar Reiskarimian, professeur adjoint de développement de carrière du consortium X-Window au département de génie électrique et d’informatique (EECS), membre des laboratoires de technologie des microsystèmes et du laboratoire de recherche en électronique (RLE), et auteur principal d’un article sur ce récepteur.

Reiskarimian a rédigé cet article avec les étudiants diplômés de l’EECS Shahabeddin Mohin, qui est l’auteur principal, Soroush Araei et Mohammad Barzgari, un postdoctorant RLE. Le travail a récemment été présenté au symposium IEEE Radio Frequency Circuits et a reçu le prix du meilleur article étudiant.

Blocage des interférences

Les systèmes MIMO numériques comportent une partie analogique et une partie numérique. La partie analogique utilise des antennes pour recevoir les signaux, qui sont amplifiés, convertis en fréquence descendante et transmis via un convertisseur analogique-numérique avant d’être traités dans le domaine numérique de l’appareil. Dans ce cas, la formation de faisceau numérique est nécessaire pour récupérer le signal souhaité.

Mais si un signal parasite puissant provenant d’une direction différente frappe le récepteur en même temps qu’un signal souhaité, il peut saturer l’amplificateur et le signal souhaité est noyé. Les MIMO numériques peuvent filtrer les signaux indésirables, mais ce filtrage intervient plus tard dans la chaîne de réception. Si l’interférence est amplifiée en même temps que le signal souhaité, il est plus difficile de la filtrer ultérieurement.

La sortie de l’amplificateur à faible bruit initial est le premier endroit où vous pouvez effectuer ce filtrage avec une pénalité minimale, c’est donc exactement ce que nous faisons avec notre approche, explique Reiskarimian.

Les chercheurs ont construit et installé quatre déphaseurs non réciproques immédiatement à la sortie du premier amplificateur de chaque chaîne de récepteur, tous connectés au même nœud. Ces déphaseurs peuvent transmettre le signal dans les deux sens et détecter l’angle d’un signal interférent entrant. Les dispositifs peuvent ajuster leur phase jusqu’à ce qu’ils annulent l’interférence.

La phase de ces dispositifs peut être réglée avec précision, de sorte qu’ils peuvent détecter et annuler un signal indésirable avant qu’il ne passe au reste du récepteur, bloquant ainsi les interférences avant qu’elles n’affectent d’autres parties du récepteur. De plus, les déphaseurs peuvent suivre les signaux pour continuer à bloquer les interférences si elles changent d’emplacement.

Si vous commencez à être déconnecté ou si la qualité de votre signal diminue, vous pouvez activer cette fonction et atténuer ces interférences à la volée. Comme notre approche est parallèle, vous pouvez l’activer et la désactiver avec un impact minimal sur les performances du récepteur lui-même, ajoute Reiskarimian.

Un appareil compact

En plus de rendre leur nouvelle architecture de déphaseur réglable, les chercheurs les ont conçus pour utiliser moins d’espace sur la puce et consommer moins d’énergie que les déphaseurs non réciproques classiques.

Une fois que les chercheurs ont effectué l’analyse pour démontrer que leur idée fonctionnait, leur plus grand défi a été de traduire la théorie en un circuit qui atteigne leurs objectifs de performance. En même temps, le récepteur devait respecter des restrictions de taille strictes et un budget de puissance serré, sinon il ne serait pas utile dans les appareils du monde réel.

Au final, l’équipe a démontré une architecture MIMO compacte sur une puce de 3,2 millimètres carrés capable de bloquer des signaux jusqu’à quatre fois plus puissants que ceux que d’autres appareils pouvaient gérer. Plus simple que les conceptions classiques, leur architecture à déphaseur est également plus économe en énergie.

Les chercheurs souhaitent désormais étendre leur dispositif à des systèmes plus grands et lui permettre de fonctionner dans les nouvelles gammes de fréquences utilisées par les appareils sans fil 6G. Ces gammes de fréquences sont sujettes à de fortes interférences provenant des satellites. De plus, ils aimeraient adapter les déphaseurs non réciproques à d’autres applications.

Cette recherche a été financée, en partie, par le Centre des circuits et systèmes intégrés du MIT.