Kompaktní, energeticky úsporný přijímač posílí 5G chytrá zařízení

Výzkumníci z MIT navrhli kompaktní, energeticky úsporný přijímač pro 5G kompatibilní chytrá zařízení, který je přibližně 30krát odolnější vůči určitému typu rušení než některé tradiční bezdrátové přijímače.

Nízkokostový přijímač by byl ideální pro zařízení internetu věcí (IoT) napájená z baterie, jako jsou environmentální senzory, chytré termostaty nebo jiná zařízení, která potřebují dlouhodobě nepřetržitě pracovat, například zdravotní nositelná elektronika, chytré kamery nebo průmyslové monitorovací senzory.

Čip výzkumníků využívá pasivní filtrační mechanismus, který spotřebuje méně než miliwatt statické energie a zároveň chrání vstup i výstup zesilovače přijímače před nežádoucími bezdrátovými signály, které by mohly zařízení rušit.

Klíčem k novému přístupu je inovativní uspořádání přednabitých, stohovaných kondenzátorů, které jsou propojeny sítí miniaturních spínačů. Tyto miniaturní spínače potřebují k zapnutí a vypnutí mnohem méně energie než ty, které se typicky používají v přijímačích IoT.

Síť kondenzátorů a zesilovač přijímače jsou pečlivě uspořádány tak, aby využily jevu v zesilování, který umožňuje čipu používat mnohem menší kondenzátory, než by bylo obvykle nutné.

„Tento přijímač by mohl pomoci rozšířit možnosti IoT gadgetů. Chytrá zařízení, jako jsou zdravotní monitory nebo průmyslové senzory, by mohla být menší a mít delší životnost baterie. Byla by také spolehlivější v přeplněných rádiových prostředích, jako jsou výrobní haly nebo sítě chytrých měst,“ říká Soroush Araei, postgraduální student elektrotechniky a informatiky (EECS) na MIT a hlavní autor článku o přijímači.

K autorům článku patří také Mohammad Barzgari, postdoktorand z MIT Research Laboratory of Electronics (RLE); Haibo Yang, postgraduální student EECS; a hlavní autorka Negar Reiskarimian, profesorka EECS na MIT a členka Microsystems Technology Laboratories a RLE. Výzkum byl nedávno prezentován na sympoziu IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.

Nová norma

Přijímač funguje jako prostředník mezi zařízením IoT a jeho prostředím. Jeho úkolem je detekovat a zesílit bezdrátový signál, odfiltrovat veškeré rušení a poté jej převést na digitální data pro zpracování.

Tradičně pracují přijímače IoT na pevných frekvencích a potlačují rušení pomocí jediného úzkopásmového filtru, což je jednoduché a levné.

Nicméně nové technické specifikace mobilní sítě 5G umožňují použití zařízení s omezenými schopnostmi, která jsou cenově dostupnější a energeticky účinnější. To otevírá řadu aplikací IoT pro rychlejší přenos dat a zvýšenou síťovou kapacitu sítě 5G. Tato zařízení IoT nové generace potřebují přijímače, které dokáží naladit širokou škálu frekvencí a zároveň zůstat cenově výhodné a energeticky úsporné.

„To je extrémně náročné, protože nyní musíme přemýšlet nejen o výkonu a nákladech přijímače, ale také o flexibilitě, abychom zvládli četné rušivé signály, které existují v prostředí,“ říká Araei.

Aby se snížila velikost, náklady a spotřeba energie zařízení IoT, nemůže se spolehnout na objemné, externí filtry, které se typicky používají v zařízeních pracujících v širokém frekvenčním rozsahu.

Jedním z řešení je použití sítě čipů kondenzátorů, které dokáží odfiltrovat nežádoucí signály. Tyto sítě kondenzátorů jsou však náchylné ke specifickému typu šumu signálu, známému jako harmonické rušení.

V předchozí práci výzkumníci z MIT vyvinuli novou síť spínač-kondenzátor, která cílí na tyto harmonické signály co nejdříve v řetězci přijímače, čímž se odfiltrují nežádoucí signály dříve, než se zesílí a přemění na digitální bity pro zpracování.

Zmenšení obvodu

Zde rozšířili tento přístup použitím nové sítě spínač-kondenzátor jako zpětné vazby v zesilovači se záporným zesílením. Tato konfigurace využívá Millerova efektu, jevu, který umožňuje malým kondenzátorům chovat se jako mnohem větší.

„Tento trik nám umožňuje splnit požadavky na filtrování pro úzkopásmové IoT bez fyzicky velkých součástí, což drasticky zmenšuje velikost obvodu,“ říká Araei.

Jejich přijímač má aktivní plochu menší než 0,05 čtverečních milimetrů.

Jednou z výzev, které museli výzkumníci překonat, bylo určení, jak aplikovat dostatečné napětí k pohonu spínačů, přičemž celkové napájení čipu zůstane pouze 0,6 voltu.

V přítomnosti rušivých signálů se tyto miniaturní spínače mohou chybově zapínat a vypínat, zvláště pokud je napětí potřebné k přepínání extrémně nízké.

Aby to vyřešili, výzkumníci vymysleli inovativní řešení, pomocí speciální obvodové techniky zvané bootstrap clocking. Tato metoda zvyšuje řídicí napětí tak akorát, aby se zajistila spolehlivá funkce spínačů, přičemž se používá méně energie a méně součástí než u tradičních metod zvyšování napětí hodin.

Dohromady tyto inovace umožňují novému přijímači spotřebovat méně než miliwatt energie a zároveň blokovat asi 30krát více harmonického rušení než tradiční přijímače IoT.

„Náš čip je také velmi tichý, pokud jde o znečišťování rádiových vln. To plyne z toho, že naše spínače jsou velmi malé, takže množství signálu, které může uniknout z antény, je také velmi malé,“ dodává Araei.

Protože je jejich přijímač menší než tradiční zařízení a spoléhá se na spínače a přednabité kondenzátory místo složitější elektroniky, jeho výroba by mohla být nákladově efektivnější. Navíc, protože design přijímače může pokrýt široký rozsah frekvencí signálu, mohl by být implementován na různých současných i budoucích zařízeních IoT.

Nyní, když vyvinuli tento prototyp, chtějí výzkumníci umožnit přijímači pracovat bez samostatného napájení, případně sklizní signálů Wi-Fi nebo Bluetooth z okolí k napájení čipu.

Tento výzkum je částečně podporován Národní vědeckou nadací.