Multifunctional microwave photonic processor with multichannel self-interference cancellation
تقترح هذه الورقة وتثبت تجريبياً معالج موجات ميكروية متعدد الوظائف ومعزز ضوئياً يعتمد على مُعدِّل ماخ-زيندر مزدوج التوازي ومزدوج الاستقطاب، والذي يحقق في آن واحد إلغاءً ذاتياً للتداخل متعدد القنوات، وخفضاً للتردد، ورفضاً للصورة لأنظمة الإرسال والاستقبال المتزامن داخل النطاق.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم الاتصالات اللاسلكية، تعد الكفاءة هي الهدف الأسمى. لعقود من الزمن، اعتمدت الأنظمة على تقسيم الوقت أو التردد لإرسال واستقبال الرسائل، تماماً مثل جهاز اللاسلكي الذي يجبر المستخدمين على تبادل الأدوار في التحدث. هذا الأسلوب فعال، لكنه يهدر نصف السعة المحتملة للموجات الراديوية. وهناك نهج أكثر طموحاً يُعرف باسم "الإرسال والاستقبال الكامل في النطاق نفسه" (in-band full-duplex)، يهدف إلى السماح للأجهزة بالإرسال والاستقبال على نفس التردد تماماً وفي نفس الوقت تماماً. هذا من شأنه أن يضاعف سرعة نقل البيانات ويجعل الاستخدام الأمثل لطيف الراديو المزدحم أكثر فعالية. ومع ذلك، يواجه هذا الطموح عائقاً فيزيائياً هائلاً: التداخل الذاتي. فعندما يبث الجهاز إشارة قوية، تتسرب هذه الإشارة نفسها مباشرة إلى مستقبل الجهاز الحساس، مما يؤدي إلى طمس الرسالة الخافتة التي يحاول سماعها. وبخلاف الضوضاء الخلفية، يكون هذا التداخل قوياً جداً وقريباً جداً بحيث لا يمكن تصفيتُه بواسطة المكونات الإلكترونية القياسية. ولجعل نظام الإرسال والاستقبال الكامل يعمل، يجب على المهندسين إيجاد طريقة لإلغاء هذا التداخل الذاتي بشكل فوري ودقيق، مع التعامل أيضاً مع المهمة المعقدة المتمثلة في تحويل الإشارات عالية التردد إلى ترددات أقل يمكن التعامل معها لغرض المعالجة.
لقد طور فريق من الباحثين في جامعة نانجينغ للبريد والاتصالات نظاماً جديداً يعالج هذه التحديات في آن واحد باستخدام الضوء. فبدلاً من الاعتماد كلياً على الدوائر الإلكترونية، التي تعاني مع السرعة والتعقيد المطلوبين لتشغيل نظام الإرسال والاستقبال الكامل، قاموا ببناء معالج يستخدم الموجات الضوئية للتلاعب بالإشارات الراديوية. جهازهم هو معالج متعدد الوظائف قادر على أداء ثلاث مهام حاسمة في وقت واحد: إلغاء التداخل الذاتي، وتحويل تردد الإشارة، ورفض إشارات الصورة المرآتية غير المرغوب فيها والتي غالباً ما تسبب ارتباكاً للمستقبلات. إن جوهر اختراعهم هو مكون بصري متخصص يسمى "معدل مـاتش-زيندر مزدوج الاستقطاب ومزدوج التوازي" (dual-polarization dual-parallel Mach-Zehnder modulator). يمكنك التفكير في هذا الجهاز كمنظم حركة مرور متطور للضوء، قادر على تقسيم شعاع من ضوء الليزر إلى مسارين منفصلين ثم إعادة دمجهما مع إجراء تعديلات دقيقة. ومن خلال إرسال الإشارات الراديوية إلى هذا الجهاز، يستطيع الباحثون التلاعب بالموجات الضوئية لإنشاء نسخة من إشارة التداخل تكون معاكسة تماماً للإشارة الأصلية. وعندما تلتقي هاتان النسختان، تلغي كل منهما الأخرى، مما يترك الرسالة المطلوبة واضحة.
وقد أظهر الباحثون أن هذا النهج البصري يعمل بشكل ممتاز حقاً. ففي تجاربهم، اختبروا النظام باستخدام إشارات أحادية التردد ووجدوا أنه يمكنه كبح التداخل الذاتي بما يصل إلى 49.1 ديسيبل. ولوضع هذا في المنظور، فإن هذا المستوى من الإلغاء قوي بما يكفي لخفض صرخة عالية إلى همس، مما يسمح للمستقبل بسماع الإشارة الضعلة ذات الأهمية دون أن يطغى عليها. كما نجح النظام أيضاً في التعامل مع تحويل هذه الإشارات إلى تردد أقل، وهي خطوة ضرورية للمعالجة الرقمية، مع تصفية إشارات الصورة التي تسبب الأخطاء عادةً في آن واحد. وعندما اختبروا النظام باستخدام إشارة أحادية التردد، حقق نسبة رفض للصورة بلغت 30.4 ديسيبل، مما يعني أن الإشارات المرآتية غير المرغوب فيها قد تم القضاء عليها بفعالية.
بيد أن الاختبار الحقيقي لمثل هذا النظام يكمن في قدرته على التعامل مع الظروف الواقعية حيث لا تكون الإشارات مجرد نغمات مفردة بل نطاقات عريضة من البيانات. وقد وسع الباحثون اختباراتهم لتشمل إشارات عريضة النطاق بمدى عرض يبلغ 150 ميجاهرتز. وحتى مع هذا النطاق الأوسع من الترددات، حافظ النظام على عمق إلغاء للتداخل الذاتي بلغ 18.8 ديسيبل عبر النطاق بأكمله. ويعد هذا إنجازاً كبيراً لأن الحفاظ على الإلغاء عبر نطاق واسع من الترددات أمر صعب للغاية؛ فعادةً، كلما زاد عرض نطاق الإشارة، انخفضت دقة الإلغاء. علاوة على ذلك، تمكن النظام من تحقيق نسبة رفض للصورة بلغت 21 ديسيبل لإشارات عند تردد 6.4 جيجاهرتز أثناء قيامه بهذا الإلغاء عريض النطاق. وهذا يثبت أن الجهاز يمكنه التعامل مع تعقيدات معايير الاتصالات الحديثة دون أن يفقد قدرته على تنقية الإشارة.
ومن الابتكارات الرئيسية في هذا العمل هي كيفية تعامل الباحثين مع القيود الفيزيائية لانتقال الضوء عبر الألياف. فبينما تنتقل الإشارات الضوئية عبر مسافات طويلة، فإنها غالباً ما تعاني من ظاهرة تسمى "التشتت" (dispersion)، والتي تسبب تلاشي قوة الإشارة وتشوهها. وقد صمم الباحثون نظامهم لتوليد نوع محدد من الإشارات الضوئية التي تكون محصنة ضد هذا التلاشي. فمن خلال الاختيار الدقيق لأجزاء الطيف الضوئي التي يجب الاحتفاظ بها والأجزاء التي يجب التخلص منها باستخدام مرشح متخصص يسمى "شبكة براج للألياف" (fiber Bragg grating)، ضمنوا بقاء الإشارة قوية وواضحة بغض النظر عن المسافة التي تقطعها. ويمثل هذا الجمع بين إلغاء التداخل الذاتي، وتحويل التردد، ورفض الصورة في جهاز بصري واحد مدمج خطوة كبيرة إلى الأمام. ويشير هذا إلى أن شبكات الاتصال اللاسلكية المستقبلية يمكن بناؤها بأجهزة أبسط وأكثر كفاءة لا تحتاج إلى التضحية بالسرعة أو الوضوح لتجنب التداخل. وقد أشار الباحثون إلى أنه بينما أظهر إعدادهم الحالي قناتين من الإلغاء، فإن التصميم قابل للتوسع؛ فمن خلال إضافة المزيد من هذه المكونات البصرية، يمكن توسيع النظام للتعامل مع قنوات متعددة في وقت واحد، مما يجعله مرشحاً قوياً للجيل القادم من أنظمة الاتصالات اللاسلكية متعددة الهوائيات.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.