Multifunctional microwave photonic processor with multichannel self-interference cancellation
Cet article propose et démontre expérimentalement un processeur micro-onde multifonction assisté par la photonique, basé sur un modulateur Mach-Zehnder à double polarisation et double parallèle, qui réalise simultanément l'annulation de l'auto-interférence multicanal, la conversion de fréquence vers le bas et le rejet d'image pour les systèmes duplex intégral en bande.
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Dans le monde de la communication sans fil, l'efficacité est l'objectif ultime. Pendant des décennies, les systèmes se sont appuyés sur la division du temps ou de la fréquence pour envoyer et recevoir des messages, un peu comme un talkie-walkie qui force les utilisateurs à attendre leur tour pour parler. Cela fonctionne, mais cela gaspille la moitié du potentiel de capacité des ondes radio. Une approche plus ambitieuse, connue sous le nom de duplex intégral en bande (in-band full-duplex), vise à permettre aux appareils de transmettre et de recevoir sur la même fréquence exactement au même moment. Cela pourrait doubler la vitesse de transmission des données et faire un meilleur usage du spectre radio encombré. Cependant, cette ambition se heurte à une barrière physique redoutable : l'auto-interférence. Lorsqu'un appareil diffuse un signal puissant, ce même signal fuit directement dans son propre récepteur sensible, noyant le message ténu qu'il essaie d'entendre. Contrairement au bruit de fond, cette interférence est trop forte et trop proche pour être filtrée par des composants électroniques standards. Pour que le duplex intégral fonctionne, les ingénieurs doivent trouver un moyen d'annuler cette auto-interférence de manière instantanée et précise, tout en gérant la tâche complexe de la conversion de signaux à haute fréquence en fréquences plus basses et gérables pour le traitement.
Une équipe de chercheurs de l'Université de poste et des télécommunications de Nanjing a développé un nouveau système qui relève ces défis simultanément en utilisant la lumière. Au lieu de s'appuyer uniquement sur des circuits électroniques, qui peinent face à la vitesse et à la complexité requises pour le fonctionnement en duplex intégral, ils ont construit un processeur qui utilise des ondes lumineuses pour manipuler les signaux radio. Leur dispositif est un processeur multifonction capable d'accomplir trois tâches critiques à la fois : annuler l'auto-interférence, convertir la fréquence du signal et rejeter les signaux images indésirables qui confondent souvent les récepteurs. Le cœur de leur invention est un composant optique spécialisé appelé modulateur Mach-Zehnder à double polarisation et double parallèle. Vous pouvez considérer ce dispositif comme un contrôleur de trafic sophistiqué pour la lumière, capable de diviser un faisceau de lumière laser en deux chemins distincts, puis de les recombiner avec des ajustements précis. En envoyant les signaux radio dans ce dispositif, les chercheurs peuvent manipuler les ondes lumineuses pour créer une version du signal d'interférence qui est parfaitement opposée à l'original. Lorsque ces deux versions se rencontrent, elles s'annulent mutuellement, laissant le message souhaité clair.
Les chercheurs ont démontré que cette approche optique fonctionne remarquablement bien. Lors de leurs expériences, ils ont testé le système avec des signaux à fréquence unique et ont constaté qu'il pouvait supprimer l'auto-interférence jusqu'à 49,1 décibels. Pour mettre cela en perspective, ce niveau d'annulation est suffisant pour réduire un cri fort à un murmure, permettant au récepteur d'entendre le signal ténu d'intérêt sans être submergé. Le système a également réussi la conversion de ces signaux vers une fréquence plus basse, une étape nécessaire pour le traitement numérique, tout en filtrant simultanément les signaux images qui causent typiquement des erreurs. Lorsqu'ils ont testé le système avec un signal à fréquence unique, il a atteint un rapport de réjection d'image de 30,4 décibels, ce qui signifie que les signaux miroirs indésirables ont été efficacement éliminés.
Le véritable test d'un tel système réside toutefois dans sa capacité à gérer des conditions réelles où les signaux ne sont pas seulement des tons uniques, mais des bandes de données larges. Les chercheurs ont étendu leurs tests pour inclure des signaux à large bande avec une largeur de bande de 150 mégahertz. Même avec cette gamme de fréquences plus large, le système a maintenu une profondeur d'annulation de l'auto-interférence de 18,8 décibels sur toute la bande. C'est une réalisation significative car maintenir l'annulation sur une large gamme de fréquences est notoirement difficile ; généralement, à mesure que la largeur de bande du signal augmente, la précision de l'annulation diminue. De plus, le système a réussi à atteindre un rapport de réjection d'image de 21 décibels pour des signaux à 6,4 gigahertz tout en effectuant cette annulation à large bande. Cela prouve que le dispositif peut gérer la complexité des normes de communication modernes sans perdre sa capacité à nettoyer le signal.
Une innovation clé dans ce travail est la manière dont les chercheurs ont traité les limitations physiques de la lumière voyageant à travers la fibre. À mesure que les signaux lumineux voyagent sur de longues distances, ils souffrent souvent d'un phénomène appelé dispersion, qui provoque une atténuation et une distorsion du signal. Les chercheurs ont conçu leur système pour générer un type spécifique de signal optique qui est immunisé contre cet affaiblissement. En sélectionnant soigneusement les parties du spectre lumineux à conserver et celles à écarter à l'aide d'un filtre spécialisé appelé réseau de Bragg à fibres, ils ont assuré que le signal reste fort et clair quelle que soit la distance parcourue. Cette combinaison d'annulation d'auto-interférence, de conversion de fréquence et de réjection d'image dans un seul dispositif optique compact représente un pas en avant majeur. Cela suggère que les futurs réseaux sans fil pourraient être construits avec un matériel plus simple et plus efficace qui n'a pas besoin de sacrifier la vitesse ou la clarté pour éviter les interférences. Les chercheurs ont noté que si leur configuration actuelle a démontré deux canaux d'annulation, la conception est évolutive. En ajoutant davantage de ces composants optiques, le système pourrait être étendu pour gérer plusieurs canaux simultanément, ce qui en fait un candidat sérieux pour la prochaine génération de systèmes sans fil à antennes multiples.
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