Multifunctional microwave photonic processor with multichannel self-interference cancellation
Questo articolo propone e dimostra sperimentalmente un processore a microonde multifunzionale assistito da fotonica basato su un modulatore Mach-Zehnder a doppia polarizzazione e doppio parallelo che realizza simultaneamente la cancellazione dell'auto-interferenza multicanale, la conversione in frequenza verso il basso e il rifiuto dell'immagine per sistemi in full-duplex in banda.
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Nel mondo della comunicazione wireless, l'efficienza è l'obiettivo ultimo. Per decenni, i sistemi si sono affidati alla divisione del tempo o della frequenza per trasmettere e ricevere messaggi, proprio come un walkie-talkie che costringe gli utenti a darsi il cambio per parlare. Questo funziona, ma spreca metà del potenziale capacità delle onde radio. Un approccio più ambizioso, noto come full-duplex in banda (in-band full-duplex), mira a permettere ai dispositivi di trasmettere e ricevere sulla stessa identica frequenza nello stesso identico momento. Ciò potrebbe raddoppiare la velocità di trasmissione dei dati e rendere un uso migliore dello affollato spettro radio. Tuttavia, questa ambizione deve affrontare una barriera fisica formidabile: l'auto-interferenza. Quando un dispositivo trasmette un segnale potente, quel medesimo segnale filtra direttamente nel proprio ricevitore sensibile, sommergendo il debole messaggio che sta cercando di ascoltare. A differenza del rumore di fondo, questa interferenza è troppo forte e troppo vicina per essere filtrata dai comuni componenti elettronici. Per far funzionare il full-duplex, gli ingegneri devono trovare un modo per cancellare questa auto-interferenza in modo istantaneo e preciso, gestendo al contempo il complesso compito di convertire i segnali ad alta frequenza in frequenze più basse e gestibili per l'elaborazione.
Un team di ricercatori della Nanjing University of Posts and Telecommunications ha sviluppato un nuovo sistema che affronta queste sfide simultaneamente utilizzando la luce. Invece di affidarsi esclusivamente ai circuiti elettronici, che faticano con la velocità e la complessità richieste dall'operazione full-duplex, hanno costruito un processore che utilizza onde luminose per manipolare i segnali radio. Il loro dispositivo è un processore multifunzionale capace di eseguire tre compiti critici contemporaneamente: cancellare l'auto-interferenza, convertire la frequenza del segnale e rigettare i segnali immagine speculare indesiderati che spesso confondono i ricevitori. Il cuore della loro invenzione è un componente ottico specializzato chiamato modulatore Mach-Zehnder a doppia polarizzazione e doppio parallelo. Potete pensare a questo dispositivo come a un sofisticato controllore del traffico per la luce, capace di dividere un fascio di luce laser in due percorsi separati e poi ricombinarli con regolazioni precise. Inviando i segnali radio in questo dispositivo, i ricercatori possono manipolare le onde luminose per creare una versione del segnale di interferenza perfettamente opposta all'originale. Quando queste due versioni si incontrano, si cancellano a vicenda, lasciando il messaggio desiderato nitido.
I ricercatori hanno dimostrato che questo approccio ottico funziona in modo straordinario. Nei loro esperimenti, hanno testato il sistema con segnali a frequenza singola e hanno scoperto che può sopprimere l'auto-interferenza fino a 49,1 decibel. Per dare un termine di paragone, questo livello di cancellazione è sufficiente a ridurre un grido forte a un sussurro, permettendo al ricevitore di ascoltare il debole segnale di interesse senza essere sopraffatto. Il sistema ha gestito con successo anche la conversazione di questi segnali a una frequenza più bassa, un passaggio necessario per l'elaborazione digitale, filtrando simultaneamente i segnali immagine che tipicamente causano errori. Quando hanno testato il sistema con un segnale a frequenza singola, ha ottenuto un rapporto di reiezione dell'immagine di 30,4 decibel, il che significa che i segnali speculari indesiderati sono stati efficacemente eliminati.
La vera prova di un tale sistema, tuttavia, risiede nella sua capacità di gestire condizioni del mondo reale in cui i segnali non sono solo toni singoli ma bande larghe di dati. I ricercatori hanno ampliato i loro test includendo segnali a banda larga con una larghezza di banda di 150 megahertz. Anche con questo intervallo più ampio di frequenze, il sistema ha mantenuto una profondità di cancellazione dell'auto-interferenza di 18,8 decibel attraverso l'intero spettro. Questo è un risultato significativo perché mantenere la cancellazione attraverso un ampio intervallo di frequenze è notoriamente difficile; di solito, all'aumentare della larghezza di banda del segnale, la precisione della cancellazione diminuisce. Inoltre, il sistema è riuscito a raggiungere un rapporto di reiezione dell'immagine di 21 decibel per segnali a 6,4 gigahertz mentre eseguiva questa cancellazione a banda larga. Ciò dimostra che il dispositivo può gestire la complessità degli standard di comunicazione moderni senza perdere la sua capacità di pulire il segnale.
Un'innovazione chiave in questo lavoro è il modo in cui i ricercatori hanno affrontato i limiti fisici della luce che viaggia attraverso la fibra. Mentre i segnali luminosi viaggiano su lunghe distanze, spesso soffrono di un fenomeno chiamato dispersione, che causa l'attenuazione e la distorsione del segnale. I ricercatori hanno progettato il loro sistema per generare un tipo specifico di segnale ottico che sia immune a questo indebolimento. Selezionando attentamente quali parti dello spettro luminoso mantenere e quali scartare utilizzando un filtro specializzato chiamato reticolo di Bragg in fibra, hanno garantito che il segnale rimanesse forte e chiaro indipendentemente dalla distanza percorsa. Questa combinazione di cancellazione dell'auto-interferenza, conversione di frequenza e reiezione dell'immagine in un unico dispositivo ottico compatto rappresenta un grande passo avanti. Suggerisce che le future reti wireless potrebbero essere costruite con hardware più semplici ed efficienti che non debbano sacrificare velocità o chiarezza per evitare l'interferenza. I ricercatori hanno osservato che, sebbene la loro configurazione attuale abbia dimostrato due canali di cancellazione, il design è scalabile. Aggiungendo più di questi componenti ottici, il sistema potrebbe essere ampliato per gestire più canali simultaneamente, rendendolo un forte candidato per la prossima generazione di sistemi wireless multi-antenna.
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