A 140-GHz Direct Raised-Cosine Envelope-Shaping Transmitter with Integrated ILO Phase Shifter

Stel je de onzichtbare lucht om ons heen voor als een enorme, drukke snelweg voor informatie. Op dit moment zitten onze telefoons en Wi-Fi vast in de langzame rijstroken, vol met verkeer. Wetenschappers zoeken naar een nieuwe, supersnelle snelweg hoog in de lucht, in een regio die het "sub-terahertz"-spectrum wordt genoemd. Denk hierbij aan een enorme, lege weg waar je data met ongelooflijke snelheden kunt rijden. Maar er is een addertje onder het gras: wanneer je te snel rijdt en plotselinge, scherpe bochten maakt (zoals een signaal direct aan- en uitzetten), creëer je veel "ruis" of "uitlaatgassen" die overvloeit naar de rijstroken naast je. Deze ruis blokkeert de signalen van anderen. Om dit op te lossen, proberen ingenieurs meestal de bochten af te vlakken voordat de auto de oprit zelfs maar verlaat, maar dat vereist zware, ingewikkelde en stroomverslindende apparatuur. De grote vraag is: Kunnen we een auto bouwen die soepel en stil rijdt zonder die zware apparatuur aan het begin nodig te hebben?

Dit artikel presenteert een slimme nieuwe "zender" (een apparaat dat draadloze signalen verzendt) die dit probleem direct bij de bron oplost. In plaats van complexe digitale computers te gebruiken om het signaal af te vlakken voordat het wordt verzonden, hebben de onderzoekers een speciale machine gebouwd die het signaal vormgeeft terwijl het wordt gecreëerd. Ze noemen dit "direct raised-cosine envelope shaping". In eenvoudige termen: stel je een lichtschakelaar voor die normaal gesproken alleen "aan" of "uit" klikt. Deze nieuwe schakelaar kan in een fractie van een seconde naar vijf verschillende helderheidsniveaus klikken, waardoor er een vloeiende, gebogen helling ontstaat in plaats van een scherp vierkant blok. Door dit te doen, blijft het signaal netjes in zijn eigen rijstrook, waardoor de ruis die naar buren overvloeit enorm wordt verminderd. Het team heeft ook een ingebouwd "stuurwiel" toegevoegd dat het signaal in elke gewenste richting kan richten met extreme precisie, wat cruciaal is om data naar specifieke doelen te sturen zonder anderen te raken.

Het probleem met scherpe bochten

Om te begrijpen waarom dit zo belangrijk is, stel je een groep mensen voor die berichten door een drukke kamer roept. Als iedereen gewoon "Hallo!" roept en dan direct stopt (zoals een standaard aan-uit schakelaar), botsen de geluidsgolven tegen elkaar aan en creëren ze een rommelige echo die het voor anderen moeilijk maakt om hun eigen berichten te horen. In de wereld van draadloze signalen wordt dit "sidelobe leakage" genoemd. Wanneer een signaal te abrupt aan- en uitgaat, creëert dit extra energie die buiten zijn toegewezen frequentie-slot lekt. Dit is een groot probleem voor de toekomstige snelle internetverbindingen, vooral in plaatsen zoals datacentra of drukke steden waar veel signalen dicht bij elkaar gepakt zitten. Als één signaal te veel lekt, overstemt het zijn buren, wat beperkt hoeveel mensen tegelijkertijd het netwerk kunnen gebruiken.

De oplossing met de vloeiende helling

De onderzoekers van Northeastern University kwamen met een manier om het signaal te laten "rollen" in plaats van te "springen". Ze ontwierpen een zender die een signaal kan creëren dat eruitziet als een vloeiende heuvel (een "raised-cosine" vorm) in plaats van een vierkant blok. Om dit te doen, gebruikten ze geen zware, trage computer om de vorm te plannen. In plaats daarvan bouwden ze een slim elektronisch circuit dat onmiddellijk kan schakelen tussen vijf verschillende vermogensniveaus.

Denk aan een muzikant die op een trommel speelt. Een normale trommelslag is gewoon een scherpe boem. Maar als je de trommel met vijf verschillende hoeveelheden kracht in een perfecte sequentie zou kunnen raken — zacht, medium-zacht, medium, medium-hard, hard — dan zou je een geluid kunnen creëren dat vloeiend in- en uitsterft. Deze nieuwe zender doet precies dat met radiogolven op 140 GHz (wat een zeer hoge toonhoogte is, ver boven wat wij kunnen horen). Door deze vijf niveaus zorgvuldig te mengen, ziet het signaal eruit als een vloeiende curve. Het resultaat? De "ruis" die normaal gesproken overvloeit naar andere kanalen, wordt met 34 decibel onderdrukt. Dat is alsof je een schreeuw verandert in een fluistering voor de buren.

De magie van het "Injection-Locked" stuurwiel

Het verzenden van data is slechts de helft van de strijd; je moet het signaal ook precies in de juiste richting sturen, vooral als je een enorme array van antennes bouwt (zoals een enorme wand van luidsprekers) om data door een stad of een datacenter te stralen. Het artikel introduceert ook een speciale "faseverschuiver" die werkt als een superprecies stuurwiel.

Dit stuurwiel maakt gebruik van iets dat een "Injection-Locked Oscillator" (ILO) wordt genoemd. Stel je een metronoom voor (een apparaat dat een gestage tik geeft) die wordt gestuurd door een masterklok. Als de duw precies goed is, sluit de metronoom aan op het ritme van de master, maar kan hij ook iets versneld of vertraagd worden om de timing te veranderen. De onderzoekers gebruikten deze truc om een faseverschuiver te maken die de richting van het signaal digitaal kan draaien in stappen van 22,5 graden, maar ook continu door meer dan een volledige cirkel kan glijden (±360 graden) met behulp van een vloeiende analoge knop. Dit geeft hen ongelooflijke controle om de straal te sturen zonder dat ze een heleboel volumige, aparte onderdelen nodig hebben.

Wat ze daadwerkelijk hebben gebouwd en gemeten

Het team heeft dit niet alleen op papier getekend; ze hebben een kleine chip gebouwd met een 90-nm SiGe BiCMOS-proces (een type hogesnelheidssiliciumtechnologie) en deze in een lab getest. Dit is wat ze vonden:

• Snelheid: Ze slaagden erin om data te verzenden met snelheden tot 8 Gb/s (8 gigabit per seconde). Dat is snel genoeg om tientallen high-definition films in een seconde te streamen.
• Vermogen: Het apparaat kan tot 2 dBm aan vermogen leveren, wat sterk genoeg is voor verbindingen op korte afstand met hoge snelheid.
• De vorm: Ze bewezen dat ze zowel een 5-niveau "vloeiende heuvel"-vorm (voor 4 Gb/s) als een 3-niveau versie (voor 8 Gb/s) konden creëren.
• De ruisonderdrukking: Wanneer ze het signaal maten, was de "sidelobe suppression" (hoe stil het signaal is voor de buren) meer dan 34 dB. Dit is een enorme verbetering ten opzichte van de standaard "vierkante" signalen, die meestal slechts 13 tot 15 dB aan ruis onderdrukken.
• De sturing: De faseverschuiver werkte perfect en bood een digitale resolutie van 22,5° en een continue regeling die ver voorbij een volledige cirkel van 360° gaat.

Waarom dit ertoe doet

Het meest opwindende deel van deze ontdekking is dat het het hele systeem vereenvoudigt. Normaal gesproken heb je een complexe digitale computer (een DAC) nodig om de berekeningen uit te voeren om een vloeiend signaal te krijgen, nog voordat het signaal wordt gegenereerd. Deze nieuwe chip doet de berekeningen binnenin de radiofrequentiegenerator zelf. Dit betekent dat het systeem eenvoudiger is, minder stroom verbruikt en gemakkelijker op te schalen is.

De auteurs suggereren dat deze technologie perfect is voor de toekomst van "sub-THz" draadloze verbindingen. Dit omvat zaken zoals het verbinden van servers binnen enorme datacentra zonder rommelige kabels, of het creëren van snelle backhaul-verbindingen tussen zendmasten in dichtbevolkte steden. Door de signalen schoon te houden en ze precies te richten, kunnen we meer data in dezelfde hoeveelheid ruimte persen zonder dat de signalen met elkaar botsen. Het is een stap naar een toekomst waarin onze draadloze verbindingen niet alleen sneller zijn, maar ook slimmer en stiller.