Multifunctional microwave photonic processor with multichannel self-interference cancellation
Dit artikel stelt een fotonisch geassisteerde multifunctionele microgolfprocessor voor en demonstreert deze experimenteel, gebaseerd op een dual-polarisatie dual-parallel Mach-Zehnder-modulator die gelijktijdig multichannel zelfinterferentie-onderdrukking, frequentiedownconversie en beeldonderdrukking realiseert voor in-band full-duplex systemen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de wereld van draadloze communicatie is efficiëntie het ultieme doel. Decennialang hebben systemen vertrouwd op het splitsen van tijd of frequentie om berichten te verzenden en te ontvangen, vergelijkbaar met een walkietalkie die gebruikers dwingt om om de beurt te spreken. Dit werkt, maar het verspilt de helft van de potentiële capaciteit van de ether. Een ambitieuzere aanpak, bekend als in-band full-duplex, streeft ernaar om apparaten te laten zenden en ontvangen op exact dezelfde frequentie op exact hetzelfde moment. Dit zou de snelheid van dataoverdracht kunnen verdubbelen en een beter gebruik van het drukke radiospectrum mogelijk maken. Deze ambitie wordt echter geconfronteerd met een formidabele fysieke barrière: zelfinterferentie. Wanneer een apparaat een krachtig signaal uitzendt, lekt datzelfde signaal direct in zijn eigen gevoelige ontvanger, waardoor het zwakke bericht dat het probeert te horen, wordt overstemd. In tegenstelling tot achtergrondruis is deze interferentie te sterk en te nabij om door standaard elektronische componenten gefilterd te worden. Om full-duplex werkbaar te maken, moeten ingenieurs een manier vinden om deze zelfinterferentie onmiddellijk en precies te annuleren, terwijl ze ook de complexe taak moeten uitvoeren van het omzetten van hoogfrequente signalen naar lagere, beheersbare frequenties voor verwerking.
Een team onderzoekers aan de Nanjing University of Posts and Telecommunications heeft een nieuw systeem ontwikkeld dat deze uitdagingen tegelijkertijd aanpakt met behulp van licht. In plaats van uitsluitend te vertrouwen op elektronische circuits, die moeite hebben met de snelheid en complexiteit die vereist zijn voor full-duplex operaties, hebben zij een processor gebouwd die lichtgolven gebruikt om radiosignalen te manipuleren. Hun apparaat is een multifunctionele processor die in staat is om drie kritieke taken tegelijkertijd uit te voeren: het annuleren van de zelfinterferentie, het converteren van het signaalpercentage en het afwijzen van ongewenste spiegelbeeldsignalen die ontvangers vaak in verwarring brengen. De kern van hun uitvinding is een gespecialiseerd optisch component genaamd een dual-polarization dual-parallel Mach-Zehnder modulator. Je kunt dit apparaat zien als een geavanceerde verkeersregelaar voor licht, in staat om een laserstraal te splitsen in twee aparte paden en deze vervolgens weer samen te voegen met nauwkeurige aanpassingen. Door de radiosignalen in dit apparaat te sturen, kunnen de onderzoekers de lichtgolven manipuleren om een versie van het interferentiesignaal te creëren die precies het tegenovergestelde is van het origineel. Wanneer deze twee versies elkaar ontmoeten, heffen ze elkaar op, waardoor het gewenste bericht duidelijk overblijft.
De onderzoekers hebben aangetoond dat deze optische aanpak opmerkelijk goed werkt. In hun experimenten hebben ze het systeem getest met single-frequency signalen en ontdekten dat het de zelfinterferentie met wel 49,1 decibel kon onderdrukken. Om dit in perspectief te plaatsen: dit niveau van annulering is sterk genoeg om een harde schreeuw te reduceren tot een fluistering, waardoor de ontvanger het zwakke signaal van belang kan horen zonder overweldigd te worden. Het systeem slaagde er ook in om de conversie van deze signalen naar een lagere frequentie te beheren, een noodzakelijke stap voor digitale verwerking, terwijl het tegelijkertijd de imagesignalen filterde die doorgaans fouten veroorzaken. Wanneer ze het systeem testten met een single-frequency signaal, bereikte het een image-rejection ratio van 30,4 decibel, wat betekent dat de ongewenste spiegelbeelden effectief werden geëlimineerd.
De echte test van een dergelijk systeem ligt echter in het vermogen om om te gaan met real-world condities waarbij signalen niet slechts single tones zijn, maar brede banden van data. De onderzoekers breidden hun tests uit om ook breedbandige signalen met een bandbreedte van 150 megahertz te bevatten. Zelfs met dit bredere frequentiebereik behield het systeem een zelfinterferentie-onderdrukkingsdiepte van 18,8 decibel over de gehele band. Dit is een belangrijke prestatie, omdat het handhaven van annulering over een breed bereik van frequenties berucht moeilijk is; meestal neemt de precisie van de annulering af naarmate de signaalbandbreedte toeneemt. Bovendien slaagde het systeem erin een image-rejection ratio van 21 decibel te bereiken voor signalen op 6,4 gigahertz terwijl het deze breedbandige annulering uitvoerde. Dit bewijst dat het apparaat de complexiteit van moderne communicatiestandaarden kan afhandelen zonder zijn vermogen te verliezen om het signaal op te schonen.
Een belangrijke innovatie in dit werk is hoe de onderzoekers omgingen met de fysieke beperkingen van licht dat door glasvezel reist. Terwijl lichtsignalen over lange afstanden reizen, lijden ze vaak aan een fenomeen dat dispersie wordt genoemd, wat ervoor zorgt dat de signaalsterkte vervaagt en vervormt. De onderzoekers hebben hun systeem ontworpen om een specifiek type optisch signaal te genereren dat immuun is voor dit vervagen. Door zorgvuldig te selecteren welke delen van het lichtspectrum behouden blijven en welke worden weggegooid met behulp van een gespecialiseerde filter genaamd een fiber Bragg grating, hebben ze ervoor gezorgd dat het signaal sterk en helder blijft, ongeacht de afstand die het aflegt. Deze combinatie van zelfinterferentie-annulering, frequentieconversie en beeldrejectie in één compact optisch apparaat vertegenwoordigt een grote stap voorwaarts. Het suggereert dat toekomstige draadloze netwerken gebouwd kunnen worden met eenvoudigere, efficiëntere hardware die geen snelheid of helderheid hoeft op te offeren om interferentie te vermijden. De onderzoekers merkten op dat hoewel hun huidige opstelling twee kanalen van annulering demonstreerde, het ontwerp schaalbaar is. Door meer van deze optische componenten toe te voegen, kan het systeem worden uitgebreid om meerdere kanalen tegelijkertijd te verwerken, wat het een sterke kandidaat maakt voor de volgende generatie multi-antenne draadloze systemen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.