Uusi 5G‑vastaanottimipiiri, joka tehostaa kannettavia laitteita ja IoT‑laitteita

MIT:n tutkijat ovat suunnitelleet kompaktin, vähän virtaa kuluttavan vastaanottimipiirin pienemmille 5G-älylaitteille, lupauksena tehdä niistä tehokkaampia ja toimivampia.make them more efficient and functional.

Vastaanotin osoittaa suurta kestävyyttä häiriöitä vastaan. Tämä uusi piiri on itse asiassa jopa kolmekymmentä kertaa kestävämpi harmonista häiriötä vastaan kuin jotkut nykyiset langattomat vastaanottimet.

Lisäksi piiri voi mahdollistaa laitteiden pidemmän käyttöiän tarjoamalla pidemmän akun keston. Tämä tekee uudesta vastaanottimesta täydellisen akkukäyttöisille Internet of Things (IoT) -laitteille, kuten älytermostaateille ja ympäristönantureille, sekä älykameroille, teollisuuden valvonta-antureille ja kannettaville laitteille, jotka on suunniteltu toimimaan pitkään.

Vastaanottimen keskeinen innovatiivinen suunnittelu, yhdessä sen passiivisen suodatustekniikan kanssa, mahdollistaa laitteiden kuluttaa alle milliwatin (tuhannesosan watista) staattista tehoa. Se ei ainoastaan säästä energiaa, vaan myös estää laitteiden häiriintymisen suojaamalla sekä vastaanottimen vahvistimen sisääntuloa että ulostuloa ei-toivotuilta signaaleilta.

Toinen uusi lähestymistapa, jonka tutkijat ovat ottaneet, sisältää pinottujen kondensaattorien uuden järjestelyn, jotka on esijännitetty. Nämä kondensaattorit on myös yhdistetty verkostoon pieniä kytkimiä, jotka vaativat merkittävästi vähemmän virtaa päälle ja pois kytkemiseen kuin tavallisesti IoT-vastaanottimissa käytetyt.

Sekä vahvistin että vastaanottimen kondensaattoriverkko on järjestetty huolellisesti hyödyntämään vahvistuksen ilmiötä, joka sallii piirin käyttää paljon pienempiä kondensaattoreita kuin tavallisesti vaaditaan.

Tämä tarkoittaa, että älylaitteet, kuten kannettavat laitteet ja anturit, voidaan tehdä pienemmiksi, mutta niillä on pidempi akunkesto, totesi paperin pääkirjoittaja Soroush Araei, joka on sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen (EECS) jatko-opiskelija MIT:ssä.

Lisäksi nämä laitteet ovat luotettavampia ruuhkaisissa radioympäristöissä, kuten älykaupunkiverkoissa tai teollisuuslattioilla. Kaiken kaikkiaan “vastaanotin voisi laajentaa IoT-laitteiden mahdollisuuksia”, sanoi Araei.

Uuden vastaanottimen suunnittelua käsittelevä artikkeli, nimeltään “Harmonista häiritsevän, vahvistusta nostavan N-polku -vastaanottimen kellon käynnistyksellä IoT-sovelluksia varten”, esiteltiin äskettäin IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposiumissa.

Uudelleenarviointi vastaanottimesta

IoT-laitteessa vastaanotin toimii välikätenä laitteen ja sen ympäristön välillä. 

Tämän komponentin tehtävänä on havaita ja vahvistaa muiden laitteiden tai antureiden lähettämät langattomat signaalit, suodattaa pois kaikki kohina ja häiriöt, ja muuntaa nämä signaalit digitaaliseksi dataksi käsittelyä varten. Näin ollen vastaanottimilla on merkittävä vaikutus IoT-laitteen yhteyksiin sekä sen akun kestoon.

Suunniteltaessa vastaanottimia keskeinen painopiste on vähävirtaisuus ja kompakti koko. Niiden on oltava tarpeeksi pieniä ja kevyitä sopimaan erilaisiin akkukäyttöisiin IoT-laitteisiin. Lisäksi kustannustehokkuus laajemman omaksumisen mahdollistamiseksi on tärkeää, ja vastaanottimien on oltava yhteensopivia eri viestintästandardien ja -protokollien kanssa sekä omaava korkea valikoivuus ei-toivottujen signaalien suodattamiseksi ruuhkaisissa ympäristöissä.

Tyypillisesti IoT-vastaanottimet toimivat kiinteillä taajuuksilla ja hyödyntävät yksinkertaisia, edullisia kapeakaistaisia suodattimia kohinan vaimentamiseen. Vaikka ne ovat tehokkaita, ne eivät todella pysy mukana jatkuvassa teknologisessa kehityksessä.

Viidennen sukupolven (5G) mobiiliverkkoteknologian myötä saamme nyt nopeampia nopeuksia, alhaisempaa viivettä ja suuremman kapasiteetin verrattuna edeltäjäänsä.

Mahdollistamalla pienitehoisia laitteita, jotka ovat sekä energiatehokkaita että edullisia, 5G avaa ovet innovatiivisille IoT-sovelluksille. Tämä tarkoittaa, että seuraavan sukupolven IoT-laitteet tarvitsevat vastaanottimia, jotka pystyvät toimimaan laajalla taajuusalueella samalla kun ne ovat taloudisia ja energiatehokkaita, mikä on “äärimmäisen haastavaa.”

Kuten Araei selitti:

“Nyt meidän täytyy ajatella paitsi vastaanottimen virtaa ja kustannuksia, myös joustavuutta käsitellä lukuisia ympäristössä esiintyviä häiriöitä.”

Tämä tarkoittaa, että insinöörit eivät voi luottaa massiivisiin sirun ulkopuolisiin suodattimiin, joita tavallisesti käytetään laajalla taajuusalueella toimivissa laitteissa, jotta voidaan alentaa IoT-laitteen kustannuksia, kokoa ja virrankulutusta.

Vaikka kondensaattoriverkko, jolla on kyky suodattaa ei-toivottuja signaaleja, tarjoaa ratkaisun, ne ovat alttiita erityiselle kohinatyypille, jota kutsutaan harmoniseksi häiriöksi, jonka tiimi käsitteli pari vuotta sitten.

Aikaisemmassa, vuonna 2023 julkaistussa artikkelissaan MIT:n tutkijat loivat perustan uudelle vastaanottimipiirilleen.

Silloin he rakensivat kytkin-kondensaattoriverkoston poistaakseen ei-toivotut harmoniset signaalit varhaisessa vastaanottoketjussa. Kohina suodatettiin pois ennen kuin ne vahvistettiin ja muunnettiin digitaalisiksi biteiksi käsittelyä varten.

Kun signaalihäiriöt hidastavat laitteen suorituskykyä ja kuluttavat akkuja, keskittyminen laitteiden suunnitteluun, jotka voivat estää ei-toivottuja signaaleja tehokkaasti, on erityisen haastavaa ja pahenee edelleen laajenevan 5G-verkkojen sekä tulevien langattomien viestintäjärjestelmien käyttöönoton myötä.

Poistaakseen massiivisten ja kalliiden suodattimien tarpeen, jotka estävät laajaa signaalialuetta, tutkijat kehittivät piiriarkkitehtuurin, joka estää kohinaa sisääntulossa vaikuttamatta sen suorituskykyyn.

“Olemme kiinnostuneita kehittämään elektronisia piirejä ja järjestelmiä, jotka täyttävät 5G:n ja tulevien langattomien viestintäjärjestelmien vaatimukset.”

– Vanhempi kirjoittaja Negar Reiskarimian, X-Window Consortium Career Development Assistant Professor EECS:ssa tuolloin

Vastaanotin pystyi jopa estämään korkean tehon häiriöt tuomatta lisäkohinaa signaalinkäsittelyyn. Piiri saavutti noin neljäkymmentakertaisen paremman suorituskyvyn harmonisen häiriön estämisessä kuin monet laajakaistavastaanottimet, ilman lisäisiä laitteita tai piirikomponentteja, mikä helpottaa piirin massatuotantoa.

“Suunnitellessamme piirejämme haemme inspiraatiota muista aloista, kuten digitaalinen signaalinkäsittely ja sovellettu elektromagnetiikka. Uskomme piirin eleganssiin ja yksinkertaisuuteen ja pyrimme luomaan monitoimisia laitteita, jotka eivät vaadi lisävirtaa tai piirin tilaa.”

Piirin insinööri‑esteettinen eleganssi

MIT:n tutkijat kehittivät vastaanotinpiirin käyttäen mixer-first-arkkitehtuuria. Tässä radiotaajuus (RF) -signaali muunnetaan alempitaajuus signaaliksi, kun se vastaanotetaan laitteessa, ennen kuin se siirretään muuntajaan.

This allows for a wide frequency range coverage while filtering out noise that’s close to the operating frequency. However, mixer-first receivers are prone to harmonic interference.

Harmonic interference results from signals with frequencies higher than the operating frequency of the device. These frequencies can be hard to differentiate from the original signal when the time for conversion comes.

“Monet muut laajakaistavastaanottimet eivät tee mitään harmonisten signaalien kanssa ennen kuin on aika tarkastella bittien merkitystä. Ne tekevät sen myöhemmin ketjussa, mutta tämä ei toimi hyvin, jos sinulla on korkean tehon signaaleja harmonisilla taajuuksilla. Sen sijaan haluamme poistaa harmoniset signaalit mahdollisimman nopeasti tiedon menetyksen välttämiseksi.”

– Araei 

Joten tiimi otti digitaalisen suodatuksen ja sovelsi sitä analogiseen alueeseen kondensaattorien avulla.

Kondensaattorit varautuvat, kun signaali vastaanotetaan, ja ne kytketään pois pitämään varaus myöhempää datankäsittelyä varten.

Nämä kondensaattorit voidaan liittää monin eri tavoin. Niiden yhdistäminen rinnakkain on yksi tapa, joka mahdollistaa kondensaattorien vaihtaa varastoituja varauksia, ja vaikka tämä voi käsitellä harmonista häiriötä, se johtaa signaalin menetykseen. Toinen vaihtoehto on kondensaattorien pinoaminen, mutta pelkästään se ei riitä tarjoamaan kestävyyttä harmoniselle häiriölle.

Ratkaisu oli järjestää kondensaattorit erittäin tarkasti, mikä mahdollisti laitteen estää harmoninen häiriö ilman tietojen menetystä.

Varauksen jakamista ja kondensaattorien pinoamista yhdessä ei ollut aiemmin tehty, kunnes tiimi havaitsi sen olevan hyödyllistä, kun se tehdään samanaikaisesti. Kuten Araei totesi, he “löysivät, miten tehdä tämä passiivisesti mikserissä ilman lisäisiä laitteita samalla säilyttäen signaalin eheys ja pitämällä kustannukset alhaisina.”

Testattaessa laitetta, jossa lähetettiin haluttu signaali ja harmoninen häiriö samanaikaisesti, tutkijat havaitsivat piirin olevan tehokas harmonisten signaalien estämisessä, vain hieman heikentäen signaalin voimakkuutta.

Piiri pystyi itse asiassa käsittelemään signaaleja, jotka olivat 40 kertaa voimakkaampia kuin aiemmat, kehittyneet laajakaistavastaanottimet.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten tie 6G:hen saatetaan päällystää grafeenilla.

Kohti skaalautuvia, energiaa kerääviä 5G-laitteita

Viimeisimmässä tämän kuun tutkimuksessa MIT:n tutkijat laajensivat lähestymistapaansa. He ovat käyttäneet kytkin-kondensaattoriverkostoa vahvistimen negatiivisen vahvistuksen takaisinkytkentäpolkuna. Tämä erityinen konfiguraatio hyödyntää Millerin efektiä.

John Milton Millerin mukaan nimetty Millerin efekti, joka kuvailtiin ensimmäisen kerran vuonna 1920, kuvaa tilannetta, jossa vahvistimen sisääntulon ja ulostulon välinen kapasitanssi (kyky varastoida sähkövarausta) ilmenee suurempana kapasitanssina sisääntulossa.

Tämä efekti mahdollistaa pienten kondensaattorien käyttäytyä kuin paljon suuremmat kondensaattorit.

“Tämä temppu antaa meille mahdollisuuden täyttää kapeakaistaisten IoT-laitteiden suodatustarpeet ilman fyysisesti suuria komponentteja, mikä kutistaa merkittävästi piirin kokoa.”

– Araei 

Tutkijoiden suunnittelemalla vastaanottimella on aktiivinen pinta-ala alle 0,05 neliömillimetriä. Heillä oli yksi haaste, jonka täytyi ratkaista: miten soveltaa riittävän jännitettä kytkimien ohjaamiseen samalla pitäen piirin kokonaisvirransyöttö alhaisena, vain 0,6 volttia.

Kuitenkin, jos kytkentäjännite on liian alhainen, tällaiset pienet kytkimet voivat kytkeytyä virheellisesti päälle ja pois, kun ympäristössä on häiriöitä. Tätä varten tutkijat hyödynsivät erityistä piirimenetelmää.

Bootstrap-kellotusmenetelmä vahvistaa ohjausjännitettä riittävästi varmistaen, että kytkimet toimivat tarkasti kuluttaen vähemmän virtaa ja vähemmän komponentteja kuin perinteiset kellon kiihdytysmenetelmät.

Kaikki innovaatiot yhdessä mahdollistavat uuden vastaanottimen käyttämään alle milliwatin (mW) tehoa samalla kun se estää paljon enemmän harmonista häiriötä kuin perinteiset IoT-vastaanottimet. Araein mukaan:

“Piirimme on myös erittäin hiljainen, eikä se saastuta radiotaajuuksia. Tämä johtuu siitä, että kytkimemme ovat erittäin pieniä, joten antennista vuotavan signaalin määrä on myös hyvin pieni.”

Prototyyppivastaanotin (RX) on toteutettu 22-nm täysin poistettavassa piisirun (FD-SOI) -teknologiassa, vie 0,048 mm² ja kuluttaa 1,27–5,48 mW tehoa. Vastaanotin toimii taajuusalueella 0,25–3 GHz ja saavuttaa estäjän 1-dB kompressiopisteen (B1dB) -3/-2 dBm 3. ja 5. harmonisilla, vastaavasti. Paikallisen oskillaattorin (LO) vuoto antenniportissa osoittaa myös ylivoimaista suorituskykyä verrattuna alan huippuratkaisuihin, pahimmassa tapauksessa -73 dBm koko taajuusalueella.

Koska se on pienempi kuin perinteiset laitteet, sekä perustuen esijännitettyihin kondensaattoreihin ja kytkimiin monimutkaisempien elektroniikkakomponenttien sijaan, vastaanotin voi olla kustannustehokkaampi valmistaa.

Lisäksi, koska vastaanottimen suunnittelu kattaa laajan signaalitaajuusalueen, se voidaan toteuttaa moniin nykyisiin ja tuleviin IoT-laitteisiin.

National Science Foundationin osittaisessa tukemisessa tutkijat ovat kehittäneet prototyypin ja pyrkivät nyt mahdollistamaan vastaanottimen toiminnan ilman erillistä virtalähdettä. Piirin virransyöttöön he voivat hyödyntää Bluetooth- tai Wi-Fi-signaaleja ympäristöstä.

Sijoittaminen analogisiin ja sekasignaali‑integroituja piireihin markkinoilla

Kun tarkastellaan sijoittamista alaan, yksi merkittävimmistä yrityksistä on Analog Devices (ADI ). Analogi- ja sekasignaali‑semikondensaattorien merkittävä toimija, ADI kehittää datamuuntimia, vahvistimia, radiotaajuus (RF) -IC:itä, reunaprosessoreita, virranhallintaa ja muita antureita. Se myös investoi energiatehokkaisiin arkkitehtuureihin langattomille laitteille.

Analog Devices  

Jos tarkastelemme ADI:n osakkeiden markkinasuorituskykyä, ne kaupankäyvät tällä hetkellä 234,68 dollaria, +10,46 % YTD. Yrityksen osakkeet ovat nauttineet positiivisesta markkinatrendistä yli vuosikymmenen, hintojen saavuttaen lähes 244 dollaria aiemmin tänä vuonna. Vaikka ne kokivat pudotuksen lähes 164 dollariin huhtikuussa laajemman markkinan mukana, ne ovat siitä lähtien palautuneet vahvasti, kirjaten noin 42,5 % positiivisen kehityksen.

Tämän myötä sillä on EPS (TTM) 3,67 ja P/E (TTM) 64,03. Yritys tarjoaa myös 1,69 %:n osinkotuoton osakkeenomistajille.

Yrityksen taloustietojen osalta Analog Devices raportoi 2,64 miljardin dollarin liikevaihdon vuoden 2025 toisen neljänneksen aikana, joka päättyi 3. toukokuuta 2025. Kaikilla loppumarkkinoilla kaksinumeroista vuotuista kasvua, yrityksellä oli 3,9 miljardin dollarin operatiivinen kassavirta ja vapaa kassavirta 3,3 miljardia dollaria viimeisen kahdentoista kuukauden aikana.

“ADI toimitti toisen neljänneksen liikevaihdon ja osakekohtaisen tuloksen ohittaen ohjeistuksen ylärajan,” sanoi toimitusjohtaja Vincent Roche. “Globaalin kauppavolatiliteetin taustalla suorituskykymme heijastaa jatkuvaa syklistä elpymistä sekä liiketoimintamallimme vahvuutta ja resilienssiä. Sitoutumisemme innovaatioihin ja asiakkaiden menestykseen mahdollistaa ADI:n jatkaa johtajuuden laajentamista yhä AI‑ohjatummalla älyrajalla, tarjoten poikkeuksellista arvoa osakkeenomistajille sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä.”

Kuten CFO Richard Puccio totesi, parantunut kysyntä viime kvartaalina tukee heidän näkymiään jatkuneesta kasvusta seuraavassa kvartaalissa ja vahvistaa heidän näkemystään “että olemme syklisessä nousussa.”

Vuodelle 2025 kolmannelle neljännekselle he ennustavat 2,75 miljardin dollarin liikevaihdon ja 27,2 %:n operatiivisen marginaalin. EPS:n odotetaan olevan noin 1,23 dollaria.

Toisen neljänneksen aikana yritys palautti 0,7 miljardin dollarin osakkeenomistajille osinkojen ja takaisinostojen kautta. Hallitus ilmoitti myös 0,99 dollarin osinkoa per osake, joka maksetaan 18. kesäkuuta 2025.

Tämä osinko heijastaa 8 %:n kasvua, joka ilmoitettiin helmikuussa tänä vuonna, ja merkitsee 21 peräkkäistä vuotta kasvaneita osinkoja. Samalla he saivat valtuutuksen ostaa lisä 10 miljardia dollaria yhtiön tavallisia osakkeita.

“ADI:n kestävä liiketoimintamalli ja kannattavan kasvun toteuttamisen historia mahdollistavat vapaan kassavirran 100 %:n palautuksen osakkeenomistajille pitkällä aikavälillä.”

– Roche

Samaan aikaan tässä kuussa yritys lanseerasi yritysventtiilikapitalirahaston (CVC) nimeltä ADVentures (ADV), jonka tavoitteena on sijoittaa nouseviin mahdollisuuksiin, jotka määrittelevät uudet innovaation ja vaikutuksen rintamat.

Keskittyminen on alkukantaisiin ideoihin, jotka kehittävät mullistavia ratkaisuja ihmisterveydessä, kehittyneissä järjestelmissä & robotiikassa sekä ilmasto- ja energiatekniikassa, erityisesti kiinnostuksena AI:ssa, laskenta‑arkkitehtuureissa, uusissa anturitiloissa ja turvallisessa yhteydessä.

Tammikuussa tänä vuonna Analog Devices sai myös Yhdysvaltain kauppaministeriön tukea, joka allekirjoitti neljä ei‑sitovaa sopimusta, joiden perusteella se saa jopa 105 miljoonaa dollaria suoraa rahoitusta. Sopimukset ovat osa CHIPS and Science Act -lainsäädäntöä, jonka tarkoituksena on vahvistaa kotimaista puolijohdeteollisuutta.

Keskittyen mahdollistamaan innovaatiota älyrajalla, investointi auttaa vahvistamaan työvoiman koulutusta ja kumppanuuksia sekä hallitsemaan ympäristöjalanjälkeä.

Uusimmat Analog Devices (ADI) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Yhteenveto

Kun seuraavan sukupolven IoT-laitteet hyödyntävät 5G-teknologiaa, vastaanottimien on kyettävä käsittelemään laaja taajuusalue alhaisen virrankulutuksen ja kustannusten kanssa. 

Parannettu vastaanottimiteknologia voi johtaa parempaan yhteyteen, pidempään akunkestoon ja luotettavampaan suorituskykyyn IoT-laitteissa, mahdollistaen laajemman sovellusvalikoiman esimerkiksi älykodeissa, teollisuusautomaatiassa, terveydenhuollossa ja ympäristön seurannassa.

Kun energiatehokkaan, häiriöherkkyyden kestävän vastaanottimiteknologian kysyntä kasvaa, MIT:n kompakti, vähän virtaa kuluttava vastaanottimisuunnittelu voi auttaa älylaitteita saavuttamaan paremman suorituskyvyn ja laajemman toiminnallisuuden, johtuen älykkäämpiin, pienempiin ja pidempikestoisiin kannettaviin laitteisiin ja IoT-laitteisiin, jotka muodostavat todellisesti verkottuneen maailman!

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten uusi virtajärjestelmä parantaa langatonta latausta.