Den nye 5G-mottakerbrikken som skal forbedre bærbare enheter og IoT-enheter

Forskere fra MIT har designet en kompakt, lavstrøm mottakerbrikke for mindre 5G-smartenheter, som lover å gjøre dem mer effektive og funksjonelle.

Mottakeren viser stor motstandskraft mot interferens. Denne nye brikken er faktisk opptil tretti ganger mer motstandsdyktig mot harmonisk interferens enn noen av de eksisterende trådløse mottakerne.

I tillegg kan brikken gjøre at enheter varer lenger ved å gi dem økt batterilevetid. Dette gjør den nye mottakeren perfekt for batteridrevne Internet of Things (IoT)-enheter som smarte termostater og miljøsensorer, samt smarte kameraer, industrielle overvåkingssensorer og bærbare enheter som må fungere over lengre perioder.

Den nøkkelinnovative designen av mottakeren, sammen med dens passive filtreringsmekanisme, gjør at enheter bruker mindre enn en milliwatt (en tusendel av en watt) statisk strøm. Den sparer ikke bare energi, men hindrer også jamning av enheten ved å beskytte både inngang og utgang av mottakerens forsterker mot uønskede signaler.

En annen ny tilnærming forskerne har tatt, innebærer en ny ordning av stablede kondensatorer som er forhåndsladet. Disse kondensatorene er også koblet sammen av et nettverk av små brytere som krever betydelig mindre strøm for å slå på og av enn de vanlige som brukes i IoT‑mottakere.

Både forsterkeren og kondensatornettet i mottakeren er nøye arrangert for å utnytte et fenomen i forsterkning som gjør at brikken kan bruke mye mindre kondensatorer enn vanligvis kreves.

Dette betyr at smarte enheter som bærbare enheter og sensorer kan gjøres mindre samtidig som de får lengre batterilevetid, bemerket papirens hovedforfatter, Soroush Araei, som er masterstudent i elektroteknikk og datavitenskap (EECS) ved MIT.

I tillegg vil disse enhetene være mer pålitelige i overfylte radiomiljøer som smarte bynettverk eller fabrikkgulv. Samlet sett kan «mottakeren bidra til å utvide mulighetene til IoT‑apparater», sa Araei.

Artikkelen om den nye mottakerdesignen, kalt “A Harmonic-Suppressing Gain-Boosted N-Path Receiver with Clock Bootstrapping for IoT Applications, ble nylig presentert på IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.

Omtenking av mottakeren

I en IoT‑enhet fungerer en mottaker som en mellommann mellom enheten og omgivelsene.

Oppgaven til denne komponenten er å oppdage og forsterke trådløse signaler som sendes av andre enheter eller sensorer, filtrere ut støy og interferens, og deretter konvertere disse signalene til digitale data for behandling. Så mottakere har en betydelig innvirkning på både tilkoblingen til IoT‑enheten og batterilevetiden.

Når man designer mottakere, er hovedfokuset lavt strømforbruk og kompakt størrelse. De må være små og lette nok til å passe i ulike batteridrevne IoT‑enheter. I tillegg til kostnadseffektivitet for bredere adopsjon, må mottakere også være kompatible med ulike kommunikasjonsstandarder og protokoller og ha høy selektivitet for å filtrere ut uønskede signaler i overfylte miljøer.

Typisk opererer IoT‑mottakere på faste frekvenser og bruker enkle, rimelige enkelt‑narrowband‑filtre for å undertrykke støy. Selv om de er effektive, fungerer de ikke godt med de pågående teknologiske fremskrittene.

Med fremveksten av femte generasjons (5G) mobilnettverk får vi nå raskere hastigheter, lavere latens og økt kapasitet sammenlignet med forgjengeren.

Ved å muliggjøre enheter med redusert kapasitet som både er mer energieffektive og rimelige, åpner 5G dørene for innovative IoT‑applikasjoner. Dette betyr at neste generasjon av IoT‑enheter trenger mottakere som kan operere over et bredt frekvensområde samtidig som de er økonomiske og energieffektive, noe som er «ekstremt utfordrende».

Som Araei forklarte:

«Nå må vi ikke bare tenke på strømforbruket og kostnaden til mottakeren, men også fleksibiliteten for å håndtere tallrike interferenter som finnes i miljøet.»

Dette betyr at ingeniører ikke kan stole på klumpete eksterne filtre, som vanligvis brukes i enheter som opererer over et bredt frekvensområde, for å senke kostnad, størrelse og strømforbruk til en IoT‑enhet.

Selv om et nettverk av on‑kondensatorer med evnen til å filtrere uønskede signaler gir en løsning, er de utsatt for en spesiell type støy kalt harmonisk interferens, som teamet adresserte for noen år siden.

I deres forrige artikkel, publisert i 2023, la MIT‑forskerne grunnlaget for deres nye mottakerbrikke.

På den tiden bygde de et switch‑kondensator‑nettverk for å håndtere de uønskede harmoniske signalene tidlig i mottakerkjeden. Støyen ble filtrert ut før den ble forsterket og konvertert til digitale biter for behandling.

Med signalinterferens som bremser enhetens ytelse og tapper batterier, fokuseres det på å designe enheter som kan blokkere uønskede signaler effektivt, en oppgave som er spesielt utfordrende og ytterligere forverret av den omfattende adopsjonen av 5G‑nettverk og fremtidige generasjoner av trådløse kommunikasjonssystemer som allerede er under utvikling.

For å fjerne behovet for klumpete og dyre filtre for å blokkere et spekter av signaler, utviklet forskerne en kretsarkitektur som blokkerer støy ved inngangen uten å påvirke ytelsen.

«Vi er interessert i å utvikle elektroniske kretser og systemer som møter kravene til 5G og fremtidige generasjoner av trådløse kommunikasjonssystemer.»

– Seniorforfatter Negar Reiskarimian, X‑Window Consortium Career Development Assistant Professor i EECS på den tiden

Mottakeren blokkerte til og med høy‑effekt interferens uten å tilføre mer støy til signalbehandlingen. Brikken oppnådde omtrent førti ganger bedre ytelse i blokkering av harmonisk interferens enn mange bredbåndsmottakere, uten behov for ekstra maskinvare eller kretsløp, noe som gjør det enklere å produsere brikken i stor skala.

Ifølge Reiskarimian, som også er kjernefakultet ved Microsystems Technology Laboratories:

«Når vi designer kretsene våre, ser vi etter inspirasjon fra andre domener, som digital signalbehandling og anvendt elektromagnetikk. Vi tror på krets­eleganse og enkelhet og prøver å lage multifunksjonell maskinvare som ikke krever ekstra strøm og chip‑areal.»

Den tekniske elegansen i brikken

MIT‑forskerne utviklet mottakerbrikken ved hjelp av en mixer‑first‑arkitektur. Her blir et radiofrekvens‑ (RF‑) signal konvertert til et lavere frekvenssignal når det mottas av enheten, før det sendes videre til omformeren.

Dette gjør at et bredt frekvensområde kan dekkes samtidig som støy som ligger nær driftsfrekvensen filtreres bort. Imidlertid er mixer‑first‑mottakere utsatt for harmonisk interferens.

Harmonisk interferens oppstår fra signaler med frekvenser høyere enn enhetens driftsfrekvens. Disse frekvensene kan være vanskelige å skille fra det opprinnelige signalet når konverteringstidspunktet kommer.

«Mange andre bredbåndsmottakere gjør ingenting med harmonikkene før det er tid for å se hva bitene betyr. De gjør det senere i kjeden, men dette fungerer dårlig hvis du har høy‑effekt signaler på de harmoniske frekvensene. I stedet vil vi fjerne harmonikkene så snart som mulig for å unngå tap av informasjon.»

– Araei

Så, det teamet gjorde, var å ta blokk‑digital filtrering og tilpasse den til det analoge domenet ved hjelp av kondensatorer.

Kondensatorer lades opp når signalet mottas, og deretter slås de av for å holde den ladningen for databehandling senere.

Disse kondensatorene kan kobles på mange ulike måter. Å koble dem i parallell er én måte som gjør at kondensatorene kan utveksle lagret ladning, og mens dette kan håndtere harmonisk interferens, fører det til signaltap. En annen mulighet er å stable kondensatorer, men alene er dette ikke nok til å gi motstand mot harmonisk interferens.

Løsningen var å arrangere kondensatorene på en svært presis måte, noe som gjorde at enheten kunne blokkere harmonisk interferens uten tap av informasjon.

Å bruke ladningsdeling og kondensator‑stacking sammen var ikke gjort før, inntil teamet oppdaget at det var fordelaktig når det gjøres samtidig. Som Araei bemerket, fant de til og med «ut hvordan man gjør dette på en passiv måte innenfor mixeren uten å bruke ekstra maskinvare, samtidig som man opprettholder signalintegritet og holder kostnadene nede.»

Ved testing av enheten, som involverte å sende et ønsket signal og harmonisk interferens samtidig, fant forskerne at brikken var effektiv i å blokkere harmoniske signaler, med kun en liten reduksjon i signalstyrke.

Brikken klarte faktisk å håndtere signaler som var 40 ganger kraftigere enn tidligere, avanserte bredbåndsmottakere.

Klikk her for å lære hvordan veien til 6G kan bli lagt med grafen.

Mot skalerbare, energihøstende 5G‑enheter

I den nyeste forskningen fra denne måneden utvidet MIT‑forskerne tilnærmingen sin. Det de har gjort, er å bruke switch‑kondensator‑nettverket som tilbakemeldingsbane i en forsterker med negativ forsterkning. Denne spesielle konfigurasjonen utnytter Miller‑effekten.

Navngitt etter John Milton Miller, som først beskrev den i 1920, beskriver Miller‑effekten situasjonen hvor kapasitansen (evnen til et objekt til å lagre elektrisk ladning) mellom inngang og utgang av en forsterker (en elektronisk komponent som øker styrken på svake elektriske signaler) fremstår som en større kapasitans ved inngangen.

Effekten gjør at små kondensatorer kan oppføre seg som mye større kondensatorer.

«Dette trikset lar oss oppfylle filtreringskravet for smalbånd‑IoT uten fysisk store komponenter, noe som drastisk krymper kretsens størrelse.»

– Araei

Mottakeren som forskerne designet har et aktivt område på mindre enn 0,05 kvadrat‑millimeter. En utfordring de måtte overvinne, var å bestemme akkurat hvordan de skulle påføre nok spenning for å drive bryterne, samtidig som de holdt chipens totale strømforsyning lav, kun 0,6 volt.

Hvis spenningen som trengs for å slå på bryterne er for lav, kan så små brytere slå på og av feil når det er interfererende signaler til stede. For dette benyttet forskerne en spesiell kretsmetode.

Metoden kalt bootstrap‑klokking øker kontrollspenningen nok til å sikre at bryterne fungerer nøyaktig, samtidig som den bruker mindre strøm og færre elementer enn konvensjonelle klokke‑boost‑teknikker.

Alle innovasjonene sammen gjør at den nye mottakeren kan bruke mindre enn en milliwatt (mW) strøm mens den blokkerer langt mer harmonisk interferens enn konvensjonelle IoT‑mottakere. Ifølge Araei:

«Vår chip er også veldig stille, i den forstand at den ikke forurenser luftbølgene. Dette kommer av at bryterne våre er svært små, så mengden signal som kan lekke ut av antennen er også svært liten.»

Prototypen av mottakeren (RX) er implementert i 22‑nm fullstendig uttømt silisium‑on‑insulator (FD‑SOI)‑teknologi, opptar 0,048 mm² og bruker mellom 1,27‑5,48 mW. Mottakeren opererer over et frekvensområde på 0,25‑3 GHz og oppnår blocker‑1 dB kompresjonspunkt (B1dB) på –3/–2 dBm ved henholdsvis 3. og 5. harmonikk. Lekkasje fra lokal oscillator (LO) ved antenneporten viser også overlegen ytelse sammenlignet med state‑of‑the‑art‑design, med en verste‑tilfelle på –73 dBm over hele frekvensområdet.

På grunn av at den er mindre i størrelse enn konvensjonelle enheter, samt at den baserer seg på forhåndsladede kondensatorer og brytere i stedet for mer kompleks elektronikk, kan mottakeren være mer kostnadseffektiv å fremstille.

I tillegg, med designet som kan dekke et bredt spekter av signalfrekvenser, kan den implementeres i en rekke eksisterende og fremtidige IoT‑enheter.

Støttet delvis av National Science Foundation, har forskerne utviklet prototypen og har nå som mål å få mottakeren til å operere uten en dedikert strømkilde. For å forsyne chipen med strøm kan de se på å utnytte Bluetooth‑ eller Wi‑Fi‑signaler fra omgivelsene.

Investering i markedet for analoge og mixed‑signal integrerte kretser

Når det gjelder investering i sektoren, er et av de mest relevante selskapene å utforske Analog Devices (ADI ). En stor aktør innen analoge og mixed‑signal‑semiconductor, ADI utvikler datakonvertere, forsterkere, radiofrekvens‑ (RF‑) IC‑er, edge‑prosessorer, strømstyring og andre sensorer. De investerer også i energieffektive arkitekturer for trådløse enheter.

Analog Devices

Hvis vi ser på markedsprestasjonen til ADI‑aksjene, handles de for øyeblikket til $234,68, opp 10,46 % YTD. Selskapets aksjer har faktisk hatt en positiv markedstrend i mer enn et tiår, med priser som nådde et historisk høyt nivå på nesten $244 tidligere i år. Selv etter et fall til nesten $164 i april sammen med bredmarkedet, har de siden kommet seg godt, med en positiv avkastning på omtrent 42,5 %.

Med dette har de en EPS (TTM) på 3,67 og en P/E (TTM) på 64,03. Et utbytte på 1,69 % tilbys også av selskapet til sine aksjonærer.

Når det gjelder selskapets økonomi, rapporterte Analog Devices en omsetning på $2,64 milliarder for sitt andre kvartal i 2025, som avsluttet 3. mai 2025. Med tosifret YoY‑vekst i alle sluttmarkeder, hadde selskapet $3,9 milliarder i driftskontantstrøm og fri kontantstrøm på $3,3 milliarder på en trailing twelve‑month‑basis.

«ADI leverte andre kvartal‑omsetning og inntjening per aksje over den øvre enden av veiledningen», sa administrerende direktør Vincent Roche. «Mot bakgrunn av global handelsvolatilitet reflekterer vår ytelse den pågående sykliske gjenopprettingen, og styrken og motstandskraften i vår forretningsmodell. Vår urokkelige forpliktelse til innovasjon og kundesuksess gjør at ADI kan fortsette å utvide vår ledelse i den stadig mer AI‑drevne Intelligent Edge, og levere eksepsjonell verdi for aksjonærene både på kort og lang sikt.»

Den økte etterspørselen som Analog Devices registrerte i forrige kvartal, ifølge finansdirektør Richard Puccio, støtter også deres utsikter for fortsatt vekst i neste kvartal og forsterker deres syn «at vi er i en syklisk oppgang».

For tredje kvartal i 2025 forutser de en omsetning på $2,75 milliarder og en driftsmargin på 27,2 %. EPS forventes å være rundt $1,23.

I løpet av andre kvartal returnerte selskapet $0,7 milliarder til aksjonærene gjennom utbytte og tilbakekjøp. Et kvartalsvis kontantutbytte på $0,99 per aksje ble også kunngjort av styret, som vil bli betalt 18. juni 2025.

Dette utbyttet reflekterer en økning på 8 %, kunngjort i februar i år, som markerte 21 påfølgende år med høyere utbytte. Samtidig fikk de autorisasjon til å tilbakekjøpe ytterligere $10 milliarder av sine ordinære aksjer.

«ADI‑s motstandsdyktige forretningsmodell og historikk med lønnsom vekst gjør at vi kan returnere 100 % av fri kontantstrøm til aksjonærene på lang sikt.»

– Roche

I mellomtiden lanserte selskapet denne måneden et corporate venture capital‑fond (CVC) kalt ADVentures (ADV) med mål om å investere i fremvoksende muligheter som vil definere nye fronter innen innovasjon og påvirkning.

Fokuset vil være på tidlige idéer som utvikler revolusjonerende løsninger innen menneskelig helse, avanserte systemer & robotikk, og klima & energi, med særlig interesse for områder som AI, beregningsarkitekturer, nye sensormodaler og sikker tilkobling.

I januar i år sikret Analog Devices også støtte fra USAs handelsdepartement, som signerte fire ikke‑bindende kontrakter, hvor de vil gi opptil $105 millioner i direkte finansiering til selskapet. Kontraktene er en del av CHIPS‑and‑Science‑Act, designet for å styrke den innenlandske halvlederindustrien.

Fokusert på å muliggjøre innovasjon ved Intelligent Edge, vil investeringen hjelpe dem med å styrke arbeidsstyrketrening og partnerskap samt håndtere deres miljøavtrykk.

Nyeste nyheter og utviklinger for Analog Devices (ADI)‑aksjer

Konklusjon

Med neste generasjons IoT‑enheter som skal bruke 5G‑teknologi, må mottakere kunne håndtere et bredt frekvensspektrum med lavt strømforbruk og kostnad.

Forbedret mottakert teknologi kan føre til bedre tilkobling, lengre batterilevetid og mer pålitelig ytelse for IoT‑enheter, noe som igjen muliggjør et bredere spekter av applikasjoner innen smarte hjem, industriell automatisering, helsevesen og miljøovervåking.

Etter hvert som etterspørselen etter energieffektiv, interferens‑resistent mottakerteknologi blir kritisk, kan MITs kompakte, lavstrøm‑mottakerdesign hjelpe smarte enheter med å oppnå bedre ytelse og økt funksjonalitet, noe som fører til smartere, mindre og lengrevarende bærbare enheter og IoT‑enheter for en virkelig sammenkoblet verden!

Klikk her for å lære hvordan et nytt kraftsystem forbedrer trådløs lading.

mindre, og lengrevarende bærbare enheter og IoT‑enheter for en virkelig sammenkoblet verden! Klikk her for å lære hvordan et nytt kraftsystem forbedrer trådløs lading.