科學家在單個晶元上實現雙工通信！

導讀

物聯網的發展離不開通信技術，然而實現設備的雙工通信，特別是在單個晶元上實現這一技術，其意義十分巨大。最近，美國康奈爾大學的科研人員設計了一種很好的解決方案，能夠在單晶元上同時發射和接收無線信號。

Alyosha Molnar 手中拿著這項研究設計的電路板。旁邊站的是 Molnar 的實驗室的研究生 Hazal Yüksel，這項最新研究論文的另外一位作者。

（圖片來源：Jason Koski/康奈爾大學）

雙工通信的挑戰

雙工通信，需要設備同時具備數據發送和接收的雙向通信能力。

雙工通信示意圖

（圖片來源於：維基百科）

但是，在同一設備上實現同時發送和接收數據，則需要一個介於發送和接收電路之間的過濾器，提供「信號隔離」。

為什麼需要過濾器？

原因很簡單，因為如果沒有過濾器，那麼通信將無法實現。對此，根據研究人員的解釋，概括來說，主要是由於發射信號的強度比接收信號的強度，往往要強很多倍，從而對於接收信號造成很強的干擾，甚至「淹沒」接收信號。

將發射信號和接收信號頻段分開是很困難的，而且問題隨著當前設備的頻段個數增加而更加複雜。從GPS到藍牙再到Wi-Fi，每個頻段都需要一個過濾器，阻止強大的發射信號「淹沒」弱小的接收信號。

創新方案

然而，Molnar 實驗室的科研人員們找出了一個很好的解決方案，能夠在單晶元上發射和接收無線電信號，從而幫助改變目前無線通信的方式。

這項研究的論文《一種寬頻帶、全集成、軟體定義的、頻分雙工和時分雙工的收發器》"A wideband fully integrated software-defined transceiver for FDD and TDD operation" 的論文發表於，2017年1月27日的電氣與電子工程師協會的《固態電路》雜誌上。博士研究生 Hazal Yüksel 和博士生 Dong Yang，是論文的合作領導作者。

Molnar 和 Apsel 使用了一種獨創性的方案分離發射信號和接收信號。他們創意主要在發射器中，實際上由6個子發射器構成，所有的發射器都連接到一根人工傳輸線上。每個發射器都可以定期發送信號，並且它們都經過編程處理後加權輸出，所以他們聯合產生一種位於天線上的前向射頻信號，然後在接收埠處消失。

因為每個發射器輸出的具有「可編程性」，使得這種同步的疊加和取消，可以在廣泛的頻率範圍內實現，從而調整天線上的信號強度。所以，Apsel 說：

「在一個方向上，它是一個過濾器，你簡單地取消信號。再另外一個方向上，它又變成了一個放大器。」

Molnar 說：

「你將天線放在一端，放大後的信號從天線輸出，如果你將接收器放在另外一端，信號將會消失不見。接收器通過這根傳輸線可以看到天線，但是它無法觀察到發射信號，因為發射信號會在另外一端消失。」

相關研究

這項研究建立於斯坦福大學六年前報道的一項研究基礎上，那項研究設計出了一種讓發射器過濾自己傳輸的方法，讓比較弱的入射信號可以被接收到。這個理論正是雜訊消除耳機所用的。

寬頻

與斯坦福大學的研究不同，康奈爾大學的研究小組研發的子傳輸器概念，可以在很寬廣的頻率範圍內有效，所以在這個物聯網時代，頻譜資源被廣泛利用的情況下，這項研究很有積極意義。對此，Molnar說：

「這根線具有典型的寬頻帶結構，能夠在寬廣的頻率範圍內有效，你只需要控制不同的發射器的子增益，產生這種消除作用。」

軟體定義

無需為每個頻段配備一個過濾器，信號分離可以通過數字的方式控制。升級到最新的版本，就像更新應用程序，如果下載最新軟體那樣簡單。

所以研究人員認為，用戶可以對於單個設備進行軟體方式配置，而無需購買最新的設備進行硬體升級。

參考資料

【1】https://phys.org/news/2017-03-two-way-radio-chip.html

【2】http://ieeexplore.ieee.org/document/7835655/

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