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वायरलेस संचार में सक्रिय फ़िल्टर का बढ़ता महत्व

वायरलेस नेटवर्क का तेजी से विस्तार, 4G LTE से 5G और उससे आगे, रेडियो फ्रीक्वेंसी (RF) फ्रंट-एंड घटकों पर अभूतपूर्व मांगों को रखा है। इनमें से, फिल्टर सिग्नल अखंडता, प्रबंधन हस्तक्षेप को बनाए रखने और कुशल स्पेक्ट्रम उपयोग को सक्षम करने के लिए महत्वपूर्ण हैं। सक्रिय फिल्टर, जो परिचालन एम्पलीफायर या ट्रांजिस्टर जैसे तत्वों को शामिल करते हैं, ट्यूनेबिलिटी, आकार और लाभ प्रदान करने की क्षमता के मामले में निष्क्रिय फिल्टर पर अलग फायदे प्रदान करते हैं। 5G नेटवर्क 6G गति में परिपक्व और शोध करते हैं, सक्रिय फिल्टर की भूमिका सरल आवृत्ति चयन से बुद्धिमान, अनुकूली सिग्नल प्रोसेसिंग तक विकसित होती है।

सक्रिय फिल्टर के मूल: एक प्राइमर

एक सक्रिय फ़िल्टर एक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट है जो सक्रिय घटकों का उपयोग करता है -आमतौर पर ओप-amp या ट्रांजिस्टर-जो एक संकेत की आवृत्ति प्रतिक्रिया को आकार देने के लिए प्रतिरोधी और संधारित्र के साथ। निष्क्रिय फिल्टर (जो पूरी तरह से प्रारंभ करने वाले, संधारित्र और प्रतिरोधक पर निर्भर करता है) के विपरीत, सक्रिय फिल्टर वोल्टेज लाभ प्रदान कर सकते हैं, उच्च इनपुट प्रतिबाधा प्रदर्शित कर सकते हैं, और कम आउटपुट प्रतिबाधा प्रदान कर सकते हैं। ये विशेषताएं उन्हें जटिल प्रणालियों में एकीकरण के लिए अच्छी तरह से उपयुक्त बनाती हैं जहां लोडिंग प्रभाव को कम करना चाहिए।

आम सक्रिय फ़िल्टर टोपोलॉजी में Sallen-Key आर्किटेक्चर, एकाधिक-फीडबैक (MFB) डिज़ाइन और राज्य-परिवर्तनीय (biquad) फिल्टर शामिल हैं। प्रत्येक टोपोलॉजी घटक संवेदनशीलता, क्यू-फैक्टर लचीलेपन और ट्यूनिंग की आसानी के संदर्भ में व्यापार-बंद प्रदान करती है। 5G और उससे आगे के संदर्भ में, डिजाइनर अक्सर उच्च चयनता (स्टेप रोल-ऑफ), व्यापक ट्यूनिंग रेंज और उच्च शक्ति की स्थिति के तहत रैखिकता के साथ फिल्टर को प्राथमिकता देते हैं।

5G नेटवर्क में सक्रिय फ़िल्टर के महत्वपूर्ण कार्य

5G तीन मुख्य आवृत्ति बैंडों में काम करता है: उप-6 गीगाहर्ट्ज़ (एफआर 1), मिलीमीटर-वेव (एफआर 2, 24-52 गीगाहर्ट्ज़) और उभरते FR3 बैंड (7-24 गीगाहर्ट्ज)। सक्रिय फिल्टर कई आवश्यक भूमिकाओं की सेवा करते हैं:

हस्तक्षेप दमन और सिग्नल अखंडता

घने शहरी तैनाती में, बेस स्टेशन और उपयोगकर्ता उपकरण को आसन्न चैनलों, वाई-फाई या विरासत सेलुलर संकेतों से आउट-बैंड ब्लॉकर्स को अस्वीकार करना चाहिए। उच्च क्यू-फैक्टर के साथ सक्रिय फ़िल्टर कम सम्मिलन हानि को बनाए रखते हुए तेज अस्वीकृति प्रदान कर सकते हैं, एक संयोजन जो निष्क्रिय फिल्टर उच्च आवृत्तियों पर प्राप्त करने के लिए संघर्ष करते हैं।

शोर प्रबंधन

सक्रिय फिल्टर को बाद के प्रसंस्करण चरणों से पहले वांछित संकेत को बढ़ाने के द्वारा संकेत-से-शोर अनुपात (SNR) में सुधार करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। हालांकि, सक्रिय तत्व स्वयं थर्मल और फ्लिकर शोर पेश करते हैं। कम शोर वाले ओप-amps और अनुकूलित फीडबैक नेटवर्क सहित सावधानीपूर्वक डिजाइन, लाभ और शोर आंकड़ा संतुलन के लिए आवश्यक है।

बहु-बैंड और कैरियर एकत्रीकरण समर्थन

5G नेटवर्क अक्सर वाहक एकत्रीकरण का उपयोग करते हैं, डेटा थ्रूपुट को बढ़ाने के लिए कई आवृत्ति बैंड को जोड़ते हैं। Reconfigurable सक्रिय फिल्टर जो फ्लाई पर सेंटर आवृत्तियों के बीच स्विच कर सकते हैं, प्रत्येक बैंड के लिए एक समर्पित फिल्टर बैंक की आवश्यकता के बिना इस लचीलेपन को सक्षम करने के लिए आवश्यक हैं।

सक्रिय फ़िल्टर डिजाइन में उभरती प्रौद्योगिकी

Reconfigurable and ट्यूनेबल फिल्टर

ट्यूनेबिलिटी एक प्रमुख प्रवृत्ति है। वारक्टर डायोड, स्विच संधारित्र सरणी और एमईएमएस परिवर्तनीय संधारित्र केंद्र आवृत्ति और बैंडविड्थ समायोजन की अनुमति देते हैं। ये घटक फिल्टर को चैनल की स्थिति, हस्तक्षेप पैटर्न या स्पेक्ट्रम आवंटन को बदलने में सक्षम बनाते हैं। उदाहरण के लिए, एक 5G छोटी सेल पास के बैंड में एक सैन्य रडार ऑपरेटिंग से बचने के लिए एक ट्यूनेबल सक्रिय फ़िल्टर का उपयोग कर सकता है।

mmWave के लिए एकीकृत सक्रिय फ़िल्टर

मिलीमीटर-तरंग फ़्रिक्वेंसी (28, 39 गीगाहर्ट्ज) कम घटक क्यू और उच्च परजीवी प्रभाव के कारण पारंपरिक फिल्टर डिजाइन के लिए चुनौतियों का सामना करते हैं। सक्रिय फ़िल्टर तकनीक, जैसे कि नकारात्मक प्रतिरोध मुआवजे के साथ ट्रांसमिशन लाइन रेज़ोनेटर का उपयोग करना, उच्च चयनात्मकता ऑन-चिप प्राप्त कर सकती है। CMOS या SiGe BiCMOS प्रक्रियाओं में एकीकृत सक्रिय फिल्टर चरणबद्ध-array एंटीना और बीमफॉर्मिंग सिस्टम के लिए व्यवहार्य हो रहे हैं, जहां आकार और बिजली की खपत महत्वपूर्ण है।

मशीन लर्निंग-ड्राइविंग अनुकूलन

कृत्रिम बुद्धि को वास्तविक समय में फिल्टर अनुकूलन पर लागू किया जाता है। एक तंत्रिका नेटवर्क वर्णक्रमीय अधिभोग की निगरानी कर सकता है और बिट-error दर को कम करने के लिए फिल्टर गुणांक या स्विच टॉपोलॉजी को समायोजित कर सकता है। यह दृष्टिकोण विशेष रूप से संज्ञानात्मक रेडियो और सॉफ्टवेयर-निर्धारित रेडियो (SDRs) के लिए वादा करता है, जहां फ़िल्टरिंग परत की क्षमता डिजिटल बेसबैंड की लचीलेपन से मेल खाती है।

सक्रिय बनाम निष्क्रिय फ़िल्टर: जब प्रत्येक का उपयोग करना है

जबकि सक्रिय फिल्टर ट्यूनेबिलिटी और लाभ प्रदान करते हैं, वे बिजली की खपत और संभावित गैर-रैखिकता भी पेश करते हैं। उच्च शक्ति वाले संचारित पथ में, निष्क्रिय फिल्टर विरूपण के बिना उच्च वोल्टेज और धाराओं को संभालने की उनकी क्षमता के कारण वर्कहोर्स रहते हैं। सक्रिय फिल्टर आमतौर पर रिसीवर श्रृंखला, मध्यवर्ती आवृत्ति (आईएफ) चरणों और बेसबैंड प्रोसेसिंग में पाए जाते हैं। सक्रिय और निष्क्रिय के बीच विकल्प आवृत्ति, शक्ति स्तर, रैखिकता आवश्यकताओं और सिस्टम एकीकरण बाधाओं पर निर्भर करता है।

अगली पीढ़ी के सिस्टम में सक्रिय फ़िल्टर को चुनने की चुनौतियां

थर्मल शोर और रैखिकता व्यापार बंद

सक्रिय घटक शोर उत्पन्न करते हैं जो रिसीवर संवेदनशीलता को कम कर सकते हैं। साथ ही, उच्च रैखिकता (कम अंतर मॉड्यूलेशन विरूपण) को प्राप्त करने के लिए अक्सर कम शोर और कम बिजली की खपत के साथ संघर्ष करता है। डिजाइनरों को इन व्यापार-बंदों को सावधानीपूर्वक प्रबंधित करना चाहिए, अक्सर शोर रद्द करने और बहु-फीडबैक टोपोलॉजी जैसी तकनीकों का उपयोग करना चाहिए।

बिजली की खपत

हर सक्रिय फ़िल्टर DC पावर का उपभोग करता है। बैटरी संचालित उपकरणों जैसे स्मार्टफोन में, बिजली बजट तंग है। कम शक्ति वाली डिज़ाइन तकनीकें - जैसे कि सबथ्रेसहोल्ड ऑपरेशन, गतिशील पूर्वाग्रह, और ड्यूटी साइकिलिंग - को ऊर्जा पदचिह्न को कम करने के लिए जांच की जा रही है।

एकीकरण जटिलता

अन्य आरएफ ब्लॉकों (एलएनए, मिक्सर, वीसीओ) के साथ सक्रिय फिल्टर को एकीकृत करने के लिए पैरासिटिक युग्मन को रोकने के लिए सावधानीपूर्वक अलगाव और लेआउट की आवश्यकता होती है। फिल्टर चरणों और डिजिटल सर्किट के बीच क्रॉसटॉक अस्थिरता का कारण बन सकता है। उन्नत पैकेजिंग और एकांतिक माइक्रोवेव एकीकृत सर्किट (एमएमआईसी) डिजाइन पद्धतियां आवश्यक हैं।

6G: Terahertz आवृत्तियों पर सक्रिय फ़िल्टर

5G से परे, 6G प्रति सेकंड terabits में डेटा दरों में संशोधन करता है, 1 ms के तहत विलंबता और उप-THz और THz बैंड (100 GHz से 3 THz) का उपयोग करता है। इन आवृत्तियों पर, बहुत छोटे तरंग दैर्ध्य और उच्च नुकसान के कारण एकमुश्त तत्वों के आधार पर पारंपरिक फ़िल्टर डिजाइन अव्यवहारिक हो जाते हैं। सक्रिय फ़िल्टर दृष्टिकोण नकारात्मक प्रतिरोध का लाभ उठाते हैं, प्रवर्धन वितरित करते हैं, और क्वांटम-प्रभाव उपकरण (जैसे, अनुनाद सुरंगन डायोड) का पता लगाया जा रहा है कि टीएचजेड अंतराल में लाभ और चयनात्मकता प्राप्त करने के लिए किया जा रहा है।

इसके अलावा, 6G की बुद्धिमान सतहों, होलोग्राफिक रेडियो और बड़े पैमाने पर MIMO पर निर्भरता को ऐसे फिल्टर की आवश्यकता होगी जो तत्व स्तर पर फिर से कॉन्फ़िगर किए जा सकते हैं। सक्रिय फ़िल्टरिंग को सीधे एंटेना सरणी में एक साथ स्थानिक और आवृत्ति फ़िल्टरिंग करने के लिए एम्बेड किया जा सकता है।

सामग्री नवाचार सक्रिय फ़िल्टर प्रदर्शन ड्राइविंग

नई अर्धचालक सामग्री सक्रिय फिल्टर के लिए डिजाइन स्थान का विस्तार कर रही है:

  • Gallium Nitride (GaN) उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज और पावर हैंडलिंग प्रदान करता है, जो ट्रांसमीटर फ्रंट-एंड में सक्रिय फिल्टर को सक्षम करता है जहां रैखिकता और मजबूती महत्वपूर्ण होती है।
  • ]Silicon-on-Insulator (SOI) और SiGe] बेहतर शोर प्रदर्शन और उच्च कटऑफ आवृत्ति प्रदान करते हैं, जिससे उन्हें मिलीमीटर-तरंग रिसीवर में कम शोर वाले सक्रिय फिल्टर के लिए आदर्श बनाया जाता है।
  • ]2D सामग्री को मिटाना जैसे कि ग्राफेन और संक्रमण धातु dichalcogenide अभूतपूर्व आवृत्ति आंदोलन के साथ अति-कम शक्ति सक्रिय फिल्टर का कारण बन सकता है।

रियल-विश्व अनुप्रयोग और केस स्टडीज

सक्रिय फिल्टर पहले से ही 5G इन्फ्रास्ट्रक्चर में तैनात हैं। उदाहरण के लिए, कुछ मैक्रो बेस स्टेशन FDD और TDD बैंड में वाहक एकत्रीकरण को संभालने के लिए पुन: कॉन्फ़िगर करने योग्य सक्रिय बैंडपास फिल्टर का उपयोग करते हैं। बड़े पैमाने पर MIMO सिस्टम में, एकीकृत चरण बदलाव के साथ सक्रिय फिल्टर सामने के अंत में बीमफॉर्मिंग को सक्षम करते हैं, डिजिटल बैकहाल की जटिलता को कम करते हैं।

मोटर वाहन 5G (C-V2X) सक्रिय फिल्टर से लाभ जो कम विलंबता को बनाए रखते हुए अन्य वाहनों या सड़क के किनारे इकाइयों से जैमिंग संकेतों को अस्वीकार कर सकते हैं। इसी तरह, गैर-terrestrial नेटवर्क (NTN) के लिए उपग्रह संचार टर्मिनल कई नक्षत्रों से डोप्लर शिफ्ट्स और हस्तक्षेप को संभालने के लिए अनुकूल सक्रिय फिल्टर का उपयोग करते हैं।

भविष्य अनुसंधान निर्देश

  • ]N-Path Filter with Active बूट्सट्रैपिंग : N-path Filters (जो एक निष्क्रिय LC टैंक को उच्च आवृत्ति में मिलाते हैं) की ऑपरेटिंग आवृत्ति को बढ़ाने के लिए सक्रिय स्विच और MWave bands को कवर करने के लिए चरणों का लाभ उठाने के लिए।
  • ]Neuromorphic Active Filters: विविध जैविक तंत्रिका नेटवर्क फिल्टर बनाने के लिए जो स्पष्ट एल्गोरिथ्म अद्यतन के बिना सीखते हैं और अनुकूल होते हैं।
  • ]Quantum-वर्धित सक्रिय फ़िल्टर : क्वांटम संचार दोहराने वालों के लिए क्रायोजेनिक तापमान पर निकट-शून्य शोर प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए जोसेफसन जंक्शनों या अन्य क्वांटम उपकरणों का उपयोग करना।

निष्कर्ष

सक्रिय फिल्टर केवल वायरलेस सिस्टम में सहायक घटक नहीं हैं - वे 5G और भविष्य के नेटवर्क द्वारा आवश्यक गतिशीलता और प्रदर्शन के केंद्रीय समर्थक बन रहे हैं। आवृत्तियों के बढ़ने के रूप में, बिजली बजट में कसने, और हस्तक्षेप वातावरण अधिक जटिल हो जाते हैं, कम शोर और उच्च रैखिकता के साथ आवृत्ति प्रतिक्रिया को गतिशील रूप से आकार देने की क्षमता निर्णायक होगी। सर्किट में जारी प्रगति, एकीकरण प्रौद्योगिकी, और अनुकूली एल्गोरिदम सहज, उच्च क्षमता वाले वायरलेस कनेक्टिविटी के लिए नई संभावनाओं को अनलॉक करने का वादा करते हैं। आगे पढ़ने के लिए, 3GPP 5G विनिर्देशों सिस्टम-स्तरीय संदर्भ प्रदान करते हैं, जबकि [LT] अनुसंधान क्षेत्र में गहरे प्रभाव]