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Low power receiver front-end design for millimeter waves spectrum monitoring
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Abstract
Technological advancements in the last decade have significantly increased bandwidth requirements in wireless communications, leading to a scarcity of radio spectrum [1]. This has heightened the importance of spectrum monitoring for managing spectrum use, particularly in congested lower frequency bands associated with local wireless networks, IoT, and smart city devices. Commercial systems for spectrum monitoring, especially at millimeter-wave frequencies, are expensive and consume substantial power. The mm-wave frequency bands are increasingly vital for applications such as 6G communications [2], radio astronomy [3], satellite remote sensing [4], and atmospheric sensing [5]. Current commercial mm-wave spectrum monitoring solutions are bulky and costly [6], necessitating the development of compact, low-power, and cost-effective spectrum and radio frequency interference (RFI) monitors. This work aims to design and develop an analog front-end for a low size, weight, power, and cost (SWaP-C) spectrum monitor. The proposed system includes a low-noise amplifier, a self-oscillating mixer at mm-wave frequencies. The receiver targets interference monitoring to enhance scientific radio observations, focusing on the 20-30 GHz. These frequencies are used for atmospheric profiling in the Radiometrics 3000A radiometer [7], which will be deployed at UPRM as part of an RFI monitoring testbed for the Center CARSE.
Los avances tecnológicos en la última década han incrementado significativamente los requisitos de ancho de banda en las comunicaciones inalámbricas, lo que ha llevado a una escasez del espectro radioeléctrico [1]. Esto ha aumentado la importancia de la monitorización del espectro para gestionar su uso, particularmente en las bandas de frecuencia más bajas, que están congestionadas por redes inalámbricas locales, IoT y dispositivos de ciudades inteligentes. Los sistemas comerciales para monitorización de espectro, especialmente en frecuencias de ondas milimétricas, son costosos y consumen una cantidad significativa de energía. Las bandas de ondas milimétricas (mm-wave) son cada vez más esenciales para aplicaciones como las comunicaciones 6G [2], radioastronomía [3], la teledetección por satélite [4] y la detección atmosférica terrestre [5]. Las soluciones comerciales actuales para la monitorización del espectro en frecuencias mm-wave son voluminosas y costosas [6], lo que genera la necesidad de monitores de espectro y de interferencias de radiofrecuencia (RFI) compactos, de bajo consumo y económicos. Este trabajo tiene como objetivo diseñar y desarrollar un front-end analógico para un monitor de espectro de bajo tamaño, peso, consumo de energía y costo (SWaP-C). El sistema propuesto incluye un amplificador de bajo ruido, un mezclador autooscilante a frecuencias de ondas milimétricas. El receptor está diseñado para monitorizar interferencias y mejorar las observaciones científicas de radio, centrándose en las bandas de 20-30 GHz. Estas frecuencias se utilizan para el perfilado atmosférico en el radiómetro Radiometrics 3000A [7], que será instalado en la UPRM y servirá como base para un banco de pruebas de monitorización de RFI del Centro CARSE.
Los avances tecnológicos en la última década han incrementado significativamente los requisitos de ancho de banda en las comunicaciones inalámbricas, lo que ha llevado a una escasez del espectro radioeléctrico [1]. Esto ha aumentado la importancia de la monitorización del espectro para gestionar su uso, particularmente en las bandas de frecuencia más bajas, que están congestionadas por redes inalámbricas locales, IoT y dispositivos de ciudades inteligentes. Los sistemas comerciales para monitorización de espectro, especialmente en frecuencias de ondas milimétricas, son costosos y consumen una cantidad significativa de energía. Las bandas de ondas milimétricas (mm-wave) son cada vez más esenciales para aplicaciones como las comunicaciones 6G [2], radioastronomía [3], la teledetección por satélite [4] y la detección atmosférica terrestre [5]. Las soluciones comerciales actuales para la monitorización del espectro en frecuencias mm-wave son voluminosas y costosas [6], lo que genera la necesidad de monitores de espectro y de interferencias de radiofrecuencia (RFI) compactos, de bajo consumo y económicos. Este trabajo tiene como objetivo diseñar y desarrollar un front-end analógico para un monitor de espectro de bajo tamaño, peso, consumo de energía y costo (SWaP-C). El sistema propuesto incluye un amplificador de bajo ruido, un mezclador autooscilante a frecuencias de ondas milimétricas. El receptor está diseñado para monitorizar interferencias y mejorar las observaciones científicas de radio, centrándose en las bandas de 20-30 GHz. Estas frecuencias se utilizan para el perfilado atmosférico en el radiómetro Radiometrics 3000A [7], que será instalado en la UPRM y servirá como base para un banco de pruebas de monitorización de RFI del Centro CARSE.
Description
Date
2024-12-12