La creciente prevalencia de dispositivos de comunicación inalámbricos de alta velocidad, desde teléfonos móviles 5G hasta sensores para vehículos autónomos, está generando ondas de radio cada vez más pobladas. Esto hace que la capacidad de bloquear señales de interferencia que pueden obstaculizar el rendimiento del dispositivo sea un problema aún más importante (y más desafiante).
Con estas y otras aplicaciones emergentes en mente, los investigadores del MIT demostraron una nueva arquitectura de receptor inalámbrico de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) de ondas milimétricas que puede manejar interferencias espaciales más fuertes que los diseños anteriores. Los sistemas MIMO tienen múltiples antenas, lo que les permite transmitir y recibir señales desde diferentes direcciones. Su receptor inalámbrico detecta y bloquea la interferencia espacial lo antes posible, antes de que se amplifiquen las señales no deseadas, lo que mejora el rendimiento.
La clave de esta arquitectura de receptor MIMO es un circuito especial que puede apuntar y cancelar señales no deseadas, conocido como desfasador no recíproco. Al crear una nueva estructura de desfasador que es reconfigurable, de bajo consumo y compacta, los investigadores muestran cómo se puede utilizar para cancelar interferencias en etapas anteriores de la cadena del receptor.
Su receptor puede bloquear hasta cuatro veces más interferencias que algunos dispositivos similares. Además, los componentes que bloquean las interferencias se pueden encender y apagar según sea necesario para ahorrar energía.
En un teléfono móvil, un receptor de este tipo podría ayudar a mitigar los problemas de calidad de la señal que pueden provocar llamadas por Zoom o transmisiones de vídeo lentas y entrecortadas.
“Ya se está utilizando mucho en los rangos de frecuencia que estamos tratando de usar para los nuevos sistemas 5G y 6G. Por lo tanto, cualquier cosa nueva que intentemos agregar ya debería tener estos sistemas de mitigación de interferencias instalados. Aquí, hemos demostrado que el uso de un desfasador no recíproco en esta nueva arquitectura nos brinda un mejor rendimiento. Esto es bastante significativo, especialmente porque estamos usando la misma plataforma integrada que todos los demás”, dice Negar Reiskarimian, asistente de desarrollo profesional del X-Window Consortium Profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS), miembro de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas y del Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y autor principal de un papel sobre este receptor.
Reiskarimian escribió el artículo con los estudiantes graduados de EECS Shahabeddin Mohin, autor principal, Soroush Araei, y Mohammad Barzgari, un postdoctorado de RLE. El trabajo se presentó recientemente en el Simposio de circuitos de radiofrecuencia del IEEE y recibió el premio al mejor artículo estudiantil.
Bloqueo de interferencias
Los sistemas MIMO digitales tienen una parte analógica y otra digital. La parte analógica utiliza antenas para recibir señales, que se amplifican, se convierten y pasan a través de un convertidor de analógico a digital antes de procesarse en el dominio digital del dispositivo. En este caso, se requiere formación de haces digital para recuperar la señal deseada.
Pero si una señal fuerte e interferente proveniente de una dirección diferente llega al receptor al mismo tiempo que una señal deseada, puede saturar el amplificador y ahogar la señal deseada. Los MIMO digitales pueden filtrar señales no deseadas, pero este filtrado ocurre más adelante en la cadena del receptor. Si la interferencia se amplifica junto con la señal deseada, será más difícil filtrarla más adelante.
“La salida del amplificador inicial de bajo ruido es el primer lugar donde se puede realizar este filtrado con una penalización mínima, así que eso es exactamente lo que estamos haciendo con nuestro enfoque”, afirma Reiskarimian.
Los investigadores construyeron e instalaron cuatro desfasadores no recíprocos inmediatamente en la salida del primer amplificador de cada cadena de receptores, todos conectados al mismo nodo. Estos desfasadores pueden transmitir señales en ambas direcciones y detectar el ángulo de una señal de interferencia entrante. Los dispositivos pueden ajustar su fase hasta anular la interferencia.
La fase de estos dispositivos se puede sintonizar con precisión, de modo que puedan detectar y cancelar una señal no deseada antes de que pase al resto del receptor, bloqueando la interferencia antes de que afecte a otras partes del receptor. Además, los desfasadores pueden seguir señales para continuar bloqueando la interferencia si cambia de ubicación.
“Si comienza a desconectarse o la calidad de su señal disminuye, puede activarlo y mitigar la interferencia sobre la marcha. Como nuestro enfoque es paralelo, puede activarlo y desactivarlo con un efecto mínimo en el rendimiento del propio receptor”, añade Reiskarimian.
Un dispositivo compacto
Además de hacer que su novedosa arquitectura de desfasador sea sintonizable, los investigadores los diseñaron para utilizar menos espacio en el chip y consumir menos energía que los típicos desfasadores no recíprocos.
Una vez que los investigadores hicieron el análisis para demostrar que su idea funcionaría, su mayor desafío fue traducir la teoría en un circuito que lograra sus objetivos de rendimiento. Al mismo tiempo, el receptor tenía que cumplir estrictas restricciones de tamaño y un presupuesto de energía ajustado, o no sería útil en dispositivos del mundo real.
Al final, el equipo demostró una arquitectura MIMO compacta en un chip de 3,2 milímetros cuadrados que podía bloquear señales hasta cuatro veces más fuertes que las que podían manejar otros dispositivos. Más simple que los diseños típicos, su arquitectura de desfasador también es más eficiente energéticamente.
En el futuro, los investigadores quieren ampliar su dispositivo a sistemas más grandes, así como permitirle funcionar en los nuevos rangos de frecuencia utilizados por los dispositivos inalámbricos 6G. Estos rangos de frecuencia son propensos a fuertes interferencias provenientes de satélites. Además, les gustaría adaptar los desfasadores no recíprocos a otras aplicaciones.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Centro de Sistemas y Circuitos Integrados del MIT.
Publicado originalmente en news.mit.edu el 27 de junio de 2024.
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