El nuevo chip receptor bloquea la interferencia de la señal que ralentiza el rendimiento del dispositivo móvil y agota las baterías

Imagínese sentarse en un estadio repleto para un partido de fútbol fundamental: decenas de miles de personas usan teléfonos móviles al mismo tiempo, tal vez chateando por video con amigos o publicando fotos en las redes sociales. Las señales de radiofrecuencia que envían y reciben todos estos dispositivos pueden causar interferencias, lo que ralentiza el rendimiento del dispositivo y agota las baterías.

Diseñar dispositivos que puedan bloquear de manera eficiente las señales no deseadas no es una tarea fácil, especialmente a medida que las redes 5G se vuelven más universales y se desarrollan futuras generaciones de sistemas de comunicación inalámbrica. Las técnicas convencionales utilizan muchos filtros para bloquear una variedad de señales, pero los filtros son voluminosos, costosos y aumentan los costos de producción.

Los investigadores del MIT han desarrollado una arquitectura de circuito que apunta y bloquea las señales no deseadas en la entrada de un receptor sin afectar su rendimiento. Tomaron prestada una técnica del procesamiento de señales digitales y utilizaron algunos trucos que le permiten funcionar de manera efectiva en un sistema de radiofrecuencia en un amplio rango de frecuencias.

Su receptor bloqueó incluso las señales no deseadas de alta potencia sin introducir más ruido o imprecisiones en las operaciones de procesamiento de señales. El chip, que funcionó unas 40 veces mejor que otros receptores de banda ancha para bloquear un tipo especial de interferencia, no requiere ningún hardware o circuito adicional. Esto haría que el chip fuera más fácil de fabricar a escala.

«Estamos interesados ​​en desarrollar circuitos y sistemas electrónicos que satisfagan las demandas de 5G y las futuras generaciones de sistemas de comunicación inalámbrica. Al diseñar nuestros circuitos, buscamos inspiraciones de otros dominios, como el procesamiento de señales digitales y el electromagnetismo aplicado. Creemos en los circuitos elegancia y sencillez, e intentar crear hardware multifuncional que no requiera potencia adicional ni área de chip», dice el autor principal Negar Reiskarimian, profesor asistente de desarrollo profesional del Consorcio X-Window en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) y miembro principal de la facultad de Microsystems Technology Laboratories.

Reiskarimian escribió el artículo con los estudiantes graduados de EECS, Soroush Araei, quien es el autor principal, y Shahabeddin Mohin. El trabajo se presenta en el Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido.

Interferencia armónica

Los investigadores desarrollaron el chip receptor utilizando lo que se conoce como arquitectura de mezclador primero. Esto significa que cuando el dispositivo recibe una señal de radiofrecuencia, se convierte inmediatamente en una señal de frecuencia más baja antes de pasar al convertidor de analógico a digital para extraer los bits digitales que transporta. Este enfoque permite que la radio cubra un amplio rango de frecuencia mientras filtra la interferencia ubicada cerca de la frecuencia de operación.

Si bien son efectivos, los primeros receptores mezcladores son susceptibles a un tipo particular de interferencia conocida como interferencia armónica. La interferencia armónica proviene de señales que tienen frecuencias que son múltiplos de la frecuencia operativa de un dispositivo. Por ejemplo, si un dispositivo funciona a 1 gigahercio, entonces las señales a 2 gigahercios, 3 gigahercios, 5 gigahercios, etc., causarán interferencia armónica. Estos armónicos pueden ser indistinguibles de la señal original durante el proceso de conversión de frecuencia.

«Muchos otros receptores de banda ancha no hacen nada con los armónicos hasta que llega el momento de ver qué significan los bits. Lo hacen más adelante en la cadena, pero esto no funciona bien si tiene señales de alta potencia en el frecuencias armónicas. En su lugar, queremos eliminar los armónicos lo antes posible para evitar perder información», dice Araei.

Para hacer esto, los investigadores se inspiraron en un concepto del procesamiento de señales digitales conocido como filtrado digital de bloques. Adaptaron esta técnica al dominio analógico utilizando condensadores, que contienen cargas eléctricas. Los condensadores se cargan en diferentes momentos a medida que se recibe la señal, luego se apagan para que la carga pueda mantenerse y usarse más tarde para procesar los datos.

Estos condensadores se pueden conectar entre sí de varias formas, incluida la conexión en paralelo, lo que permite que los condensadores intercambien las cargas almacenadas. Si bien esta técnica puede apuntar a la interferencia armónica, el proceso da como resultado una pérdida de señal significativa. El apilamiento de condensadores es otra posibilidad, pero este método por sí solo no es suficiente para proporcionar resiliencia armónica.

La mayoría de los receptores de radio ya utilizan circuitos de condensadores conmutados para realizar la conversión de frecuencia. Este circuito de conversión de frecuencia se puede combinar con filtrado de bloques para detectar interferencias armónicas.

Un arreglo preciso

Los investigadores descubrieron que la disposición de los capacitores en un diseño específico, al conectar algunos de ellos en serie y luego compartir la carga, permitió que el dispositivo bloqueara la interferencia armónica sin perder ninguna información.

«La gente ha usado estas técnicas, carga compartida y apilamiento de condensadores, por separado antes, pero nunca juntas. Descubrimos que ambas técnicas deben realizarse simultáneamente para obtener este beneficio. Además, descubrimos cómo hacerlo de manera pasiva dentro de la mezclador sin usar ningún hardware adicional mientras se mantiene la integridad de la señal y se reducen los costos», dice.

Probaron el dispositivo enviando simultáneamente una señal deseada e interferencia armónica. Su chip pudo bloquear las señales armónicas de manera efectiva con solo una ligera reducción en la intensidad de la señal. Fue capaz de manejar señales que eran 40 veces más potentes que los receptores de banda ancha de última generación anteriores.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.