Imagínese estar sentado en un estadio abarrotado para presenciar un partido de fútbol decisivo: decenas de miles de personas están utilizando teléfonos móviles al mismo tiempo, quizá chateando por vídeo con sus amigos o colgando fotos en las redes sociales. Las señales de radiofrecuencia que envían y reciben todos estos dispositivos pueden causar interferencias, lo que ralentiza el rendimiento de los aparatos y agota las baterías.

Diseñar dispositivos capaces de bloquear eficazmente las señales no deseadas no es tarea fácil, sobre todo a medida que se universalizan las redes 5G y se desarrollan futuras generaciones de sistemas de comunicación inalámbrica. Las técnicas convencionales utilizan muchos filtros para bloquear una serie de señales, pero los filtros son voluminosos, caros y encarecen los costes de producción.

Investigadores del MIT han desarrollado una arquitectura de circuitos que bloquea las señales no deseadas en la entrada de un receptor sin afectar a su rendimiento. Tomaron prestada una técnica del procesamiento digital de señales y utilizaron algunos trucos que permiten que funcione eficazmente en un sistema de radiofrecuencia en una amplia gama de frecuencias.

Su receptor bloqueaba incluso las señales no deseadas de alta potencia sin introducir más ruido, o imprecisiones, en las operaciones de procesamiento de la señal. El chip, que funciona unas 40 veces mejor que otros receptores de banda ancha para bloquear un tipo especial de interferencias, no requiere hardware ni circuitos adicionales. Esto facilitaría su fabricación a gran escala.

"Nos interesa desarrollar circuitos y sistemas electrónicos que respondan a las exigencias del 5G y de las futuras generaciones de sistemas de comunicación inalámbrica. Al diseñar nuestros circuitos, buscamos inspiraciones en otros dominios, como el procesamiento digital de señales y el electromagnetismo aplicado. Creemos en la elegancia y la simplicidad de los circuitos e intentamos crear hardware multifuncional que no requiera más potencia ni más superficie de chip", afirma el autor principal Negar Reiskarimian, catedrático adjunto de Desarrollo Profesional del Consorcio X-Window en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y miembro del núcleo docente de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas.

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

Interferencias armónicas

Los investigadores desarrollaron el chip receptor utilizando lo que se conoce como arquitectura mixer-first. Esto significa que cuando el dispositivo recibe una señal de radiofrecuencia, la convierte inmediatamente en una señal de frecuencia más baja antes de pasarla al convertidor analógico-digital para extraer los bits digitales que transporta. Este enfoque permite a la radio cubrir una amplia gama de frecuencias, al tiempo que filtra las interferencias situadas cerca de la frecuencia de funcionamiento.

Aunque son eficaces, los receptores con mezclador son susceptibles a un tipo particular de interferencias conocidas como interferencias armónicas. Las interferencias armónicas proceden de señales cuyas frecuencias son múltiplos de la frecuencia de funcionamiento de un aparato. Por ejemplo, si un dispositivo funciona a 1 gigahercio, las señales a 2 gigahercios, 3 gigahercios, 5 gigahercios, etc., causarán interferencias armónicas. 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 se tienen señales de alta potencia en las frecuencias armónicas. En lugar de eso, queremos eliminar los armónicos lo antes posible para no perder información", explica Araei.

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

Estos condensadores pueden conectarse entre sí de varias formas, incluida la conexión en paralelo, que permite a los condensadores intercambiar las cargas almacenadas. Aunque esta técnica puede combatir las interferencias armónicas, el proceso provoca una importante pérdida de señal. Otra posibilidad es apilar condensadores, pero este método por sí solo no basta para resistir a los armónicos.

La mayoría de los receptores de radio ya utilizan circuitos de condensadores conmutados para realizar la conversión de frecuencia. Estos circuitos de conversión de frecuencia pueden combinarse con el filtrado en bloque para combatir las interferencias armónicas.

Una disposición precisa

Los investigadores descubrieron que colocar los condensadores en una disposición específica, conectando algunos de ellos en serie y compartiendo la carga, permitía bloquear las interferencias armónicas sin perder información.

"Hasta ahora se habían utilizado estas técnicas por separado, pero nunca juntas. Hemos descubierto que ambas técnicas deben aplicarse simultáneamente para obtener este beneficio. Además, hemos descubierto cómo hacerlo de forma pasiva dentro del mezclador sin utilizar ningún hardware adicional, manteniendo la integridad de la señal y reduciendo los costes", afirma.

Probaron el dispositivo enviando simultáneamente una señal deseada y una interferencia armónica. El chip bloqueó eficazmente las señales armónicas con una ligera reducción de la intensidad de la señal. Era capaz de manejar señales 40 veces más potentes que los receptores de banda ancha más avanzados.

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Escrito por Adam Zewe, MIT News Office