A crescente prevalência de dispositivos de comunicação sem fios de alta velocidade, desde telemóveis 5G a sensores para veículos autónomos, está a levar a ondas aéreas cada vez mais congestionadas. Isso torna a capacidade de bloquear sinais interferentes que podem prejudicar o desempenho do dispositivo um problema ainda mais importante – e mais desafiador.

Com essas e outras aplicações emergentes em mente, os pesquisadores do MIT demonstraram uma nova arquitetura de receptor sem fio de ondas milimétricas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) que pode lidar com interferências espaciais mais fortes do que os projetos anteriores. Os sistemas MIMO possuem múltiplas antenas, permitindo-lhes transmitir e receber sinais de diferentes direções. Seu receptor sem fio detecta e bloqueia interferências espaciais na primeira oportunidade, antes que os sinais indesejados sejam amplificados, o que melhora o desempenho.

A chave para essa arquitetura de receptor MIMO é um circuito especial que pode direcionar e cancelar sinais indesejados, conhecido como deslocador de fase não recíproco. Ao criar uma nova estrutura de deslocador de fase que é reconfigurável, de baixo consumo e compacta, os pesquisadores mostram como ela pode ser usada para cancelar interferências mais cedo na cadeia do receptor.

O receptor deles pode bloquear até quatro vezes mais interferência do que alguns dispositivos similares. Além disso, os componentes de bloqueio de interferência podem ser ligados e desligados conforme necessário para conservar energia.

Em um telefone celular, esse receptor pode ajudar a mitigar problemas de qualidade de sinal que podem levar a chamadas de Zoom ou streaming de vídeo lentos e instáveis.

“Já existe muita utilização nas faixas de frequência que estamos tentando usar para novos sistemas 5G e 6G. Portanto, qualquer coisa nova que estejamos tentando adicionar já deverá ter esses sistemas de mitigação de interferências instalados. Aqui, mostramos que o uso de um deslocador de fase não recíproco nesta nova arquitetura nos proporciona melhor desempenho. Isto é bastante significativo, especialmente porque estamos usando a mesma plataforma integrada que todos os outros”, diz Negar Reiskarimian, professor assistente de desenvolvimento de carreira do X-Window Consortium no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), membro do Microsystems Laboratórios de Tecnologia e Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE), e autor sênior de um artigo sobre este receptor.

Reiskarimian escreveu o artigo com os estudantes de pós-graduação da EECS Shahabeddin Mohin, que é o autor principal, Soroush Araei, e Mohammad Barzgari, um pós-doutorado da RLE. O trabalho foi recentemente apresentado no IEEE Radio Frequency Circuits Symposium e recebeu o prêmio de Melhor Artigo de Estudante.

Os sistemas MIMO digitais possuem uma parte analógica e outra digital. A parte analógica utiliza antenas para receber sinais, que são amplificados, convertidos e passados por um conversor analógico-digital antes de serem processados no domínio digital do dispositivo. Neste caso, a formação de feixe digital é necessária para recuperar o sinal desejado.

Mas se um sinal forte e interferente vindo de uma direção diferente atingir o receptor ao mesmo tempo que um sinal desejado, ele poderá saturar o amplificador, de modo que o sinal desejado seja abafado. Os MIMOs digitais podem filtrar sinais indesejados, mas essa filtragem ocorre posteriormente na cadeia do receptor. Se a interferência for amplificada junto com o sinal desejado, será mais difícil filtrar posteriormente.

“A saída do amplificador inicial de baixo ruído é o primeiro lugar onde você pode fazer essa filtragem com penalidade mínima, então é exatamente isso que estamos fazendo com nossa abordagem”, diz Reiskarimian.

Os pesquisadores construíram e instalaram quatro deslocadores de fase não recíprocos imediatamente na saída do primeiro amplificador em cada cadeia receptora, todos conectados ao mesmo nó. Esses deslocadores de fase podem transmitir sinais em ambas as direções e detectar o ângulo de um sinal interferente recebido. Os dispositivos podem ajustar sua fase até cancelar a interferência.

A fase desses dispositivos pode ser precisamente ajustada, para que eles possam detectar e cancelar um sinal indesejado antes que ele passe para o resto do receptor, bloqueando a interferência antes que ela afete qualquer outra parte do receptor. Além disso, os deslocadores de fase podem seguir sinais para continuar bloqueando a interferência se ela mudar de local.

“Se você começar a se desconectar ou a qualidade do sinal diminuir, você pode ativar isso e mitigar essa interferência imediatamente. Como a nossa abordagem é paralela, você pode ligá-la e desligá-la com efeito mínimo no desempenho do próprio receptor”, acrescenta Reiskarimian.

Além de tornar sua nova arquitetura de deslocador de fase ajustável, os pesquisadores os projetaram para usar menos espaço no chip e consumir menos energia do que os deslocadores de fase não recíprocos típicos.

Depois que os pesquisadores fizeram a análise para mostrar que sua ideia funcionaria, seu maior desafio foi traduzir a teoria em um circuito que atingisse suas metas de desempenho. Ao mesmo tempo, o receptor tinha que atender a restrições de tamanho rigorosas e um orçamento de energia apertado, ou não seria útil em dispositivos do mundo real.

No final, a equipe demonstrou uma arquitetura MIMO compacta em um chip de 3,2 milímetros quadrados que poderia bloquear sinais que eram até quatro vezes mais fortes do que outros dispositivos poderiam lidar. Mais simples do que designs típicos, sua arquitetura de deslocamento de fase também é mais eficiente em termos de energia.

No futuro, os pesquisadores querem ampliar seu dispositivo para sistemas maiores, bem como permitir que ele funcione nas novas faixas de frequência utilizadas por dispositivos sem fio 6G. Essas faixas de frequência estão sujeitas a interferências poderosas de satélites. Além disso, eles gostariam de adaptar os deslocadores de fase não recíprocos a outras aplicações.