Multifunctional microwave photonic processor with multichannel self-interference cancellation
Este artículo propone y demuestra experimentalmente un procesador de microondas multifuncional asistido por fotónica basado en un modulador Mach-Zehnder de doble polarización y doble paralelo que logra simultáneamente la cancelación de la autointerferencia multicanal, la conversión descendente de frecuencia y el rechazo de imagen para sistemas de dúplex completo en banda.
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En el mundo de las comunicaciones inalámbricas, la eficiencia es el objetivo final. Durante décadas, los sistemas han dependido de la división del tiempo o la frecuencia para transmitir y recibir mensajes, de forma muy parecida a un walkie-talkie que obliga a los usuarios a turnarse para hablar. Esto funciona, pero desperdicia la mitad de la capacidad potencial de las ondas de radio. Un enfoque más ambicioso, conocido como dúplex completo en banda (in-band full-duplex), pretende permitir que los dispositivos transmitan y reciban en la misma frecuencia exacta al mismo tiempo. Esto podría duplicar la velocidad de transmisión de datos y hacer un mejor uso del congestionado espectro radioeléctrico. Sin embargo, esta ambición se enfrenta a una barrera física formidable: la autointerferencia. Cuando un dispositivo emite una señal potente, esa misma señal se filtra directamente en su propio receptor sensible, ahogando el tenue mensaje que intenta escuchar. A diferencia del ruido de fondo, esta interferencia es demasiado fuerte y está demasiado cerca como para ser filtrada por componentes electrónicos estándar. Para que el dúplex completo funcione, los ingenieros deben encontrar una manera de cancelar esta autointerferencia de forma instantánea y precisa, además de gestionar la compleja tarea de convertir señales de alta frecuencia en frecuencias más bajas y manejables para su procesamiento.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Postas y Telecomunicaciones de Nanjing ha desarrollado un nuevo sistema que aborda estos desafíos simultáneamente utilizando la luz. En lugar de depender únicamente de circuitos electrónicos, que tienen dificultades con la velocidad y la complejidad requeridas para la operación de dúplex completo, construyeron un procesador que utiliza ondas de luz para manipular las señales de radio. Su dispositivo es un procesador multifuncional capaz de realizar tres tareas críticas a la vez: cancelar la autointerferencia, convertir la frecuencia de la señal y rechazar las señales de imagen especular no deseadas que suelen confundir a los receptores. El núcleo de su invención es un componente óptico especializado llamado modulador Mach-Zehnder de doble polarización y doble paralelo. Puede pensar en este dispositivo como un sofisticado controlador de tráfico para la luz, capaz de dividir un haz de luz láser en dos caminos separados y luego recombinarlos con ajustes precisos. Al enviar las señales de radio a este dispositivo, los investigadores pueden manipular las ondas de luz para crear una versión de la señal de interferencia que es perfectamente opuesta a la original. Cuando estas dos versiones se encuentran, se cancelan entre sí, dejando el mensaje deseado despejado.
Los investigadores demostraron que este enfoque óptico funciona notablemente bien. En sus experimentos, probaron el sistema con señales de frecuencia única y descubrieron que podía suprimir la autointerferencia hasta en 49,1 decibelios. Para poner esto en perspectiva, este nivel de cancelación es lo suficientemente fuerte como para reducir un grito fuerte a un susurro, permitiendo que el receptor escuche la tenue señal de interés sin verse abrumado. El sistema también gestionó con éxito la conversión de estas señales a una frecuencia más baja, un paso necesario para el procesamiento digital, mientras filtraba simultáneamente las señales de imagen que típicamente causan errores. Cuando probaron el sistema con una señal de frecuencia única, logró una relación de rechazo de imagen de 30,4 decibelios, lo que significa que las señales espejo no deseadas fueron eliminadas eficazmente.
La verdadera prueba de un sistema como este, sin embargo, reside en su capacidad para manejar condiciones del mundo real donde las señales no son solo tonos simples, sino bandas anchas de datos. Los investigadores ampliaron sus pruebas para incluir señales de banda ancha con un ancho de banda de 150 megahertz. Incluso con este rango más amplio de frecuencias, el sistema mantuvo una profundidad de cancelación de autointerferencia de 18,8 decibelios en todo el espectro. Este es un logro significativo porque mantener la cancelación a través de un amplio rango de frecuencias es notoriamente difícil; por lo general, a medida que aumenta el ancho de banda de la señal, la precisión de la cancelación disminuye. Además, el sistema logró alcanzar una relación de rechazo de imagen de 21 decibelios para señales de 6,4 gigahertz mientras realizaba esta cancelación de banda ancha. Esto demuestra que el dispositivo puede manejar la complejidad de los estándares de comunicación modernos sin perder su capacidad para limpiar la señal.
Una innovación clave en este trabajo es cómo los investigadores abordaron las limitaciones físicas de la luz al viajar a través de la fibra. A medida que las señales de luz viajan largas distancias, a menudo sufren un fenómeno llamado dispersión, que hace que la intensidad de la señal se desvanezca y se distorsione. Los investigadores diseñaron su sistema para generar un tipo específico de señal óptica que es inmune a este desvanecimiento. Al seleccionar cuidadosamente qué partes del espectro de luz mantener y cuáles descartar utilizando un filtro especializado llamado rejilla de Bragg de fibra, aseguraron que la señal permaneciera fuerte y clara independientemente de la distancia recorrida. Esta combinación de cancelación de autointerferencia, conversión de frecuencia y rechazo de imagen en un único y compacto dispositivo óptico representa un gran paso adelante. Sugiere que las futuras redes inalámbricas podrían construirse con hardware más simple y eficiente que no necesite sacrificar velocidad o claridad para evitar la interferencia. Los investigadores señalaron que, si bien su configuración actual demostró dos canales de cancelación, el diseño es escalable. Al añadir más de estos componentes ópticos, el sistema podría expandirse para manejar múltiples canales simultáneamente, convirtiéndolo en un fuerte candidato para la próxima generación de sistemas inalámbricos de múltiples antenas.
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