Multifunctional microwave photonic processor with multichannel self-interference cancellation
Este artigo propõe e demonstra experimentalmente um processador de micro-ondas multifuncional assistido por fotônica baseado em um modulador Mach-Zehnder de dupla polarização e duplo paralelo que alcança simultaneamente o cancelamento de autointerferência multicanal, a conversão de frequência para frequências mais baixas e a rejeição de imagem para sistemas de duplex total em banda.
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No mundo da comunicação sem fio, a eficiência é o objetivo final. Durante décadas, os sistemas dependeram da divisão de tempo ou frequência para enviar e receber mensagens, de forma muito semelhante a um walkie-talkie que força os usuários a se revezarem para falar. Isso funciona, mas desperdiça metade do potencial de capacidade das ondas de rádio. Uma abordagem mais ambiciosa, conhecida como duplex total em banda (in-band full-duplex), visa permitir que os dispositivos transmitam e recebam na exata mesma frequência ao mesmo tempo. Isso poderia dobrar a velocidade da transmissão de dados e fazer um melhor uso do congestionado espectro de rádio. No entanto, essa ambição enfrenta uma barreira física formidável: a autointerferência. Quando um dispositivo transmite um sinal poderoso, esse mesmo sinal vaza diretamente para seu próprio receptor sensível, abafando a mensagem fraca que ele está tentando ouvir. Diferente do ruído de fundo, essa interferência é forte demais e está próxima demais para ser filtrada por componentes eletrônicos padrão. Para fazer o duplex total funcionar, os engenheiros devem encontrar uma maneira de cancelar essa autointerferência de forma instantânea e precisa, enquanto também lidam com a tarefa complexa de converter sinais de alta frequência em frequências mais baixas e manejáveis para processamento.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Postos e Telecomunicações de Nanjing desenvolveu um novo sistema que aborda esses desafios simultaneamente usando luz. Em vez de depender apenas de circuitos eletrônicos, que lutam com a velocidade e a complexidade exigidas para a operação de duplex total, eles construíram um processador que usa ondas de luz para manipular sinais de rádio. Seu dispositivo é um processador multifuncional capaz de realizar três tarefas críticas ao mesmo tempo: cancelar a autointerferência, converter a frequência do sinal e rejeitar sinais de imagem espelhada indesejados que frequentemente confundem os receptores. O núcleo de sua invenção é um componente óptico especializado chamado modulador Mach-Zehnder duplo-polarização e duplo-paralelo. Você pode pensar neste dispositivo como um controlador de tráfego sofisticado para a luz, capaz de dividir um feixe de luz laser em dois camros separados e depois recombiná-los com ajustes precisos. Ao enviar os sinais de rádio para este dispositivo, os pesquisadores podem manipular as ondas de luz para criar uma versão do sinal de interferência que é perfeitamente oposta à original. Quando essas duas versões se encontram, elas se cancelam, deixando a mensagem desejada clara.
Os pesquisadores demonstraram que essa abordagem óptica funciona de forma notável. Em seus experimentos, eles testaram o sistema com sinais de frequência única e descobriram que ele poderia suprimir a autointerferência em até 49,1 decibéis. Para colocar isso em perspectiva, este nível de cancelamento é forte o suficiente para reduzir um grito alto a um sussurro, permitindo que o receptor ouça o sinal fraco de interesse sem ser sobrecarregado. O sistema também lidou com sucesso com a conversão desses sinais para uma frequência mais baixa, um passo necessário para o processamento digital, enquanto simultaneamente filtrava os sinais de imagem que tipicamente causam erros. Quando testaram o sistema com um sinal de frequência única, ele alcançou uma razão de rejeição de imagem de 30,4 decibéis, o que significa que os sinais espelhados indesejados foram efetivamente eliminados.
O verdadeiro teste de tal sistema, entretanto, reside em sua capacidade de lidar com condições do mundo real, onde os sinais não são apenas tons únicos, mas bandas largas de dados. Os pesquisadores expandiram seus testes para incluir sinais de banda larga com uma largura de banda de 150 megahertz. Mesmo com essa gama mais ampla de frequências, o sistema manteve uma profundidade de cancelamento de autointerferência de 18,8 decibéis em toda a banda. Este é um feito significativo porque manter o cancelamento através de uma ampla faixa de frequências é notoriamente difícil; geralmente, à medida que a largura de banda do sinal aumenta, a precisão do cancelamento cai. Além disso, o sistema conseguiu alcançar uma razão de rejeição de imagem de 21 decibéis para sinais em 6,4 gigahertz enquanto realizava este cancelamento de banda larga. Isso prova que o dispositivo pode lidar com a complexidade dos padrões de comunicação modernos sem perder sua capacidade de limpar o sinal.
Uma inovação fundamental neste trabalho é como os pesquisadores lidaram com as limitações físicas da luz viajando através da fibra. À medida que os sinais de luz viajam por longas distâncias, eles frequentemente sofrem um fenômeno chamado dispersão, que faz com que a força do sinal diminua e se distorça. Os pesquisadores projetaram seu sistema para gerar um tipo específico de sinal óptico que é imune a esse enfraquecimento. Ao selecionar cuidadosamente quais partes do espectro de luz manter e quais descartar usando um filtro especializado chamado rede de Bragg de fibra (fiber Bragg grating), eles garantiram que o sinal permanecesse forte e claro, independentemente da distância que percorresse. Esta combinação de cancelamento de autointerferência, conversão de frequência e rejeição de imagem em um único dispositivo óptico compacto representa um grande passo à frente. Isso sugere que as futuras redes sem fio poderiam ser construídas com hardware mais simples e eficiente, que não precise sacrificar velocidade ou clareza para evitar interferência. Os pesquisadores observaram que, embora sua configuração atual tenha demonstrado dois canais de cancelamento, o design é escalável. Ao adicionar mais desses componentes ópticos, o sistema poderia ser expandido para lidar com múltiplos canais simultaneamente, tornando-o um forte candidato para a próxima geração de sistemas sem fio de múltiplas antenas.
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