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Por José Alejandro Galaviz Aguilar
Artículo de divulgación científica

En la última década, el número de usuarios de telefonía móvil ha tenido un incremento vertiginoso, y a su vez, los dispositivos inalámbricos y las aplicaciones están demandando un ritmo mayor de innovación en la industria de las telecomunicaciones.

La demanda del usuario final exige transferencia de altas tasas de datos (audio, voz, video, mensajes), que sean cada vez más rápidas, confiables y con óptima conectividad, esto a su vez plantea nuevos desafíos en las tecnologías futuras de 5G y 6G.

A medida que las necesidades del usuario final cambian, también lo hacen los estándares y las tecnologías inalámbricas que ayudan a definir la industria de las telecomunicaciones. Comprender estos cambios, y las complejidades de diseño e implementación que crean, son cruciales para mantenerse a la vanguardia y dentro de la competencia.

Los sistemas de telecomunicación

La transmisión de señales inalámbricas como las empleadas en la telefonía celular o WiFi se basa en hacer variaciones (modulación) en las características de una señal física de voltaje (amplitud, fase, o frecuencia) mediante impulsos digitales representados por símbolos binarios (es decir, bits 0’s y 1’s), y que son procesados por dispositivos analógicos o digitales (véase Figura 1).

El procedimiento de comunicación se basa en tres elementos: el transmisor, el mensaje (datos digitales) y el receptor; generalmente este proceso tiende a ser no ideal e ingresar varios errores en la señal de información. Los problemas fundamentales en los dispositivos eléctricos/electrónicos durante el proceso de comunicación se deben a una gran variedad de fenómenos físicos ingresados por los propios dispositivos que intervienen, estos efectos no deseados son de gran interés en su estudio para áreas de la ingeniera y ciencias, cuya aplicación técnica es aplicable para la solución de nuevas problemáticas en dichos sistemas.

Figura 1. Diagrama a bloques de dispositivos de un sistema de telecomunicación inalámbrica: (a) Transmisor y (b) Receptor.

Actualmente empresas como Facebook, Google, Apple, Qualcomm, Intel, Samsung, Huawei, entre otras, dedican esfuerzos orientados al desarrollo de nuevos circuitos y conceptos para la implementación de dispositivos que sean capaces de garantizar prestaciones de servicios (Internet of Things, Artificial Intelligence, Intelligent Cities, Big-Data, e-health, Augmented Reality) que impactarán directamente en la próxima evolución de la industria automotriz, energética, aeroespacial, militar, las telecomunicaciones y los proveedores de servicios.

Por tal razón, los retos de investigación con soluciones para las nuevas tecnologías y servicios requieren de sólidos conocimientos en electrónica, teoría de electromagnetismo, de circuitos, y procesamiento digital de señales.

El circuito integrado: del diseño a la fabricación

Los sistemas empotrados (del inglés: Embedded Systems) permiten implementar soluciones rápidas dado que brindan una etapa de diseño y validación flexible de un circuito integrado. Por lo tanto, es posible realizar la implementación de prototipos mediante el diseño a nivel de sistema, empleando un hardware comercial de bajo costo, como es el basado en semiconductores con arquitecturas de matriz de puertas lógicas programables (del inglés, FPGA: Field Programable Gate Array) que está conformado por miles o millones de transistores, o bien, mediante procesadores digitales de señales (del inglés, DSP: Digital Signal Processors), que permiten un rápido proceso de fabricación de un circuito integrado para aplicaciones específicas.

En el caso particular de los FPGAs, estos dispositivos contienen bloques de lógica digital que permiten el diseño desde lo más simple como un sumador, hasta lo más complejo como un procesador. Los dispositivos FPGA brindan flexibilidad para implementar circuitos integrados de computación reconfigurable para aplicaciones digitales específicas o sistemas-en-un-chip (del inglés, SoC: System on a Chip).

Figura 2. Diseño en FPGA: (a) Dispositivo FPGA y (b) Diseño esquemático de un diseño ocupado en una porción del FPGA.

Nuevas contribuciones científicas

En el artículo “FPGA Realisation of n-QAM Digital Modulators” [1] reportamos un diseño a nivel de sistema con la realización de un modulador digital de señales programable para sistemas de comunicaciones digitales, implementado en una tarjeta FPGA y fabricada por Intel-Altera (véase Figura 2).

Este tipo de circuito digital tiene utilidad en el desarrollo de prototipos o camas de pruebas que permiten hacer la caracterización, las pruebas, las mediciones y la experimentación de dispositivos sobre prueba (del inglés DUT: Device Under Test) para la validación de nuevos métodos y/o algoritmos de corrección y acondicionamiento en dispositivos como amplificadores de potencia [2], moduladores, etc. (véase Figura 3).

En otro de nuestros artículos recientemente publicados, “Measurement and nonlinear behavioral modeling of the dynamic bias current in an LTE-A Chireix PA” [3] se reporta un algoritmo digital implementado en FPGA, el cual asiste en el manejo eficiente de la corriente de alimentación suministrada para operar un amplificador de alta potencia, brindando un porcentaje de entre un 10 y 20% de mejora en el consumo de corriente.

Figura 3. Plataforma experimental de una estación base de transmisión/recepción realista para la caracterización, medición, y modelado de un amplificador de potencia.

Sobre el autor

Jose Alejandro Galaviz Aguilar recibió los grados de M.Sc. y Ph.D. en Sistemas Digitales por el Instituto Politécnico Nacional (IPN) de México en 2013 y 2017, respectivamente. También trabajó como investigador visitante del 2014 a 2016, en el Laboratorio de Investigación Non-Linear RF Research Lab del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación en la Universidad Estatal de Ohio (OSU), Columbus, OH, USA. Desde el 2018 es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI).

Actualmente es investigador postdoctoral CONACyT en el Grupo de Investigación en Telecomunicaciones, en el Tecnológico de Monterrey.

Para saber más

  1. A. Galaviz-Aguilar, J. C. Nuñez-Perez, F. J. Perez-Pinal & E. Tlelo-Cuautle (2019) FPGA Realisation of n-QAM Digital Modulators, IETE Technical Review, 36:3, 315-325, https://doi.org/10.1080/02564602.2018.1470038
  2. Galaviz-Aguilar, J.A., Roblin, P., Cárdenas-Valdez, J.R. et al. Comparison of a genetic programming approach with ANFIS for power amplifier behavioral modeling and FPGA implementation. Soft Comput 23, 2463–2481 (2019). https://doi.org/10.1007/s00500-017-2941-8
  3. Galaviz‐Aguilar, JA, Chang, H‐C, Martinez‐Rodriguez, F, Roblin, P, Núñez Pérez, JC. Measurement and nonlinear behavioral modeling of the dynamic bias current in an LTE‐A Chireix PA. Microw Opt Technol Lett. 2017; 59: 2705– 2710. https://doi.org/10.1002/mop.30817
  4. J. A. Galaviz-Aguilar, C. Vargas-Rosales and E. Tlelo-Cuautle, “Automated Driving of GaN Chireix Power Amplifier for the Digital Predistortion Linearization,” in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, doi: 10.1109/TCSII.2020.3040659.
  5. J. A. Galaviz-Aguilar, C. Vargas-Rosales and E. Tlelo-Cuautle, “RF-PA Modeling of PAPR: A Precomputed Approach to Reinforce Spectral Efficiency,” in IEEE Access, vol. 8, pp. 138217-138235, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3012610.
  6. Galaviz-Aguilar JA, Vargas-Rosales C, Cárdenas-Valdez JR, Martínez-Reyes Y, Inzunza-González E, Sandoval-Ibarra Y, Núñez-Pérez JC. A Weighted Linearization Method for Highly RF-PA Nonlinear Behavior Based on the Compression Region Identification. Applied Sciences. 2021; 11(7):2942.

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