Matemáticos logran mejorar el diseño de radiofrecuencias

radio-tower.jpgCientíficos en Europa han puesto en común sus conocimientos e ingenio para desarrollar y poner en marcha algoritmos de simulación integrados y prototipos de herramientas con los que superar escollos en l

os procesos de diseño de radiofrecuencias tanto existentes como por venir. El resultado forma parte del proyecto ICESTARS («Simulación electromagnética/de circuitos integrados y tecnologías de diseño para sistemas avanzados de radio en un chip»), financiado con 2,8 millones de euros mediante el tema «Tecnologías de la información y la comunicación» (TIC) del Séptimo Programa Marco (7PM) de la Unión Europea.

El diseño de circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) se integra en la actualidad en módulos digitales y analógicos mediante las mismas técnicas de impresión, situación que genera retos importantes para las herramientas de simulación. Los diseños de radiofrecuencia, basados en la demanda del mercado de producir un mayor ancho de banda y mejores capacidades en los productos finales, se están desplazando hacia rangos de onda de mayor frecuencia y de forma paralela aumentando su complejidad.

Los procesos para desarrollar automatizaciones de diseño electrónico (EDA) y el diseño asistido por ordenador (CAD), indispensables para la creación de circuitos integrados aplicados a las radiofrecuencias, y la matemática necesaria, poseen en sí mismos un elevado grado de complejidad. Las soluciones a estos problemas precisan nuevos métodos de modelización, nuevos procedimientos para la obtención de soluciones matemáticas y simulaciones numéricas que mezclen señales analógicas y digitales. Para ello se ha creado ICESTARS, un consorcio compuesto por cinco institutos matemáticos europeos de primer orden, dos empresas dedicadas a los semiconductores y dos proveedores de software.

«Para hacer progresar el diseño de radiofrecuencias en frecuencias súper altas y extremadamente altas es necesario crear nuevas arquitecturas de transceptor y herramientas de CAD, pues las herramientas de EDA actuales no están a la altura de los retos que plantea la simulación de los diseños de alta frecuencia», indicó Jan ter Maten de NXP Semiconductors, una empresa neerlandesa asociada a ICESTARS.

«Los ámbitos de investigación del proyecto se han enfocado hacia la conexión eficiente entre el dominio de la frecuencia, donde suele centrarse el diseño de los sistemas transceptores inalámbricos, y el dominio temporal, donde se desarrollan el procesamiento de las señales y la lógica de control», explicó, para añadir que «en el análisis electromagnético y el análisis de circuitos electromagnéticos acoplados tratamos con la “comunicación” de la capa física (por ejemplo la adjudicación de dispositivos) y la capa matemática».

El equipo utilizó algoritmos modificados para resolver estas cuestiones. Las ecuaciones matemáticas, como las diferenciales ordinarias, las diferenciales algebraicas y las diferenciales algebraicas parciales, forman la base para el análisis de los dominios temporales y de frecuencia.

No obstante, los investigadores las modificaron para que tuvieran funciones adicionales con las que desarrollar nuevos algoritmos que cubrieran las necesidades de los circuitos operativos en frecuencias superiores a tres gigahercios (GHz). Por ejemplo, en el caso de la simulación mutua de partes de frecuencias digitales y analógicas, las técnicas comunes del dominio temporal no bastan por sí mismas. Por esta razón, los socios de ICESTARS desarrollaron y probaron con éxito un prototipo de análisis basado en «onda pequeña adaptativa» (adaptive wavelet), un algoritmo de simulación de circuitos completamente nuevo.

En la simulación de envolvente de circuito, las formas de onda se representan como portadores de radiofrecuencias con envolventes de modulación. Mediante la inclusión del sistema de ecuaciones diferenciales algebraicas en parciales, el proyecto logró formular un marco matemático general que puede adaptarse a distintos tipos de circuitos de radiofrecuencia. Una división dinámica óptima del tiempo permite realizar simulaciones eficientes de la frecuencia o amplitud de las señales moduladas.

La adaptividad, el ajuste dinámico del simulador a la respuesta de frecuencia de, por ejemplo, amplificadores, filtros o mezcladores, en términos de parámetros de red o ruido dependiente de la frecuencia, fue básica para la investigación dedicada al dominio de la frecuencia realizada en el proyecto. Los investigadores lograron estimaciones razonables de las condiciones iniciales en el análisis de la distorsión de osciladores continuos y, por vez primera, en ICESTARS se codificó y probó un algoritmo VoHB, un multidispositivo verdaderamente genérico, para circuitos mayores que amplificadores de potencia simples de un único transistor.

Para probar el funcionamiento adecuado de estos y otros conceptos ideados por los investigadores del proyecto, los socios industriales y la Universidad de Austria Septentrional llevaron a cabo tests con resultados positivos.

Para más información: ICESTARS y FP7 ICT. Fuente: Cordis

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