Pred desiatimi rokmi smartfóny zvyčajne podporovali iba niekoľko štandardov pracujúcich v štyroch frekvenčných pásmach GSM a možno niekoľko štandardov WCDMA alebo CDMA2000. S tak malým počtom frekvenčných pásiem na výber sa určitý stupeň globálnej jednotnosti dosiahol so „štvorpásmovými“ telefónmi GSM, ktoré využívajú pásma 850/900/1800/1900 MHz a možno ich použiť kdekoľvek na svete (dobre, dosť veľa).
To je obrovský prínos pre cestovateľov a vytvára to obrovské úspory z rozsahu pre výrobcov zariadení, ktorým stačí vydať niekoľko modelov (alebo možno len jeden) pre celý svetový trh. Rýchlo vpred k dnešku zostáva GSM jedinou bezdrôtovou prístupovou technológiou, ktorá poskytuje globálny roaming. Mimochodom, ak ste nevedeli, GSM sa postupne vyraďuje.
Každý smartfón hodný tohto mena musí podporovať prístup 4G, 3G a 2G s rôznymi požiadavkami na RF rozhranie, pokiaľ ide o šírku pásma, vysielací výkon, citlivosť prijímača a mnoho ďalších parametrov.
Okrem toho v dôsledku fragmentovanej dostupnosti globálneho spektra pokrývajú štandardy 4G veľké množstvo frekvenčných pásiem, takže ich operátori môžu využívať na ľubovoľných frekvenciách dostupných v danej oblasti – v súčasnosti celkovo 50 pásiem, ako je to v prípade štandardov LTE1. Skutočný „svetový telefón“ musí fungovať vo všetkých týchto prostrediach.
Kľúčovým problémom, ktorý musí vyriešiť každé mobilné rádio, je „duplexná komunikácia“. Keď hovoríme, zároveň počúvame. Prvé rádiové systémy používali službu push-to-talk (niektoré stále používajú), ale keď hovoríme po telefóne, očakávame, že nás druhá osoba vyruší. Bunkové zariadenia prvej generácie (analógové) používali „duplexné filtre“ (alebo duplexery) na príjem zostupného spojenia bez toho, aby boli „omráčené“ vysielaním uplinku na inej frekvencii.
Zmenšiť a zlacniť tieto filtre bolo veľkou výzvou pre prvých výrobcov telefónov. Keď bol zavedený GSM, protokol bol navrhnutý tak, aby transceivery mohli pracovať v „polovičnom duplexnom režime“.
Bol to veľmi šikovný spôsob, ako odstrániť duplexery, a bol to hlavný faktor, ktorý pomohol GSM stať sa nízkonákladovou, mainstreamovou technológiou schopnou dominovať v tomto odvetví (a zmeniť spôsob, akým ľudia v tomto procese komunikujú).
Telefón Essential od Andyho Rubina, vynálezcu operačného systému Android, obsahuje najnovšie funkcie konektivity vrátane Bluetooth 5.0LE, rôznych GSM/LTE a Wi-Fi antény ukrytej v titánovom ráme.
Nanešťastie, skúsenosti získané pri riešení technických problémov boli rýchlo zabudnuté v techno-politických vojnách prvých dní 3G a v súčasnosti dominantná forma duplexu s frekvenčným delením (FDD) vyžaduje duplexer pre každé pásmo FDD, v ktorom funguje. Niet pochýb o tom, že boom LTE prichádza s rastúcimi nákladovými faktormi.
Zatiaľ čo niektoré pásma môžu používať Time Division Duplex alebo TDD (kde rádio rýchlo prepína medzi vysielaním a prijímaním), existuje menej týchto pásiem. Väčšina operátorov (okrem najmä ázijských) preferuje rad FDD, ktorých je viac ako 30.
Dedičstvo spektra TDD a FDD, ťažkosti s uvoľnením skutočne globálnych pásiem a nástup 5G s viacerými pásmami robia problém duplexu ešte zložitejším. Sľubné metódy, ktoré sa skúmajú, zahŕňajú nové konštrukcie založené na filtroch a schopnosť eliminovať vlastné rušenie.
Ten so sebou prináša aj trochu sľubnú možnosť „bezfragmentového“ duplexu (alebo „in-band full duplex“). V budúcnosti mobilnej komunikácie 5G možno budeme musieť zvážiť nielen FDD a TDD, ale aj flexibilný duplex založený na týchto nových technológiách.
Výskumníci z Aalborg University v Dánsku vyvinuli architektúru „Smart Antenna Front End“ (SAFE)2-3, ktorá využíva (pozri obrázok na strane 18) samostatné antény na vysielanie a príjem a kombinuje tieto antény s (nízkym výkonom) v kombinácii s prispôsobiteľnými anténami. filtrovanie, aby sa dosiahla požadovaná izolácia vysielania a príjmu.
Zatiaľ čo výkon je pôsobivý, potreba dvoch antén je veľkou nevýhodou. Ako sú telefóny tenšie a elegantnejšie, priestor dostupný pre antény je stále menší a menší.
Mobilné zariadenia tiež vyžadujú viacero antén pre priestorové multiplexovanie (MIMO). Mobilné telefóny s architektúrou SAFE a podporou 2×2 MIMO vyžadujú len štyri antény. Okrem toho je rozsah ladenia týchto filtrov a antén obmedzený.
Globálne mobilné telefóny teda budú musieť replikovať túto architektúru rozhrania, aby pokryli všetky frekvenčné pásma LTE (450 MHz až 3 600 MHz), čo si bude vyžadovať viac antén, viac anténnych tunerov a viac filtrov, čo nás privádza späť k často kladeným otázkam o viacpásmová prevádzka vďaka duplicite komponentov.
Hoci do tabletu alebo notebooku možno nainštalovať viac antén, je potrebný ďalší pokrok v prispôsobení a/alebo miniaturizácii, aby bola táto technológia vhodná pre smartfóny.
Elektricky vyvážený duplex sa používa už od počiatkov káblovej telefónie17. V telefónnom systéme musia byť mikrofón a slúchadlo pripojené k telefónnej linke, ale navzájom izolované, aby vlastný hlas používateľa neohlušil slabší prichádzajúci zvukový signál. To bolo dosiahnuté pomocou hybridných transformátorov pred príchodom elektronických telefónov.
Duplexný obvod znázornený na obrázku nižšie používa odpor rovnakej hodnoty, aby sa prispôsobil impedancii prenosového vedenia, takže prúd z mikrofónu sa pri vstupe do transformátora rozdelí a preteká v opačných smeroch cez primárnu cievku. Magnetické toky sa účinne rušia a v sekundárnej cievke sa neindukuje žiadny prúd, takže sekundárna cievka je izolovaná od mikrofónu.
Signál z mikrofónu však stále ide do telefónnej linky (aj keď s určitou stratou) a prichádzajúci signál na telefónnej linke stále ide do reproduktora (tiež s určitou stratou), čo umožňuje obojsmernú komunikáciu na tej istej telefónnej linke. . . Kovový drôt.
Rádiovo vyvážený duplexer je podobný telefónnemu duplexeru, ale namiesto mikrofónu, slúchadla a telefónneho kábla sa používa vysielač, prijímač a anténa, ako je znázornené na obrázku B.
Tretím spôsobom, ako izolovať vysielač od prijímača, je eliminovať vlastnú interferenciu (SI), čím sa odčíta vysielaný signál od prijímaného signálu. Techniky rušenia sa v radaroch a vysielaní používajú už desaťročia.
Napríklad na začiatku 80. rokov Plessy vyvinul a uviedol na trh produkt založený na kompenzácii SI s názvom „Groundsat“, aby rozšíril rozsah poloduplexných analógových FM vojenských komunikačných sietí4-5.
Systém funguje ako plne duplexný jednokanálový opakovač, ktorý rozširuje efektívny dosah poloduplexných rádií používaných v celej pracovnej oblasti.
Nedávno sa objavil záujem o potlačenie vlastného rušenia, hlavne kvôli trendu smerom ku komunikáciám s krátkym dosahom (mobilné a Wi-Fi), vďaka čomu je problém potlačenia SI lepšie zvládnuteľný vďaka nižšiemu vysielaciemu výkonu a vyššiemu príjmu energie pre spotrebiteľské použitie. . Bezdrôtový prístup a aplikácie backhaul 6-8.
Apple iPhone (s pomocou od Qualcommu) má pravdepodobne najlepšie bezdrôtové a LTE možnosti na svete, podporuje 16 LTE pásiem na jednom čipe. To znamená, že na pokrytie trhov GSM a CDMA je potrebné vyrobiť iba dve SKU.
V duplexných aplikáciách bez zdieľania rušenia môže potlačenie vlastného rušenia zlepšiť efektívnosť spektra tým, že uplink a downlink budú môcť zdieľať rovnaké zdroje spektra9,10. Techniky potlačenia sebainterferencie možno použiť aj na vytvorenie vlastných duplexerov pre FDD.
Samotné zrušenie zvyčajne pozostáva z niekoľkých etáp. Smerová sieť medzi anténou a transceiverom poskytuje prvú úroveň oddelenia medzi vysielanými a prijímanými signálmi. Po druhé, dodatočné spracovanie analógového a digitálneho signálu sa používa na odstránenie akéhokoľvek zostávajúceho vnútorného šumu v prijímanom signáli. Prvý stupeň môže používať samostatnú anténu (ako v SAFE), hybridný transformátor (opísaný nižšie);
Problém oddelených antén už bol popísaný. Cirkulátory sú typicky úzkopásmové, pretože využívajú feromagnetickú rezonanciu v kryštáli. Táto hybridná technológia alebo Electrically Balanced Isolation (EBI) je sľubná technológia, ktorá môže byť širokopásmová a potenciálne integrovaná do čipu.
Ako je znázornené na obrázku nižšie, dizajn prednej časti inteligentnej antény používa dve úzkopásmové laditeľné antény, jednu na vysielanie a jednu na príjem, a pár menej výkonných, ale laditeľných duplexných filtrov. Jednotlivé antény poskytujú nielen určitú pasívnu izoláciu za cenu straty šírenia medzi nimi, ale majú aj obmedzenú (ale laditeľnú) okamžitú šírku pásma.
Vysielacia anténa funguje efektívne len vo vysielacom frekvenčnom pásme a prijímacia anténa funguje efektívne len v prijímacom frekvenčnom pásme. V tomto prípade samotná anténa funguje aj ako filter: vyžarovanie Tx mimo pásma je tlmené vysielacou anténou a vlastné rušenie v pásme Tx je tlmené prijímacou anténou.
Preto architektúra vyžaduje, aby bola anténa laditeľná, čo sa dosahuje použitím siete na ladenie antén. V sieti na ladenie antény existuje určitá nevyhnutná strata vloženia. Nedávne pokroky v laditeľných kondenzátoroch MEMS18 však výrazne zlepšili kvalitu týchto zariadení, čím sa znížili straty. Vložená strata Rx je približne 3 dB, čo je porovnateľné s celkovými stratami duplexera a prepínača SAW.
Izoláciu na báze antény potom dopĺňa laditeľný filter, tiež založený na laditeľných kondenzátoroch MEM3, aby sa dosiahla izolácia 25 dB od antény a izolácia 25 dB od filtra. Prototypy ukázali, že sa to dá dosiahnuť.
Niekoľko výskumných skupín z akademickej obce a priemyslu skúma využitie hybridov pre obojstrannú tlač11–16. Tieto schémy pasívne eliminujú SI tým, že umožňujú simultánny prenos a príjem z jednej antény, ale izolujú vysielač a prijímač. Majú širokopásmový charakter a môžu byť implementované na čipe, čo z nich robí atraktívnu možnosť pre frekvenčný duplex v mobilných zariadeniach.
Nedávne pokroky ukázali, že FDD transceivery využívajúce EBI môžu byť vyrobené z CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) s vloženou stratou, šumovým číslom, linearitou prijímača a charakteristikami potlačenia blokovania vhodnými pre mobilné aplikácie11,12,13. Ako však ukazuje množstvo príkladov v akademickej a vedeckej literatúre, existuje zásadné obmedzenie ovplyvňujúce duplexnú izoláciu.
Impedancia rádiovej antény nie je pevná, ale mení sa s prevádzkovou frekvenciou (v dôsledku rezonancie antény) a časom (v dôsledku interakcie s meniacim sa prostredím). To znamená, že vyrovnávacia impedancia sa musí prispôsobiť zmenám impedancie a šírka pásma oddelenia je obmedzená v dôsledku zmien vo frekvenčnej doméne13 (pozri obrázok 1).
Naša práca na Univerzite v Bristole sa zameriava na skúmanie a riešenie týchto výkonnostných obmedzení, aby sme preukázali, že požadovanú izoláciu odosielania a prijímania a priepustnosť možno dosiahnuť v prípadoch použitia v reálnom svete.
Aby sme prekonali kolísanie impedancie antény (ktoré má vážny vplyv na izoláciu), náš adaptívny algoritmus sleduje impedanciu antény v reálnom čase a testovanie ukázalo, že výkon možno udržať v rôznych dynamických prostrediach vrátane interakcie užívateľa a vysokorýchlostnej cesty a železnice. cestovanie.
Okrem toho, aby sme prekonali obmedzené prispôsobenie antény vo frekvenčnej doméne, a tým zvýšili šírku pásma a celkovú izoláciu, kombinujeme elektricky vyvážený duplexer s dodatočným aktívnym potlačením SI pomocou druhého vysielača na generovanie signálu potlačenia na ďalšie potlačenie vlastného rušenia. (pozri obrázok 2).
Výsledky z nášho testovacieho zariadenia sú povzbudivé: v kombinácii s EBD môže aktívna technológia výrazne zlepšiť izoláciu vysielania a príjmu, ako je znázornené na obrázku 3.
Naše konečné nastavenie laboratória využíva lacné komponenty mobilných zariadení (výkonové zosilňovače mobilných telefónov a antény), vďaka čomu predstavuje implementáciu mobilných telefónov. Naše merania navyše ukazujú, že tento typ dvojstupňového odmietnutia vlastného rušenia môže poskytnúť požadovanú duplexnú izoláciu vo frekvenčných pásmach uplink a downlink, a to aj pri použití lacných zariadení na komerčnej úrovni.
Sila signálu, ktorú mobilné zariadenie prijíma pri svojom maximálnom dosahu, musí byť o 12 rádov nižšia ako sila signálu, ktorý vysiela. V duplexe s časovým delením (TDD) je duplexný obvod jednoducho prepínač, ktorý spája anténu s vysielačom alebo prijímačom, takže duplexor v TDD je jednoduchý prepínač. V FDD vysielač a prijímač pracujú súčasne a duplexor používa filtre na izoláciu prijímača od silného signálu vysielača.
Duplexer v prednom konci bunkovej FDD poskytuje >~50 dB izoláciu v uplinkovom pásme, aby sa zabránilo preťaženiu prijímača Tx signálmi, a >~50 dB izoláciu v downlinkovom pásme, aby sa zabránilo prenosu mimo pásma. Znížená citlivosť prijímača. V pásme Rx sú straty vo vysielacej a prijímacej ceste minimálne.
Tieto požiadavky na nízku stratu a vysokú izoláciu, kde sú frekvencie oddelené len niekoľkými percentami, vyžadujú filtrovanie s vysokým Q, ktoré je zatiaľ možné dosiahnuť iba pomocou zariadení s povrchovou akustickou vlnou (SAW) alebo telesnou akustickou vlnou (BAW).
Zatiaľ čo sa technológia neustále vyvíja, s pokrokmi najmä vďaka veľkému počtu požadovaných zariadení, viacpásmová prevádzka znamená samostatný off-chip duplex filter pre každé pásmo, ako je znázornené na obrázku A. Všetky prepínače a smerovače tiež pridávajú ďalšie funkcie s výkonnostné pokuty a kompromisy.
Cenovo dostupné globálne telefóny založené na súčasnej technológii sú príliš náročné na výrobu. Výsledná rádiová architektúra bude veľmi veľká, stratová a drahá. Výrobcovia musia vytvoriť viacero variantov produktov pre rôzne kombinácie pásiem potrebných v rôznych regiónoch, čo sťažuje neobmedzený globálny roaming LTE. Dosiahnutie úspor z rozsahu, ktoré viedli k dominancii GSM, je čoraz ťažšie.
Zvyšujúci sa dopyt po vysokorýchlostných mobilných službách viedol k nasadeniu mobilných sietí 4G v 50 frekvenčných pásmach, pričom ešte viac pásiem príde, pretože 5G je plne definované a široko nasadené. Kvôli zložitosti RF rozhrania nie je možné toto všetko pokryť v jedinom zariadení pomocou súčasných technológií založených na filtroch, preto sú potrebné prispôsobiteľné a rekonfigurovateľné RF obvody.
V ideálnom prípade je potrebný nový prístup k riešeniu duplexného problému, možno založený na laditeľných filtroch alebo potlačení vlastného rušenia, alebo na nejakej kombinácii oboch.
Zatiaľ čo zatiaľ nemáme jediný prístup, ktorý by vyhovoval mnohým požiadavkám na cenu, veľkosť, výkon a efektivitu, možno sa kúsky skladačky spoja a o pár rokov ich budete mať vo vrecku.
Technológie ako EBD s potlačením SI môžu otvoriť možnosť využitia rovnakej frekvencie v oboch smeroch súčasne, čo môže výrazne zlepšiť spektrálnu účinnosť.
Čas odoslania: 24. septembra 2024