Dziesięć lat temu smartfony zazwyczaj obsługiwały tylko kilka standardów działających w czterech pasmach częstotliwości GSM i być może kilka standardów WCDMA lub CDMA2000. Przy tak niewielkiej liczbie pasm częstotliwości do wyboru, pewien stopień globalnej jednolitości został osiągnięty dzięki „czteropasmowym” telefonom GSM, które wykorzystują pasma 850/900/1800/1900 MHz i mogą być używane w dowolnym miejscu na świecie (cóż, całkiem sporo).
Jest to ogromna korzyść dla podróżujących i stwarza ogromne korzyści skali dla producentów urządzeń, którzy muszą wypuścić tylko kilka modeli (a może tylko jeden) na cały rynek światowy. Przejdźmy szybko do chwili obecnej: GSM pozostaje jedyną technologią dostępu bezprzewodowego zapewniającą globalny roaming. Nawiasem mówiąc, jeśli nie wiesz, GSM jest stopniowo wycofywane.
Każdy smartfon godny tej nazwy musi obsługiwać dostęp 4G, 3G i 2G przy różnych wymaganiach interfejsu RF pod względem przepustowości, mocy nadawania, czułości odbiornika i wielu innych parametrów.
Dodatkowo, ze względu na rozdrobnioną dostępność widma globalnego, standardy 4G obejmują dużą liczbę pasm częstotliwości, dzięki czemu operatorzy mogą je wykorzystywać na dowolnych częstotliwościach dostępnych na danym obszarze – obecnie łącznie 50 pasm, podobnie jak w przypadku standardów LTE1. Prawdziwy „telefon światowy” musi działać we wszystkich tych środowiskach.
Kluczowym problemem, jaki musi rozwiązać każde radio komórkowe, jest „komunikacja dupleksowa”. Kiedy mówimy, jednocześnie słuchamy. Wczesne systemy radiowe korzystały z funkcji „Naciśnij i mów” (niektóre nadal to robią), ale kiedy rozmawiamy przez telefon, spodziewamy się, że druga osoba nam przeszkodzi. Urządzenia komórkowe pierwszej generacji (analogowe) wykorzystywały „filtry dupleksowe” (lub dupleksery), aby odbierać łącze w dół bez „ogłuszania” poprzez transmisję łącza w górę na innej częstotliwości.
Zmniejszenie rozmiarów i zmniejszenie kosztów tych filtrów było poważnym wyzwaniem dla pierwszych producentów telefonów. Kiedy wprowadzono GSM, protokół został zaprojektowany tak, aby transceivery mogły działać w „trybie półdupleksowym”.
Był to bardzo sprytny sposób na wyeliminowanie duplekserów i był głównym czynnikiem, który pomógł GSM stać się tanią, popularną technologią zdolną do zdominowania branży (i przy okazji zmiany sposobu komunikowania się ludzi).
Telefon Essential od Andy'ego Rubina, twórcy systemu operacyjnego Android, wyposażony jest w najnowsze funkcje łączności, w tym Bluetooth 5.0LE, różne moduły GSM/LTE i antenę Wi-Fi ukrytą w tytanowej ramce.
Niestety wnioski wyciągnięte z rozwiązywania problemów technicznych zostały szybko zapomniane podczas wojen techno-politycznych początków 3G, a obecnie dominująca forma dupleksu z podziałem częstotliwości (FDD) wymaga dupleksera dla każdego pasma FDD, w którym działa. Nie ma wątpliwości, że boom LTE wiąże się z rosnącymi czynnikami kosztowymi.
Chociaż niektóre pasma mogą wykorzystywać dupleks z podziałem czasu lub TDD (gdzie radio szybko przełącza się między nadawaniem i odbiorem), istnieje mniej takich pasm. Większość operatorów (z wyjątkiem głównie azjatyckich) preferuje gamę FDD, której jest ponad 30.
Dziedzictwo widma TDD i FDD, trudności w uwolnieniu prawdziwie globalnych pasm oraz pojawienie się 5G z większą liczbą pasm sprawiają, że problem dupleksu staje się jeszcze bardziej złożony. Obiecujące metody będące przedmiotem badań obejmują nowe projekty oparte na filtrach i możliwość eliminowania zakłóceń własnych.
To ostatnie niesie ze sobą także dość obiecującą możliwość „bezfragmentowego” dupleksu (lub „pełnego dupleksu wewnątrz pasma”). W przyszłości komunikacji mobilnej 5G być może będziemy musieli wziąć pod uwagę nie tylko FDD i TDD, ale także elastyczny dupleks oparty na tych nowych technologiach.
Naukowcy z Uniwersytetu w Aalborg w Danii opracowali architekturę „Smart Antenna Front End” (SAFE) 2-3, która wykorzystuje (patrz ilustracja na stronie 18) oddzielne anteny do transmisji i odbioru i łączy te anteny z (niską wydajnością) w połączeniu z konfigurowalnymi filtrowanie w celu uzyskania pożądanej izolacji transmisji i odbioru.
Chociaż wydajność jest imponująca, potrzeba dwóch anten jest dużą wadą. W miarę jak telefony stają się coraz cieńsze i bardziej eleganckie, przestrzeń dostępna dla anten staje się coraz mniejsza.
Urządzenia mobilne wymagają również wielu anten do multipleksowania przestrzennego (MIMO). Telefony komórkowe o architekturze SAFE i obsłudze 2×2 MIMO wymagają jedynie czterech anten. Ponadto zakres strojenia tych filtrów i anten jest ograniczony.
Zatem globalne telefony komórkowe również będą musiały replikować tę architekturę interfejsu, aby obsłużyć wszystkie pasma częstotliwości LTE (450 MHz do 3600 MHz), co będzie wymagało większej liczby anten, większej liczby tunerów antenowych i większej liczby filtrów, co prowadzi nas z powrotem do często zadawanych pytań dotyczących praca wielopasmowa dzięki powielaniu komponentów.
Chociaż w tablecie lub laptopie można zainstalować więcej anten, konieczne są dalsze postępy w dostosowywaniu i/lub miniaturyzacji, aby technologia ta była odpowiednia dla smartfonów.
Od początków telefonii przewodowej stosowano elektrycznie zrównoważony dupleks17. W systemie telefonicznym mikrofon i słuchawka muszą być podłączone do linii telefonicznej, ale odizolowane od siebie, tak aby własny głos użytkownika nie zagłuszał słabszego przychodzącego sygnału audio. Osiągnięto to za pomocą transformatorów hybrydowych przed pojawieniem się telefonów elektronicznych.
Obwód dupleksowy pokazany na poniższym rysunku wykorzystuje rezystor o tej samej wartości, aby dopasować impedancję linii transmisyjnej, tak że prąd z mikrofonu rozdziela się, gdy wpływa do transformatora i przepływa w przeciwnych kierunkach przez cewkę pierwotną. Strumienie magnetyczne są skutecznie eliminowane, a w cewce wtórnej nie indukuje się żaden prąd, dzięki czemu cewka wtórna jest odizolowana od mikrofonu.
Jednak sygnał z mikrofonu w dalszym ciągu trafia do linii telefonicznej (aczkolwiek z pewnymi stratami), a sygnał przychodzący na linii telefonicznej nadal trafia do głośnika (również z pewnymi stratami), umożliwiając dwustronną komunikację na tej samej linii telefonicznej . . Drut metalowy.
Duplekser zbalansowany radiowo jest podobny do dupleksera telefonicznego, ale zamiast mikrofonu, słuchawki i przewodu telefonicznego stosuje się odpowiednio nadajnik, odbiornik i antenę, jak pokazano na rysunku B.
Trzeci sposób odizolowania nadajnika od odbiornika polega na wyeliminowaniu zakłóceń własnych (SI), odejmując w ten sposób sygnał nadawany od sygnału odbieranego. Techniki zagłuszania są stosowane w radarach i radiofonii od dziesięcioleci.
Na przykład na początku lat 80. firma Plessy opracowała i wprowadziła na rynek oparty na kompensacji SI produkt o nazwie „Groundsat”, aby rozszerzyć zasięg półdupleksowych analogowych wojskowych sieci komunikacyjnych FM4-5.
System działa jako jednokanałowy wzmacniacz full-duplex, zwiększając efektywny zasięg radiotelefonów half-duplex używanych w całym obszarze roboczym.
Ostatnio wzrosło zainteresowanie tłumieniem zakłóceń własnych, głównie ze względu na trend w kierunku komunikacji krótkiego zasięgu (komórkowej i Wi-Fi), co sprawia, że problem tłumienia SI jest łatwiejszy do rozwiązania ze względu na niższą moc nadawania i większą moc odbioru do użytku konsumenckiego . Aplikacje dostępu bezprzewodowego i transmisji typu backhaul 6-8.
IPhone firmy Apple (z pomocą Qualcomm) ma prawdopodobnie najlepsze na świecie możliwości łączności bezprzewodowej i LTE, obsługując 16 pasm LTE w jednym chipie. Oznacza to, że wystarczy wyprodukować tylko dwa kody SKU, aby pokryć rynki GSM i CDMA.
W zastosowaniach dupleksowych bez współdzielenia zakłóceń tłumienie zakłóceń własnych może poprawić efektywność widma, umożliwiając łączu w górę i w dół współdzielenie tych samych zasobów widma9,10. Techniki tłumienia zakłóceń własnych można również zastosować do tworzenia niestandardowych duplekserów dla FDD.
Samo anulowanie składa się zazwyczaj z kilku etapów. Sieć kierunkowa pomiędzy anteną a transiwerem zapewnia pierwszy poziom separacji pomiędzy sygnałami nadawanymi i odbieranymi. Po drugie, stosowane jest dodatkowe przetwarzanie sygnału analogowego i cyfrowego w celu wyeliminowania wszelkich pozostałych szumów wewnętrznych w odbieranym sygnale. W pierwszym stopniu można zastosować osobną antenę (jak w SAFE), transformator hybrydowy (opisany poniżej);
Problem odłączonych anten był już opisany. Cyrkulatory są zazwyczaj wąskopasmowe, ponieważ wykorzystują rezonans ferromagnetyczny w krysztale. Ta technologia hybrydowa, zwana elektrycznie zrównoważoną izolacją (EBI), to obiecująca technologia, która może być szerokopasmowa i potencjalnie zintegrowana z chipem.
Jak pokazano na poniższym rysunku, konstrukcja inteligentnej anteny z przodu wykorzystuje dwie przestrajalne anteny wąskopasmowe, jedną do nadawania, drugą do odbioru, oraz parę mniej wydajnych, ale przestrajalnych filtrów dupleksowych. Poszczególne anteny nie tylko zapewniają pewną pasywną izolację kosztem utraty propagacji między nimi, ale także mają ograniczoną (ale przestrajalną) chwilową szerokość pasma.
Antena nadawcza działa skutecznie tylko w paśmie częstotliwości nadawczej, a antena odbiorcza działa skutecznie tylko w paśmie częstotliwości odbiorczej. W tym przypadku sama antena działa również jako filtr: emisje Tx poza pasmem są tłumione przez antenę nadawczą, a zakłócenia własne w paśmie Tx są tłumione przez antenę odbiorczą.
Dlatego architektura wymaga, aby antena była przestrajalna, co osiąga się za pomocą sieci dostrajania anten. W sieci dostrajania anten występują nieuniknione straty wtrąceniowe. Jednak ostatnie postępy w zakresie przestrajalnych kondensatorów MEMS18 znacznie poprawiły jakość tych urządzeń, zmniejszając w ten sposób straty. Tłumienność wtrąceniowa Rx wynosi około 3 dB, co jest porównywalne z całkowitymi stratami dupleksera i przełącznika SAW.
Izolację antenową uzupełnia się następnie przestrajalnym filtrem, również opartym na przestrajalnych kondensatorach MEM3, aby uzyskać izolację na poziomie 25 dB od anteny i izolację 25 dB od filtra. Prototypy pokazały, że można to osiągnąć.
Kilka grup badawczych ze środowiska akademickiego i przemysłowego bada zastosowanie rozwiązań hybrydowych w druku dwustronnym11–16. Schematy te pasywnie eliminują SI, umożliwiając jednoczesną transmisję i odbiór z jednej anteny, ale izolując nadajnik i odbiornik. Mają charakter szerokopasmowy i można je zaimplementować w chipie, co czyni je atrakcyjną opcją w przypadku dupleksowania częstotliwości w urządzeniach mobilnych.
Ostatnie postępy wykazały, że transceivery FDD wykorzystujące EBI mogą być produkowane z CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) z tłumiennością wtrąceniową, współczynnikiem szumów, liniowością odbiornika i charakterystyką tłumienia blokowania odpowiednią do zastosowań komórkowych11,12,13. Jednakże, jak pokazują liczne przykłady z literatury akademickiej i naukowej, istnieje zasadnicze ograniczenie wpływające na izolację dupleksową.
Impedancja anteny radiowej nie jest stała, ale zmienia się w zależności od częstotliwości roboczej (w wyniku rezonansu anteny) i czasu (w wyniku interakcji ze zmieniającym się środowiskiem). Oznacza to, że impedancja równoważąca musi dostosować się do zmian impedancji śledzenia, a szerokość pasma odsprzęgania jest ograniczona ze względu na zmiany w dziedzinie częstotliwości13 (patrz rysunek 1).
Nasza praca na Uniwersytecie w Bristolu koncentruje się na badaniu i usuwaniu tych ograniczeń wydajności, aby wykazać, że wymaganą izolację wysyłania/odbioru i przepustowość można osiągnąć w rzeczywistych przypadkach użycia.
Aby przezwyciężyć wahania impedancji anteny (które poważnie wpływają na izolację), nasz algorytm adaptacyjny śledzi impedancję anteny w czasie rzeczywistym, a testy wykazały, że wydajność można utrzymać w różnych dynamicznych środowiskach, w tym w interakcji użytkownika oraz na drogach i kolei dużych prędkości podróż.
Dodatkowo, aby przezwyciężyć ograniczone dopasowanie anteny w dziedzinie częstotliwości, zwiększając w ten sposób szerokość pasma i ogólną izolację, łączymy elektrycznie zrównoważony duplekser z dodatkowym aktywnym tłumieniem SI, używając drugiego nadajnika do generowania sygnału tłumienia w celu dalszego tłumienia zakłóceń własnych. (patrz rysunek 2).
Wyniki naszego stanowiska testowego są zachęcające: w połączeniu z EBD technologia aktywna może znacząco poprawić izolację nadawania i odbioru, jak pokazano na rysunku 3.
Nasza ostateczna konfiguracja laboratoryjna wykorzystuje niedrogie komponenty urządzeń mobilnych (wzmacniacze mocy i anteny telefonów komórkowych), co czyni ją reprezentatywną dla wdrożeń telefonów komórkowych. Co więcej, nasze pomiary pokazują, że ten typ dwustopniowego tłumienia zakłóceń własnych może zapewnić wymaganą izolację dupleksową w pasmach częstotliwości łącza w górę i w dół, nawet przy użyciu taniego sprzętu klasy komercyjnej.
Siła sygnału odbieranego przez urządzenie komórkowe przy maksymalnym zasięgu musi być o 12 rzędów wielkości niższa niż siła sygnału transmitowanego. W trybie dupleksu z podziałem czasu (TDD) obwód dupleksowy to po prostu przełącznik łączący antenę z nadajnikiem lub odbiornikiem, więc duplekser w TDD jest prostym przełącznikiem. W FDD nadajnik i odbiornik działają jednocześnie, a duplekser wykorzystuje filtry w celu odizolowania odbiornika od silnego sygnału nadajnika.
Duplekser w komórkowym froncie FDD zapewnia izolację > ~ 50 dB w paśmie łącza w górę, aby zapobiec przeciążeniu odbiornika sygnałami Tx, oraz izolację > ~ 50 dB w paśmie łącza w dół, aby zapobiec transmisji poza pasmem. Zmniejszona czułość odbiornika. W paśmie Rx straty w ścieżkach nadawczych i odbiorczych są minimalne.
Te wymagania dotyczące niskich strat i wysokiej izolacji, w których częstotliwości są oddzielone zaledwie kilkoma procentami, wymagają filtrowania o wysokiej Q, co jak dotąd można osiągnąć jedynie za pomocą urządzeń z falą akustyczną powierzchniową (SAW) lub falą akustyczną ciała (BAW).
Chociaż technologia stale ewoluuje, a postęp wynika głównie z dużej liczby wymaganych urządzeń, praca wielopasmowa oznacza oddzielny filtr dupleksowy poza chipem dla każdego pasma, jak pokazano na rysunku A. Wszystkie przełączniki i routery zapewniają również dodatkową funkcjonalność dzięki kary za wyniki i kompromisy.
Niedrogie, globalne telefony oparte na obecnej technologii są zbyt trudne w produkcji. Powstała w ten sposób architektura radiowa będzie bardzo duża, stratna i kosztowna. Producenci muszą tworzyć wiele wariantów produktów dla różnych kombinacji pasm potrzebnych w różnych regionach, co utrudnia nieograniczony globalny roaming LTE. Korzyści skali, które doprowadziły do dominacji GSM, stają się coraz trudniejsze do osiągnięcia.
Rosnące zapotrzebowanie na usługi mobilne o dużej szybkości transmisji danych doprowadziło do wdrożenia sieci komórkowych 4G w 50 pasmach częstotliwości, a wraz z pełnym zdefiniowaniem i powszechnym wdrożeniem sieci 5G pojawi się jeszcze więcej pasm. Ze względu na złożoność interfejsu RF nie jest możliwe uwzględnienie tego wszystkiego w jednym urządzeniu przy użyciu obecnych technologii opartych na filtrach, dlatego wymagane są obwody RF, które można dostosowywać i rekonfigurować.
W idealnym przypadku potrzebne jest nowe podejście do rozwiązania problemu dupleksu, być może oparte na przestrajalnych filtrach lub tłumieniu zakłóceń własnych, lub na kombinacji obu.
Chociaż nie mamy jeszcze jednego podejścia, które spełniłoby wiele wymagań w zakresie kosztów, rozmiarów, wydajności i wydajności, być może elementy układanki połączą się i za kilka lat znajdą się w Twojej kieszeni.
Technologie takie jak EBD z tłumieniem SI mogą otworzyć możliwość wykorzystania tej samej częstotliwości w obu kierunkach jednocześnie, co może znacznie poprawić wydajność widmową.
Czas publikacji: 24 września 2024 r