Pred desetimi leti so pametni telefoni običajno podpirali le nekaj standardov, ki delujejo v štirih frekvenčnih pasovih GSM, in morda nekaj standardov WCDMA ali CDMA2000. S tako malo frekvenčnimi pasovi na izbiro je bila določena stopnja globalne enotnosti dosežena s "štiripasovnimi" telefoni GSM, ki uporabljajo pasove 850/900/1800/1900 MHz in jih je mogoče uporabljati kjer koli na svetu (no, precej).
To je velika prednost za popotnike in ustvarja ogromne ekonomije obsega za proizvajalce naprav, ki morajo izdati le nekaj modelov (ali morda le enega) za celoten svetovni trg. Hitro naprej do danes, GSM ostaja edina tehnologija brezžičnega dostopa, ki omogoča globalno gostovanje. Mimogrede, če niste vedeli, se GSM postopoma opušča.
Vsak pametni telefon, vreden tega imena, mora podpirati dostop do 4G, 3G in 2G z različnimi zahtevami vmesnika RF v smislu pasovne širine, oddajne moči, občutljivosti sprejemnika in številnih drugih parametrov.
Poleg tega standardi 4G zaradi razdrobljene razpoložljivosti globalnega spektra pokrivajo veliko število frekvenčnih pasov, tako da jih lahko operaterji uporabljajo na vseh frekvencah, ki so na voljo na katerem koli območju – trenutno skupno 50 pasov, kot velja za standarde LTE1. Pravi »svetovni telefon« mora delovati v vseh teh okoljih.
Ključni problem, ki ga mora rešiti vsak celični radio, je "dvostranska komunikacija". Ko govorimo, hkrati poslušamo. Zgodnji radijski sistemi so uporabljali funkcijo Pritisni in govori (nekateri jo še vedno uporabljajo), ko pa govorimo po telefonu, pričakujemo, da nas bo druga oseba prekinila. Prva generacija (analognih) celičnih naprav je uporabljala "dvostranske filtre" (ali duplekserje) za sprejemanje povezave navzdol, ne da bi jih "omamilo" prenašanje povezave navzgor na drugi frekvenci.
Narediti manjše in cenejše te filtre je bil velik izziv za prve proizvajalce telefonov. Ko je bil GSM uveden, je bil protokol zasnovan tako, da so oddajniki-sprejemniki lahko delovali v "načinu pol dupleksa".
To je bil zelo pameten način za odpravo duplekserjev in je bil glavni dejavnik pri tem, da je GSM postal poceni, mainstream tehnologija, ki je sposobna prevladovati v industriji (in pri tem spremeniti način komuniciranja ljudi).
Telefon Essential Andyja Rubina, izumitelja operacijskega sistema Android, ima najnovejše funkcije povezljivosti, vključno z Bluetooth 5.0LE, različnimi GSM/LTE in anteno Wi-Fi, skrito v okvirju iz titana.
Na žalost so bile lekcije, pridobljene pri reševanju tehničnih problemov, hitro pozabljene v tehnično-političnih vojnah zgodnjih dni 3G in trenutno prevladujoča oblika frekvenčno razdeljenega dupleksa (FDD) zahteva duplekser za vsak FDD pas, v katerem deluje. Nobenega dvoma ni, da razcvet LTE prinaša naraščajoče stroške.
Medtem ko nekateri pasovi lahko uporabljajo Time Division Duplex ali TDD (kjer radio hitro preklaplja med oddajanjem in sprejemanjem), obstaja manj teh pasov. Večina operaterjev (razen predvsem azijskih) daje prednost razponu FDD, ki jih je več kot 30.
Zapuščina spektra TDD in FDD, težave pri sprostitvi resnično globalnih pasov in prihod 5G z več pasovi naredijo problem dupleksa še bolj zapleten. Obetavne metode, ki se preiskujejo, vključujejo nove zasnove na osnovi filtrov in zmožnost odpravljanja samomotenja.
Slednje s seboj prinaša tudi nekoliko obetavno možnost "brezfragmentnega" dupleksa (ali "in-band full duplex"). V prihodnosti mobilnih komunikacij 5G bomo morda morali razmisliti ne le o FDD in TDD, temveč tudi o prilagodljivem dupleksu, ki temelji na teh novih tehnologijah.
Raziskovalci na Univerzi Aalborg na Danskem so razvili arhitekturo »Smart Antenna Front End« (SAFE)2-3, ki uporablja (glejte ilustracijo na strani 18) ločene antene za prenos in sprejem ter združuje te antene z (nizko zmogljivimi) v kombinaciji s prilagodljivimi filtriranje, da se doseže želena izolacija oddajanja in sprejema.
Čeprav je zmogljivost impresivna, je potreba po dveh antenah velika pomanjkljivost. Ker telefoni postajajo tanjši in bolj elegantni, je prostora za antene vedno manj.
Mobilne naprave potrebujejo tudi več anten za prostorsko multipleksiranje (MIMO). Mobilni telefoni z SAFE arhitekturo in podporo 2×2 MIMO zahtevajo samo štiri antene. Poleg tega je doseg teh filtrov in anten omejen.
Tako bodo tudi globalni mobilni telefoni morali posnemati to arhitekturo vmesnika, da bodo pokrili vse frekvenčne pasove LTE (450 MHz do 3600 MHz), kar bo zahtevalo več anten, več antenskih sprejemnikov in več filtrov, kar nas pripelje nazaj k pogostim vprašanjem o večpasovno delovanje zaradi podvajanja komponent.
Čeprav je v tablični ali prenosni računalnik mogoče namestiti več anten, je potreben nadaljnji napredek pri prilagajanju in/ali miniaturizaciji, da bo ta tehnologija primerna za pametne telefone.
Električno uravnotežen dupleks se uporablja že od zgodnjih dni žične telefonije17. V telefonskem sistemu morata biti mikrofon in slušalka priključena na telefonsko linijo, vendar ločena drug od drugega, da lastni glas uporabnika ne ogluši šibkejšega dohodnega zvočnega signala. To je bilo doseženo s hibridnimi transformatorji pred pojavom elektronskih telefonov.
Dupleksno vezje, prikazano na spodnji sliki, uporablja upor enake vrednosti, ki ustreza impedanci prenosnega voda, tako da se tok iz mikrofona razdeli, ko vstopi v transformator, in teče v nasprotnih smereh skozi primarno tuljavo. Magnetni tokovi so učinkovito izničeni in v sekundarni tuljavi ni induciran tok, zato je sekundarna tuljava izolirana od mikrofona.
Vendar gre signal iz mikrofona še vedno v telefonsko linijo (čeprav z nekaj izgube), dohodni signal na telefonski liniji pa še vedno gre v zvočnik (tudi z nekaj izgube), kar omogoča dvosmerno komunikacijo na isti telefonski liniji . . Kovinska žica.
Radijski uravnotežen duplekser je podoben telefonskem duplekserju, vendar se namesto mikrofona, slušalke in telefonske žice uporabljajo oddajnik, sprejemnik in antena, kot je prikazano na sliki B.
Tretji način za izolacijo oddajnika od sprejemnika je odprava samomotenja (SI), s čimer se od prejetega signala odšteje oddani signal. Tehnike motenja se v radarju in radiodifuziji uporabljajo že desetletja.
Na primer, v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja je Plessy razvil in tržil izdelek, ki temelji na kompenzaciji SI, imenovan »Groundsat«, da bi razširil obseg poldupleksnih analognih FM vojaških komunikacijskih omrežij4-5.
Sistem deluje kot full-duplex enokanalni repetitor, ki razširja učinkovit domet pol-duplex radijskih sprejemnikov, ki se uporabljajo na celotnem delovnem območju.
Nedavno se je pojavilo zanimanje za zatiranje lastnih motenj, predvsem zaradi trenda v smeri komunikacije kratkega dosega (celične in Wi-Fi), zaradi česar je problem zatiranja SI bolj obvladljiv zaradi nižje oddajne moči in višje moči sprejema za potrošniško uporabo. . Aplikacije za brezžični dostop in povratno povezavo 6-8.
Appleov iPhone (s pomočjo Qualcomma) ima verjetno najboljše brezžične in LTE zmogljivosti na svetu, saj podpira 16 pasov LTE na enem čipu. To pomeni, da je treba izdelati samo dve SKU za pokrivanje trgov GSM in CDMA.
V dupleksnih aplikacijah brez skupne rabe motenj lahko zatiranje lastnih motenj izboljša učinkovitost spektra, tako da omogoči, da navzgornja in navzdolnja povezava delita iste vire spektra9,10. Tehnike zatiranja samomotenja se lahko uporabljajo tudi za ustvarjanje duplekserjev po meri za FDD.
Sama odpoved običajno poteka v več fazah. Usmerjeno omrežje med anteno in sprejemno-sprejemno enoto zagotavlja prvo stopnjo ločevanja med oddanimi in prejetimi signali. Drugič, dodatna analogna in digitalna obdelava signala se uporablja za odpravo kakršnega koli preostalega intrinzičnega šuma v prejetem signalu. Prva stopnja lahko uporablja ločeno anteno (kot pri SAFE), hibridni transformator (opisan spodaj);
Problem ločenih anten je bil že opisan. Cirkulatorji so običajno ozkopasovni, ker uporabljajo feromagnetno resonanco v kristalu. Ta hibridna tehnologija ali električno uravnotežena izolacija (EBI) je obetavna tehnologija, ki je lahko širokopasovna in potencialno integrirana v čip.
Kot je prikazano na spodnji sliki, zasnova sprednjega dela pametne antene uporablja dve ozkopasovni nastavljivi anteni, eno za oddajanje in eno za sprejem, ter par manj zmogljivih, vendar nastavljivih dupleksnih filtrov. Posamezne antene ne zagotavljajo le nekaj pasivne izolacije za ceno izgube pri širjenju med njimi, ampak imajo tudi omejeno (vendar nastavljivo) trenutno pasovno širino.
Oddajna antena deluje učinkovito samo v oddajnem frekvenčnem pasu, sprejemna antena pa učinkovito deluje le v sprejemnem frekvenčnem pasu. V tem primeru sama antena deluje tudi kot filter: izvenpasovne Tx emisije oslabi oddajna antena, lastne motnje v Tx pasu pa oslabi sprejemna antena.
Zato arhitektura zahteva, da je antena nastavljiva, kar se doseže z uporabo mreže za uravnavanje antene. V omrežju za uravnavanje antene je nekaj neizogibnih vnesenih izgub. Vendar pa je nedavni napredek pri nastavljivih kondenzatorjih MEMS18 znatno izboljšal kakovost teh naprav in s tem zmanjšal izgube. Vstavljena izguba Rx je približno 3 dB, kar je primerljivo s skupnimi izgubami duplekserja SAW in stikala.
Izolacijo na osnovi antene nato dopolnjuje nastavljiv filter, ki prav tako temelji na nastavljivih kondenzatorjih MEM3, da se doseže 25 dB izolacije od antene in 25 dB izolacije od filtra. Prototipi so pokazali, da je to mogoče doseči.
Več raziskovalnih skupin v akademskih krogih in industriji raziskuje uporabo hibridov za obojestransko tiskanje 11–16. Te sheme pasivno odpravijo SI tako, da omogočijo hkraten prenos in sprejem z ene same antene, vendar izolirajo oddajnik in sprejemnik. So širokopasovne narave in jih je mogoče implementirati na čipu, zaradi česar so privlačna možnost za frekvenčno dupleksiranje v mobilnih napravah.
Nedavni napredek je pokazal, da je mogoče oddajnike FDD, ki uporabljajo EBI, izdelati iz CMOS (komplementarni polprevodnik kovinskega oksida) z vneseno izgubo, šumom, linearnostjo sprejemnika in značilnostmi zatiranja blokiranja, primernimi za celične aplikacije 11,12,13. Vendar, kot dokazujejo številni primeri v akademski in znanstveni literaturi, obstaja temeljna omejitev, ki vpliva na dvojno izolacijo.
Impedanca radijske antene ni fiksna, ampak se spreminja glede na delovno frekvenco (zaradi resonance antene) in čas (zaradi interakcije s spreminjajočim se okoljem). To pomeni, da se mora izravnalna impedanca prilagoditi sledenju sprememb impedance, pasovna širina ločevanja pa je omejena zaradi sprememb v frekvenčni domeni13 (glej sliko 1).
Naše delo na Univerzi v Bristolu je osredotočeno na raziskovanje in obravnavanje teh omejitev zmogljivosti, da bi dokazali, da je mogoče zahtevano izolacijo pošiljanja/prejemanja in prepustnost doseči v primerih uporabe v resničnem svetu.
Za premagovanje nihanj impedance antene (ki resno vplivajo na izolacijo) naš prilagodljivi algoritem sledi impedanci antene v realnem času, testiranje pa je pokazalo, da je zmogljivost mogoče ohraniti v različnih dinamičnih okoljih, vključno z interakcijo z roko uporabnika ter hitrimi cestami in železnicami potovanja.
Poleg tega, da premagamo omejeno ujemanje antene v frekvenčni domeni, s čimer povečamo pasovno širino in splošno izolacijo, združujemo električno uravnotežen duplekser z dodatnim aktivnim dušenjem SI, pri čemer uporabljamo drugi oddajnik za generiranje signala dušenja za nadaljnje dušenje lastnih motenj. (glej sliko 2).
Rezultati našega preizkusa so spodbudni: v kombinaciji z EBD lahko aktivna tehnologija znatno izboljša izolacijo oddajanja in sprejema, kot je prikazano na sliki 3.
Naša končna laboratorijska postavitev uporablja nizkocenovne komponente mobilnih naprav (močnostni ojačevalniki mobilnih telefonov in antene), zaradi česar je reprezentativna za izvedbe mobilnih telefonov. Poleg tega naše meritve kažejo, da lahko ta vrsta dvostopenjske zavrnitve samomotenja zagotovi zahtevano dupleksno izolacijo v frekvenčnih pasovih navzgornje in navzdolnje povezave, tudi pri uporabi poceni opreme komercialne kakovosti.
Moč signala, ki ga mobilna naprava sprejme v svojem največjem dosegu, mora biti 12 velikosti nižja od moči signala, ki ga oddaja. V Dupleksu s časovno razdelitvijo (TDD) je dupleksno vezje preprosto stikalo, ki povezuje anteno z oddajnikom ali sprejemnikom, zato je duplekser v TDD preprosto stikalo. Pri FDD oddajnik in sprejemnik delujeta sočasno, duplekser pa uporablja filtre za izolacijo sprejemnika od močnega signala oddajnika.
Duplekser v sprednjem delu celičnega FDD zagotavlja >~50 dB izolacije v pasu navzgornje povezave, da se prepreči preobremenitev sprejemnika s signali Tx, in >~50 dB izolacije v pasu navzdolnje povezave, da se prepreči prenos izven pasu. Zmanjšana občutljivost sprejemnika. V pasu Rx so izgube na oddajnih in sprejemnih poteh minimalne.
Te zahteve z nizkimi izgubami in visoko izolacijo, kjer so frekvence ločene le za nekaj odstotkov, zahtevajo filtriranje z visokim Q, kar je zaenkrat mogoče doseči le z napravami za površinske zvočne valove (SAW) ali naprave za telesne akustične valove (BAW).
Medtem ko se tehnologija še naprej razvija, z napredkom predvsem zaradi velikega števila potrebnih naprav, večpasovno delovanje pomeni ločen dupleksni filter zunaj čipa za vsak pas, kot je prikazano na sliki A. Vsa stikala in usmerjevalniki prav tako dodajajo dodatno funkcionalnost z kazni za uspešnost in kompromisi.
Cenovno dostopne globalne telefone, ki temeljijo na trenutni tehnologiji, je pretežko izdelati. Nastala radijska arhitektura bo zelo velika, z izgubami in draga. Proizvajalci morajo ustvariti več različic izdelkov za različne kombinacije pasov, potrebnih v različnih regijah, kar oteži neomejeno globalno LTE gostovanje. Ekonomijo obsega, ki je privedla do prevlade GSM, postaja vse težje doseči.
Naraščajoče povpraševanje po mobilnih storitvah visoke hitrosti prenosa podatkov je privedlo do uvedbe mobilnih omrežij 4G v 50 frekvenčnih pasovih, s še več pasovi, ki bodo na voljo, ko bo 5G v celoti definiran in razširjen. Zaradi zapletenosti vmesnika RF ni mogoče pokriti vsega v eni sami napravi z uporabo trenutnih tehnologij, ki temeljijo na filtrih, zato so potrebna prilagodljiva in rekonfigurabilna RF vezja.
V idealnem primeru je potreben nov pristop k reševanju dupleksne težave, morda na podlagi nastavljivih filtrov ali zatiranja lastnih motenj ali kombinacije obojega.
Čeprav še nimamo enotnega pristopa, ki bi ustrezal številnim zahtevam glede stroškov, velikosti, zmogljivosti in učinkovitosti, se bodo morda kosi sestavljanke sestavili in jih čez nekaj let imeli v žepu.
Tehnologije, kot je EBD z zatiranjem SI, lahko odprejo možnost uporabe iste frekvence v obe smeri hkrati, kar lahko bistveno izboljša spektralno učinkovitost.
Čas objave: 24. septembra 2024