În urmă cu zece ani, smartphone-urile acceptau de obicei doar câteva standarde care operează în cele patru benzi de frecvență GSM și poate câteva standarde WCDMA sau CDMA2000. Cu atât de puține benzi de frecvență din care să aleagă, s-a obținut un anumit grad de uniformitate globală cu telefoanele GSM „quad-band”, care folosesc benzile de 850/900/1800/1900 MHz și pot fi folosite oriunde în lume (ei bine, destul de mult).
Acesta este un beneficiu imens pentru călători și creează economii uriașe de scară pentru producătorii de dispozitive, care trebuie să lanseze doar câteva modele (sau poate doar unul) pentru întreaga piață globală. Până în prezent, GSM rămâne singura tehnologie de acces fără fir care oferă roaming global. Apropo, dacă nu știai, GSM este treptat eliminat.
Orice smartphone demn de acest nume trebuie să accepte acces 4G, 3G și 2G cu cerințe diferite de interfață RF în ceea ce privește lățimea de bandă, puterea de transmisie, sensibilitatea receptorului și mulți alți parametri.
În plus, datorită disponibilității fragmentate a spectrului global, standardele 4G acoperă un număr mare de benzi de frecvență, astfel încât operatorii le pot folosi pe orice frecvență disponibilă în orice zonă dată – în prezent 50 de benzi în total, așa cum este cazul standardelor LTE1. Un adevărat „telefon mondial” trebuie să funcționeze în toate aceste medii.
Problema cheie pe care orice radio celular trebuie să o rezolve este „comunicarea duplex”. Când vorbim, ascultăm în același timp. Sistemele radio timpurii foloseau push-to-talk (unii încă mai folosesc), dar când vorbim la telefon, ne așteptăm ca cealaltă persoană să ne întrerupă. Dispozitivele celulare de prima generație (analogice) foloseau „filtre duplex” (sau duplexoare) pentru a recepționa legătura în jos fără a fi „uimite” prin transmiterea legăturii în sus pe o frecvență diferită.
Efectuarea acestor filtre mai mici și mai ieftine a fost o provocare majoră pentru primii producători de telefoane. Când a fost introdus GSM, protocolul a fost proiectat astfel încât transceiver-urile să poată funcționa în „mod semiduplex”.
Acesta a fost o modalitate foarte inteligentă de a elimina duplexoarele și a fost un factor major în a ajuta GSM să devină o tehnologie mainstream cu costuri reduse, capabilă să domine industria (și să schimbe modul în care oamenii comunicau în acest proces).
Telefonul Essential de la Andy Rubin, inventatorul sistemului de operare Android, dispune de cele mai noi funcții de conectivitate, inclusiv Bluetooth 5.0LE, diverse GSM/LTE și o antenă Wi-Fi ascunsă într-un cadru de titan.
Din păcate, lecțiile învățate din rezolvarea problemelor tehnice au fost repede uitate în războaiele tehno-politice din primele zile ale 3G, iar forma dominantă în prezent de duplexare prin diviziune de frecvență (FDD) necesită un duplexor pentru fiecare bandă FDD în care operează. Nu există nicio îndoială că boom-ul LTE vine cu factori de cost în creștere.
În timp ce unele benzi pot utiliza Time Division Duplex sau TDD (unde radioul comută rapid între transmisie și recepție), există mai puține dintre aceste benzi. Majoritatea operatorilor (cu excepția celor mai ales asiatici) preferă gama FDD, dintre care există mai mult de 30.
Moștenirea spectrului TDD și FDD, dificultatea de a elibera benzi cu adevărat globale și apariția 5G cu mai multe benzi fac problema duplexului și mai complexă. Metodele promițătoare aflate în cercetare includ noi modele bazate pe filtre și capacitatea de a elimina auto-interferența.
Acesta din urmă aduce cu sine și posibilitatea oarecum promițătoare de duplex „fără fragmente” (sau „duplex complet în bandă”). În viitorul comunicațiilor mobile 5G, este posibil să trebuiască să luăm în considerare nu numai FDD și TDD, ci și duplex flexibil bazat pe aceste noi tehnologii.
Cercetătorii de la Universitatea Aalborg din Danemarca au dezvoltat o arhitectură „Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 care utilizează (vezi ilustrația de la pagina 18) antene separate pentru transmisie și recepție și combină aceste antene cu (performanță scăzută) în combinație cu antene personalizabile. filtrare pentru a realiza izolarea dorită de transmisie și recepție.
În timp ce performanța este impresionantă, necesitatea a două antene este un mare dezavantaj. Pe măsură ce telefoanele devin din ce în ce mai subțiri și mai elegante, spațiul disponibil pentru antene devine din ce în ce mai mic.
Dispozitivele mobile necesită, de asemenea, mai multe antene pentru multiplexarea spațială (MIMO). Telefoanele mobile cu arhitectură SAFE și suport MIMO 2×2 necesită doar patru antene. În plus, gama de reglare a acestor filtre și antene este limitată.
Prin urmare, telefoanele mobile globale vor trebui, de asemenea, să reproducă această arhitectură de interfață pentru a acoperi toate benzile de frecvență LTE (450 MHz până la 3600 MHz), ceea ce va necesita mai multe antene, mai multe tunere de antene și mai multe filtre, ceea ce ne readuce la întrebările frecvente despre operare multi-banda datorita duplicarii componentelor.
Deși mai multe antene pot fi instalate într-o tabletă sau laptop, sunt necesare progrese suplimentare în personalizare și/sau miniaturizare pentru a face această tehnologie potrivită pentru smartphone-uri.
Duplexul echilibrat electric a fost folosit încă de la începuturile telefoniei prin cablu17. Într-un sistem telefonic, microfonul și căștile trebuie conectate la linia telefonică, dar izolate unul de celălalt, astfel încât propria voce a utilizatorului să nu asurdă semnalul audio mai slab de intrare. Acest lucru a fost realizat folosind transformatoare hibride înainte de apariția telefoanelor electronice.
Circuitul duplex prezentat în figura de mai jos folosește un rezistor de aceeași valoare pentru a se potrivi cu impedanța liniei de transmisie, astfel încât curentul de la microfon să se despartă pe măsură ce intră în transformator și să curgă în direcții opuse prin bobina primară. Fluxurile magnetice sunt anulate efectiv și nu este indus curent în bobina secundară, astfel încât bobina secundară este izolată de microfon.
Cu toate acestea, semnalul de la microfon merge în continuare către linia telefonică (deși cu o oarecare pierdere), iar semnalul de intrare pe linia telefonică merge în continuare către difuzor (tot cu o oarecare pierdere), permițând comunicarea bidirecțională pe aceeași linie telefonică . . Sârmă metalică.
Un duplexer echilibrat radio este similar cu un duplexor de telefon, dar în loc de un microfon, receptor și cablu telefonic, sunt utilizate un transmițător, un receptor și, respectiv, o antenă, așa cum se arată în Figura B.
O a treia modalitate de a izola transmițătorul de receptor este eliminarea auto-interferenței (SI), scăzând astfel semnalul transmis din semnalul primit. Tehnicile de bruiaj au fost folosite în radar și radiodifuziune de zeci de ani.
De exemplu, la începutul anilor 1980, Plessy a dezvoltat și comercializat un produs bazat pe compensare SI numit „Groundsat” pentru a extinde gama de rețele de comunicații militare FM analogice half-duplex4-5.
Sistemul acționează ca un repetor full-duplex cu un singur canal, extinzând gama efectivă de radiouri semi-duplex utilizate în întreaga zonă de lucru.
A existat recent un interes pentru suprimarea auto-interferențelor, în principal din cauza tendinței către comunicații pe distanță scurtă (celulare și Wi-Fi), ceea ce face problema suprimării SI mai ușor de gestionat datorită puterii de transmisie mai scăzute și recepției de putere mai mare pentru uzul consumatorilor. . Acces wireless și aplicații de backhaul 6-8.
iPhone-ul Apple (cu ajutorul Qualcomm) are, probabil, cele mai bune capabilități wireless și LTE din lume, acceptând 16 benzi LTE pe un singur cip. Aceasta înseamnă că trebuie produse doar două SKU-uri pentru a acoperi piețele GSM și CDMA.
În aplicațiile duplex fără partajarea interferențelor, suprimarea auto-interferenței poate îmbunătăți eficiența spectrului, permițând legăturii în sus și în jos să partajeze aceleași resurse de spectru9,10. Tehnicile de suprimare a auto-interferenței pot fi, de asemenea, utilizate pentru a crea duplexoare personalizate pentru FDD.
Anularea în sine constă de obicei din mai multe etape. Rețeaua direcțională dintre antenă și transceiver asigură primul nivel de separare între semnalele transmise și recepționate. În al doilea rând, procesarea suplimentară a semnalului analogic și digital este utilizată pentru a elimina orice zgomot intrinsec rămas în semnalul primit. Prima etapă poate folosi o antenă separată (ca în SAFE), un transformator hibrid (descris mai jos);
Problema antenelor detașate a fost deja descrisă. Circulatoarele sunt de obicei în bandă îngustă, deoarece folosesc rezonanță feromagnetică în cristal. Această tehnologie hibridă, sau Electrically Balanced Isolation (EBI), este o tehnologie promițătoare care poate fi în bandă largă și poate fi integrată pe un cip.
După cum se arată în figura de mai jos, designul frontal al antenei inteligente folosește două antene reglabile în bandă îngustă, una pentru transmisie și alta pentru recepție, și o pereche de filtre duplex cu performanță scăzută, dar reglabile. Antenele individuale nu numai că oferă o anumită izolare pasivă cu prețul pierderii de propagare între ele, dar au și lățime de bandă instantanee limitată (dar reglabilă).
Antena de transmisie funcționează eficient numai în banda de frecvență de transmisie, iar antena de recepție funcționează eficient numai în banda de frecvență de recepție. În acest caz, antena în sine acționează și ca un filtru: emisiile Tx în afara benzii sunt atenuate de antena de transmisie, iar auto-interferența în banda Tx este atenuată de antena de recepție.
Prin urmare, arhitectura necesită ca antena să fie reglabilă, ceea ce se realizează prin utilizarea unei rețele de reglare a antenei. Există unele pierderi de inserție inevitabile într-o rețea de reglare a antenei. Cu toate acestea, progresele recente ale condensatoarelor reglabile MEMS18 au îmbunătățit semnificativ calitatea acestor dispozitive, reducând astfel pierderile. Pierderea de inserție Rx este de aproximativ 3 dB, ceea ce este comparabil cu pierderile totale ale duplexorului și comutatorului SAW.
Izolarea bazată pe antenă este apoi completată de un filtru reglabil, bazat tot pe condensatori reglabili MEM3, pentru a obține o izolare de 25 dB de antenă și 25 dB de izolare de filtru. Prototipurile au demonstrat că acest lucru poate fi realizat.
Mai multe grupuri de cercetare din mediul academic și din industrie explorează utilizarea hibrizilor pentru imprimarea duplex11–16. Aceste scheme elimină pasiv SI, permițând transmisia și recepția simultană de la o singură antenă, dar izolând emițătorul și receptorul. Sunt de natură de bandă largă și pot fi implementate pe cip, ceea ce le face o opțiune atractivă pentru duplexarea frecvenței în dispozitivele mobile.
Progresele recente au arătat că transceiver-urile FDD care utilizează EBI pot fi fabricate din CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) cu pierderi de inserție, cifră de zgomot, liniaritate a receptorului și caracteristici de suprimare a blocării adecvate pentru aplicații celulare11,12,13. Cu toate acestea, așa cum demonstrează numeroase exemple din literatura academică și științifică, există o limitare fundamentală care afectează izolarea duplex.
Impedanța unei antene radio nu este fixă, ci variază în funcție de frecvența de funcționare (datorită rezonanței antenei) și timp (datorită interacțiunii cu un mediu în schimbare). Aceasta înseamnă că impedanța de echilibrare trebuie să se adapteze la schimbările de impedanță de urmărire, iar lățimea de bandă de decuplare este limitată din cauza modificărilor în domeniul frecvenței13 (vezi Figura 1).
Munca noastră de la Universitatea din Bristol se concentrează pe investigarea și abordarea acestor limitări de performanță pentru a demonstra că izolarea și debitul necesar de trimitere/primire pot fi atinse în cazuri de utilizare din lumea reală.
Pentru a depăși fluctuațiile impedanței antenei (care afectează grav izolarea), algoritmul nostru adaptiv urmărește impedanța antenei în timp real, iar testele au arătat că performanța poate fi menținută într-o varietate de medii dinamice, inclusiv interacțiunea cu mâna utilizatorului și drumul și calea ferată de mare viteză. voiaj.
În plus, pentru a depăși potrivirea limitată a antenei în domeniul frecvenței, crescând astfel lățimea de bandă și izolarea generală, combinăm un duplexer echilibrat electric cu suprimarea SI activă suplimentară, folosind un al doilea transmițător pentru a genera un semnal de suprimare pentru a suprima în continuare auto-interferența. (vezi Figura 2).
Rezultatele de pe patul nostru de testare sunt încurajatoare: atunci când este combinată cu EBD, tehnologia activă poate îmbunătăți semnificativ izolarea transmisiei și recepției, așa cum se arată în Figura 3.
Configurația finală a laboratorului nostru folosește componente pentru dispozitive mobile la preț redus (amplificatoare de putere pentru telefoane mobile și antene), ceea ce îl face reprezentativ pentru implementările de telefoane mobile. Mai mult, măsurătorile noastre arată că acest tip de respingere a auto-interferenței în două etape poate oferi izolarea duplex necesară în benzile de frecvență pe legătura ascendentă și descendentă, chiar și atunci când se utilizează echipamente de calitate comercială ieftine.
Puterea semnalului pe care o primește un dispozitiv celular la intervalul său maxim trebuie să fie cu 12 ordine de mărime mai mică decât puterea semnalului pe care o transmite. În Time Division Duplex (TDD), circuitul duplex este pur și simplu un comutator care conectează antena la emițător sau receptor, astfel încât duplexorul din TDD este un simplu comutator. În FDD, emițătorul și receptorul funcționează simultan, iar duplexorul folosește filtre pentru a izola receptorul de semnalul puternic al emițătorului.
Duplexorul din front-end-ul FDD celular oferă o izolație >~50 dB în banda uplink pentru a preveni supraîncărcarea receptorului cu semnale Tx și >~50 dB izolare în banda downlink pentru a preveni transmisia în afara benzii. Sensibilitate redusă a receptorului. În banda Rx, pierderile în căile de transmisie și recepție sunt minime.
Aceste cerințe cu pierderi reduse și izolare ridicată, în care frecvențele sunt separate doar de câteva procente, necesită filtrare cu Q mare, care până acum poate fi realizată numai folosind dispozitive cu unde acustice de suprafață (SAW) sau cu unde acustice corporale (BAW).
În timp ce tehnologia continuă să evolueze, cu progrese în mare parte datorate numărului mare de dispozitive necesare, operarea cu mai multe benzi înseamnă un filtru duplex off-chip separat pentru fiecare bandă, așa cum se arată în Figura A. Toate comutatoarele și routerele adaugă, de asemenea, funcționalități suplimentare cu penalizări de performanță și compromisuri.
Telefoanele globale accesibile, bazate pe tehnologia actuală, sunt prea greu de fabricat. Arhitectura radio rezultată va fi foarte mare, cu pierderi și costisitoare. Producătorii trebuie să creeze mai multe variante de produse pentru diferite combinații de benzi necesare în diferite regiuni, ceea ce face dificilă roamingul LTE global nelimitat. Economiile de scară care au dus la dominația GSM devin din ce în ce mai dificil de realizat.
Creșterea cererii pentru servicii mobile cu viteză mare de date a condus la implementarea rețelelor mobile 4G pe 50 de benzi de frecvență, urmând să vină și mai multe benzi pe măsură ce 5G este pe deplin definit și implementat pe scară largă. Datorită complexității interfeței RF, nu este posibil să acoperiți toate acestea într-un singur dispozitiv folosind tehnologiile actuale bazate pe filtre, așa că sunt necesare circuite RF personalizabile și reconfigurabile.
În mod ideal, este necesară o nouă abordare pentru rezolvarea problemei duplex, poate bazată pe filtre reglabile sau suprimarea auto-interferențelor, sau o combinație a ambelor.
Deși nu avem încă o singură abordare care să îndeplinească numeroasele cerințe de cost, dimensiune, performanță și eficiență, poate că piesele puzzle-ului se vor reuni și vor fi în buzunarul tău în câțiva ani.
Tehnologii precum EBD cu suprimare SI pot deschide posibilitatea de a utiliza aceeași frecvență în ambele direcții simultan, ceea ce poate îmbunătăți semnificativ eficiența spectrală.
Ora postării: 24-sept-2024