Před deseti lety smartphony obvykle podporovaly pouze několik standardů pracujících ve čtyřech frekvenčních pásmech GSM a možná několik standardů WCDMA nebo CDMA2000. S tak malým počtem frekvenčních pásem na výběr bylo dosaženo určitého stupně globální jednotnosti u „čtyřpásmových“ GSM telefonů, které využívají pásma 850/900/1800/1900 MHz a lze je používat kdekoli na světě (dobře, docela hodně).
To je obrovský přínos pro cestovatele a vytváří obrovské úspory z rozsahu pro výrobce zařízení, kterým stačí vydat několik modelů (nebo možná jen jeden) pro celý globální trh. Rychle vpřed k dnešku zůstává GSM jedinou technologií bezdrátového přístupu, která poskytuje globální roaming. Mimochodem, pokud jste to nevěděli, GSM se postupně vyřazuje.
Každý smartphone hodný toho jména musí podporovat přístup 4G, 3G a 2G s různými požadavky na RF rozhraní, pokud jde o šířku pásma, vysílací výkon, citlivost přijímače a mnoho dalších parametrů.
Navíc kvůli roztříštěné dostupnosti globálního spektra pokrývají standardy 4G velký počet frekvenčních pásem, takže je operátoři mohou používat na libovolných frekvencích dostupných v dané oblasti – v současnosti celkem 50 pásem, jako je tomu u standardů LTE1. Skutečný „světový telefon“ musí fungovat ve všech těchto prostředích.
Klíčovým problémem, který musí vyřešit každé mobilní rádio, je „duplexní komunikace“. Když mluvíme, zároveň nasloucháme. Dřívější rádiové systémy používaly push-to-talk (některé stále používají), ale když mluvíme po telefonu, očekáváme, že nás druhá osoba vyruší. První generace (analogových) celulárních zařízení používala „duplexní filtry“ (nebo duplexery) pro příjem sestupné linky, aniž by byla „omráčena“ vysíláním uplinku na jiné frekvenci.
Udělat tyto filtry menší a levnější bylo velkou výzvou pro rané výrobce telefonů. Když byl zaveden GSM, protokol byl navržen tak, aby transceivery mohly pracovat v „polovičním duplexním režimu“.
Byl to velmi chytrý způsob, jak eliminovat duplexery, a byl to hlavní faktor, který pomohl GSM stát se nízkonákladovou, mainstreamovou technologií schopnou ovládnout průmysl (a změnit způsob, jakým lidé v tomto procesu komunikovali).
Telefon Essential od Andyho Rubina, vynálezce operačního systému Android, nabízí nejnovější funkce konektivity včetně Bluetooth 5.0LE, různých GSM/LTE a Wi-Fi antény ukryté v titanovém rámu.
Bohužel, lekce z řešení technických problémů byly rychle zapomenuty v techno-politických válkách raných dob 3G a v současnosti dominantní forma frekvenčně děleného duplexu (FDD) vyžaduje duplexer pro každé FDD pásmo, ve kterém funguje. Není pochyb o tom, že boom LTE přichází s rostoucími nákladovými faktory.
I když některá pásma mohou používat duplex s časovým dělením nebo TDD (kde rádio rychle přepíná mezi vysíláním a příjmem), existuje méně těchto pásem. Většina operátorů (kromě hlavně asijských) preferuje řadu FDD, kterých je více než 30.
Dědictví spektra TDD a FDD, potíže s uvolněním skutečně globálních pásem a nástup 5G s více pásmy činí problém duplexu ještě složitějším. Mezi slibné zkoumané metody patří nové konstrukce založené na filtrech a schopnost eliminovat vlastní rušení.
Ten s sebou také přináší poněkud slibnou možnost „bezfragmentového“ duplexu (nebo „in-band full duplex“). V budoucnosti mobilních komunikací 5G možná budeme muset uvažovat nejen o FDD a TDD, ale také o flexibilním duplexu založeném na těchto nových technologiích.
Výzkumníci z Aalborgské univerzity v Dánsku vyvinuli architekturu „Smart Antenna Front End“ (SAFE)2-3, která používá (viz obrázek na straně 18) samostatné antény pro vysílání a příjem a kombinuje tyto antény s (nízkým výkonem) v kombinaci s přizpůsobitelnými anténami. filtrování pro dosažení požadované izolace vysílání a příjmu.
Zatímco výkon je působivý, potřeba dvou antén je velkou nevýhodou. Jak jsou telefony tenčí a uhlazenější, prostor pro antény je stále menší a menší.
Mobilní zařízení také vyžadují více antén pro prostorové multiplexování (MIMO). Mobilní telefony s architekturou SAFE a podporou 2×2 MIMO vyžadují pouze čtyři antény. Kromě toho je rozsah ladění těchto filtrů a antén omezený.
Globální mobilní telefony tedy také budou muset replikovat tuto architekturu rozhraní, aby pokryla všechna frekvenční pásma LTE (450 MHz až 3600 MHz), což bude vyžadovat více antén, více anténních tunerů a více filtrů, což nás přivádí zpět k často kladeným otázkám vícepásmový provoz díky duplikaci komponent.
Přestože lze do tabletu nebo notebooku nainstalovat více antén, je zapotřebí dalšího pokroku v přizpůsobení a/nebo miniaturizaci, aby byla tato technologie vhodná pro chytré telefony.
Elektricky vyvážený duplex se používá od počátků telefonie po drátě17. V telefonním systému musí být mikrofon a sluchátko připojeny k telefonní lince, ale vzájemně izolované, aby vlastní hlas uživatele neohlušil slabší příchozí zvukový signál. Toho bylo dosaženo pomocí hybridních transformátorů před příchodem elektronických telefonů.
Duplexní obvod znázorněný na obrázku níže používá rezistor stejné hodnoty, aby odpovídal impedanci přenosového vedení, takže proud z mikrofonu se při vstupu do transformátoru rozděluje a proudí v opačných směrech primární cívkou. Magnetické toky jsou účinně rušeny a v sekundární cívce se neindukuje žádný proud, takže sekundární cívka je izolována od mikrofonu.
Signál z mikrofonu však stále jde do telefonní linky (i když s určitou ztrátou) a příchozí signál na telefonní lince stále jde do reproduktoru (také s určitou ztrátou), což umožňuje obousměrnou komunikaci na stejné telefonní lince. . . Kovový drát.
Rádiově vyvážený duplexer je podobný telefonnímu duplexeru, ale místo mikrofonu, sluchátka a telefonního drátu je použit vysílač, přijímač a anténa, jak je znázorněno na obrázku B.
Třetím způsobem, jak izolovat vysílač od přijímače, je eliminovat vlastní rušení (SI), a tím odečíst vysílaný signál od přijímaného signálu. Techniky rušení se používají v radaru a vysílání po celá desetiletí.
Například na počátku 80. let Plessy vyvinul a uvedl na trh produkt založený na kompenzaci SI nazvaný „Groundsat“, aby rozšířil řadu poloduplexních analogových FM vojenských komunikačních sítí4-5.
Systém funguje jako plně duplexní jednokanálový opakovač, který rozšiřuje efektivní dosah poloduplexních rádií používaných v celé pracovní oblasti.
V poslední době se objevil zájem o potlačení vlastního rušení, hlavně kvůli trendu ke komunikaci na krátkou vzdálenost (mobilní a Wi-Fi), díky čemuž je problém potlačení SI lépe zvládnutelný díky nižšímu vysílacímu výkonu a vyššímu příjmu energie pro spotřebitelské použití. . Bezdrátový přístup a aplikace Backhaul 6-8.
Apple iPhone (s pomocí Qualcommu) má pravděpodobně nejlepší bezdrátové a LTE schopnosti na světě, podporuje 16 LTE pásem na jednom čipu. To znamená, že pro pokrytí trhů GSM a CDMA je třeba vyrobit pouze dvě SKU.
V duplexních aplikacích bez sdílení rušení může potlačení vlastního rušení zlepšit účinnost spektra tím, že umožní, aby uplink a downlink sdílely stejné zdroje spektra9,10. Techniky potlačení autointerference lze také použít k vytvoření vlastních duplexerů pro FDD.
Samotné zrušení se obvykle skládá z několika fází. Směrová síť mezi anténou a transceiverem poskytuje první úroveň oddělení mezi vysílanými a přijímanými signály. Za druhé, další analogové a digitální zpracování signálu se používá k odstranění jakéhokoli zbývajícího vnitřního šumu v přijímaném signálu. První stupeň může používat samostatnou anténu (jako v SAFE), hybridní transformátor (popsaný níže);
Problém odlepených antén již byl popsán. Cirkulátory jsou typicky úzkopásmové, protože využívají feromagnetickou rezonanci v krystalu. Tato hybridní technologie, neboli Electrically Balanced Isolation (EBI), je slibná technologie, která může být širokopásmová a potenciálně integrovaná na čip.
Jak je znázorněno na obrázku níže, návrh předního konce inteligentní antény používá dvě úzkopásmové laditelné antény, jednu pro vysílání a jednu pro příjem, a pár méně výkonných, ale laditelných duplexních filtrů. Jednotlivé antény poskytují nejen určitou pasivní izolaci za cenu ztráty šíření mezi nimi, ale mají také omezenou (ale laditelnou) okamžitou šířku pásma.
Vysílací anténa pracuje efektivně pouze ve vysílacím frekvenčním pásmu a přijímací anténa funguje efektivně pouze v přijímacím frekvenčním pásmu. V tomto případě samotná anténa funguje také jako filtr: mimopásmové Tx emise jsou tlumeny vysílací anténou a vlastní rušení v Tx pásmu je tlumeno přijímací anténou.
Architektura proto vyžaduje, aby byla anténa laditelná, čehož je dosaženo použitím sítě pro ladění antény. V síti ladění antény dochází k určité nevyhnutelné ztrátě vložení. Nedávné pokroky v laditelných kondenzátorech MEMS18 však výrazně zlepšily kvalitu těchto zařízení, čímž se snížily ztráty. Vložný útlum Rx je přibližně 3 dB, což je srovnatelné s celkovými ztrátami SAW duplexeru a přepínače.
Izolaci na bázi antény pak doplňuje laditelný filtr, rovněž založený na laditelných kondenzátorech MEM3, pro dosažení 25 dB izolace od antény a 25 dB izolace od filtru. Prototypy ukázaly, že toho lze dosáhnout.
Několik výzkumných skupin v akademické sféře a průmyslu zkoumá použití hybridů pro oboustranný tisk11–16. Tato schémata pasivně eliminují SI tím, že umožňují současné vysílání a příjem z jediné antény, ale izolují vysílač a přijímač. Mají širokopásmovou povahu a lze je implementovat na čipu, což z nich činí atraktivní možnost pro frekvenční duplex v mobilních zařízeních.
Nedávné pokroky ukázaly, že FDD transceivery využívající EBI mohou být vyrobeny z CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) s vložným útlumem, šumovým číslem, linearitou přijímače a charakteristikami potlačení blokování vhodnými pro mobilní aplikace11,12,13. Jak však ukazuje řada příkladů v akademické a vědecké literatuře, existuje zásadní omezení ovlivňující duplexní izolaci.
Impedance rádiové antény není pevná, ale mění se s provozní frekvencí (v důsledku rezonance antény) a časem (v důsledku interakce s měnícím se prostředím). To znamená, že vyrovnávací impedance se musí přizpůsobit změnám impedance a šířka pásma oddělení je omezena v důsledku změn ve frekvenční oblasti13 (viz obrázek 1).
Naše práce na univerzitě v Bristolu se zaměřuje na zkoumání a řešení těchto omezení výkonu, abychom prokázali, že požadované izolace odesílání a příjmu a propustnosti lze dosáhnout v případech použití v reálném světě.
Abychom překonali kolísání impedance antény (které vážně ovlivňují izolaci), náš adaptivní algoritmus sleduje impedanci antény v reálném čase a testování ukázalo, že výkon lze udržet v různých dynamických prostředích, včetně interakce uživatele a vysokorychlostní silnice a železnice. cestovat.
Kromě toho, abychom překonali omezené přizpůsobení antény ve frekvenční doméně, a tím zvýšili šířku pásma a celkovou izolaci, kombinujeme elektricky vyvážený duplexer s dodatečným aktivním potlačením SI pomocí druhého vysílače pro generování signálu potlačení pro další potlačení vlastního rušení. (viz obrázek 2).
Výsledky z našeho testovacího prostředí jsou povzbudivé: v kombinaci s EBD může aktivní technologie výrazně zlepšit izolaci vysílání a příjmu, jak je znázorněno na obrázku 3.
Naše finální nastavení laboratoře využívá levné komponenty mobilních zařízení (výkonové zesilovače mobilních telefonů a antény), díky čemuž je reprezentativní pro implementace mobilních telefonů. Naše měření navíc ukazují, že tento typ dvoustupňového potlačení vlastního rušení může poskytnout požadovanou duplexní izolaci ve frekvenčních pásmech uplinku a downlinku, a to i při použití levného zařízení komerční úrovně.
Síla signálu, kterou mobilní zařízení přijímá ve svém maximálním dosahu, musí být o 12 řádů nižší než síla signálu, kterou vysílá. V duplexu s časovým dělením (TDD) je duplexní obvod jednoduše přepínač, který připojuje anténu k vysílači nebo přijímači, takže duplexer v TDD je jednoduchý přepínač. V FDD vysílač a přijímač pracují současně a duplexer používá filtry k izolaci přijímače od silného signálu vysílače.
Duplexer v celulárním FDD frontendu poskytuje >~50 dB izolaci v uplinkovém pásmu, aby se zabránilo přetížení přijímače Tx signály, a >~50 dB izolaci v downlinkovém pásmu, aby se zabránilo přenosu mimo pásmo. Snížená citlivost přijímače. V pásmu Rx jsou ztráty ve vysílacích a přijímacích cestách minimální.
Tyto požadavky s nízkou ztrátou a vysokou izolací, kde jsou frekvence odděleny pouze několika procenty, vyžadují vysoce kvalitní filtraci, které lze zatím dosáhnout pouze pomocí zařízení s povrchovou akustickou vlnou (SAW) nebo tělesnou akustickou vlnou (BAW).
Zatímco se technologie neustále vyvíjí, přičemž pokroky jsou do značné míry způsobeny velkým počtem požadovaných zařízení, vícepásmový provoz znamená samostatný off-chip duplexní filtr pro každé pásmo, jak je znázorněno na obrázku A. Všechny přepínače a směrovače také přidávají další funkce s výkonnostní tresty a kompromisy.
Cenově dostupné globální telefony založené na současné technologii jsou příliš náročné na výrobu. Výsledná rádiová architektura bude velmi velká, ztrátová a drahá. Výrobci musí vytvořit více variant produktů pro různé kombinace pásem potřebných v různých regionech, což ztěžuje neomezený globální LTE roaming. Dosažení úspor z rozsahu, které vedly k dominanci GSM, je stále obtížnější.
Rostoucí poptávka po vysokorychlostních mobilních službách vedla k nasazení mobilních sítí 4G v 50 frekvenčních pásmech, přičemž s tím, jak bude 5G plně definováno a široce zavedeno, přibude ještě více pásem. Vzhledem ke složitosti RF rozhraní není možné toto vše pokrýt v jediném zařízení pomocí současných technologií založených na filtrech, takže jsou nutné přizpůsobitelné a rekonfigurovatelné RF obvody.
V ideálním případě je zapotřebí nový přístup k řešení duplexního problému, možná založený na laditelných filtrech nebo potlačení vlastního rušení nebo na nějaké kombinaci obojího.
I když zatím nemáme jediný přístup, který by vyhovoval mnoha požadavkům na cenu, velikost, výkon a efektivitu, možná se kousky skládačky za pár let sejdou a budete je mít v kapse.
Technologie jako EBD s potlačením SI mohou otevřít možnost využití stejné frekvence v obou směrech současně, což může výrazně zlepšit spektrální účinnost.
Čas odeslání: 24. září 2024