Пред десет години, паметните телефони вообичаено поддржуваа само неколку стандарди кои работат во четирите фреквенциски опсези на GSM, а можеби и неколку стандарди WCDMA или CDMA2000. Со толку малку фреквенциски опсези за избор, одреден степен на глобална униформност е постигнат со GSM телефоните со „четири бендови“, кои ги користат опсезите 850/900/1800/1900 MHz и можат да се користат насекаде во светот (добро, доста).
Ова е огромна придобивка за патниците и создава огромни економии на обем за производителите на уреди, кои треба да пуштат само неколку модели (или можеби само еден) за целиот глобален пазар. До денес, GSM останува единствената технологија за безжичен пристап што обезбедува глобален роаминг. Патем, ако не сте знаеле, GSM постепено се укинува.
Секој паметен телефон достоен за името мора да поддржува пристап до 4G, 3G и 2G со различни барања за RF интерфејс во однос на пропусниот опсег, моќноста на преносот, чувствителноста на приемникот и многу други параметри.
Дополнително, поради фрагментираната достапност на глобалниот спектар, стандардите за 4G покриваат голем број фреквенциски опсези, така што операторите можат да ги користат на која било фреквенција достапна во која било област - моментално вкупно 50 опсези, како што е случајот со стандардите LTE1. Вистинскиот „светски телефон“ мора да работи во сите овие средини.
Клучниот проблем што секое мобилно радио мора да го реши е „дуплекс комуникација“. Кога зборуваме, слушаме во исто време. Раните радио системи користеа push-to-talk (некои сè уште го користат), но кога разговараме на телефон, очекуваме другата личност да не прекине. Првата генерација (аналогни) мобилни уреди користеа „дуплекс филтри“ (или дуплексери) за да ја примат долната врска без да бидат „зашеметени“ со пренесување на долната врска на различна фреквенција.
Да се направат овие филтри помали и поевтини беше голем предизвик за раните производители на телефони. Кога беше воведен GSM, протоколот беше дизајниран така што примопредавателите можат да работат во „полудуплекс режим“.
Ова беше многу паметен начин да се елиминираат дуплексерите и беше главен фактор во помагањето на GSM да стане евтина, мејнстрим технологија способна да доминира во индустријата (и да го промени начинот на кој луѓето комуницираа во процесот).
Телефонот Essential од Енди Рубин, изумителот на оперативниот систем Андроид, ги има најновите функции за поврзување, вклучувајќи Bluetooth 5.0LE, различни GSM/LTE и антена за Wi-Fi скриена во титаниумска рамка.
За жал, лекциите научени од решавањето на техничките проблеми беа брзо заборавени во техно-политичките војни од раните денови на 3G, а моментално доминантната форма на дуплексирање со поделба на фреквенцијата (FDD) бара дуплексер за секој опсег на FDD во кој работи. Нема сомнение дека бумот на LTE доаѓа со зголемени фактори на трошоците.
Додека некои бендови можат да користат Time Division Duplex, или TDD (каде што радиото брзо се префрла помеѓу емитување и примање), постојат помалку од овие опсези. Повеќето оператори (освен главно азиските) претпочитаат опсег на FDD, од кои има повеќе од 30.
Наследството на спектарот TDD и FDD, тешкотијата за ослободување на вистински глобални опсези и доаѓањето на 5G со повеќе опсези го прават проблемот со дуплексот уште покомплексен. Ветувачките методи кои се под истрага вклучуваат нови дизајни базирани на филтри и способност да се елиминираат самопречувањата.
Вториот, исто така, ја носи со себе донекаде ветувачката можност за „без фрагментен“ дуплекс (или „полн дуплекс во опсегот“). Во иднината на мобилните комуникации 5G, можеби ќе треба да размислиме не само за FDD и TDD, туку и за флексибилен дуплекс базиран на овие нови технологии.
Истражувачите од Универзитетот Алборг во Данска развија архитектура „Паметна антена преден крај“ (SAFE) 2-3 која користи (види илустрација на страница 18) одделни антени за пренос и прием и ги комбинира овие антени со (ниски перформанси) во комбинација со приспособливи филтрирање за да се постигне саканата изолација на пренос и прием.
Иако перформансите се импресивни, потребата од две антени е голем недостаток. Како што телефоните стануваат потенки и поелегантни, просторот што е достапен за антени станува сè помал и помал.
Мобилните уреди бараат и повеќе антени за просторно мултиплексирање (MIMO). За мобилни телефони со БЕЗБЕДНА архитектура и 2×2 MIMO поддршка се потребни само четири антени. Покрај тоа, опсегот на подесување на овие филтри и антени е ограничен.
Така, глобалните мобилни телефони исто така ќе треба да ја реплицираат оваа архитектура на интерфејс за да ги опфатат сите LTE фреквенциски опсези (450 MHz до 3600 MHz), што ќе бара повеќе антени, повеќе приемници за антени и повеќе филтри, што нè враќа на најчесто поставуваните прашања за работа со повеќе бендови поради дуплирање на компонентите.
Иако повеќе антени може да се инсталираат во таблет или лаптоп, потребен е дополнителен напредок во прилагодувањето и/или минијатуризацијата за да се направи оваа технологија погодна за паметни телефони.
Електрично избалансираниот дуплекс се користи уште од раните денови на жичната телефонија17. Во телефонскиот систем, микрофонот и слушалката мора да бидат поврзани со телефонската линија, но изолирани еден од друг, така што сопствениот глас на корисникот не го оглувува послабиот дојдовен аудио сигнал. Ова беше постигнато со користење на хибридни трансформатори пред појавата на електронските телефони.
Дуплекс колото прикажано на сликата подолу користи отпорник со иста вредност за да одговара на импедансата на далноводот, така што струјата од микрофонот се дели додека влегува во трансформаторот и тече во спротивни насоки низ примарниот калем. Магнетните текови ефективно се поништуваат и не се индуцира струја во секундарниот калем, така што секундарниот калем е изолиран од микрофонот.
Сепак, сигналот од микрофонот сè уште оди на телефонската линија (иако со одредена загуба), а дојдовниот сигнал на телефонската линија сè уште оди до звучникот (исто така со одредена загуба), што овозможува двонасочна комуникација на истата телефонска линија . . Метална жица.
Радио балансиран дуплексер е сличен на телефонски дуплексер, но наместо микрофон, слушалка и телефонска жица, се користат предавател, приемник и антена, соодветно, како што е прикажано на Слика Б.
Трет начин да се изолира предавателот од приемникот е да се елиминира самопречењето (SI), со што се одзема пренесениот сигнал од примениот сигнал. Техниките на заглавување се користат во радарите и емитувањето со децении.
На пример, во раните 1980-ти, Plessy разви и пласираше производ базиран на компензација на SI наречен „Groundsat“ за да го прошири опсегот на полудуплекс аналогни FM воени комуникациски мрежи4-5.
Системот делува како целосно дуплекс едноканален повторувач, проширувајќи го ефективниот опсег на полудуплекс радија кои се користат низ работната област.
Неодамна има интерес за сузбивање на самопречувања, главно поради трендот кон комуникации со краток домет (мобилна и Wi-Fi), што го прави проблемот со потиснувањето на SI поподостапен поради помалата моќност на пренос и поголем прием на енергија за потрошувачите. . Апликации за безжичен пристап и Backhaul 6-8.
iPhone на Apple (со помош на Qualcomm) веројатно ги има најдобрите безжични и LTE способности во светот, поддржувајќи 16 LTE опсези на еден чип. Ова значи дека треба да се произведат само две SKU за да се покријат пазарите на GSM и CDMA.
Во дуплекс апликации без споделување пречки, сузбивањето на само-пречки може да ја подобри ефикасноста на спектарот со тоа што ќе им дозволи на нагорната и надолу врската да ги делат истите ресурси на спектарот9,10. Техниките за сузбивање на самопречки може да се користат и за создавање прилагодени дуплексери за FDD.
Самото откажување обично се состои од неколку фази. Насочената мрежа помеѓу антената и трансиверот го обезбедува првото ниво на одвојување помеѓу пренесените и примените сигнали. Второ, дополнителна аналогна и дигитална обработка на сигналот се користи за да се елиминира преостанатиот внатрешен шум во примениот сигнал. Првата фаза може да користи посебна антена (како во SAFE), хибриден трансформатор (опишан подолу);
Проблемот со одвоените антени е веќе опишан. Циркулаторите се типично теснопојасни бидејќи користат феромагнетна резонанца во кристалот. Оваа хибридна технологија, или Електрично балансирана изолација (EBI), е ветувачка технологија која може да биде широкопојасен интернет и потенцијално да се интегрира на чип.
Како што е прикажано на сликата подолу, дизајнот на предниот дел на паметната антена користи две приспособливи антени со тесен опсег, една за пренос и една за примање, и пар двојни филтри со пониски перформанси, но прилагодливи. Индивидуалните антени не само што обезбедуваат одредена пасивна изолација по цена на загубата на ширење меѓу нив, туку имаат и ограничен (но прилагодлив) моментален пропусен опсег.
Антената за предавање работи ефективно само во опсегот на фреквенција на пренос, а приемната антена работи ефикасно само во опсегот на примање фреквенции. Во овој случај, самата антена исто така делува како филтер: емисиите на Tx надвор од опсегот се атенуирани од предавателната антена, а самопречењето во опсегот Tx е ослабено од приемната антена.
Затоа, архитектурата бара антената да може да се прилагоди, што се постигнува со користење на мрежа за подесување на антената. Постои неизбежна загуба при вметнување во мрежата за подесување на антената. Сепак, неодамнешниот напредок во MEMS18 прилагодливите кондензатори значително го подобрија квалитетот на овие уреди, а со тоа ги намалија загубите. Загубата на вметнувањето Rx е приближно 3 dB, што е споредливо со вкупните загуби на SAW дуплексерот и прекинувачот.
Изолацијата базирана на антена потоа се надополнува со филтер што може да се прилагоди, исто така базиран на кондензатори што можат да се прилагодат MEM3, за да се постигне изолација од 25 dB од антената и 25 dB изолација од филтерот. Прототипите покажаа дека тоа може да се постигне.
Неколку истражувачки групи во академијата и индустријата ја истражуваат употребата на хибриди за дуплекс печатење11–16. Овие шеми пасивно го елиминираат SI со тоа што овозможуваат истовремен пренос и прием од една антена, но ги изолираат предавателот и приемникот. Тие се од природата на широкопојасен интернет и може да се имплементираат на чип, што ги прави атрактивна опција за дуплексирање на фреквенцијата кај мобилните уреди.
Неодамнешните достигнувања покажаа дека FDD примопредавателите кои користат EBI може да се произведуваат од CMOS (комплементарен метален оксид полупроводник) со загуба на вметнување, бројка на бучава, линеарност на приемникот и карактеристики на блокирање потиснување погодни за мобилни апликации11,12,13. Меѓутоа, како што покажуваат бројните примери во академската и научната литература, постои фундаментално ограничување кое влијае на дуплекс изолацијата.
Импедансата на радио антената не е фиксна, но варира во зависност од работната фреквенција (поради резонанца на антената) и времето (поради интеракцијата со променливата средина). Ова значи дека балансирачката импеданса мора да се прилагоди за следење на промените на импедансата, а пропусниот опсег на раздвојување е ограничен поради промените во доменот на фреквенцијата13 (види Слика 1).
Нашата работа на Универзитетот во Бристол е фокусирана на истражување и решавање на овие ограничувања на перформансите за да покаже дека потребната изолација и пропусната моќ на испраќање/примање може да се постигнат во случаи на употреба во реалниот свет.
За да се надминат флуктуациите на импедансата на антената (кои сериозно влијаат на изолацијата), нашиот адаптивен алгоритам ја следи импедансата на антената во реално време, а тестирањето покажа дека перформансите може да се одржуваат во различни динамични средини, вклучително и интеракција од страна на корисникот и брз пат и железница патување.
Дополнително, за да се надмине ограниченото совпаѓање на антената во доменот на фреквенцијата, а со тоа да се зголеми пропусниот опсег и целокупната изолација, комбинираме електрично избалансиран дуплексер со дополнително активно потиснување на SI, користејќи втор предавател за да генерира сигнал за потиснување за дополнително да се потисне самопречењето. (види слика 2).
Резултатите од нашето тестирање се охрабрувачки: кога се комбинира со EBD, активната технологија може значително да ја подобри изолацијата на пренос и примање, како што е прикажано на Слика 3.
Нашето финално лабораториско поставување користи евтини компоненти за мобилни уреди (засилувачи на напојување на мобилни телефони и антени), што го прави претставник на имплементациите на мобилните телефони. Освен тоа, нашите мерења покажуваат дека овој тип на двостепено отфрлање на самопречки може да ја обезбеди потребната дуплекс изолација во фреквенциските опсези на горната и долната врска, дури и кога се користи евтина опрема од комерцијална класа.
Јачината на сигналот што ја добива мобилниот уред во својот максимален опсег мора да биде 12 реда пониска од јачината на сигналот што ја пренесува. Во Time Division Duplex (TDD), дуплекс колото е едноставно прекинувач што ја поврзува антената со предавателот или приемникот, така што дуплексерот во TDD е едноставен прекинувач. Во FDD, предавателот и приемникот работат истовремено, а дуплексерот користи филтри за да го изолира приемникот од силниот сигнал на предавателот.
Дуплексерот во предниот дел на мобилниот FDD обезбедува >~50 dB изолација во опсегот на нагорната врска за да се спречи преоптоварување на приемникот со Tx сигнали и >~50 dB изолација во опсегот на долната врска за да се спречи пренос надвор од опсегот. Намалена чувствителност на приемникот. Во опсегот Rx, загубите во патеките за пренос и примање се минимални.
Овие барања за ниски загуби и висока изолација, каде што фреквенциите се одвоени само за неколку проценти, бараат филтрирање со висока Q, што досега може да се постигне само со помош на уреди за површински акустични бранови (SAW) или телесни акустични бранови (BAW).
Додека технологијата продолжува да се развива, со напредок во голема мера поради големиот број потребни уреди, работењето со повеќе опсег значи посебен дуплекс филтер за секој опсег, како што е прикажано на Слика А. Сите прекинувачи и рутери исто така додаваат дополнителна функционалност со казни за извршување и компромиси.
Достапните глобални телефони базирани на актуелната технологија се премногу тешки за производство. Добиената радио архитектура ќе биде многу голема, со загуби и скапа. Производителите треба да создадат повеќе варијанти на производи за различни комбинации на опсези потребни во различни региони, што го отежнува неограничениот глобален LTE роаминг. Економиите на обем што доведоа до доминација на GSM стануваат сè потешко остварливи.
Зголемената побарувачка за мобилни услуги со голема брзина на пренос на податоци доведе до распоредување на мобилни мрежи 4G низ 50 фреквенциски опсези, со уште повеќе опсези што ќе дојдат бидејќи 5G е целосно дефиниран и широко распространет. Поради сложеноста на RF интерфејсот, не е можно сето ова да се покрие во еден уред користејќи тековни технологии базирани на филтри, па затоа се потребни приспособливи и реконфигурабилни RF кола.
Идеално, потребен е нов пристап за решавање на проблемот со дуплекс, можеби врз основа на приспособливи филтри или сузбивање на самомешање или некоја комбинација од двете.
Иако сè уште немаме единствен пристап кој ги исполнува многуте барања за цена, големина, перформанси и ефикасност, можеби парчињата од сложувалката ќе се спојат и ќе бидат во вашиот џеб за неколку години.
Технологиите како што е EBD со SI потиснување може да ја отворат можноста за користење на иста фреквенција во двете насоки истовремено, што може значително да ја подобри спектралната ефикасност.
Време на објавување: 24-ти септември 2024 година