Prije deset godina, pametni telefoni su obično podržavali samo nekoliko standarda koji rade u četiri GSM frekvencijska opsega, a možda i nekoliko WCDMA ili CDMA2000 standarda. Sa tako malo frekventnih opsega za izbor, određeni stepen globalne uniformnosti je postignut sa „četvoropojasnim“ GSM telefonima, koji koriste opsege 850/900/1800/1900 MHz i mogu se koristiti bilo gde u svetu (pa, prilično).
Ovo je ogromna prednost za putnike i stvara ogromnu ekonomiju obima za proizvođače uređaja, koji trebaju objaviti samo nekoliko modela (ili možda samo jedan) za cijelo globalno tržište. Brzo naprijed do danas, GSM ostaje jedina bežična pristupna tehnologija koja pruža globalni roming. Inače, ako niste znali, GSM se postepeno gasi.
Svaki pametni telefon vrijedan tog imena mora podržavati 4G, 3G i 2G pristup sa različitim zahtjevima RF interfejsa u smislu propusnog opsega, snage odašiljanja, osjetljivosti prijemnika i mnogih drugih parametara.
Dodatno, zbog fragmentirane dostupnosti globalnog spektra, 4G standardi pokrivaju veliki broj frekvencijskih opsega, tako da ih operateri mogu koristiti na bilo kojoj frekvenciji koja je dostupna u bilo kojem području – trenutno ukupno 50 opsega, kao što je slučaj sa LTE1 standardima. Pravi “svjetski telefon” mora raditi u svim ovim okruženjima.
Ključni problem koji svaki mobilni radio mora riješiti je “dupleks komunikacija”. Kada govorimo, slušamo u isto vreme. Rani radio sistemi su koristili push-to-talk (neki i dalje koriste), ali kada razgovaramo telefonom, očekujemo da nas druga osoba prekine. Prva generacija (analognih) ćelijskih uređaja koristila je “dupleks filtere” (ili dupleksere) da primaju downlink bez da budu “omamljeni” odašiljanjem uzlazne veze na drugoj frekvenciji.
Učiniti ove filtere manjim i jeftinijim bio je veliki izazov za rane proizvođače telefona. Kada je uveden GSM, protokol je dizajniran tako da primopredajnici mogu da rade u “poludupleks režimu”.
Ovo je bio veoma pametan način da se eliminišu duplekseri, i bio je glavni faktor u pomaganju GSM-u da postane jeftina, mainstream tehnologija sposobna da dominira industrijom (i promeni način na koji ljudi komuniciraju u tom procesu).
Essential telefon Andyja Rubina, izumitelja Android operativnog sistema, ima najnovije funkcije povezivanja uključujući Bluetooth 5.0LE, različite GSM/LTE i Wi-Fi antenu skrivenu u titanijumskom okviru.
Nažalost, lekcije naučene iz rješavanja tehničkih problema brzo su zaboravljene u tehno-političkim ratovima ranih dana 3G, a trenutno dominantni oblik dupleksiranja s frekvencijskom podjelom (FDD) zahtijeva duplekser za svaki FDD opseg u kojem radi. Nema sumnje da LTE bum dolazi sa rastućim faktorima troškova.
Dok neki opsezi mogu koristiti Duplex s vremenskim podjelom, ili TDD (gdje se radio brzo prebacuje između odašiljanja i prijema), postoji manje ovih opsega. Većina operatera (osim uglavnom azijskih) preferira FDD opseg, kojih ima više od 30.
Naslijeđe TDD i FDD spektra, teškoća oslobađanja istinski globalnih opsega i pojava 5G s više opsega čine problem dupleksa još složenijim. Obećavajuće metode koje se istražuju uključuju nove dizajne zasnovane na filterima i sposobnost eliminisanja samosmetanja.
Potonje takođe sa sobom donosi donekle obećavajuću mogućnost dupleksa „bez fragmenata“ (ili „punog dupleksa u opsegu“). U budućnosti 5G mobilnih komunikacija, možda ćemo morati razmotriti ne samo FDD i TDD, već i fleksibilni dupleks baziran na ovim novim tehnologijama.
Istraživači sa Univerziteta Aalborg u Danskoj razvili su arhitekturu “Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 koja koristi (pogledajte ilustraciju na stranici 18) odvojene antene za prijenos i prijem i kombinuje ove antene sa (niskih performansi) u kombinaciji sa prilagodljivim filtriranje kako bi se postigla željena izolacija prijenosa i prijema.
Iako su performanse impresivne, potreba za dvije antene je veliki nedostatak. Kako telefoni postaju tanji i uglađeniji, prostor za antene je sve manji i manji.
Mobilni uređaji također zahtijevaju više antena za prostorno multipleksiranje (MIMO). Mobilni telefoni sa SAFE arhitekturom i 2×2 MIMO podrškom zahtijevaju samo četiri antene. Osim toga, opseg podešavanja ovih filtera i antena je ograničen.
Dakle, globalni mobilni telefoni će takođe morati da repliciraju ovu arhitekturu interfejsa da pokriju sve LTE frekventne opsege (450 MHz do 3600 MHz), što će zahtevati više antena, više antenskih tjunera i više filtera, što nas vraća na često postavljana pitanja o višepojasni rad zbog dupliciranja komponenti.
Iako se više antena može instalirati u tablet ili laptop, potreban je dalji napredak u prilagođavanju i/ili minijaturizaciji kako bi ova tehnologija bila pogodna za pametne telefone.
Električno balansirani dupleks se koristi od ranih dana žičane telefonije17. U telefonskom sistemu, mikrofon i slušalica moraju biti povezani na telefonsku liniju, ali izolovani jedan od drugog kako sopstveni glas korisnika ne bi zaglušio slabiji dolazni audio signal. To je postignuto korištenjem hibridnih transformatora prije pojave elektronskih telefona.
Dupleksno kolo prikazano na donjoj slici koristi otpornik iste vrijednosti kako bi se uskladio s impedancijom prijenosne linije tako da se struja iz mikrofona dijeli dok ulazi u transformator i teče u suprotnim smjerovima kroz primarni kalem. Magnetski fluksovi se efikasno poništavaju i struja se ne indukuje u sekundarnom kalemu, tako da je sekundarni kalem izolovan od mikrofona.
Međutim, signal iz mikrofona i dalje ide na telefonsku liniju (iako sa određenim gubitkom), a dolazni signal na telefonskoj liniji i dalje ide do zvučnika (također sa nekim gubitkom), omogućavajući dvosmjernu komunikaciju na istoj telefonskoj liniji . . Metalna žica.
Radio balansirani duplekser je sličan telefonskom duplekseru, ali umjesto mikrofona, slušalice i telefonske žice, koriste se predajnik, prijemnik i antena, kao što je prikazano na slici B.
Treći način da se predajnik izoluje od prijemnika je da se eliminišu samosmetnje (SI), na taj način oduzimajući emitovani signal od primljenog signala. Tehnike ometanja koriste se u radarima i radiodifuziji decenijama.
Na primjer, ranih 1980-ih, Plessy je razvio i plasirao na tržište proizvod zasnovan na SI kompenzaciji pod nazivom “Groundsat” kako bi proširio opseg poludupleksnih analognih FM vojnih komunikacionih mreža4-5.
Sistem djeluje kao full-duplex jednokanalni repetitor, proširujući efektivni domet poludupleks radija koji se koristi u cijelom radnom području.
Nedavno je postojao interes za suzbijanje samosmetnji, uglavnom zbog trenda komunikacija kratkog dometa (ćelijske i Wi-Fi), što čini problem potiskivanja SI lakšim za upravljanje zbog manje snage odašiljanja i veće snage prijema za potrošače. . Bežični pristup i backhaul aplikacije 6-8.
Appleov iPhone (uz pomoć Qualcomma) vjerojatno ima najbolje bežične i LTE mogućnosti na svijetu, podržavajući 16 LTE opsega na jednom čipu. To znači da je potrebno proizvesti samo dva SKU-a za pokrivanje GSM i CDMA tržišta.
U dupleks aplikacijama bez dijeljenja smetnji, suzbijanje samosmetnji može poboljšati efikasnost spektra omogućavajući uzlaznoj i silaznoj vezi da dijele iste resurse spektra9,10. Tehnike suzbijanja samosmetnji se također mogu koristiti za kreiranje prilagođenih dupleksera za FDD.
Samo otkazivanje se obično sastoji od nekoliko faza. Usmjerena mreža između antene i primopredajnika obezbjeđuje prvi nivo razdvajanja između emitovanih i primljenih signala. Drugo, dodatna analogna i digitalna obrada signala se koristi za eliminaciju bilo kakvog preostalog unutrašnjeg šuma u primljenom signalu. Prva faza može koristiti zasebnu antenu (kao u SAFE), hibridni transformator (opisan dolje);
Problem odvojenih antena je već opisan. Cirkulatori su tipično uskopojasni jer koriste feromagnetnu rezonanciju u kristalu. Ova hibridna tehnologija ili Electrically Balanced Isolation (EBI) je obećavajuća tehnologija koja može biti širokopojasna i potencijalno integrirana na čipu.
Kao što je prikazano na donjoj slici, dizajn prednjeg kraja pametne antene koristi dvije uskopojasne podesive antene, jednu za odašiljanje i jednu za prijem, i par dupleks filtera nižih performansi, ali podesivih. Pojedinačne antene ne samo da pružaju određenu pasivnu izolaciju po cijenu gubitka širenja između njih, već imaju i ograničenu (ali podesivu) trenutnu širinu pojasa.
Predajna antena efikasno radi samo u frekventnom opsegu odašiljanja, a prijemna antena efikasno radi samo u frekventnom opsegu prijema. U ovom slučaju, sama antena takođe deluje kao filter: Tx emisije van opsega su prigušene predajnom antenom, a sopstvene smetnje u Tx opsegu su prigušene prijemnom antenom.
Stoga arhitektura zahtijeva da antena bude podesiva, što se postiže korištenjem mreže za podešavanje antene. U mreži za podešavanje antene postoji neki neizbježni gubitak umetanja. Međutim, nedavni napredak u MEMS18 podesivim kondenzatorima značajno je poboljšao kvalitet ovih uređaja, smanjujući time gubitke. Gubitak umetanja Rx je približno 3 dB, što je uporedivo sa ukupnim gubicima SAW dupleksera i prekidača.
Izolacija zasnovana na anteni je zatim dopunjena podesivim filterom, takođe zasnovanim na MEM3 podesivim kondenzatorima, da bi se postigla izolacija od 25 dB od antene i 25 dB izolacija od filtera. Prototipovi su pokazali da se to može postići.
Nekoliko istraživačkih grupa u akademskoj zajednici i industriji istražuje upotrebu hibrida za dvostrano štampanje11–16. Ove šeme pasivno eliminišu SI tako što omogućavaju istovremeni prenos i prijem sa jedne antene, ali izoluju predajnik i prijemnik. Oni su po prirodi širokopojasni i mogu se implementirati na čipu, što ih čini atraktivnom opcijom za dupleksiranje frekvencija u mobilnim uređajima.
Nedavni napredak je pokazao da FDD primopredajnici koji koriste EBI mogu biti proizvedeni od CMOS (komplementarnog metal-oksidnog poluprovodnika) sa gubitkom umetanja, figurom šuma, linearnošću prijemnika i karakteristikama potiskivanja blokiranja prikladnim za ćelijske aplikacije11,12,13. Međutim, kao što brojni primjeri u akademskoj i naučnoj literaturi pokazuju, postoji fundamentalno ograničenje koje utječe na dupleksnu izolaciju.
Impedansa radio antene nije fiksna, ali varira s radnom frekvencijom (zbog rezonancije antene) i vremenom (zbog interakcije sa promjenjivim okruženjem). To znači da se impedansa balansiranja mora prilagoditi praćenju promjena impedanse, a širina pojasa razdvajanja je ograničena zbog promjena u frekvencijskom domenu13 (vidi sliku 1).
Naš rad na Univerzitetu u Bristolu fokusiran je na istraživanje i rješavanje ovih ograničenja performansi kako bismo pokazali da se potrebna izolacija slanja/prijema i propusnost mogu postići u slučajevima upotrebe u stvarnom svijetu.
Da bi se prevladale fluktuacije impedanse antene (koje ozbiljno utiču na izolaciju), naš adaptivni algoritam prati impedanciju antene u realnom vremenu, a testiranje je pokazalo da se performanse mogu održavati u različitim dinamičkim okruženjima, uključujući interakciju koju rukuje korisnik i brze ceste i željeznice. putovanja.
Dodatno, da bismo prevazišli ograničeno usklađivanje antena u frekvencijskom domenu, čime smo povećali propusni opseg i ukupnu izolaciju, kombinujemo električno balansirani duplekser sa dodatnim aktivnim SI potiskivanjem, koristeći drugi predajnik da generiše signal potiskivanja radi daljeg suzbijanja samosmetnji. (vidi sliku 2).
Rezultati sa našeg testnog polja su ohrabrujući: kada se kombinuje sa EBD, aktivna tehnologija može značajno poboljšati izolaciju odašiljanja i prijema, kao što je prikazano na slici 3.
Naša konačna laboratorijska postavka koristi jeftine komponente mobilnih uređaja (pojačala snage za mobilne telefone i antene), što ga čini reprezentativnim za implementacije mobilnih telefona. Štaviše, naša mjerenja pokazuju da ovaj tip dvostepenog odbijanja samosmetnji može obezbijediti potrebnu dupleks izolaciju u frekvencijskim opsezima uzlazne i silazne veze, čak i kada se koristi jeftina oprema komercijalnog kvaliteta.
Jačina signala koji ćelijski uređaj prima u svom maksimalnom dometu mora biti 12 redova veličine niža od jačine signala koji prenosi. U Duplexu s vremenskim podjelom (TDD), dupleks kolo je jednostavno prekidač koji povezuje antenu sa predajnikom ili prijemnikom, tako da je duplekser u TDD jednostavan prekidač. U FDD, predajnik i prijemnik rade istovremeno, a duplekser koristi filtere da izoluje prijemnik od jakog signala predajnika.
Duplekser u ćelijskom FDD prednjem dijelu pruža >~50 dB izolaciju u uzlaznom pojasu kako bi se spriječilo preopterećenje prijemnika Tx signalima i >~50 dB izolacije u donjem opsegu kako bi se spriječio prijenos van opsega. Smanjena osjetljivost prijemnika. U Rx opsegu, gubici u putevima prenosa i prijema su minimalni.
Ovi zahtjevi s malim gubicima i visokom izolacijom, gdje su frekvencije razdvojene sa samo nekoliko postotaka, zahtijevaju visokokvalitetno filtriranje, koje se do sada može postići samo korištenjem površinskih akustičnih valova (SAW) ili uređaja za akustične valove tijela (BAW).
Dok tehnologija nastavlja da se razvija, uz napredak uglavnom zbog velikog broja potrebnih uređaja, višepojasni rad znači odvojeni dupleks filter van čipa za svaki opseg, kao što je prikazano na slici A. Svi prekidači i ruteri takođe dodaju dodatnu funkcionalnost sa kazne za učinak i kompromise.
Pristupačne globalne telefone zasnovane na trenutnoj tehnologiji suviše je teško proizvesti. Rezultirajuća radijska arhitektura će biti veoma velika, sa gubicima i skupa. Proizvođači moraju kreirati više varijanti proizvoda za različite kombinacije opsega potrebnih u različitim regijama, što otežava neograničeni globalni LTE roaming. Ekonomiju obima koja je dovela do dominacije GSM-a postaje sve teže postići.
Povećana potražnja za mobilnim uslugama velike brzine prijenosa podataka dovela je do postavljanja 4G mobilnih mreža u 50 frekvencijskih opsega, s još više opsega jer je 5G potpuno definiran i široko rasprostranjen. Zbog složenosti RF interfejsa, nije moguće sve ovo pokriti u jednom uređaju koristeći trenutne tehnologije zasnovane na filterima, tako da su potrebna prilagodljiva i rekonfigurabilna RF kola.
U idealnom slučaju, potreban je novi pristup rješavanju problema dupleksa, možda zasnovan na podesivim filterima ili suzbijanju samosmetanja, ili na nekoj kombinaciji oboje.
Iako još uvijek nemamo jedinstven pristup koji zadovoljava mnoge zahtjeve u pogledu cijene, veličine, performansi i efikasnosti, možda će se dijelovi slagalice spojiti i biti u vašem džepu za nekoliko godina.
Tehnologije poput EBD-a sa supresijom SI mogu otvoriti mogućnost korištenja iste frekvencije u oba smjera istovremeno, što može značajno poboljšati spektralnu efikasnost.
Vrijeme objave: Sep-24-2024