Преди десет години смартфоните обикновено поддържаха само няколко стандарта, работещи в четирите честотни ленти на GSM, и може би няколко стандарта WCDMA или CDMA2000. С толкова малко честотни ленти, от които да избирате, е постигната известна степен на глобално унифициране с "четири-лентови" GSM телефони, които използват 850/900/1800/1900 MHz ленти и могат да се използват навсякъде по света (добре, доста).
Това е огромна полза за пътуващите и създава огромни икономии от мащаба за производителите на устройства, които трябва да пуснат само няколко модела (или може би само един) за целия глобален пазар. Бързо напред до днес, GSM остава единствената технология за безжичен достъп, която осигурява глобален роуминг. Между другото, ако не сте знаели, GSM постепенно излиза от употреба.
Всеки смартфон, достоен за това име, трябва да поддържа 4G, 3G и 2G достъп с различни изисквания за RF интерфейс по отношение на честотна лента, мощност на предаване, чувствителност на приемника и много други параметри.
Освен това, поради фрагментираната наличност на глобалния спектър, 4G стандартите покриват голям брой честотни ленти, така че операторите могат да ги използват на всякакви честоти, налични във всяка дадена област – в момента общо 50 ленти, какъвто е случаят със стандартите LTE1. Един истински „световен телефон“ трябва да работи във всички тези среди.
Ключовият проблем, който всяко клетъчно радио трябва да разреши, е „дуплексна комуникация“. Когато говорим, ние слушаме едновременно. Ранните радиосистеми използваха пряк разговор (някои все още го правят), но когато говорим по телефона, очакваме другият човек да ни прекъсне. Клетъчните устройства от първо поколение (аналогови) използват „дуплексни филтри“ (или дуплексери), за да приемат връзката надолу, без да бъдат „зашеметени“ от предаване на връзката нагоре на различна честота.
Направата на тези филтри по-малки и по-евтини беше голямо предизвикателство за първите производители на телефони. Когато GSM беше въведен, протоколът беше проектиран така, че трансивърите да могат да работят в „полудуплексен режим“.
Това беше много умен начин за премахване на дуплексерите и беше основен фактор за подпомагане на GSM да се превърне в евтина, масова технология, способна да доминира в индустрията (и да промени начина, по който хората комуникират в процеса).
Телефонът Essential от Анди Рубин, изобретателят на операционната система Android, разполага с най-новите функции за свързване, включително Bluetooth 5.0LE, различни GSM/LTE и Wi-Fi антена, скрита в титаниева рамка.
За съжаление, уроците, научени от решаването на технически проблеми, бяха бързо забравени в технологично-политическите войни в ранните дни на 3G и доминиращата в момента форма на дуплексиране с честотно разделяне (FDD) изисква дуплексер за всяка FDD лента, в която работи. Няма съмнение, че бумът на LTE идва с нарастващи фактори на разходите.
Въпреки че някои ленти могат да използват Duplex с разделяне на времето или TDD (където радиото бързо превключва между предаване и приемане), съществуват по-малко от тези ленти. Повечето оператори (с изключение главно на азиатските) предпочитат гамата FDD, от която има повече от 30.
Наследството на TDD и FDD спектъра, трудността да се освободят наистина глобални ленти и появата на 5G с повече ленти правят проблема с дуплекса още по-сложен. Обещаващите методи, които се изследват, включват нови дизайни, базирани на филтри, и способността за премахване на самонамесата.
Последното също носи със себе си донякъде обещаващата възможност за „безфрагментен“ дуплекс (или „пълен дуплекс в лентата“). В бъдещето на 5G мобилните комуникации може да се наложи да обмислим не само FDD и TDD, но и гъвкав дуплекс, базиран на тези нови технологии.
Изследователи от университета в Олборг в Дания са разработили архитектура „Smart Antenna Front End“ (SAFE)2-3, която използва (вижте илюстрацията на страница 18) отделни антени за предаване и приемане и комбинира тези антени с (ниска производителност) в комбинация с персонализирани филтриране за постигане на желаната изолация на предаване и приемане.
Въпреки че производителността е впечатляваща, необходимостта от две антени е голям недостатък. Тъй като телефоните стават по-тънки и по-елегантни, наличното пространство за антени става все по-малко и по-малко.
Мобилните устройства също изискват множество антени за пространствено мултиплексиране (MIMO). Мобилните телефони с SAFE архитектура и поддръжка на 2×2 MIMO изискват само четири антени. Освен това обхватът на настройка на тези филтри и антени е ограничен.
Така че глобалните мобилни телефони също ще трябва да копират тази интерфейсна архитектура, за да покрият всички LTE честотни ленти (450 MHz до 3600 MHz), което ще изисква повече антени, повече антенни тунери и повече филтри, което ни връща към често задаваните въпроси относно многолентова работа поради дублиране на компоненти.
Въпреки че повече антени могат да бъдат инсталирани в таблет или лаптоп, е необходим допълнителен напредък в персонализирането и/или миниатюризацията, за да стане тази технология подходяща за смартфони.
Електрически балансираният дуплекс се използва от ранните дни на жичната телефония17. В една телефонна система микрофонът и слушалката трябва да бъдат свързани към телефонната линия, но изолирани един от друг, така че собственият глас на потребителя да не заглушава по-слабия входящ аудио сигнал. Това беше постигнато с помощта на хибридни трансформатори преди появата на електронните телефони.
Дуплексната верига, показана на фигурата по-долу, използва резистор със същата стойност, за да съответства на импеданса на предавателната линия, така че токът от микрофона да се разделя, когато влиза в трансформатора, и да тече в противоположни посоки през първичната намотка. Магнитните потоци ефективно се елиминират и във вторичната намотка не се индуцира ток, така че вторичната намотка е изолирана от микрофона.
Сигналът от микрофона обаче все още отива към телефонната линия (макар и с известна загуба), а входящият сигнал по телефонната линия все още отива към високоговорителя (също с известна загуба), което позволява двупосочна комуникация по същата телефонна линия . . Метална тел.
Радиобалансираният дуплексер е подобен на телефонния дуплексер, но вместо микрофон, слушалка и телефонен проводник се използват съответно предавател, приемник и антена, както е показано на фигура B.
Трети начин за изолиране на предавателя от приемника е да се елиминира самосмущението (SI), като по този начин се извади предаваният сигнал от получения сигнал. Техниките за заглушаване се използват в радарите и радиоразпръскването от десетилетия.
Например, в началото на 1980-те, Plessy разработи и пусна на пазара продукт, базиран на SI компенсация, наречен „Groundsat“, за да разшири обхвата на полудуплексни аналогови FM военни комуникационни мрежи4-5.
Системата действа като пълнодуплексен едноканален повторител, разширявайки ефективния обхват на полудуплексните радиостанции, използвани в цялата работна зона.
Напоследък има интерес към потискането на самосмущението, главно поради тенденцията към комуникации с малък обсег (клетъчни и Wi-Fi), което прави проблема с потискането на SI по-управляем поради по-ниската мощност на предаване и по-високата мощност на приемане за потребителска употреба . Приложения за безжичен достъп и пренос 6-8.
IPhone на Apple (с помощта на Qualcomm) може би има най-добрите безжични и LTE възможности в света, поддържайки 16 LTE ленти на един чип. Това означава, че трябва да бъдат произведени само два SKU, за да покрият пазарите на GSM и CDMA.
В дуплексни приложения без споделяне на смущения, потискането на собствените смущения може да подобри ефективността на спектъра, като позволи на връзката нагоре и надолу да споделят едни и същи ресурси на спектъра9,10. Техниките за потискане на самонамесата могат също да се използват за създаване на потребителски дуплексери за FDD.
Самото анулиране обикновено се състои от няколко етапа. Насочената мрежа между антената и трансивъра осигурява първото ниво на разделяне между предаваните и приеманите сигнали. Второ, допълнителна аналогова и цифрова обработка на сигнала се използва за елиминиране на останалия присъщ шум в получения сигнал. Първият етап може да използва отделна антена (както в SAFE), хибриден трансформатор (описан по-долу);
Проблемът с разкачените антени вече е описан. Циркулаторите обикновено са теснолентови, защото използват феромагнитен резонанс в кристала. Тази хибридна технология или Electrically Balanced Isolation (EBI) е обещаваща технология, която може да бъде широколентова и потенциално интегрирана в чип.
Както е показано на фигурата по-долу, дизайнът на предния край на интелигентната антена използва две теснолентови регулируеми антени, една за предаване и една за приемане, и двойка по-нископроизводителни, но регулируеми дуплексни филтри. Индивидуалните антени не само осигуряват известна пасивна изолация с цената на загуба на разпространение между тях, но също така имат ограничена (но регулируема) моментна честотна лента.
Предавателната антена работи ефективно само в честотната лента на предаване, а приемната антена работи ефективно само в честотната лента на приемане. В този случай самата антена също действа като филтър: излъчванията Tx извън обхвата се отслабват от предавателната антена, а собствените смущения в обхвата Tx се отслабват от приемащата антена.
Следователно архитектурата изисква антената да може да се настройва, което се постига чрез използване на мрежа за настройка на антената. Има някои неизбежни вмъкнати загуби в мрежата за настройка на антената. Въпреки това, скорошният напредък в регулируемите кондензатори MEMS18 значително подобри качеството на тези устройства, като по този начин намали загубите. Вмъкнатата загуба на Rx е приблизително 3 dB, което е сравнимо с общите загуби на SAW дуплексера и превключвателя.
Базираната на антената изолация след това се допълва от регулируем филтър, също базиран на регулируеми кондензатори MEM3, за постигане на 25 dB изолация от антената и 25 dB изолация от филтъра. Прототипите са показали, че това може да се постигне.
Няколко изследователски групи в академичните среди и индустрията проучват използването на хибриди за двустранен печат11–16. Тези схеми пасивно елиминират SI, като позволяват едновременно предаване и приемане от една антена, но изолират предавателя и приемника. Те са широколентови по природа и могат да бъдат внедрени върху чип, което ги прави привлекателна опция за честотен дуплекс в мобилни устройства.
Последните постижения показаха, че FDD трансивърите, използващи EBI, могат да бъдат произведени от CMOS (допълнителен металооксиден полупроводник) с вмъкнати загуби, шумова фигура, линейност на приемника и характеристики на потискане на блокиране, подходящи за клетъчни приложения11,12,13. Въпреки това, както демонстрират многобройни примери в академичната и научна литература, съществува фундаментално ограничение, засягащо дуплексната изолация.
Импедансът на радиоантената не е фиксиран, а варира в зависимост от работната честота (поради резонанса на антената) и времето (поради взаимодействието с променящата се среда). Това означава, че импедансът на балансиране трябва да се адаптира, за да следи промените на импеданса, а честотната лента на отделяне е ограничена поради промени в честотната област13 (вижте Фигура 1).
Нашата работа в Университета на Бристол е фокусирана върху изследването и справянето с тези ограничения на производителността, за да покажем, че необходимата изолация на изпращане/получаване и пропускателна способност могат да бъдат постигнати в реални случаи на употреба.
За да се преодолеят колебанията на импеданса на антената (които сериозно засягат изолацията), нашият адаптивен алгоритъм проследява импеданса на антената в реално време и тестването показа, че производителността може да се поддържа в различни динамични среди, включително взаимодействие с ръка на потребителя и високоскоростни пътища и железопътни линии пътуване.
Освен това, за да преодолеем ограниченото съвпадение на антената в честотната област, като по този начин увеличим честотната лента и цялостната изолация, ние комбинираме електрически балансиран дуплексер с допълнително активно SI потискане, използвайки втори предавател за генериране на потискащ сигнал за допълнително потискане на самосмущението. (вижте Фигура 2).
Резултатите от нашия тестов стенд са окуражаващи: когато се комбинира с EBD, активната технология може значително да подобри изолацията на предаване и приемане, както е показано на фигура 3.
Нашата окончателна лабораторна настройка използва евтини компоненти за мобилни устройства (усилватели и антени на клетъчни телефони), което я прави представителна за внедряването на мобилни телефони. Освен това, нашите измервания показват, че този тип двустепенно отхвърляне на самосмущение може да осигури необходимата дуплексна изолация в честотните ленти на връзката нагоре и надолу, дори когато се използва евтино оборудване от търговски клас.
Силата на сигнала, който клетъчното устройство получава при максималния си обхват, трябва да бъде с 12 порядъка по-ниска от силата на сигнала, който предава. В Duplex с разделение по време (TDD) дуплексната верига е просто превключвател, който свързва антената с предавателя или приемника, така че дуплексерът в TDD е обикновен превключвател. При FDD предавателят и приемникът работят едновременно, а дуплексерът използва филтри, за да изолира приемника от силния сигнал на предавателя.
Дуплексерът в предния край на клетъчния FDD осигурява >~50 dB изолация в лентата на връзката нагоре, за да се предотврати претоварването на приемника с Tx сигнали, и >~50 dB изолация в лентата на връзката надолу, за да се предотврати предаване извън лентата. Намалена чувствителност на приемника. В обхвата Rx загубите в пътищата на предаване и приемане са минимални.
Тези изисквания за ниски загуби и висока изолация, където честотите са разделени само с няколко процента, изискват филтриране с висока Q, което засега може да се постигне само с помощта на устройства с повърхностна акустична вълна (SAW) или телесна акустична вълна (BAW).
Докато технологията продължава да се развива, като напредъкът се дължи до голяма степен на големия брой необходими устройства, многолентовата работа означава отделен дуплексен филтър извън чипа за всяка лента, както е показано на Фигура A. Всички комутатори и рутери също добавят допълнителна функционалност с наказания за изпълнение и компромиси.
Достъпните глобални телефони, базирани на сегашната технология, са твърде трудни за производство. Получената радиоархитектура ще бъде много голяма, със загуби и скъпа. Производителите трябва да създават множество варианти на продукти за различни комбинации от ленти, необходими в различни региони, което затруднява неограничения глобален LTE роуминг. Икономиите от мащаба, довели до доминирането на GSM, стават все по-трудни за постигане.
Нарастващото търсене на мобилни услуги с висока скорост на данни доведе до внедряването на 4G мобилни мрежи в 50 честотни ленти, с още повече честотни ленти, тъй като 5G е напълно дефинирана и широко разпространена. Поради сложността на RF интерфейса, не е възможно да се покрие всичко това в едно устройство, използвайки настоящите технологии, базирани на филтър, така че са необходими персонализирани и преконфигурируеми RF вериги.
В идеалния случай е необходим нов подход за решаване на дуплексния проблем, може би въз основа на регулируеми филтри или потискане на самосмущенията, или комбинация от двете.
Въпреки че все още нямаме единен подход, който да отговаря на многото изисквания за цена, размер, производителност и ефективност, може би парчетата от пъзела ще се съберат и ще бъдат в джоба ви след няколко години.
Технологии като EBD с потискане на SI могат да отворят възможността за използване на една и съща честота в двете посоки едновременно, което може значително да подобри спектралната ефективност.
Време на публикуване: 24 септември 2024 г