Prije deset godina pametni telefoni obično su podržavali samo nekoliko standarda koji rade u četiri GSM frekvencijska pojasa, a možda i nekoliko WCDMA ili CDMA2000 standarda. Uz tako malo frekvencijskih pojaseva za odabir, određeni stupanj globalne ujednačenosti postignut je s "četveropojasnim" GSM telefonima, koji koriste pojaseve 850/900/1800/1900 MHz i mogu se koristiti bilo gdje u svijetu (dobro, prilično).
To je ogromna korist za putnike i stvara veliku ekonomiju razmjera za proizvođače uređaja, koji trebaju objaviti samo nekoliko modela (ili možda samo jedan) za cijelo globalno tržište. Brzo naprijed do danas, GSM ostaje jedina tehnologija bežičnog pristupa koja omogućuje globalni roaming. Usput, ako niste znali, GSM se postupno gasi.
Svaki pametni telefon vrijedan tog imena mora podržavati 4G, 3G i 2G pristup s različitim zahtjevima RF sučelja u smislu propusnosti, snage odašiljanja, osjetljivosti prijemnika i mnogih drugih parametara.
Dodatno, zbog fragmentirane dostupnosti globalnog spektra, 4G standardi pokrivaju velik broj frekvencijskih pojasa, tako da ih operateri mogu koristiti na svim frekvencijama dostupnim u bilo kojem području – trenutno ukupno 50 pojasa, kao što je slučaj s LTE1 standardima. Pravi "svjetski telefon" mora raditi u svim tim okruženjima.
Ključni problem koji svaki mobilni radio mora riješiti je "duplex komunikacija". Kada govorimo, u isto vrijeme slušamo. Rani radio sustavi koristili su push-to-talk (neki ga još uvijek koriste), ali kada razgovaramo telefonom, očekujemo da će nas druga osoba prekinuti. Prva generacija (analognih) mobilnih uređaja koristila je "dupleksne filtre" (ili dupleksere) za primanje silazne veze bez "ošamućivanja" odašiljanjem uzlazne veze na drugoj frekvenciji.
Učiniti te filtere manjim i jeftinijim bio je veliki izazov za prve proizvođače telefona. Kada je GSM uveden, protokol je dizajniran tako da primopredajnici mogu raditi u "half duplex modu".
Ovo je bio vrlo pametan način da se eliminiraju duplekseri i bio je glavni čimbenik koji je pomogao GSM-u da postane jeftina, mainstream tehnologija sposobna dominirati industrijom (i promijeniti način na koji ljudi komuniciraju u tom procesu).
Essential telefon Andyja Rubina, izumitelja operativnog sustava Android, ima najnovije značajke povezivanja uključujući Bluetooth 5.0LE, razne GSM/LTE i Wi-Fi antenu skrivenu u titanskom okviru.
Nažalost, lekcije naučene iz rješavanja tehničkih problema brzo su zaboravljene u tehno-političkim ratovima ranih dana 3G-a, a trenutno dominantni oblik dupleksiranja s frekvencijskom podjelom (FDD) zahtijeva duplekser za svaki FDD pojas u kojem radi. Nema sumnje da procvat LTE dolazi s rastućim čimbenicima troškova.
Dok neki pojasevi mogu koristiti Duplex s vremenskim dijeljenjem ili TDD (gdje se radio brzo prebacuje između odašiljanja i primanja), postoji manje takvih pojaseva. Većina operatera (osim uglavnom azijskih) preferira raspon FDD, kojih ima više od 30.
Naslijeđe TDD i FDD spektra, poteškoće u oslobađanju istinski globalnih pojaseva i pojava 5G s više opsega čine problem dupleksa još složenijim. Obećavajuće metode koje se istražuju uključuju nove dizajne temeljene na filtrima i mogućnost uklanjanja samosmetnji.
Potonji također sa sobom donosi donekle obećavajuću mogućnost dupleksa bez fragmenata (ili dupleksa unutar pojasa). U budućnosti 5G mobilnih komunikacija možda ćemo morati uzeti u obzir ne samo FDD i TDD, već i fleksibilni dupleks temeljen na ovim novim tehnologijama.
Istraživači sa Sveučilišta 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 kombinira te antene s (niskim performansama) u kombinaciji s prilagodljivim filtriranje kako bi se postigla željena izolacija prijenosa i prijema.
Iako su performanse impresivne, potreba za dvije antene veliki je nedostatak. Kako telefoni postaju tanji i elegantniji, prostor dostupan za antene postaje sve manji i manji.
Mobilni uređaji također zahtijevaju više antena za prostorno multipleksiranje (MIMO). Mobilni telefoni SAFE arhitekture i 2×2 MIMO podrške zahtijevaju samo četiri antene. Osim toga, raspon ugađanja ovih filtara i antena je ograničen.
Stoga će globalni mobilni telefoni također morati replicirati ovu arhitekturu sučelja kako bi pokrili sve LTE frekvencijske pojaseve (450 MHz do 3600 MHz), što će zahtijevati više antena, više antenskih tunera i više filtara, što nas vraća na često postavljana pitanja o višepojasni rad zbog dupliciranja komponenti.
Iako se u tablet ili prijenosno računalo može instalirati više antena, potreban je daljnji napredak u prilagodbi i/ili minijaturizaciji kako bi ova tehnologija bila prikladna za pametne telefone.
Električno balansirani dupleks se koristi od ranih dana žičane telefonije17. U telefonskom sustavu mikrofon i slušalica moraju biti spojeni na telefonsku liniju, ali međusobno izolirani kako vlastiti glas korisnika ne bi zaglušio slabiji dolazni audio signal. To je postignuto korištenjem hibridnih transformatora prije pojave elektroničkih telefona.
Dupleksni krug prikazan na donjoj slici koristi otpornik iste vrijednosti za usklađivanje impedancije dalekovoda tako da se struja iz mikrofona razdvaja dok ulazi u transformator i teče u suprotnim smjerovima kroz primarnu zavojnicu. Magnetski tokovi se učinkovito poništavaju i u sekundarnoj zavojnici se ne inducira struja, tako da je sekundarna zavojnica izolirana od mikrofona.
Međutim, signal iz mikrofona i dalje ide do telefonske linije (iako uz određeni gubitak), a dolazni signal na telefonskoj liniji i dalje ide do zvučnika (također uz određeni gubitak), omogućujući dvosmjernu komunikaciju na istoj telefonskoj liniji . . Metalna žica.
Radio balansirani duplekser sličan je telefonskom duplekseru, ali umjesto mikrofona, slušalice i telefonske žice koriste se odašiljač, prijemnik i antena, kao što je prikazano na slici B.
Treći način izolacije odašiljača od prijamnika je eliminacija samosmetnji (SI), čime se oduzima odaslani signal od primljenog signala. Tehnike ometanja korištene su u radaru i radiodifuziji desetljećima.
Na primjer, u ranim 1980-ima, Plessy je razvio i plasirao na tržište proizvod temeljen na SI kompenzaciji pod nazivom "Groundsat" kako bi proširio raspon polu-dupleksnih analognih FM vojnih komunikacijskih mreža4-5.
Sustav djeluje kao full-duplex jednokanalni repetitor, proširujući efektivni domet polu-duplex radija koji se koriste u cijelom radnom području.
Nedavno se pojavio interes za potiskivanje vlastitih smetnji, uglavnom zbog trenda prema komunikacijama kratkog dometa (mobilna i Wi-Fi), što problem potiskivanja SI čini lakšim za rukovanje zbog niže snage odašiljanja i veće snage prijema za potrošačku upotrebu . Bežični pristup i backhaul aplikacije 6-8.
Appleov iPhone (uz pomoć Qualcomma) nedvojbeno ima najbolje bežične i LTE mogućnosti na svijetu, podržavajući 16 LTE pojaseva na jednom čipu. To znači da je potrebno proizvesti samo dva SKU-a za pokrivanje GSM i CDMA tržišta.
U dupleksnim aplikacijama bez dijeljenja smetnji, potiskivanje samosmetnji može poboljšati učinkovitost spektra dopuštajući uzlaznoj i silaznoj vezi da dijele iste resurse spektra9,10. Tehnike suzbijanja samosmetnji također se mogu koristiti za izradu prilagođenih dupleksera za FDD.
Sam otkaz obično se sastoji od nekoliko faza. Usmjerena mreža između antene i primopredajnika osigurava prvu razinu razdvajanja između odašiljanih i primljenih signala. Drugo, dodatna analogna i digitalna obrada signala koristi se za uklanjanje bilo kakvog preostalog intrinzičnog šuma u primljenom signalu. Prvi stupanj može koristiti zasebnu antenu (kao u SAFE), hibridni transformator (opisan u nastavku);
Problem odvojenih antena već je opisan. Cirkulatori su obično uskopojasni jer koriste feromagnetsku rezonanciju u kristalu. Ova hibridna tehnologija, ili Electrically Balanced Isolation (EBI), je obećavajuća tehnologija koja može biti širokopojasna i potencijalno integrirana na čip.
Kao što je prikazano na donjoj slici, dizajn prednjeg dijela pametne antene koristi dvije uskopojasne podesive antene, jednu za odašiljanje i jednu za prijem, te par dvostrukih filtara slabijeg učinka, ali podesivih. Pojedinačne antene ne samo da pružaju neku pasivnu izolaciju po cijenu gubitka propagacije između njih, već također imaju ograničenu (ali podesivu) trenutnu propusnost.
Odašiljačka antena radi učinkovito samo u frekvencijskom pojasu odašiljanja, a prijemna antena djeluje učinkovito samo u frekvencijskom pojasu prijama. U ovom slučaju, sama antena također djeluje kao filter: izvanpojasne Tx emisije prigušuje odašiljačka antena, a vlastite smetnje u Tx pojasu prigušuje prijemna antena.
Stoga arhitektura zahtijeva da antena bude podesiva, što se postiže korištenjem mreže za ugađanje antene. Postoje neki neizbježni uneseni gubici u mreži za ugađanje antene. Međutim, nedavni napredak u MEMS18 podesivim kondenzatorima značajno je poboljšao kvalitetu ovih uređaja, čime su smanjeni gubici. Rx uneseni gubitak je približno 3 dB, što je usporedivo s ukupnim gubicima SAW dupleksera i prekidača.
Izolacija temeljena na anteni zatim je dopunjena podesivim filtrom, također temeljenim na MEM3 podesivim kondenzatorima, kako bi se postigla izolacija od 25 dB od antene i 25 dB izolacija od filtra. Prototipovi su pokazali da se to može postići.
Nekoliko istraživačkih skupina u akademskoj zajednici i industriji istražuje upotrebu hibrida za dvostrani ispis11-16. Ove sheme pasivno eliminiraju SI dopuštajući simultani prijenos i prijem s jedne antene, ali izolirajući odašiljač i prijamnik. Oni su širokopojasne prirode i mogu se implementirati na čipu, što ih čini privlačnom opcijom za dupleks frekvencije u mobilnim uređajima.
Nedavni napredak pokazao je da se FDD primopredajnici koji koriste EBI mogu proizvesti iz CMOS-a (komplementarni poluvodič metalnog oksida) s unesenim gubitkom, šumom, linearnošću prijemnika i karakteristikama potiskivanja blokiranja prikladnim za mobilne aplikacije11,12,13. Međutim, kao što pokazuju brojni primjeri u akademskoj i znanstvenoj literaturi, postoji temeljno ograničenje koje utječe na dvostruku izolaciju.
Impedancija radio antene nije fiksna, već varira s radnom frekvencijom (zbog rezonancije antene) i vremenom (zbog interakcije s promjenjivom okolinom). To znači da se balansna impedancija mora prilagoditi praćenju promjena impedancije, a propusnost odvajanja ograničena je zbog promjena u frekvencijskoj domeni13 (vidi sliku 1).
Naš rad na Sveučilištu u Bristolu usmjeren je na istraživanje i rješavanje ovih ograničenja performansi kako bismo pokazali da se potrebna izolacija slanja/primanja i propusnost mogu postići u slučajevima stvarnog korištenja.
Kako bi se prevladale fluktuacije impedancije antene (koje ozbiljno utječu na izolaciju), naš prilagodljivi algoritam prati impedanciju antene u stvarnom vremenu, a testiranje je pokazalo da se performanse mogu održati u različitim dinamičkim okruženjima, uključujući interakciju s rukom korisnika i brze ceste i željeznice putovati.
Dodatno, kako bismo prevladali ograničeno usklađivanje antene u frekvencijskoj domeni, čime smo povećali širinu pojasa i ukupnu izolaciju, kombiniramo električno balansirani duplekser s dodatnom aktivnom SI supresijom, koristeći drugi odašiljač za generiranje supresijskog signala za dodatno suzbijanje samosmetnji. (vidi sliku 2).
Rezultati našeg testiranja su ohrabrujući: u kombinaciji s EBD-om, aktivna tehnologija može značajno poboljšati izolaciju odašiljanja i primanja, kao što je prikazano na slici 3.
Naša završna laboratorijska postavka koristi jeftine komponente mobilnih uređaja (pojačala snage mobitela i antene), što je čini reprezentativnom za implementacije mobilnih telefona. Štoviše, naša mjerenja pokazuju da ova vrsta dvostupanjskog odbijanja samosmetnji može pružiti potrebnu dupleksnu izolaciju u frekvencijskim pojasima uzlazne i silazne veze, čak i kada se koristi jeftina komercijalna oprema.
Snaga signala koju mobilni uređaj prima na svom maksimalnom dometu mora biti 12 redova veličine niža od jačine signala koji odašilje. U Dupleksu s vremenskim dijeljenjem (TDD), dvostruki krug je jednostavno sklopka koja povezuje antenu s odašiljačem ili prijamnikom, tako da je duplekser u TDD-u jednostavan prekidač. Kod FDD-a odašiljač i prijamnik rade istovremeno, a duplekser koristi filtre za izolaciju prijemnika od jakog signala odašiljača.
Duplekser u prednjem dijelu mobilnog FDD-a pruža >~50 dB izolacije u pojasu uzlazne veze kako bi se spriječilo preopterećenje prijemnika Tx signalima i >~50 dB izolacije u pojasu silazne veze kako bi se spriječio prijenos izvan pojasa. Smanjena osjetljivost prijemnika. U Rx pojasu, gubici u prijenosnim i prijamnim stazama su minimalni.
Ovi zahtjevi s malim gubicima i visokom izolacijom, gdje su frekvencije odvojene samo nekoliko postotaka, zahtijevaju visoko-Q filtriranje, što se do sada može postići samo pomoću uređaja s površinskim akustičnim valom (SAW) ili uređajima s akustičnim valom tijela (BAW).
Dok se tehnologija nastavlja razvijati, s napretkom uglavnom zbog velikog broja potrebnih uređaja, višepojasni rad znači zasebni dvostruki filtar izvan čipa za svaki pojas, kao što je prikazano na slici A. Svi preklopnici i usmjerivači također dodaju dodatnu funkcionalnost s kazne za učinak i kompromisi.
Priuštive globalne telefone temeljene na trenutnoj tehnologiji preteško je proizvesti. Rezultirajuća radijska arhitektura bit će vrlo velika, s gubicima i skupa. Proizvođači moraju stvoriti više varijanti proizvoda za različite kombinacije pojaseva potrebnih u različitim regijama, što otežava neograničeni globalni LTE roaming. Ekonomiju razmjera koja je dovela do dominacije GSM-a postaje sve teže postići.
Sve veća potražnja za mobilnim uslugama visoke brzine prijenosa podataka dovela je do razvoja 4G mobilnih mreža u 50 frekvencijskih pojasa, s još više pojaseva koji će doći jer je 5G u potpunosti definiran i naširoko postavljen. Zbog složenosti RF sučelja, nije moguće pokriti sve to u jednom uređaju koristeći trenutne tehnologije temeljene na filtrima, tako da su potrebni prilagodljivi i rekonfigurabilni RF krugovi.
U idealnom slučaju, potreban je novi pristup rješavanju dupleksnog problema, možda temeljen na podesivim filtrima ili potiskivanju samosmetnji, ili nekoj kombinaciji oba.
Iako još nemamo jedinstveni pristup koji ispunjava mnoge zahtjeve u pogledu cijene, veličine, izvedbe i učinkovitosti, možda će se dijelovi slagalice spojiti i biti u vašem džepu za nekoliko godina.
Tehnologije kao što je EBD sa SI supresijom mogu otvoriti mogućnost korištenja iste frekvencije u oba smjera istovremeno, što može značajno poboljšati spektralnu učinkovitost.
Vrijeme objave: 24. rujna 2024