Десять років тому смартфони зазвичай підтримували лише кілька стандартів, що працюють у чотирьох діапазонах частот GSM, і, можливо, кілька стандартів WCDMA або CDMA2000. З такою невеликою кількістю діапазонів частот на вибір, певний ступінь глобальної одноманітності був досягнутий з «чотирьохдіапазонними» телефонами GSM, які використовують діапазони 850/900/1800/1900 МГц і можуть використовуватися будь-де у світі (ну, досить багато).
Це величезна перевага для мандрівників і створює величезну економію за рахунок масштабу для виробників пристроїв, яким потрібно лише випустити кілька моделей (або, можливо, одну) для всього світового ринку. Повертаючись до сьогоднішнього дня, GSM залишається єдиною технологією бездротового доступу, яка забезпечує глобальний роумінг. До речі, якщо ви не знали, GSM поступово відходить.
Будь-який смартфон, гідний цієї назви, повинен підтримувати доступ до мереж 4G, 3G і 2G з різними вимогами до радіочастотного інтерфейсу щодо пропускної здатності, потужності передачі, чутливості приймача та багатьох інших параметрів.
Крім того, через фрагментарну доступність глобального спектру, стандарти 4G охоплюють велику кількість діапазонів частот, тому оператори можуть використовувати їх на будь-яких частотах, доступних у будь-якій певній місцевості – наразі загалом 50 діапазонів, як і у випадку зі стандартами LTE1. Справжній «всесвітній телефон» повинен працювати в усіх цих середовищах.
Ключовою проблемою, яку повинен вирішити будь-який стільниковий радіозв'язок, є «дуплексний зв'язок». Коли ми говоримо, ми одночасно слухаємо. Ранні радіосистеми використовували «натисни і говори» (деякі й досі використовують), але коли ми розмовляємо по телефону, ми очікуємо, що співрозмовник перерве нас. Пристрої стільникового зв’язку першого покоління (аналогові) використовували «дуплексні фільтри» (або дуплексери) для отримання низхідного зв’язку без «приголомшення» передачею висхідного зв’язку на іншій частоті.
Зробити ці фільтри меншими та дешевшими було серйозною проблемою для перших виробників телефонів. Коли GSM був представлений, протокол був розроблений таким чином, щоб трансивери могли працювати в «напівдуплексному режимі».
Це був дуже розумний спосіб усунення дуплексерів і головний фактор, який допоміг GSM стати недорогою основною технологією, здатною домінувати в галузі (і змінити спосіб спілкування людей у процесі).
Телефон Essential від Енді Рубіна, винахідника операційної системи Android, має новітні функції підключення, включаючи Bluetooth 5.0LE, різні GSM/LTE та антену Wi-Fi, приховану в титановому корпусі.
На жаль, уроки, отримані під час вирішення технічних проблем, були швидко забуті під час техніко-політичних війн на початку 3G, і нині домінуюча форма дуплексного зв’язку з частотним поділом (FDD) вимагає дуплексера для кожного діапазону FDD, у якому він працює. Немає сумніву, що бум LTE супроводжується зростанням витрат.
У той час як деякі діапазони можуть використовувати Duplex з розділенням часу, або TDD (де радіо швидко перемикається між передачею та прийомом), існує менше таких діапазонів. Більшість операторів (за винятком переважно азіатських) віддають перевагу діапазону FDD, яких понад 30.
Спадщина спектру TDD і FDD, труднощі звільнення дійсно глобальних діапазонів і поява 5G з більшою кількістю діапазонів роблять проблему дуплексу ще більш складною. Досліджувані багатообіцяючі методи включають нові конструкції на основі фільтрів і здатність усунути самоперешкоди.
Останній також несе з собою кількаобіцяючу можливість «безфрагментного» дуплексу (або «внутрішньосмугового повного дуплексу»). У майбутньому мобільного зв’язку 5G нам, можливо, доведеться розглядати не лише FDD і TDD, але й гнучкий дуплекс на основі цих нових технологій.
Дослідники Ольборзького університету в Данії розробили архітектуру «Smart Antenna Front End» (SAFE)2-3, яка використовує (див. ілюстрацію на сторінці 18) окремі антени для передачі та прийому та поєднує ці антени з (низькою продуктивністю) у поєднанні з настроюваними фільтрація для досягнення бажаної ізоляції передавання та прийому.
Хоча продуктивність вражаюча, потреба у двох антенах є великим недоліком. Оскільки телефони стають тоншими та витонченими, місця для антен стає все менше й менше.
Мобільні пристрої також потребують кількох антен для просторового мультиплексування (MIMO). Мобільні телефони з архітектурою SAFE і підтримкою 2×2 MIMO вимагають лише чотирьох антен. Крім того, діапазон налаштування цих фільтрів і антен обмежений.
Таким чином, глобальні мобільні телефони також повинні будуть відтворити цю архітектуру інтерфейсу, щоб охопити всі діапазони частот LTE (450 МГц до 3600 МГц), що вимагатиме більше антен, більше антенних тюнерів і більше фільтрів, що повертає нас до поширених запитань про багатодіапазонна робота за рахунок дублювання компонентів.
Незважаючи на те, що на планшеті чи ноутбуці можна встановити більше антен, для того, щоб ця технологія була придатною для смартфонів, потрібні подальші досягнення в налаштуванні та/або мініатюризації.
Електрично збалансований дуплекс використовувався з перших днів дротової телефонії17. У телефонній системі мікрофон і навушник повинні бути підключені до телефонної лінії, але ізольовані один від одного, щоб власний голос користувача не заглушив слабший вхідний звуковий сигнал. Це було досягнуто за допомогою гібридних трансформаторів до появи електронних телефонів.
У дуплексній схемі, показаній на малюнку нижче, використовується резистор того самого номіналу, щоб узгодити імпеданс лінії передачі, так що струм від мікрофона розділяється, коли він входить до трансформатора, і тече в протилежних напрямках через первинну котушку. Магнітні потоки ефективно нейтралізуються, і струм у вторинній котушці не індукується, тому вторинна котушка ізольована від мікрофона.
Однак сигнал від мікрофона все ще надходить до телефонної лінії (хоча й з деякими втратами), а вхідний сигнал по телефонній лінії все ще надходить до динаміка (також із деякими втратами), що дозволяє здійснювати двосторонній зв’язок по одній телефонній лінії. . . Металевий дріт.
Радіобалансний дуплексер подібний до телефонного дуплексера, але замість мікрофона, слухавки та телефонного дроту використовуються відповідно передавач, приймач і антена, як показано на малюнку B.
Третій спосіб ізоляції передавача від приймача полягає в усуненні власних перешкод (SI), таким чином віднімаючи переданий сигнал від прийнятого сигналу. Методи глушіння використовувалися в радарах і радіомовленні протягом десятиліть.
Наприклад, на початку 1980-х років компанія Plessy розробила та вивела на ринок продукт на основі компенсації SI під назвою «Groundsat» для розширення діапазону напівдуплексних аналогових FM-мереж військового зв’язку4-5.
Система діє як повнодуплексний одноканальний ретранслятор, розширюючи ефективний радіус дії напівдуплексних радіостанцій, що використовуються в усій робочій зоні.
Останнім часом спостерігається інтерес до придушення власних перешкод, головним чином через тенденцію до зв’язку малого радіусу дії (стільникового зв’язку та Wi-Fi), що робить проблему придушення SI більш керованою завдяки меншій потужності передачі та вищій потужності прийому для споживачів. . Програми бездротового доступу та транспортного зв'язку 6-8.
iPhone від Apple (за допомогою Qualcomm), мабуть, має найкращі у світі можливості бездротового зв’язку та LTE, підтримуючи 16 діапазонів LTE на одному чіпі. Це означає, що для покриття ринків GSM і CDMA потрібно виготовити лише два SKU.
У дуплексних програмах без спільного використання перешкод придушення власних перешкод може підвищити ефективність спектру, дозволяючи висхідній і низхідній лінії зв’язку спільно використовувати ті самі ресурси спектру9,10. Методи придушення власних перешкод також можна використовувати для створення спеціальних дуплексерів для FDD.
Сама ануляція зазвичай складається з кількох етапів. Спрямована мережа між антеною та трансивером забезпечує перший рівень поділу між переданим і прийнятим сигналами. По-друге, додаткова аналогова і цифрова обробка сигналу використовується для усунення будь-якого залишкового внутрішнього шуму в отриманому сигналі. Перший ступінь може використовувати окрему антену (як у SAFE), гібридний трансформатор (описано нижче);
Проблема від'єднаних антен вже була описана. Циркулятори зазвичай вузькосмугові, оскільки вони використовують феромагнітний резонанс у кристалі. Ця гібридна технологія, або електрично збалансована ізоляція (EBI), є багатообіцяючою технологією, яка може бути широкосмуговою та потенційно інтегрованою в чіп.
Як показано на малюнку нижче, дизайн передньої частини інтелектуальної антени використовує дві вузькосмугові регульовані антени, одну для передачі та одну для прийому, а також пару менш продуктивних, але регульованих дуплексних фільтрів. Окремі антени не тільки забезпечують деяку пасивну ізоляцію за рахунок втрат при розповсюдженні між ними, але також мають обмежену (але регульовану) миттєву смугу пропускання.
Передавальна антена ефективно працює тільки в діапазоні частот передачі, а приймальна антена працює ефективно тільки в діапазоні частот прийому. У цьому випадку сама антена також діє як фільтр: позасмугові випромінювання Tx послаблюються передавальною антеною, а власні перешкоди в діапазоні Tx послаблюються приймальною антеною.
Тому архітектура вимагає, щоб антена була регульованою, що досягається за допомогою мережі налаштування антени. У мережі налаштування антени є деякі неминучі внесені втрати. Однак нещодавні досягнення в області регульованих конденсаторів MEMS18 значно покращили якість цих пристроїв, тим самим зменшивши втрати. Внесені втрати Rx становлять приблизно 3 дБ, що можна порівняти із загальними втратами дуплексера та комутатора SAW.
Ізоляція на основі антени потім доповнюється регульованим фільтром, також заснованим на регульованих конденсаторах MEM3, для досягнення ізоляції 25 дБ від антени та 25 дБ від фільтра. Прототипи продемонстрували, що цього можна досягти.
Кілька дослідницьких груп в академічних і промислових колах вивчають використання гібридів для двостороннього друку11–16. Ці схеми пасивно усувають SI, дозволяючи одночасну передачу та прийом від однієї антени, але ізолюючи передавач і приймач. Вони широкосмугові за своєю природою і можуть бути реалізовані на кристалі, що робить їх привабливим варіантом для частотного дуплексування в мобільних пристроях.
Нещодавні досягнення показали, що трансивери FDD з використанням EBI можуть бути виготовлені з CMOS (комплементарного металооксидного напівпровідника) із внесеними втратами, коефіцієнтом шуму, лінійністю приймача та характеристиками придушення блокування, придатними для стільникових застосувань11,12,13. Однак, як демонструють численні приклади в академічній і науковій літературі, існує фундаментальне обмеження, що впливає на дуплексну ізоляцію.
Імпеданс радіоантени не є постійним, а змінюється залежно від робочої частоти (через резонанс антени) і часу (через взаємодію зі змінним середовищем). Це означає, що балансуючий імпеданс повинен адаптуватися до відстеження змін імпедансу, а смуга розв’язки обмежена через зміни в частотній області13 (див. рис. 1).
Наша робота в Брістольському університеті зосереджена на дослідженні та усуненні цих обмежень продуктивності, щоб продемонструвати, що необхідної ізоляції надсилання/отримання та пропускної здатності можна досягти в реальних випадках використання.
Щоб подолати коливання опору антени (які серйозно впливають на ізоляцію), наш адаптивний алгоритм відстежує опір антени в режимі реального часу, і тестування показало, що продуктивність може підтримуватися в різних динамічних середовищах, включаючи взаємодію рукою користувача та високошвидкісні дороги та залізниці подорожі.
Крім того, щоб подолати обмежене узгодження антени в частотній області, тим самим збільшуючи пропускну здатність і загальну ізоляцію, ми поєднуємо електрично збалансований дуплексер з додатковим активним придушенням SI, використовуючи другий передавач для генерації сигналу придушення для подальшого придушення власних перешкод. (див. малюнок 2).
Результати нашого тестового стенда обнадійливі: у поєднанні з EBD активна технологія може значно покращити ізоляцію передавання та прийому, як показано на малюнку 3.
Наша остаточна лабораторна установка використовує недорогі компоненти мобільних пристроїв (підсилювачі потужності мобільних телефонів і антени), що робить її репрезентативною для мобільних телефонів. Крім того, наші вимірювання показують, що цей тип двоступінчастого придушення власних перешкод може забезпечити необхідну дуплексну ізоляцію в діапазонах частот висхідної та низхідної лінії зв’язку, навіть якщо використовується недороге комерційне обладнання.
Потужність сигналу, який стільниковий пристрій отримує на максимальній відстані, має бути на 12 порядків нижчою за потужність сигналу, який він передає. У дуплексному режимі з розділенням часу (TDD) дуплексна схема — це просто перемикач, який з’єднує антену з передавачем або приймачем, тому дуплексер у TDD — це простий перемикач. У FDD передавач і приймач працюють одночасно, а дуплексер використовує фільтри для ізоляції приймача від сильного сигналу передавача.
Дуплексер у передній частині стільникового FDD забезпечує ізоляцію >~50 дБ у смузі висхідної лінії зв’язку, щоб запобігти перевантаженню приймача сигналами Tx, і ізоляцію >~50 дБ у смузі низхідної лінії зв’язку, щоб запобігти позасмуговій передачі. Знижена чутливість приймача. У діапазоні Rx втрати на трактах передачі та прийому мінімальні.
Ці вимоги до низьких втрат і високої ізоляції, де частоти розділені лише на кілька відсотків, вимагають фільтрації з високою добротністю, яка поки що може бути досягнута лише за допомогою пристроїв поверхневої акустичної хвилі (SAW) або об’ємної акустичної хвилі (BAW).
У той час як технологія продовжує розвиватися, удосконалюючи головним чином велику кількість необхідних пристроїв, багатодіапазонна робота означає окремий зовнішній дуплексний фільтр для кожного діапазону, як показано на малюнку A. Усі комутатори та маршрутизатори також додають додаткові функції за допомогою покарання та компроміси.
Доступні глобальні телефони, засновані на сучасних технологіях, занадто складні у виробництві. Отримана в результаті архітектура радіо буде дуже великою, матиме втрату та буде дорогою. Виробникам доводиться створювати кілька варіантів продуктів для різних комбінацій діапазонів, необхідних у різних регіонах, що ускладнює необмежений глобальний LTE-роумінг. Економії на масштабах, яка призвела до домінування GSM, стає все важче досягти.
Зростаючий попит на мобільні послуги з високою швидкістю передачі даних призвів до розгортання мобільних мереж 4G у 50 діапазонах частот, і з’явиться ще більше діапазонів, оскільки 5G буде повністю визначено та широко розгорнуто. Через складність радіочастотного інтерфейсу неможливо охопити все це в одному пристрої, використовуючи поточні технології на основі фільтрів, тому потрібні настроювані та реконфігуровані радіочастотні схеми.
В ідеалі потрібен новий підхід до вирішення дуплексної проблеми, можливо, заснований на настроюваних фільтрах або придушенні власних перешкод, або на певній комбінації обох.
Хоча ми ще не маємо єдиного підходу, який би відповідав багатьом вимогам щодо вартості, розміру, продуктивності та ефективності, можливо, частини головоломки зійдуться разом і будуть у вас у кишені через кілька років.
Такі технології, як EBD з придушенням SI, можуть відкрити можливість використання однієї частоти в обох напрямках одночасно, що може значно підвищити спектральну ефективність.
Час публікації: 24 вересня 2024 р