Дзесяць гадоў таму смартфоны звычайна падтрымлівалі толькі некалькі стандартаў, якія працуюць у чатырох дыяпазонах частот GSM, і, магчыма, некалькі стандартаў WCDMA або CDMA2000. З такой невялікай колькасцю частотных дыяпазонаў на выбар, пэўная ступень глабальнай аднастайнасці была дасягнута з «чатырохдыяпазоннымі» тэлефонамі GSM, якія выкарыстоўваюць дыяпазоны 850/900/1800/1900 МГц і могуць выкарыстоўвацца ў любым пункце свету (ну, даволі).
Гэта вялікая перавага для падарожнікаў і стварае велізарную эканомію ад маштабу для вытворцаў прылад, якім трэба выпусціць толькі некалькі мадэляў (ці, магчыма, толькі адну) для ўсяго сусветнага рынку. Перанясемся на сённяшні дзень: GSM застаецца адзінай тэхналогіяй бесправаднога доступу, якая забяспечвае глабальны роўмінг. Дарэчы, калі вы не ведалі, GSM паступова сыходзіць.
Любы смартфон, варты гэтай назвы, павінен падтрымліваць доступ да 4G, 3G і 2G з рознымі патрабаваннямі да радыёчастотнага інтэрфейсу з пункту гледжання прапускной здольнасці, магутнасці перадачы, адчувальнасці прымача і многіх іншых параметраў.
Акрамя таго, з-за фрагментарнай даступнасці глабальнага спектру стандарты 4G ахопліваюць вялікую колькасць дыяпазонаў частот, таму аператары могуць выкарыстоўваць іх на любых частотах, даступных у любой мясцовасці - у цяперашні час у агульнай складанасці 50 дыяпазонаў, як і ў выпадку са стандартамі LTE1. Сапраўдны «сусветны тэлефон» павінен працаваць ва ўсіх гэтых умовах.
Ключавая праблема, якую павінна вырашаць любая сотавая радыёсувязь - гэта «дуплексная сувязь». Калі мы гаворым, мы слухаем адначасова. Раннія радыёсістэмы выкарыстоўвалі «націсні і размаўляй» (некаторыя ўсё яшчэ выкарыстоўваюць), але калі мы размаўляем па тэлефоне, мы чакаем, што іншы чалавек перапыніць нас. Прылады сотавай сувязі першага пакалення (аналагавыя) выкарыстоўвалі «дуплексныя фільтры» (або дуплексеры) для атрымання сыходнай сувязі без «аглушэння» перадачай узыходзячай сувязі на іншай частаце.
Зрабіць гэтыя фільтры меншымі і таннейшымі было сур'ёзнай праблемай для першых вытворцаў тэлефонаў. Калі GSM быў прадстаўлены, пратакол быў распрацаваны такім чынам, каб трансіверы маглі працаваць у «паўдуплексным рэжыме».
Гэта быў вельмі разумны спосаб ліквідацыі дуплексераў і стаў галоўным фактарам, які садзейнічаў таму, што GSM стаў недарагой, асноўнай тэхналогіяй, здольнай дамінаваць у індустрыі (і змяніць спосаб зносін людзей у працэсе).
Тэлефон Essential ад Эндзі Рубіна, вынаходніка аперацыйнай сістэмы Android, мае найноўшыя магчымасці падключэння, уключаючы Bluetooth 5.0LE, розныя GSM/LTE і антэну Wi-Fi, схаваную ў тытанавай раме.
На жаль, урокі, атрыманыя ў выніку вырашэння тэхнічных праблем, былі хутка забыты ў тэхна-палітычных войнах у першыя дні 3G, і дамінуючая ў цяперашні час форма дуплексавання з частотным падзелам (FDD) патрабуе дуплексера для кожнага дыяпазону FDD, у якім ён працуе. Без сумневу, бум LTE суправаджаецца ростам кошту.
У той час як некаторыя дыяпазоны могуць выкарыстоўваць Duplex з часовым падзелам, або TDD (дзе радыё хутка пераключаецца паміж перадачай і прыёмам), існуе менш такіх дыяпазонаў. Большасць аператараў (за выключэннем пераважна азіяцкіх) аддаюць перавагу дыяпазон FDD, якіх налічваецца больш за 30.
Спадчына спектру TDD і FDD, цяжкасць вызвалення сапраўды глабальных дыяпазонаў і з'яўленне 5G з большай колькасцю дыяпазонаў робяць праблему дуплекса яшчэ больш складанай. Перспектыўныя метады, якія даследуюцца, уключаюць новыя канструкцыі на аснове фільтраў і магчымасць ліквідацыі самаўмяшання.
Апошняе таксама прыносіць з сабой некалькі перспектыўную магчымасць «бясфрагментнага» дуплексу (або «ўнутрыпалоснага поўнага дуплексу»). У будучыні мабільнай сувязі 5G нам, магчыма, прыйдзецца разглядаць не толькі FDD і TDD, але і гнуткі дуплекс на аснове гэтых новых тэхналогій.
Даследчыкі з Ольбаргскага ўніверсітэта ў Даніі распрацавалі архітэктуру «Smart Antenna Front End» (SAFE)2-3, якая выкарыстоўвае (гл. ілюстрацыю на старонцы 18) асобныя антэны для перадачы і прыёму і аб'ядноўвае гэтыя антэны з (нізкай прадукцыйнасцю) у спалучэнні з наладжвальнымі фільтраванне для дасягнення патрэбнай ізаляцыі перадачы і прыёму.
Хаця прадукцыйнасць уражвае, неабходнасць дзвюх антэн з'яўляецца вялікім недахопам. Паколькі тэлефоны становяцца ўсё танчэйшымі і зграбнейшымі, месца для антэн становіцца ўсё менш і менш.
Для мабільных прылад таксама патрабуецца некалькі антэн для прасторавага мультыплексавання (MIMO). Мабільныя тэлефоны з архітэктурай SAFE і падтрымкай 2×2 MIMO патрабуюць толькі чатырох антэн. Акрамя таго, дыяпазон налады гэтых фільтраў і антэн абмежаваны.
Такім чынам, глабальным мабільным тэлефонам таксама трэба будзе паўтарыць гэтую архітэктуру інтэрфейсу, каб ахапіць усе дыяпазоны частот LTE (ад 450 МГц да 3600 МГц), што запатрабуе больш антэн, больш антэнных цюнэраў і больш фільтраў, што вяртае нас да часта задаваных пытанняў аб многодиапазонная праца за кошт дублявання кампанентаў.
Нягледзячы на тое, што ў планшэце або ноўтбуку можна ўсталяваць больш антэн, неабходны далейшы прагрэс у наладжванні і/або мініяцюрызацыі, каб зрабіць гэтую тэхналогію прыдатнай для смартфонаў.
Электрычна збалансаваны дуплекс выкарыстоўваўся з першых дзён правадной тэлефаніі17. У тэлефоннай сістэме мікрафон і навушнік павінны быць падлучаны да тэлефоннай лініі, але ізаляваны адзін ад аднаго, каб уласны голас карыстальніка не аглушаў больш слабы ўваходны гукавы сігнал. Гэта было дасягнута з дапамогай гібрыдных трансфарматараў да з'яўлення электронных тэлефонаў.
Дуплексная схема, паказаная на малюнку ніжэй, выкарыстоўвае рэзістар таго ж значэння, каб адпавядаць імпедансу лініі перадачы, так што ток ад мікрафона раздзяляецца, калі ён паступае ў трансфарматар, і цячэ ў процілеглых напрамках праз першасную катушку. Магнітныя патокі эфектыўна гасяцца, і ток у другаснай шпульцы не індукуецца, таму другасная шпулька ізалявана ад мікрафона.
Аднак сігнал з мікрафона па-ранейшаму ідзе на тэлефонную лінію (хоць і з некаторымі стратамі), а ўваходны сігнал па тэлефоннай лініі па-ранейшаму ідзе на дынамік (таксама з некаторымі стратамі), дазваляючы двухбаковую сувязь па адной тэлефоннай лініі . . Металічны дрот.
Радыёбалансны дуплексер падобны на тэлефонны дуплексер, але замест мікрафона, трубкі і тэлефоннага провада выкарыстоўваюцца адпаведна перадатчык, прыёмнік і антэна, як паказана на малюнку B.
Трэці спосаб ізаляваць перадатчык ад прымача - ліквідаваць уласную перашкоду (SI), тым самым аднімаючы перададзены сігнал з атрыманага сігналу. Метады глушэння выкарыстоўваліся ў радарах і радыёвяшчанні на працягу дзесяцігоддзяў.
Напрыклад, у пачатку 1980-х Plessy распрацавала і прадала прадукт на аснове кампенсацыі SI пад назвай «Groundsat» для пашырэння дыяпазону паўдуплексных аналагавых FM-сетак ваеннай сувязі4-5.
Сістэма дзейнічае як поўнадуплексны аднаканальны рэтранслятар, пашыраючы эфектыўны дыяпазон паўдуплексных радыёстанцый, якія выкарыстоўваюцца па ўсёй рабочай зоне.
Нядаўна назіраецца цікавасць да падаўлення ўласных перашкод, галоўным чынам з-за тэндэнцыі да сувязі на малых адлегласцях (сотавай сувязі і Wi-Fi), што робіць праблему падаўлення SI больш кіраванай з-за меншай магутнасці перадачы і большай магутнасці прыёму для спажыўцоў . Прыкладанні бесправаднога доступу і транспартнай сувязі 6-8.
IPhone ад Apple (пры дапамозе Qualcomm), магчыма, мае найлепшыя ў свеце магчымасці бесправадной сувязі і LTE, падтрымліваючы 16 дыяпазонаў LTE на адным чыпе. Гэта азначае, што для пакрыцця рынкаў GSM і CDMA неабходна вырабіць толькі два SKU.
У дуплексных праграмах без сумеснага выкарыстання перашкод падаўленне ўласных перашкод можа павысіць эфектыўнасць выкарыстання спектру, дазваляючы ўзыходзячай і сыходнай лініі сувязі выкарыстоўваць аднолькавыя рэсурсы спектру9,10. Метады падаўлення ўласных перашкод таксама можна выкарыстоўваць для стварэння карыстацкіх дуплексераў для FDD.
Сама адмена звычайна складаецца з некалькіх этапаў. Накіраваная сетка паміж антэнай і прыёмаперадатчыкам забяспечвае першы ўзровень падзелу паміж перададзеным і атрыманым сігналамі. Па-другое, дадатковая аналагавая і лічбавая апрацоўка сігналу выкарыстоўваецца для ліквідацыі любога пакінутага ўласнага шуму ў атрыманым сігнале. Першы этап можа выкарыстоўваць асобную антэну (як у SAFE), гібрыдны трансфарматар (апісаны ніжэй);
Праблема адлучаных антэн ужо апісвалася. Цыркулятары звычайна вузкапалосныя, таму што яны выкарыстоўваюць ферамагнітны рэзананс у крышталі. Гэтая гібрыдная тэхналогія, або Electrically Balanced Isolation (EBI), з'яўляецца перспектыўнай тэхналогіяй, якая можа быць шырокапалоснай і патэнцыйна інтэграванай у чып.
Як паказана на малюнку ніжэй, канструкцыя пярэдняй часткі разумнай антэны выкарыстоўвае дзве вузкапалосныя наладжвальныя антэны, адну для перадачы і адну для прыёму, і пару менш эфектыўных, але наладжвальных дуплексных фільтраў. Асобныя антэны не толькі забяспечваюць некаторую пасіўную ізаляцыю за кошт страт пры распаўсюджванні паміж імі, але таксама маюць абмежаваную (але наладжвальную) імгненную прапускную здольнасць.
Перадаючая антэна эфектыўна працуе толькі ў дыяпазоне частот перадачы, а прыёмная антэна - толькі ў дыяпазоне частот прыёму. У гэтым выпадку сама антэна таксама дзейнічае як фільтр: пазапалосныя выпраменьванні Tx аслабляюцца перадаючай антэнай, а ўласныя перашкоды ў дыяпазоне Tx аслабляюцца прыёмнай антэнай.
Такім чынам, архітэктура патрабуе, каб антэна была наладжвальнай, што дасягаецца з дапамогай сеткі налады антэны. У сетцы наладкі антэны ёсць некаторыя непазбежныя страты. Аднак нядаўнія дасягненні ў галіне перабудоўных кандэнсатараў MEMS18 значна палепшылі якасць гэтых прылад, тым самым знізіўшы страты. Уносімыя страты Rx складаюць прыблізна 3 дБ, што параўнальна з агульнымі стратамі дуплексера і камутатара SAW.
Затым ізаляцыя на аснове антэны дапаўняецца наладжвальным фільтрам, таксама заснаваным на наладжвальных кандэнсатарах MEM3, каб дасягнуць 25 дБ ізаляцыі ад антэны і 25 дБ ад фільтра. Прататыпы прадэманстравалі, што гэтага можна дасягнуць.
Некалькі даследчых груп у акадэмічных і прамысловых колах даследуюць магчымасць выкарыстання гібрыдаў для двухбаковага друку11–16. Гэтыя схемы пасіўна ліквідуюць SI, дазваляючы адначасовую перадачу і прыём ад адной антэны, але ізалюючы перадатчык і прымач. Яны з'яўляюцца шырокапалоснымі па сваёй прыродзе і могуць быць рэалізаваны на чыпе, што робіць іх прывабным варыянтам для частотнага дуплексавання ў мабільных прыладах.
Нядаўнія дасягненні паказалі, што прыёмаперадатчыкі FDD з выкарыстаннем EBI можна вырабляць з CMOS (камплементарнага металааксіднага паўправадніка) з унесенымі стратамі, каэфіцыентам шуму, лінейнасцю прымача і характарыстыкамі падаўлення блакіровак, прыдатнымі для сотавых прыкладанняў11,12,13. Аднак, як дэманструюць шматлікія прыклады ў акадэмічнай і навуковай літаратуры, існуе фундаментальнае абмежаванне, якое ўплывае на дуплексную ізаляцыю.
Імпеданс радыёантэны не з'яўляецца фіксаваным, але змяняецца ў залежнасці ад працоўнай частаты (з-за рэзанансу антэны) і часу (з-за ўзаемадзеяння са зменлівым асяроддзем). Гэта азначае, што балансіруючы імпеданс павінен прыстасоўвацца да адсочвання змен імпедансу, а паласа развязкі абмежаваная з-за змен у частотнай вобласці13 (гл. малюнак 1).
Наша праца ў Брыстольскім універсітэце засяроджана на даследаванні і ліквідацыі гэтых абмежаванняў прадукцыйнасці, каб прадэманстраваць, што неабходная ізаляцыя адпраўкі/атрымання і прапускная здольнасць могуць быць дасягнуты ў рэальных выпадках выкарыстання.
Каб пераадолець ваганні імпедансу антэны (якія сур'ёзна ўплываюць на ізаляцыю), наш адаптыўны алгарытм адсочвае імпеданс антэны ў рэжыме рэальнага часу, і тэставанне паказала, што прадукцыйнасць можа падтрымлівацца ў розных дынамічных асяроддзях, уключаючы ўзаемадзеянне карыстальніка і высакахуткасныя дарогі і чыгунку падарожжа.
Акрамя таго, каб пераадолець абмежаванае ўзгадненне антэн у частотнай вобласці, тым самым павялічваючы прапускную здольнасць і агульную ізаляцыю, мы аб'ядноўваем электрычна збалансаваны дуплексер з дадатковым актыўным падаўленнем SI, выкарыстоўваючы другі перадатчык для генерацыі сігналу падаўлення для далейшага падаўлення ўласных перашкод. (гл. малюнак 2).
Вынікі нашага выпрабавальнага стэнда абнадзейваюць: у спалучэнні з EBD актыўная тэхналогія можа значна палепшыць ізаляцыю перадачы і прыёму, як паказана на малюнку 3.
Наша канчатковая лабараторная ўстаноўка выкарыстоўвае недарагія кампаненты мабільных прылад (узмацняльнікі магутнасці мабільных тэлефонаў і антэны), што робіць яе рэпрэзентатыўнай для мабільных тэлефонаў. Больш за тое, нашы вымярэнні паказваюць, што гэты тып двухступеньчатага адхілення ўласных перашкод можа забяспечыць неабходную дуплексную ізаляцыю ў дыяпазонах частот узыходзячай і сыходнай лініі сувязі, нават пры выкарыстанні недарагога камерцыйнага абсталявання.
Моц сігналу, які прымае сотавая прылада ў максімальнай далёкасці, павінна быць на 12 парадкаў ніжэй, чым магутнасць сігналу, які яна перадае. У Duplex з часовым падзелам (TDD) дуплексная схема - гэта проста перамыкач, які злучае антэну з перадатчыкам або прымачом, таму дуплексер у TDD - гэта просты перамыкач. У FDD перадатчык і прыёмнік працуюць адначасова, а дуплексер выкарыстоўвае фільтры для ізаляцыі прымача ад моцнага сігналу перадатчыка.
Дуплексер у інтэрфейсе сотавага FDD забяспечвае ізаляцыю >~50 дБ у дыяпазоне ўзыходзячай сувязі, каб прадухіліць перагрузку прымача сігналамі Tx, і ізаляцыю >~50 дБ у дыяпазоне сыходнай лініі, каб прадухіліць пазапалосную перадачу. Зніжаная адчувальнасць прымача. У дыяпазоне Rx страты ў трактах перадачы і прыёму мінімальныя.
Гэтыя патрабаванні з нізкімі стратамі і высокай ізаляцыяй, дзе частоты падзяляюцца ўсяго на некалькі працэнтаў, патрабуюць фільтрацыі з высокай якасцю, што пакуль можа быць дасягнута толькі з дапамогай прылад павярхоўнай акустычнай хвалі (SAW) або акустычнай хвалі цела (BAW).
Нягледзячы на тое, што тэхналогія працягвае развівацца, прагрэс у асноўным звязаны з вялікай колькасцю неабходных прылад, шматдыяпазонная праца азначае асобны пазачыпавы дуплексны фільтр для кожнага дыяпазону, як паказана на малюнку A. Усе камутатары і маршрутызатары таксама дадаюць дадатковыя функцыі з штрафы за прадукцыйнасць і кампрамісы.
Даступныя глабальныя тэлефоны, заснаваныя на сучасных тэхналогіях, занадта складаныя ў вытворчасці. У выніку архітэктура радыё будзе вельмі вялікай, са стратамі і дарагой. Вытворцы павінны ствараць некалькі варыянтаў прадуктаў для розных камбінацый дыяпазонаў, неабходных у розных рэгіёнах, што ўскладняе неабмежаваны глабальны LTE-роўмінг. Эканоміі ад маштабу, якая прывяла да дамінавання GSM, становіцца ўсё цяжэй дасягнуць.
Павелічэнне попыту на паслугі мабільнай сувязі з высокай хуткасцю перадачы дадзеных прывяло да разгортвання сетак мабільнай сувязі 4G у 50 дыяпазонах частот, з тым, што дыяпазонаў будзе яшчэ больш, паколькі 5G будзе цалкам вызначаны і шырока разгорнуты. З-за складанасці радыёчастотнага інтэрфейсу немагчыма ахапіць усё гэта ў адной прыладзе з выкарыстаннем сучасных тэхналогій на аснове фільтраў, таму патрабуюцца наладжвальныя і рэканфігурацыйныя радыёчастотныя схемы.
У ідэале неабходны новы падыход да вырашэння праблемы дуплекса, магчыма, заснаваны на наладжвальных фільтрах або падаўленні ўласных перашкод, або некаторай камбінацыі абодвух.
Нягледзячы на тое, што ў нас пакуль няма адзінага падыходу, які б адпавядаў многім патрабаванням кошту, памеру, прадукцыйнасці і эфектыўнасці, магчыма, кавалачкі галаваломкі збяруцца разам і будуць у вас у кішэні праз некалькі гадоў.
Такія тэхналогіі, як EBD з падаўленнем SI, могуць адкрыць магчымасць выкарыстання адной і той жа частаты ў абодвух напрамках адначасова, што можа значна палепшыць спектральную эфектыўнасць.
Час публікацыі: 24 верасня 2024 г