Kümme aastat tagasi toetasid nutitelefonid tavaliselt vaid mõnda neljas GSM-sagedusalas töötavat standardit ja võib-olla mõnda WCDMA või CDMA2000 standardit. Kuna valikus on nii vähe sagedusribasid, on teatud globaalne ühtlus saavutatud neljaribaliste GSM-telefonidega, mis kasutavad sagedusalasid 850/900/1800/1900 MHz ja mida saab kasutada kõikjal maailmas (noh, päris palju).
See on reisijatele tohutu kasu ja loob tohutut mastaabisäästu seadmete tootjatele, kes peavad kogu maailmaturu jaoks välja laskma vaid mõne mudeli (või võib-olla ainult ühe). Tänapäevani on GSM ainus traadita juurdepääsutehnoloogia, mis pakub ülemaailmset rändlust. Muide, kui te ei teadnud, siis järk-järgult loobutakse GSM-ist.
Iga nime vääriv nutitelefon peab toetama 4G, 3G ja 2G juurdepääsu erinevate raadiosagedusliidese nõuetega ribalaiuse, edastusvõimsuse, vastuvõtja tundlikkuse ja paljude muude parameetrite osas.
Lisaks katavad 4G standardid ülemaailmse spektri killustatud saadavuse tõttu suurt hulka sagedusribasid, nii et operaatorid saavad neid kasutada mis tahes piirkonnas saadaolevatel sagedustel – praegu kokku 50 sagedusalas, nagu LTE1 standardite puhul. Tõeline "maailmatelefon" peab töötama kõigis neis keskkondades.
Põhiprobleem, mille iga mobiilside peab lahendama, on "dupleksside". Rääkides kuulame samal ajal. Varased raadiosüsteemid kasutasid push-to-talk-funktsiooni (mõned kasutavad seda siiani), kuid telefoniga rääkides eeldame, et teine inimene meid segab. Esimese põlvkonna (analoog-) mobiilsideseadmed kasutasid allalingi vastuvõtmiseks dupleksfiltreid (või dupleksereid), ilma et need oleksid "uimastatud", edastades üleslingi erineval sagedusel.
Nende filtrite väiksemaks ja odavamaks muutmine oli varajaste telefonitootjate jaoks suur väljakutse. Kui GSM võeti kasutusele, töötati protokoll välja nii, et transiiverid saaksid töötada pooldupleksrežiimis.
See oli väga nutikas viis duplekserite kõrvaldamiseks ja see oli peamine tegur, mis aitas GSM-il saada odavaks peavoolutehnoloogiaks, mis suudab tööstuses domineerida (ja muuta inimeste suhtlemisviisi).
Androidi operatsioonisüsteemi leiutaja Andy Rubini telefonil Essential on uusimad ühenduvusfunktsioonid, sealhulgas Bluetooth 5.0LE, erinevad GSM/LTE ja titaanraami peidetud Wi-Fi antenn.
Kahjuks unustati tehniliste probleemide lahendamisest saadud õppetunnid 3G algusaegade tehnilis-poliitilistes sõdades kiiresti ning praegu domineeriv sagedusjaotusega dupleksimise (FDD) vorm nõuab duplekserit iga FDD-riba jaoks, milles see töötab. Pole kahtlust, et LTE buumiga kaasnevad kasvavad kulutegurid.
Kuigi mõned ribad saavad kasutada Time Division Duplexi või TDD-d (kus raadio lülitub kiiresti edastamise ja vastuvõtmise vahel), on neid sagedusi vähem. Enamik operaatoreid (välja arvatud peamiselt Aasia operaatorid) eelistab FDD vahemikku, mida on üle 30.
TDD- ja FDD-spektri pärand, raskused tõeliselt globaalsete sagedusribade vabastamisel ja 5G tulek koos rohkemate ribadega muudavad dupleksprobleemi veelgi keerulisemaks. Uurimise all olevad paljutõotavad meetodid hõlmavad uusi filtripõhiseid konstruktsioone ja võimet kõrvaldada iseeneslikku sekkumist.
Viimane toob endaga kaasa ka mõnevõrra paljulubava võimaluse "fragmentideta" dupleksiks (või "ribasiseseks täisdupleksiks"). 5G mobiilside tulevikus peame võib-olla arvestama mitte ainult FDD ja TDD, vaid ka nendel uutel tehnoloogiatel põhineva paindliku dupleksiga.
Taani Aalborgi ülikooli teadlased on välja töötanud "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3 arhitektuuri, mis kasutab (vt joonist lk 18) eraldi antenne edastamiseks ja vastuvõtuks ning ühendab need antennid (madala jõudlusega) koos kohandatavate antennidega. filtreerimine, et saavutada soovitud edastamise ja vastuvõtu isolatsioon.
Kuigi jõudlus on muljetavaldav, on kahe antenni vajadus suur puudus. Kuna telefonid muutuvad õhemaks ja elegantsemaks, jääb antennide jaoks saadaolev ruum aina väiksemaks.
Mobiilseadmete jaoks on ruumilise multipleksimise (MIMO) jaoks vaja ka mitut antenni. SAFE arhitektuuri ja 2×2 MIMO toega mobiiltelefonid vajavad vaid nelja antenni. Lisaks on nende filtrite ja antennide häälestusulatus piiratud.
Seega peavad ülemaailmsed mobiiltelefonid seda liidese arhitektuuri kordama, et katta kõik LTE sagedusalad (450 MHz kuni 3600 MHz), mis nõuab rohkem antenne, rohkem antennituunereid ja filtreid, mis toob meid tagasi korduma kippuvate küsimuste juurde. mitmeribaline töö komponentide dubleerimise tõttu.
Kuigi tahvelarvutisse või sülearvutisse saab paigaldada rohkem antenne, on selle tehnoloogia nutitelefonidele sobilikuks muutmiseks vaja täiendavaid edusamme kohandamises ja/või miniaturiseerimises.
Elektriliselt tasakaalustatud dupleksit on kasutatud juhtmetelefoni algusaegadest saati17. Telefonisüsteemis peavad mikrofon ja kuular olema telefoniliiniga ühendatud, kuid teineteisest isoleeritud, et kasutaja enda hääl nõrgemat sissetulevat helisignaali ei kurdiks. See saavutati hübriidtrafode abil enne elektrooniliste telefonide tulekut.
Alloleval joonisel kujutatud dupleksahel kasutab ülekandeliini impedantsi sobitamiseks sama väärtusega takistit, nii et mikrofonist tulev vool jaguneb trafosse sisenedes ja voolab läbi primaarmähise vastassuundades. Magnetvood kustutatakse tõhusalt ja sekundaarmähises ei indutseerita voolu, mistõttu sekundaarmähis on mikrofonist isoleeritud.
Kuid mikrofoni signaal läheb endiselt telefoniliinile (ehkki mõningase kadumisega) ja telefoniliini sissetulev signaal läheb endiselt kõlarisse (ka mõningase kadumisega), võimaldades samal telefoniliinil kahesuunalist sidet . . Metallist traat.
Raadio tasakaalustatud duplekser sarnaneb telefoni duplekseriga, kuid mikrofoni, telefonitoru ja telefonijuhtme asemel kasutatakse vastavalt saatjat, vastuvõtjat ja antenni, nagu on näidatud joonisel B.
Kolmas viis saatja vastuvõtjast isoleerimiseks on enesehäirete (SI) kõrvaldamine, lahutades seeläbi saadetud signaali vastuvõetud signaalist. Jammimistehnikaid on radaris ja ringhäälingus kasutatud aastakümneid.
Näiteks 1980. aastate alguses töötas Plessy välja ja turustas SI-kompensatsioonil põhinevat toodet nimega "Groundsat", et laiendada poolduplekssete analoogsete FM-sõjaliste sidevõrkude ulatust4-5.
Süsteem toimib täisdupleks-ühe kanaliga repiiterina, laiendades pooldupleksraadioseadmete efektiivset ulatust kogu tööpiirkonnas.
Viimasel ajal on tuntud huvi iseeneslike häirete summutamise vastu, seda peamiselt lähiside (mobiilside ja Wi-Fi) suundumuse tõttu, mis muudab SI summutamise probleemi paremini hallatavaks tänu väiksemale saatevõimsusele ja suurema võimsusega vastuvõtule tarbijatele. . Traadita juurdepääsu ja tagasiühenduse rakendused 6-8.
Apple'i iPhone'il (Qualcommi abiga) on vaieldamatult maailma parim traadita ja LTE võimalus, mis toetab 16 LTE-riba ühel kiibil. See tähendab, et GSM- ja CDMA-turgude katmiseks tuleb toota ainult kaks SKU-d.
Häirete jagamiseta dupleksrakendustes võib enesehäirete summutamine parandada spektri efektiivsust, võimaldades üles- ja allalingil jagada samu spektriressursse9,10. FDD jaoks kohandatud duplekserite loomiseks saab kasutada ka enesehäirete summutamise tehnikaid.
Tühistamine ise koosneb tavaliselt mitmest etapist. Antenni ja transiiveri vaheline suunavõrk tagab edastatud ja vastuvõetud signaalide eraldamise esimese taseme. Teiseks kasutatakse täiendavat analoog- ja digitaalsignaali töötlemist, et kõrvaldada vastuvõetud signaalis järelejäänud sisemine müra. Esimeses etapis võib kasutada eraldi antenni (nagu SAFE-s), hübriidtrafot (kirjeldatud allpool);
Eraldunud antennide probleemi on juba kirjeldatud. Ringluspumbad on tavaliselt kitsaribalised, kuna kasutavad kristallis ferromagnetilist resonantsi. See hübriidtehnoloogia ehk elektriliselt tasakaalustatud isolatsioon (EBI) on paljulubav tehnoloogia, mida saab lairibaühendusega ja potentsiaalselt kiibile integreerida.
Nagu on näidatud alloleval joonisel, kasutab nutika antenni esiots kahte kitsariba häälestatavat antenni, ühte edastamiseks ja teist vastuvõtmiseks, ning paari madalama jõudlusega, kuid häälestatavat dupleksfiltrit. Üksikud antennid ei taga mitte ainult passiivset isolatsiooni nendevahelise leviku kadumise hinnaga, vaid neil on ka piiratud (kuid häälestatav) hetkeline ribalaius.
Saateantenn töötab efektiivselt ainult edastussagedusalas ja vastuvõtuantenn ainult vastuvõtusagedusalas. Antud juhul toimib antenn ise ka filtrina: sagedusribaväliseid Tx-emissioone summutab saateantenn ja Tx-riba enesehäireid summutab vastuvõtuantenn.
Seetõttu nõuab arhitektuur, et antenn oleks häälestatav, mis saavutatakse antenni häälestusvõrgu abil. Antenni häälestusvõrgus esineb vältimatu sisestuskadu. Hiljutised edusammud MEMS18 häälestatavates kondensaatorites on aga oluliselt parandanud nende seadmete kvaliteeti, vähendades seeläbi kadusid. Rx-i sisestuskadu on ligikaudu 3 dB, mis on võrreldav SAW duplekseri ja lüliti kogukadudega.
Antennipõhist isolatsiooni täiendab seejärel häälestatav filter, mis põhineb samuti MEM3 häälestatavatel kondensaatoritel, et saavutada antennist 25 dB ja filtrist 25 dB isolatsiooni. Prototüübid on näidanud, et seda on võimalik saavutada.
Mitmed teadusringkondade ja tööstuse uurimisrühmad uurivad hübriidide kasutamist dupleksprintimiseks11–16. Need skeemid kõrvaldavad passiivselt SI, võimaldades samaaegset edastamist ja vastuvõtmist ühelt antennilt, kuid eraldades saatja ja vastuvõtja. Need on olemuselt lairibaühendused ja neid saab rakendada kiibil, muutes need mobiilseadmetes atraktiivseks võimaluseks sageduse dupleksiks.
Hiljutised edusammud on näidanud, et EBI-d kasutavaid FDD-transiivereid saab toota CMOS-ist (Complementary Metal Oxide Semiconductor), millel on sisestuskadu, müra, vastuvõtja lineaarsus ja blokeerivad summutusomadused, mis sobivad mobiilsiderakendusteks 11, 12, 13. Siiski, nagu näitavad arvukad näited akadeemilisest ja teaduslikust kirjandusest, on dupleks-isolatsioonil põhiline piirang.
Raadioantenni impedants ei ole fikseeritud, vaid varieerub sõltuvalt töösagedusest (antenni resonantsist) ja ajast (muutuva keskkonnaga koostoime tõttu). See tähendab, et tasakaalustav impedants peab kohanema impedantsi muutustega ja lahtisidumise ribalaius on sageduspiirkonna muutuste tõttu piiratud13 (vt joonis 1).
Meie töö Bristoli ülikoolis on keskendunud nende jõudluspiirangute uurimisele ja käsitlemisele, et näidata, et nõutavat saatmise/vastuvõtmise isolatsiooni ja läbilaskevõimet on võimalik saavutada reaalses kasutuses.
Antenni impedantsi kõikumiste ületamiseks (mis avaldab tugevat mõju isolatsioonile), jälgib meie adaptiivne algoritm antenni impedantsi reaalajas ning testimine on näidanud, et jõudlust saab säilitada erinevates dünaamilistes keskkondades, sealhulgas kasutaja käega suhtlemisel ning kiirel maanteel ja raudteel. reisida.
Lisaks, et ületada piiratud antenni sobivus sageduspiirkonnas, suurendades seeläbi ribalaiust ja üldist isolatsiooni, kombineerime elektriliselt tasakaalustatud duplekseri täiendava aktiivse SI summutusega, kasutades teist saatjat summutussignaali genereerimiseks enesehäirete edasiseks summutamiseks. (vt joonis 2).
Meie katsealuse tulemused on julgustavad: kombineerituna EBD-ga võib aktiivne tehnoloogia märkimisväärselt parandada edastamise ja vastuvõtmise isolatsiooni, nagu on näidatud joonisel 3.
Meie lõplik labori seadistus kasutab odavaid mobiilseadmete komponente (mobiiltelefoni võimsusvõimendid ja antennid), mis muudab selle mobiiltelefonide rakenduste jaoks tüüpiliseks. Veelgi enam, meie mõõtmised näitavad, et seda tüüpi kaheastmeline enesehäirete tagasilükkamine võib tagada vajaliku dupleksiisolatsiooni üles- ja allalingi sagedusribades, isegi kui kasutatakse odavaid kaubandusliku kvaliteediga seadmeid.
Signaali tugevus, mida mobiilsideseade oma maksimumvahemikus vastu võtab, peab olema 12 suurusjärku madalam selle edastatavast signaalitugevusest. Time Division Duplex (TDD) puhul on dupleksahel lihtsalt lüliti, mis ühendab antenni saatja või vastuvõtjaga, seega on TDD duplekser lihtne lüliti. FDD puhul töötavad saatja ja vastuvõtja samaaegselt ning duplekser kasutab filtreid, et isoleerida vastuvõtja saatja tugevast signaalist.
Mobiilside FDD esiotsa duplekser tagab >~50 dB isolatsiooni üleslingi sagedusalas, et vältida vastuvõtja ülekoormamist Tx-signaalidega, ja >~50 dB isolatsiooni allalingi sagedusalas, et vältida ribavälist edastamist. Vähendatud vastuvõtja tundlikkus. Rx-sagedusalas on kaod edastus- ja vastuvõtuteedel minimaalsed.
Need väikese kadu ja suure isolatsiooniga nõuded, kus sagedusi eraldab vaid paar protsenti, nõuavad kõrge Q-filtrimist, mida on seni võimalik saavutada ainult pinnaakustilise laine (SAW) või keha akustilise laine (BAW) seadmetega.
Kuigi tehnoloogia areneb edasi ja suures osas vajalike seadmete suure arvu tõttu on edusammud, tähendab mitmeribaline töö iga riba jaoks eraldi kiibivälist dupleksfiltrit, nagu on näidatud joonisel A. Kõik lülitid ja ruuterid lisavad ka täiendavaid funktsioone. tulemuskaristused ja kompromissid.
Praegusel tehnoloogial põhinevaid taskukohaseid ülemaailmseid telefone on liiga raske toota. Saadud raadioarhitektuur on väga suur, kadudega ja kallis. Tootjad peavad looma mitu tootevarianti erinevates piirkondades vajalike sagedusribade erinevate kombinatsioonide jaoks, muutes piiramatu ülemaailmse LTE-rändluse keeruliseks. Mastaabisäästu, mis viis GSM-i domineerimiseni, on üha raskem saavutada.
Kasvav nõudlus kiire andmesidekiirusega mobiilsideteenuste järele on viinud 4G-mobiilsidevõrkude kasutuselevõtuni 50 sagedusribas ning sagedusalasid tuleb veelgi rohkem, kuna 5G on täielikult määratletud ja laialdaselt kasutusele võetud. RF-liidese keerukuse tõttu ei ole praeguste filtripõhiste tehnoloogiate abil võimalik seda kõike ühes seadmes katta, mistõttu on vaja kohandatavaid ja ümberkonfigureeritavaid RF-ahelaid.
Ideaalis on dupleksprobleemi lahendamiseks vaja uut lähenemisviisi, mis võib-olla põhineb häälestatavatel filtritel või iseeneslike häirete summutamisel või mõlema kombinatsioonil.
Kuigi meil pole veel ühtset lähenemisviisi, mis vastaks paljudele kulude, suuruse, jõudluse ja tõhususe nõudmistele, võib-olla saavad pusle tükid kokku ja on mõne aasta pärast teie taskus.
Sellised tehnoloogiad nagu SI-supressiooniga EBD võivad avada võimaluse kasutada sama sagedust mõlemas suunas samaaegselt, mis võib oluliselt parandada spektraalset efektiivsust.
Postitusaeg: 24. september 2024