For ti år siden støttet smarttelefoner vanligvis bare noen få standarder som opererer i de fire GSM-frekvensbåndene, og kanskje noen få WCDMA- eller CDMA2000-standarder. Med så få frekvensbånd å velge mellom, har en viss grad av global enhetlighet blitt oppnådd med "quad-band" GSM-telefoner, som bruker 850/900/1800/1900 MHz-båndene og kan brukes hvor som helst i verden (vel, ganske mye).
Dette er en stor fordel for reisende og skaper enorme stordriftsfordeler for enhetsprodusenter, som bare trenger å gi ut noen få modeller (eller kanskje bare én) for hele det globale markedet. Spol frem til i dag, GSM er fortsatt den eneste trådløse tilgangsteknologien som gir global roaming. Forresten, hvis du ikke visste det, fases GSM gradvis ut.
Enhver smarttelefon verdig navnet må støtte 4G-, 3G- og 2G-tilgang med varierende krav til RF-grensesnitt når det gjelder båndbredde, sendeeffekt, mottakerfølsomhet og mange andre parametere.
I tillegg, på grunn av den fragmenterte tilgjengeligheten av globalt spektrum, dekker 4G-standarder et stort antall frekvensbånd, slik at operatører kan bruke dem på alle frekvenser som er tilgjengelige i et gitt område – for tiden totalt 50 bånd, slik tilfellet er med LTE1-standarder. En ekte "verdenstelefon" må fungere i alle disse miljøene.
Hovedproblemet som enhver mobilradio må løse er "duplekskommunikasjon". Når vi snakker, lytter vi samtidig. Tidlige radiosystemer brukte push-to-talk (noen gjør det fortsatt), men når vi snakker i telefonen forventer vi at den andre personen avbryter oss. Førstegenerasjons (analoge) mobilenheter brukte "dupleksfiltre" (eller dupleksere) for å motta nedlinken uten å bli "bedøvet" ved å sende opplinken på en annen frekvens.
Å gjøre disse filtrene mindre og billigere var en stor utfordring for tidlige telefonprodusenter. Da GSM ble introdusert, ble protokollen designet slik at transceivere kunne operere i "halv dupleksmodus".
Dette var en veldig smart måte å eliminere dupleksere, og var en viktig faktor for å hjelpe GSM til å bli en rimelig, mainstream-teknologi som er i stand til å dominere bransjen (og endre måten folk kommuniserte på i prosessen).
The Essential-telefonen fra Andy Rubin, oppfinneren av Android-operativsystemet, har de nyeste tilkoblingsfunksjonene, inkludert Bluetooth 5.0LE, forskjellige GSM/LTE og en Wi-Fi-antenne skjult i en titanramme.
Dessverre ble erfaringene fra å løse tekniske problemer raskt glemt i de teknopolitiske krigene i de første dagene av 3G, og den for tiden dominerende formen for frekvensdelingsdupleksing (FDD) krever en duplekser for hvert FDD-bånd den opererer i. Det er ingen tvil om at LTE-boomen kommer med økende kostnadsfaktorer.
Mens noen bånd kan bruke Time Division Duplex, eller TDD (hvor radioen raskt bytter mellom sending og mottak), finnes det færre av disse båndene. De fleste operatører (bortsett fra hovedsakelig asiatiske) foretrekker FDD-serien, som det er mer enn 30 av.
Arven etter TDD- og FDD-spekteret, vanskeligheten med å frigjøre virkelig globale bånd, og bruken av 5G med flere bånd gjør dupleksproblemet enda mer komplekst. Lovende metoder som undersøkes inkluderer nye filterbaserte design og muligheten til å eliminere selvinterferens.
Sistnevnte bringer også med seg den noe lovende muligheten for "fragmentløs" dupleks (eller "in-band full dupleks"). I fremtiden for 5G mobilkommunikasjon må vi kanskje vurdere ikke bare FDD og TDD, men også fleksibel dupleks basert på disse nye teknologiene.
Forskere ved Aalborg Universitet i Danmark har utviklet en "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3-arkitektur som bruker (se illustrasjon på side 18) separate antenner for overføring og mottak og kombinerer disse antennene med (lav ytelse) i kombinasjon med tilpassbare filtrering for å oppnå ønsket overførings- og mottaksisolasjon.
Selv om ytelsen er imponerende, er behovet for to antenner en stor ulempe. Etter hvert som telefonene blir tynnere og slankere, blir plassen tilgjengelig for antenner mindre og mindre.
Mobile enheter krever også flere antenner for romlig multipleksing (MIMO). Mobiltelefoner med SAFE arkitektur og 2×2 MIMO-støtte krever kun fire antenner. I tillegg er innstillingsområdet til disse filtrene og antennene begrenset.
Så globale mobiltelefoner må også replikere denne grensesnittarkitekturen for å dekke alle LTE-frekvensbånd (450 MHz til 3600 MHz), noe som vil kreve flere antenner, flere antennetunere og flere filtre, noe som bringer oss tilbake til de ofte stilte spørsmålene om flerbåndsdrift på grunn av duplisering av komponenter.
Selv om flere antenner kan installeres i et nettbrett eller en bærbar PC, er det nødvendig med ytterligere fremskritt innen tilpasning og/eller miniatyrisering for å gjøre denne teknologien egnet for smarttelefoner.
Elektrisk balansert dupleks har blitt brukt siden de første dagene av trådtelefoni17. I et telefonsystem skal mikrofon og øreplugg være koblet til telefonlinjen, men isolert fra hverandre slik at brukerens egen stemme ikke overdøver det svakere innkommende lydsignalet. Dette ble oppnådd ved bruk av hybridtransformatorer før bruken av elektroniske telefoner.
Duplekskretsen vist i figuren nedenfor bruker en motstand med samme verdi for å matche impedansen til overføringslinjen slik at strømmen fra mikrofonen deler seg når den kommer inn i transformatoren og flyter i motsatte retninger gjennom primærspolen. De magnetiske fluksene blir effektivt kansellert og det induseres ingen strøm i sekundærspolen, så sekundærspolen er isolert fra mikrofonen.
Signalet fra mikrofonen går imidlertid fortsatt til telefonlinjen (om enn med noe tap), og det innkommende signalet på telefonlinjen går fortsatt til høyttaleren (også med noe tap), noe som tillater toveis kommunikasjon på samme telefonlinje . . Metalltråd.
En radiobalansert dupleksenhet ligner på en telefondupleksenhet, men i stedet for en mikrofon, håndsett og telefonledning brukes henholdsvis en sender, mottaker og antenne, som vist i figur B.
En tredje måte å isolere senderen fra mottakeren på er å eliminere selvinterferens (SI), og derved trekke det overførte signalet fra det mottatte signalet. Jamming-teknikker har blitt brukt i radar og kringkasting i flere tiår.
For eksempel, på begynnelsen av 1980-tallet, utviklet og markedsførte Plessy et SI-kompensasjonsbasert produkt kalt "Groundsat" for å utvide rekkevidden av halv-dupleks analoge FM militære kommunikasjonsnettverk4-5.
Systemet fungerer som en full-dupleks enkanals repeater, og utvider det effektive utvalget av halv-dupleks radioer som brukes i hele arbeidsområdet.
Det har nylig vært interesse for undertrykkelse av selvforstyrrelser, hovedsakelig på grunn av trenden mot kortdistansekommunikasjon (mobilnett og Wi-Fi), som gjør problemet med SI-undertrykkelse mer håndterlig på grunn av lavere sendeeffekt og høyere effektmottak for forbrukerbruk . Trådløs tilgang og backhaul-applikasjoner 6-8.
Apples iPhone (med hjelp fra Qualcomm) har uten tvil verdens beste trådløse og LTE-funksjoner, og støtter 16 LTE-bånd på en enkelt brikke. Dette betyr at kun to SKU-er trenger å produseres for å dekke GSM- og CDMA-markedet.
I dupleksapplikasjoner uten interferensdeling kan selvinterferensundertrykkelse forbedre spektrumeffektiviteten ved å la opplinken og nedlinken dele de samme spektrumressursene9,10. Teknikker for undertrykkelse av selvforstyrrelser kan også brukes til å lage tilpassede dupleksere for FDD.
Selve kanselleringen består vanligvis av flere stadier. Retningsnettverket mellom antennen og transceiveren gir det første nivået av separasjon mellom de sendte og mottatte signalene. For det andre brukes ytterligere analog og digital signalbehandling for å eliminere eventuell gjenværende egenstøy i det mottatte signalet. Det første trinnet kan bruke en separat antenne (som i SAFE), en hybridtransformator (beskrevet nedenfor);
Problemet med løsrevne antenner er allerede beskrevet. Sirkulatorer er vanligvis smalbånd fordi de bruker ferromagnetisk resonans i krystallen. Denne hybridteknologien, eller Electrically Balanced Isolation (EBI), er en lovende teknologi som kan være bredbånd og potensielt integrert på en brikke.
Som vist i figuren nedenfor, bruker den smarte antennens frontend-design to smalbåndsavstembare antenner, en for overføring og en for mottak, og et par dupleksfiltre med lavere ytelse, men avstembare. Individuelle antenner gir ikke bare en viss passiv isolasjon på bekostning av utbredelsestap mellom dem, men har også begrenset (men justerbar) øyeblikkelig båndbredde.
Senderantennen fungerer effektivt bare i sendefrekvensbåndet, og mottakerantennen fungerer effektivt bare i mottaksfrekvensbåndet. I dette tilfellet fungerer selve antennen også som et filter: Tx-utslipp utenfor båndet dempes av senderantennen, og selvinterferens i Tx-båndet dempes av mottakerantennen.
Derfor krever arkitekturen at antennen er avstembar, noe som oppnås ved å bruke et antenneinnstillingsnettverk. Det er noe uunngåelig innsettingstap i et antenneinnstillingsnettverk. Nylige fremskritt innen MEMS18 avstembare kondensatorer har imidlertid forbedret kvaliteten på disse enhetene betydelig, og dermed redusert tap. Rx-innsettingstapet er omtrent 3 dB, som er sammenlignbart med det totale tapet til SAW-dupleksenheten og bryteren.
Den antennebaserte isolasjonen kompletteres deretter med et avstembart filter, også basert på MEM3-avstembare kondensatorer, for å oppnå 25 dB isolasjon fra antennen og 25 dB isolasjon fra filteret. Prototyper har vist at dette kan oppnås.
Flere forskningsgrupper i akademia og industri utforsker bruken av hybrider for tosidig utskrift11–16. Disse ordningene eliminerer passivt SI ved å tillate samtidig overføring og mottak fra en enkelt antenne, men isolerer sender og mottaker. De er av bredbåndsnatur og kan implementeres på brikken, noe som gjør dem til et attraktivt alternativ for frekvensdupleksing i mobile enheter.
Nylige fremskritt har vist at FDD-sendere/mottakere som bruker EBI kan produseres fra CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) med innsettingstap, støytall, mottakerlinearitet og blokkeringsundertrykkelsesegenskaper som er egnet for mobilapplikasjoner11,12,13. Imidlertid, som mange eksempler i akademisk og vitenskapelig litteratur viser, er det en grunnleggende begrensning som påvirker dupleksisolasjon.
Impedansen til en radioantenne er ikke fast, men varierer med driftsfrekvens (på grunn av antenneresonans) og tid (på grunn av interaksjon med et skiftende miljø). Dette betyr at balanseringsimpedansen må tilpasses til å spore impedansendringer, og avkoblingsbåndbredden er begrenset på grunn av endringer i frekvensdomenet13 (se figur 1).
Vårt arbeid ved University of Bristol er fokusert på å undersøke og adressere disse ytelsesbegrensningene for å demonstrere at den nødvendige sende-/mottaksisolasjonen og gjennomstrømningen kan oppnås i virkelige brukstilfeller.
For å overvinne svingninger i antenneimpedansen (som alvorlig påvirker isolasjonen), sporer vår adaptive algoritme antenneimpedansen i sanntid, og testing har vist at ytelsen kan opprettholdes i en rekke dynamiske miljøer, inkludert brukerhåndsinteraksjon og høyhastighets vei og jernbane reise.
I tillegg, for å overvinne den begrensede antennetilpasningen i frekvensdomenet, og dermed øke båndbredden og den totale isolasjonen, kombinerer vi en elektrisk balansert duplekser med ekstra aktiv SI-undertrykkelse, ved å bruke en andre sender for å generere et undertrykkelsessignal for ytterligere å undertrykke selvforstyrrelser. (se figur 2).
Resultatene fra vår testbed er oppmuntrende: Når den kombineres med EBD, kan aktiv teknologi forbedre overførings- og mottaksisolasjonen betydelig, som vist i figur 3.
Vårt endelige laboratorieoppsett bruker rimelige mobilenhetskomponenter (mobiltelefoneffektforsterkere og antenner), noe som gjør det representativt for mobiltelefonimplementeringer. Dessuten viser målingene våre at denne typen totrinns selvinterferensavvisning kan gi den nødvendige dupleksisolasjonen i uplink- og downlink-frekvensbåndene, selv når du bruker lavkostutstyr av kommersiell kvalitet.
Signalstyrken en mobilenhet mottar ved sitt maksimale rekkevidde må være 12 størrelsesordener lavere enn signalstyrken den sender. I Time Division Duplex (TDD) er duplekskretsen ganske enkelt en bryter som kobler antennen til senderen eller mottakeren, så duplekseren i TDD er en enkel bryter. I FDD opererer senderen og mottakeren samtidig, og duplekseren bruker filtre for å isolere mottakeren fra senderens sterke signal.
Duplekseren i den cellulære FDD-frontenden gir >~50 dB isolasjon i opplinkbåndet for å forhindre overbelastning av mottakeren med Tx-signaler, og >~50 dB isolasjon i nedlinkbåndet for å forhindre overføring utenfor båndet. Redusert mottakerfølsomhet. I Rx-båndet er tapene i sende- og mottaksbanene minimale.
Disse kravene til lavt tap og høy isolasjon, hvor frekvensene er separert med bare noen få prosent, krever høy-Q-filtrering, som så langt kun kan oppnås ved bruk av overflate-akustiske bølger (SAW) eller kropps-akustiske bølger (BAW).
Mens teknologien fortsetter å utvikle seg, med fremskritt hovedsakelig på grunn av det store antallet enheter som kreves, betyr flerbåndsdrift et separat off-chip dupleksfilter for hvert bånd, som vist i figur A. Alle brytere og rutere legger også til ekstra funksjonalitet med ytelsesstraff og avveininger.
Rimelige globale telefoner basert på dagens teknologi er for vanskelige å produsere. Den resulterende radioarkitekturen vil være veldig stor, tapsmessig og kostbar. Produsenter må lage flere produktvarianter for forskjellige kombinasjoner av bånd som trengs i forskjellige regioner, noe som gjør ubegrenset global LTE-roaming vanskelig. Stordriftsfordelene som førte til GSMs dominans blir stadig vanskeligere å oppnå.
Økende etterspørsel etter mobiltjenester med høy datahastighet har ført til distribusjon av 4G-mobilnettverk på tvers av 50 frekvensbånd, med enda flere bånd som kommer ettersom 5G er fullt definert og bredt distribuert. På grunn av kompleksiteten til RF-grensesnittet, er det ikke mulig å dekke alt dette i en enkelt enhet ved bruk av gjeldende filterbaserte teknologier, så tilpassbare og rekonfigurerbare RF-kretser kreves.
Ideelt sett er det nødvendig med en ny tilnærming for å løse dupleksproblemet, kanskje basert på justerbare filtre eller undertrykkelse av selvforstyrrelser, eller en kombinasjon av begge.
Selv om vi ennå ikke har en enkelt tilnærming som oppfyller de mange kravene til kostnader, størrelse, ytelse og effektivitet, vil kanskje brikkene i puslespillet samles og være i lommen din om noen år.
Teknologier som EBD med SI-undertrykkelse kan åpne for muligheten for å bruke samme frekvens i begge retninger samtidig, noe som kan forbedre spektraleffektiviteten betydelig.
Innleggstid: 24. september 2024