Пре десет година, паметни телефони су обично подржавали само неколико стандарда који су радили у четири ГСМ фреквенцијска опсега, и можда неколико ВЦДМА или ЦДМА2000 стандарда. Са тако мало фреквентних опсега за избор, одређени степен глобалне униформности је постигнут са „четворопојасним“ ГСМ телефонима, који користе опсеге 850/900/1800/1900 МХз и могу се користити било где у свету (па, прилично).
Ово је огромна предност за путнике и ствара огромну економију обима за произвођаче уређаја, који треба да издају само неколико модела (или можда само један) за цело глобално тржиште. Брзо напред до данас, ГСМ остаје једина бежична приступна технологија која обезбеђује глобални роминг. Иначе, ако нисте знали, ГСМ се постепено гаси.
Сваки паметни телефон који заслужује то име мора да подржава 4Г, 3Г и 2Г приступ са различитим захтевима РФ интерфејса у погледу пропусног опсега, снаге преноса, осетљивости пријемника и многих других параметара.
Поред тога, због фрагментиране доступности глобалног спектра, 4Г стандарди покривају велики број фреквенцијских опсега, тако да их оператери могу користити на било којој фреквенцији која је доступна у било којој области – тренутно укупно 50 опсега, као што је случај са ЛТЕ1 стандардима. Прави „светски телефон“ мора да ради у свим овим окружењима.
Кључни проблем који сваки мобилни радио мора да реши је „дуплекс комуникација“. Када говоримо, слушамо у исто време. Рани радио системи су користили пусх-то-талк (неки и даље раде), али када разговарамо телефоном, очекујемо да нас друга особа прекине. Прва генерација (аналогних) ћелијских уређаја користила је „дуплексне филтере“ (или дуплексере) да би примила довнлинк без да буду „омамљени“ преносом узлазне везе на другој фреквенцији.
Прављење ових филтера мањим и јефтинијим био је велики изазов за ране произвођаче телефона. Када је ГСМ уведен, протокол је дизајниран тако да примопредајници могу да раде у „полудуплекс режиму“.
Ово је био веома паметан начин да се елиминишу дуплексери, и био је главни фактор у помагању ГСМ-у да постане јефтина, мејнстрим технологија способна да доминира индустријом (и промени начин на који људи комуницирају у том процесу).
Ессентиал телефон Ендија Рубина, проналазача Андроид оперативног система, има најновије функције повезивања укључујући Блуетоотх 5.0ЛЕ, различите ГСМ/ЛТЕ и Ви-Фи антену скривену у титанијумском оквиру.
Нажалост, лекције извучене из решавања техничких проблема брзо су заборављене у техно-политичким ратовима раних дана 3Г, а тренутно доминантни облик дуплексирања са фреквенцијском поделом (ФДД) захтева дуплексер за сваки ФДД опсег у коме ради. Нема сумње да ЛТЕ бум долази са растућим факторима трошкова.
Док неки опсези могу да користе Дуплек са временском поделом, или ТДД (где се радио брзо пребацује између преноса и пријема), постоји мање ових опсега. Већина оператера (осим углавном азијских) преферира ФДД опсег, којих има више од 30.
Наслеђе ТДД и ФДД спектра, тешкоћа ослобађања заиста глобалних опсега и појава 5Г са више опсега чине проблем дуплекса још сложенијим. Обећавајуће методе које се истражују укључују нове дизајне засноване на филтерима и способност да се елиминишу самосметње.
Ово последње такође са собом доноси донекле обећавајућу могућност дуплекса „без фрагмената“ (или „пуног дуплекса у опсегу“). У будућности 5Г мобилних комуникација, можда ћемо морати да размотримо не само ФДД и ТДД, већ и флексибилни дуплекс заснован на овим новим технологијама.
Истраживачи са Универзитета Алборг у Данској развили су архитектуру „Смарт Антенна Фронт Енд“ (САФЕ)2-3 која користи (погледајте илустрацију на страници 18) одвојене антене за пренос и пријем и комбинује ове антене са (ниских перформанси) у комбинацији са прилагодљивим филтрирање да би се постигла жељена изолација преноса и пријема.
Иако су перформансе импресивне, потреба за две антене је велики недостатак. Како телефони постају тањи и углађенији, простор за антене је све мањи и мањи.
Мобилни уређаји такође захтевају више антена за просторно мултиплексирање (МИМО). Мобилни телефони са САФЕ архитектуром и 2×2 МИМО подршком захтевају само четири антене. Поред тога, опсег подешавања ових филтера и антена је ограничен.
Дакле, глобални мобилни телефони ће такође морати да реплицирају ову архитектуру интерфејса како би покрили све ЛТЕ фреквентне опсеге (450 МХз до 3600 МХз), што ће захтевати више антена, више антенских тјунера и више филтера, што нас враћа на често постављана питања о вишепојасни рад због дуплирања компоненти.
Иако се више антена може инсталирати у таблет или лаптоп, потребан је даљи напредак у прилагођавању и/или минијатуризацији како би ова технологија била погодна за паметне телефоне.
Електрично балансирани дуплекс се користи од раних дана жичне телефоније17. У телефонском систему, микрофон и слушалица морају бити повезани на телефонску линију, али изоловани један од другог тако да сопствени глас корисника не заглушује слабији долазни аудио сигнал. Ово је постигнуто коришћењем хибридних трансформатора пре појаве електронских телефона.
Дуплексно коло приказано на слици испод користи отпорник исте вредности да би се ускладио са импедансом преносне линије тако да се струја из микрофона дели док улази у трансформатор и тече у супротним смеровима кроз примарни калем. Магнетни флуксови се ефикасно поништавају и струја се не индукује у секундарном калему, тако да је секундарни калем изолован од микрофона.
Међутим, сигнал са микрофона и даље иде на телефонску линију (иако са неким губитком), а долазни сигнал на телефонској линији и даље иде до звучника (такође са неким губитком), омогућавајући двосмерну комуникацију на истој телефонској линији . . Метална жица.
Радио балансирани дуплексер је сличан телефонском дуплексеру, али уместо микрофона, слушалице и телефонске жице, користе се предајник, пријемник и антена, као што је приказано на слици Б.
Трећи начин да се изолује предајник од пријемника је да се елиминишу самосметње (СИ), чиме се од примљеног сигнала одузима преношени сигнал. Технике ометања се деценијама користе у радару и емитовању.
На пример, раних 1980-их, Плеси је развио и пласирао на тржиште производ заснован на СИ компензацији под називом „Гроундсат“ како би проширио опсег полудуплексних аналогних ФМ војних комуникационих мрежа4-5.
Систем делује као фулл-дуплек једноканални репетитор, проширујући ефективни домет полудуплекс радија који се користи у радном подручју.
Недавно је постојало интересовање за сузбијање самосметања, углавном због тренда ка комуникацијама кратког домета (ћелијске и Ви-Фи), што чини проблем потискивања СИ лакшим за управљање због мање снаге преноса и веће снаге пријема за потрошачку употребу. . Бежични приступ и бацкхаул апликације 6-8.
Апплеов иПхоне (уз помоћ компаније Куалцомм) вероватно има најбоље бежичне и ЛТЕ могућности на свету, подржавајући 16 ЛТЕ опсега на једном чипу. То значи да је потребно произвести само два СКУ-а за покривање ГСМ и ЦДМА тржишта.
У дуплекс апликацијама без дељења сметњи, сузбијање самосметања може побољшати ефикасност спектра омогућавајући узлазној и силазној вези да деле исте ресурсе спектра9,10. Технике сузбијања самосметњи се такође могу користити за креирање прилагођених дуплексера за ФДД.
Само отказивање се обично састоји од неколико фаза. Усмерена мрежа између антене и примопредајника обезбеђује први ниво раздвајања између емитованих и примљених сигнала. Друго, додатна аналогна и дигитална обрада сигнала се користи да би се елиминисао сваки преостали унутрашњи шум у примљеном сигналу. Прва фаза може да користи засебну антену (као у САФЕ), хибридни трансформатор (описан у наставку);
Проблем одвојених антена је већ описан. Циркулатори су обично ускопојасни јер користе феромагнетну резонанцију у кристалу. Ова хибридна технологија или електрично балансирана изолација (ЕБИ) је обећавајућа технологија која може бити широкопојасна и потенцијално интегрисана у чип.
Као што је приказано на слици испод, дизајн предњег краја паметне антене користи две ускопојасне подесиве антене, једну за пренос и једну за пријем, и пар дуплекс филтера нижих перформанси, али подесивих. Појединачне антене не само да обезбеђују неку пасивну изолацију по цену губитка простирања између њих, већ имају и ограничену (али подесиву) тренутну ширину опсега.
Предајна антена ефикасно ради само у фреквентном опсегу одашиљања, а пријемна антена ефикасно ради само у фреквентном опсегу пријема. У овом случају, сама антена такође делује као филтер: Тк емисије ван опсега су пригушене предајном антеном, а сопствене сметње у Тк опсегу су пригушене пријемном антеном.
Због тога архитектура захтева да антена буде подесива, што се постиже коришћењем мреже за подешавање антене. Постоји извесни неизбежни губитак уметања у мрежи за подешавање антене. Међутим, недавни напредак у МЕМС18 подесивим кондензаторима значајно је побољшао квалитет ових уређаја, смањујући тиме губитке. Губитак уметања Рк је приближно 3 дБ, што је упоредиво са укупним губицима САВ дуплексера и прекидача.
Изолација заснована на антени је затим допуњена подесивим филтером, такође заснованим на МЕМ3 подесивим кондензаторима, да би се постигла изолација од 25 дБ од антене и 25 дБ изолација од филтера. Прототипови су показали да се то може постићи.
Неколико истраживачких група у академској заједници и индустрији истражује употребу хибрида за двострано штампање11–16. Ове шеме пасивно елиминишу СИ тако што омогућавају истовремени пренос и пријем са једне антене, али изолују предајник и пријемник. Они су по природи широкопојасни и могу се имплементирати на чипу, што их чини атрактивном опцијом за дуплексирање фреквенција у мобилним уређајима.
Недавна достигнућа су показала да ФДД примопредајници који користе ЕБИ могу бити произведени од ЦМОС (комплементарног металног оксидног полупроводника) са губитком уметања, фигуром шума, линеарношћу пријемника и карактеристикама потискивања блокирања погодним за ћелијске апликације11,12,13. Међутим, као што бројни примери у академској и научној литератури показују, постоји фундаментално ограничење које утиче на дуплексну изолацију.
Импеданса радио антене није фиксна, али варира са радном фреквенцијом (због резонанце антене) и временом (због интеракције са променљивим окружењем). То значи да импеданса балансирања мора да се прилагоди променама импедансе, а ширина опсега раздвајања је ограничена због промена у фреквенцијском домену13 (види слику 1).
Наш рад на Универзитету у Бристолу фокусиран је на истраживање и решавање ових ограничења перформанси како бисмо показали да се потребна изолација слања/пријема и пропусност могу постићи у случајевима коришћења у стварном свету.
Да би се превазишле флуктуације импедансе антене (које озбиљно утичу на изолацију), наш адаптивни алгоритам прати импедансу антене у реалном времену, а тестирање је показало да се перформансе могу одржавати у различитим динамичким окружењима, укључујући интеракцију коју рукује корисник и велике брзине на путу и железници. путовања.
Поред тога, да бисмо превазишли ограничено усклађивање антена у фреквенцијском домену, чиме смо повећали пропусни опсег и укупну изолацију, комбинујемо електрично балансирани дуплексер са додатном активном супресијом СИ, користећи други предајник да генерише сигнал потискивања ради даљег сузбијања самосметњи. (види слику 2).
Резултати са нашег тестног поља су охрабрујући: када се комбинује са ЕБД, активна технологија може значајно да побољша изолацију преноса и пријема, као што је приказано на слици 3.
Наша коначна лабораторијска поставка користи јефтине компоненте мобилних уређаја (појачала снаге за мобилне телефоне и антене), што га чини репрезентативним за имплементације мобилних телефона. Штавише, наша мерења показују да овај тип двостепеног одбијања самосметњи може да обезбеди потребну дуплекс изолацију у фреквенцијским опсезима узлазне и силазне везе, чак и када се користи јефтина опрема комерцијалног квалитета.
Јачина сигнала који ћелијски уређај прима у свом максималном домету мора бити 12 редова величине нижа од јачине сигнала који емитује. У дуплексу са временском поделом (ТДД), дуплекс коло је једноставно прекидач који повезује антену са предајником или пријемником, тако да је дуплексер у ТДД једноставан прекидач. У ФДД, предајник и пријемник раде истовремено, а дуплексер користи филтере да изолује пријемник од јаког сигнала предајника.
Дуплексер у ћелијском ФДД фронт енд-у обезбеђује >~50 дБ изолацију у узлазном опсегу како би се спречило преоптерећење пријемника Тк сигналима и >~50 дБ изолације у доњем опсегу да спречи пренос ван опсега. Смањена осетљивост пријемника. У опсегу Рк, губици на путу преноса и пријема су минимални.
Ови захтеви са ниским губицима и високом изолацијом, где су фреквенције раздвојене са само неколико процената, захтевају висококвалитетно филтрирање, што се до сада може постићи само коришћењем уређаја површинских акустичних таласа (САВ) или уређаја за акустичне таласе тела (БАВ).
Док технологија наставља да се развија, уз напредак углавном због великог броја потребних уређаја, вишепојасни рад значи одвојени дуплекс филтер ван чипа за сваки опсег, као што је приказано на слици А. Сви прекидачи и рутери такође додају додатну функционалност са казне учинка и компромисе.
Приступачне глобалне телефоне засноване на тренутној технологији сувише је тешко произвести. Резултирајућа радио архитектура ће бити веома велика, са губицима и скупа. Произвођачи морају да креирају више варијанти производа за различите комбинације опсега потребних у различитим регионима, што отежава неограничени глобални ЛТЕ роминг. Економију обима која је довела до доминације ГСМ-а постаје све теже постићи.
Све већа потражња за мобилним услугама велике брзине преноса података довела је до постављања 4Г мобилних мрежа у 50 фреквентних опсега, са још више опсега који ће доћи пошто је 5Г потпуно дефинисан и широко примењен. Због сложености РФ интерфејса, није могуће све ово покрити у једном уређају користећи тренутне технологије засноване на филтерима, тако да су потребна прилагодљива и реконфигурабилна РФ кола.
У идеалном случају, потребан је нови приступ решавању проблема дуплекса, можда заснован на подесивим филтерима или потискивању самосметања, или на некој комбинацији обоје.
Иако још увек немамо јединствен приступ који испуњава многе захтеве у погледу трошкова, величине, перформанси и ефикасности, можда ће се делови слагалице спојити и бити у вашем џепу за неколико година.
Технологије као што је ЕБД са супресијом СИ могу отворити могућност коришћења исте фреквенције у оба смера истовремено, што може значајно побољшати спектралну ефикасност.
Време поста: 24.09.2024