Pirms desmit gadiem viedtālruņi parasti atbalstīja tikai dažus standartus, kas darbojās četrās GSM frekvenču joslās, un, iespējams, dažus WCDMA vai CDMA2000 standartus. Ar tik maz frekvenču joslu, no kurām izvēlēties, zināma globāla viendabīguma pakāpe ir sasniegta ar “četrjoslu” GSM tālruņiem, kas izmanto 850/900/1800/1900 MHz joslas un kurus var izmantot jebkur pasaulē (labi, diezgan daudz).
Tas ir milzīgs ieguvums ceļotājiem un rada milzīgus apjomradītus ietaupījumus ierīču ražotājiem, kuriem ir jāizlaiž tikai daži modeļi (vai varbūt tikai viens) visam pasaules tirgum. Līdz mūsdienām GSM joprojām ir vienīgā bezvadu piekļuves tehnoloģija, kas nodrošina globālo viesabonēšanu. Starp citu, ja nezinājāt, GSM pakāpeniski tiek pārtraukta.
Jebkuram šī vārda cienīgam viedtālrunim ir jāatbalsta 4G, 3G un 2G piekļuve ar dažādām RF saskarnes prasībām attiecībā uz joslas platumu, pārraides jaudu, uztvērēja jutību un daudziem citiem parametriem.
Turklāt globālā spektra sadrumstalotās pieejamības dēļ 4G standarti aptver lielu skaitu frekvenču joslu, tāpēc operatori var tos izmantot jebkurā frekvencē, kas ir pieejama jebkurā noteiktā apgabalā — pašlaik kopā 50 joslas, kā tas ir LTE1 standartu gadījumā. Patiesam “pasaules tālrunim” ir jādarbojas visās šajās vidēs.
Galvenā problēma, kas jāatrisina jebkuram mobilajam radio, ir “dupleksā saziņa”. Kad mēs runājam, mēs klausāmies tajā pašā laikā. Agrīnās radiosistēmas izmantoja rācijsaziņu (dažas joprojām izmanto), bet, runājot pa tālruni, mēs sagaidām, ka otrs mūs pārtrauc. Pirmās paaudzes (analogās) mobilās ierīces izmantoja “dupleksos filtrus” (vai duplekserus), lai saņemtu lejupsaiti bez “apdullināšanas”, pārraidot augšupsaiti citā frekvencē.
Padarīt šos filtrus mazākus un lētākus bija liels izaicinājums agrīnajiem tālruņu ražotājiem. Kad tika ieviests GSM, protokols tika izstrādāts tā, lai raiduztvērēji varētu darboties "pusdupleksajā režīmā".
Tas bija ļoti gudrs veids, kā likvidēt duplekserus, un tas bija galvenais faktors, kas palīdzēja GSM kļūt par zemu izmaksu, galveno tehnoloģiju, kas spēj dominēt nozarē (un mainīt veidu, kā šajā procesā cilvēki sazinās).
Android operētājsistēmas izgudrotāja Endija Rubina tālrunim Essential ir jaunākās savienojamības funkcijas, tostarp Bluetooth 5.0LE, dažādi GSM/LTE un Wi-Fi antena, kas paslēpta titāna rāmī.
Diemžēl atziņas, kas tika gūtas, risinot tehniskās problēmas, tika ātri aizmirstas 3G sākuma tehnoloģiskajos un politiskajos karos, un pašlaik dominējošajam frekvenču dalīšanas dupleksēšanas (FDD) veidam ir nepieciešams duplekseris katrai FDD joslai, kurā tā darbojas. Nav šaubu, ka LTE uzplaukums ir saistīts ar pieaugošiem izmaksu faktoriem.
Lai gan dažas joslas var izmantot laika dalīšanas dupleksu jeb TDD (kur radio ātri pārslēdzas starp raidīšanu un uztveršanu), šo joslu ir mazāk. Lielākā daļa operatoru (izņemot galvenokārt Āzijas operatorus) dod priekšroku FDD diapazonam, kurā ir vairāk nekā 30.
TDD un FDD spektra mantojums, grūtības atbrīvot patiesi globālas joslas un 5G parādīšanās ar vairāk joslu padara duplekso problēmu vēl sarežģītāku. Daudzsološās pētāmās metodes ietver jaunus uz filtru balstītus dizainus un spēju novērst paštraucējumus.
Pēdējais rada arī daudzsološu "bez fragmentu" dupleksa (vai "joslas pilna dupleksa") iespēju. Nākotnē 5G mobilo sakaru jomā mums var nākties apsvērt ne tikai FDD un TDD, bet arī elastīgu dupleksu, kas balstīts uz šīm jaunajām tehnoloģijām.
Pētnieki no Olborgas universitātes Dānijā ir izstrādājuši "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3 arhitektūru, kas izmanto (skatiet ilustrāciju 18. lpp.) atsevišķas antenas pārraidei un uztveršanai un apvieno šīs antenas ar (zemu veiktspēju) kombinācijā ar pielāgojamām antenām. filtrēšana, lai panāktu vēlamo pārraides un uztveršanas izolāciju.
Lai gan veiktspēja ir iespaidīga, nepieciešamība pēc divām antenām ir liels trūkums. Tālruņiem kļūstot plānākiem un gludākiem, antenām pieejamā vieta kļūst arvien mazāka.
Mobilajām ierīcēm ir nepieciešamas arī vairākas antenas telpiskajai multipleksēšanai (MIMO). Mobilajiem tālruņiem ar SAFE arhitektūru un 2 × 2 MIMO atbalstu ir nepieciešamas tikai četras antenas. Turklāt šo filtru un antenu regulēšanas diapazons ir ierobežots.
Tātad globālajiem mobilajiem tālruņiem būs jāreplicē šī interfeisa arhitektūra, lai aptvertu visas LTE frekvenču joslas (450 MHz līdz 3600 MHz), kam būs nepieciešams vairāk antenu, vairāk antenu uztvērēju un vairāk filtru, kas mūs atgriež pie bieži uzdotajiem jautājumiem par vairāku joslu darbība komponentu dublēšanās dēļ.
Lai gan planšetdatorā vai klēpjdatorā var uzstādīt vairāk antenu, ir nepieciešami turpmāki uzlabojumi pielāgošanā un/vai miniaturizācijā, lai šī tehnoloģija būtu piemērota viedtālruņiem.
Elektriski līdzsvarots duplekss ir izmantots kopš vadu telefonijas pirmsākumiem17. Telefona sistēmā mikrofonam un klausulei jābūt savienotiem ar telefona līniju, bet izolētiem viens no otra, lai paša lietotāja balss neapdullinātu vājāko ienākošo audio signālu. Tas tika panākts, izmantojot hibrīdtransformatorus pirms elektronisko tālruņu parādīšanās.
Dupleksajā shēmā, kas parādīta attēlā zemāk, tiek izmantots tādas pašas vērtības rezistors, kas atbilst pārvades līnijas pretestībai, lai strāva no mikrofona sadalītos, kad tā nonāk transformatorā, un plūst pretējos virzienos caur primāro spoli. Magnētiskās plūsmas tiek efektīvi atceltas, un sekundārajā spolē netiek inducēta strāva, tāpēc sekundārā spole ir izolēta no mikrofona.
Tomēr signāls no mikrofona joprojām nonāk tālruņa līnijā (lai gan ar zināmiem zaudējumiem), un tālruņa līnijā ienākošais signāls joprojām nonāk skaļrunī (arī ar zināmiem zaudējumiem), ļaujot veikt divvirzienu saziņu pa vienu un to pašu tālruņa līniju. . . Metāla stieple.
Radio balansēts duplekseris ir līdzīgs telefona dupleksam, taču mikrofona, klausules un telefona vadu vietā tiek izmantots attiecīgi raidītājs, uztvērējs un antena, kā parādīts B attēlā.
Trešais veids, kā izolēt raidītāju no uztvērēja, ir novērst paštraucējumus (SI), tādējādi atņemot pārraidīto signālu no saņemtā signāla. Jammēšanas paņēmieni radaros un apraides jomā ir izmantoti gadu desmitiem.
Piemēram, 1980. gadu sākumā Plessy izstrādāja un tirgoja uz SI kompensāciju balstītu produktu ar nosaukumu “Groundsat”, lai paplašinātu pusduplekso analogo FM militāro sakaru tīklu klāstu4-5.
Sistēma darbojas kā pilna dupleksa viena kanāla atkārtotājs, paplašinot pusduplekso radioaparātu efektīvu diapazonu, ko izmanto visā darba zonā.
Pēdējā laikā ir bijusi interese par paštraucējumu novēršanu, galvenokārt sakarā ar tendenci uz maza darbības attāluma sakariem (šūnu un Wi-Fi), kas padara SI slāpēšanas problēmu vieglāk pārvaldāmu, jo patērētājiem ir mazāka pārraides jauda un lielāka uztveršanas jauda. . Bezvadu piekļuves un atvilces maršrutēšanas lietojumprogrammas 6-8.
Apple iPhone (ar Qualcomm palīdzību) neapšaubāmi ir pasaulē labākās bezvadu un LTE iespējas, kas atbalsta 16 LTE joslas vienā mikroshēmā. Tas nozīmē, ka ir jāizgatavo tikai divi SKU, lai segtu GSM un CDMA tirgus.
Dupleksajās lietojumprogrammās bez traucējumu koplietošanas paštraucējumu slāpēšana var uzlabot spektra efektivitāti, ļaujot augšsaitei un lejupsaitei koplietot tos pašus spektra resursus9,10. Paštraucējumu novēršanas paņēmienus var izmantot arī, lai izveidotu pielāgotus duplekserus FDD.
Pati atcelšana parasti sastāv no vairākiem posmiem. Virziena tīkls starp antenu un raiduztvērēju nodrošina pirmo atdalīšanas līmeni starp pārraidītajiem un saņemtajiem signāliem. Otrkārt, tiek izmantota papildu analogā un digitālā signāla apstrāde, lai novērstu visus atlikušos iekšējos trokšņus saņemtajā signālā. Pirmajā posmā var izmantot atsevišķu antenu (kā SAFE), hibrīdtransformatoru (aprakstīts tālāk);
Atdalīto antenu problēma jau ir aprakstīta. Cirkulācijas sūkņi parasti ir šaurjoslas, jo tie izmanto feromagnētisko rezonansi kristālā. Šī hibrīda tehnoloģija jeb elektriski līdzsvarotā izolācija (EBI) ir daudzsološa tehnoloģija, ko var izmantot platjoslas tīklā un, iespējams, integrēt mikroshēmā.
Kā parādīts attēlā zemāk, viedās antenas priekšgala dizainā tiek izmantotas divas šaurjoslas noskaņojamas antenas, viena raidīšanai un otra uztveršanai, kā arī pāris zemākas veiktspējas, bet noskaņojamu duplekso filtru. Atsevišķas antenas ne tikai nodrošina zināmu pasīvu izolāciju uz izplatīšanās zudumu rēķina starp tām, bet arī tām ir ierobežots (bet regulējams) momentānais joslas platums.
Raidīšanas antena efektīvi darbojas tikai raidīšanas frekvenču joslā, un uztverošā antena darbojas efektīvi tikai uztveršanas frekvenču joslā. Šajā gadījumā pati antena darbojas arī kā filtrs: ārpusjoslas Tx emisijas vājina raidošā antena, un paštraucējumus Tx joslā mazina uztverošā antena.
Tāpēc arhitektūra pieprasa, lai antena būtu noskaņojama, kas tiek panākts, izmantojot antenas regulēšanas tīklu. Antenas regulēšanas tīklā ir daži neizbēgami ievietošanas zudumi. Tomēr jaunākie sasniegumi MEMS18 noskaņojamo kondensatoru jomā ir ievērojami uzlabojuši šo ierīču kvalitāti, tādējādi samazinot zudumus. Rx ievietošanas zudums ir aptuveni 3 dB, kas ir salīdzināms ar kopējiem SAW dupleksera un slēdža zudumiem.
Pēc tam uz antenu balstīto izolāciju papildina noskaņojams filtrs, kura pamatā ir arī MEM3 noskaņojami kondensatori, lai panāktu 25 dB izolāciju no antenas un 25 dB izolāciju no filtra. Prototipi ir parādījuši, ka to var sasniegt.
Vairākas pētniecības grupas akadēmiskajās aprindās un rūpniecībā pēta hibrīdu izmantošanu abpusējai drukāšanai11–16. Šīs shēmas pasīvi novērš SI, ļaujot vienlaikus pārraidīt un uztvert no vienas antenas, bet izolējot raidītāju un uztvērēju. Tiem ir platjoslas raksturs, un tos var ieviest mikroshēmā, padarot tos par pievilcīgu iespēju frekvenču dupleksai mobilajās ierīcēs.
Nesenie sasniegumi ir parādījuši, ka FDD raiduztvērējus, kas izmanto EBI, var ražot no CMOS (komplementārā metāla oksīda pusvadītāja) ar ievietošanas zudumu, trokšņa skaitli, uztvērēja linearitāti un bloķēšanas slāpēšanas īpašībām, kas ir piemērotas mobilajām ierīcēm 11, 12, 13. Tomēr, kā liecina daudzi piemēri akadēmiskajā un zinātniskajā literatūrā, pastāv fundamentāls ierobežojums, kas ietekmē duplekso izolāciju.
Radio antenas pretestība nav fiksēta, bet mainās atkarībā no darbības frekvences (sakarā ar antenas rezonansi) un laiku (sakarā ar mijiedarbību ar mainīgu vidi). Tas nozīmē, ka balansēšanas pretestībai ir jāpielāgojas, lai izsekotu pretestības izmaiņām, un atdalīšanas joslas platums ir ierobežots frekvenču domēna izmaiņu dēļ13 (sk. 1. attēlu).
Mūsu darbs Bristoles Universitātē ir vērsts uz šo veiktspējas ierobežojumu izpēti un novēršanu, lai parādītu, ka nepieciešamo sūtīšanas/saņemšanas izolāciju un caurlaidspēju var sasniegt reālās lietošanas gadījumos.
Lai pārvarētu antenas pretestības svārstības (kas nopietni ietekmē izolāciju), mūsu adaptīvais algoritms izseko antenas pretestību reāllaikā, un testēšana ir parādījusi, ka veiktspēju var uzturēt dažādās dinamiskās vidēs, tostarp mijiedarbībā ar lietotāja rokām un ātrgaitas ceļu un dzelzceļu. ceļot.
Turklāt, lai pārvarētu ierobežoto antenas atbilstību frekvenču domēnā, tādējādi palielinot joslas platumu un kopējo izolāciju, mēs apvienojam elektriski līdzsvarotu duplekseru ar papildu aktīvo SI slāpēšanu, izmantojot otru raidītāju, lai ģenerētu slāpēšanas signālu, lai vēl vairāk slāpētu paštraucējumus. (skat. 2. attēlu).
Mūsu testa stenda rezultāti ir iepriecinoši: apvienojumā ar EBD aktīvā tehnoloģija var ievērojami uzlabot pārraides un uztveršanas izolāciju, kā parādīts 3.
Mūsu galīgajā laboratorijas iestatījumā tiek izmantoti lēti mobilo ierīču komponenti (mobilo tālruņu jaudas pastiprinātāji un antenas), padarot to par reprezentatīvu mobilo tālruņu ieviešanai. Turklāt mūsu mērījumi liecina, ka šāda veida divpakāpju paštraucējumu noraidīšana var nodrošināt nepieciešamo duplekso izolāciju augšupsaites un lejupsaites frekvenču joslās pat tad, ja tiek izmantotas lētas, komerciālas kvalitātes iekārtas.
Signāla stiprumam, ko mobilā ierīce saņem savā maksimālajā diapazonā, ir jābūt par 12 pakāpēm mazākam nekā signāla stiprumam, ko tā pārraida. Laika dalīšanas dupleksā (TDD) dupleksā ķēde ir vienkārši slēdzis, kas savieno antenu ar raidītāju vai uztvērēju, tāpēc TDD duplekseris ir vienkāršs slēdzis. FDD gadījumā raidītājs un uztvērējs darbojas vienlaikus, un duplekseris izmanto filtrus, lai izolētu uztvērēju no raidītāja spēcīgā signāla.
Duplekseris mobilā FDD priekšgalā nodrošina >~50 dB izolāciju augšupsaites joslā, lai novērstu uztvērēja pārslogošanu ar Tx signāliem, un >~50 dB izolāciju lejupsaites joslā, lai novērstu pārraidi ārpus joslas. Samazināta uztvērēja jutība. Rx joslā zudumi pārraides un saņemšanas ceļos ir minimāli.
Šīm zemu zudumu un augstas izolācijas prasībām, kur frekvences atdala tikai daži procenti, ir nepieciešama augsta Q filtrēšana, ko līdz šim var sasniegt, tikai izmantojot virsmas akustiskā viļņa (SAW) vai ķermeņa akustiskā viļņa (BAW) ierīces.
Kamēr tehnoloģija turpina attīstīties, galvenokārt pateicoties lielajam nepieciešamo ierīču skaitam, vairākjoslu darbība nozīmē atsevišķu ārpus mikroshēmas duplekso filtru katrai joslai, kā parādīts A attēlā. Visi slēdži un maršrutētāji arī pievieno papildu funkcionalitāti. izpildes sodi un kompromisi.
Par pieņemamu cenu globālos tālruņus, kuru pamatā ir pašreizējās tehnoloģijas, ir pārāk grūti ražot. Iegūtā radio arhitektūra būs ļoti liela, ar zaudējumiem un dārga. Ražotājiem ir jāizveido vairāki produktu varianti dažādām joslu kombinācijām, kas nepieciešamas dažādos reģionos, apgrūtinot neierobežotu globālo LTE viesabonēšanu. Apjomradītus ietaupījumus, kas noveda pie GSM dominējošā stāvokļa, kļūst arvien grūtāk sasniegt.
Pieaugošais pieprasījums pēc liela datu ātruma mobilajiem pakalpojumiem ir izraisījis 4G mobilo tīklu izvēršanu 50 frekvenču joslās, un, jo 5G būs pilnībā definēts un plaši izplatīts, būs pieejams vēl vairāk joslu. RF interfeisa sarežģītības dēļ to visu nav iespējams aptvert vienā ierīcē, izmantojot pašreizējās uz filtru balstītas tehnoloģijas, tāpēc ir nepieciešamas pielāgojamas un pārkonfigurējamas RF shēmas.
Ideālā gadījumā ir nepieciešama jauna pieeja dupleksās problēmas risināšanai, iespējams, pamatojoties uz regulējamiem filtriem vai paštraucējumu slāpēšanu, vai kādu abu kombināciju.
Lai gan mums vēl nav vienotas pieejas, kas atbilstu daudzajām izmaksu, lieluma, veiktspējas un efektivitātes prasībām, iespējams, puzles gabaliņi sanāks kopā un būs jūsu kabatā pēc dažiem gadiem.
Tādas tehnoloģijas kā EBD ar SI slāpēšanu var pavērt iespēju izmantot vienu un to pašu frekvenci abos virzienos vienlaicīgi, kas var ievērojami uzlabot spektrālo efektivitāti.
Izlikšanas laiks: 2024. gada 24. septembris