Għaxar snin ilu, smartphones tipikament appoġġaw biss ftit standards li joperaw fl-erba 'meded ta' frekwenza GSM, u forsi ftit standards WCDMA jew CDMA2000. B'daqshekk ftit meded ta 'frekwenza minn fejn jagħżlu, inkiseb ċertu grad ta' uniformità globali bi telefowns GSM "quad-band", li jużaw il-meded 850/900/1800/1900 MHz u jistgħu jintużaw kullimkien fid-dinja (ukoll, pjuttost ħafna).
Dan huwa benefiċċju kbir għall-vjaġġaturi u joħloq ekonomiji ta 'skala enormi għall-manifatturi tal-apparat, li jeħtieġ biss li jirrilaxxaw ftit mudelli (jew forsi wieħed biss) għas-suq globali kollu. Bil-quddiem sal-lum, il-GSM jibqa' l-unika teknoloġija ta' aċċess bla fili li tipprovdi roaming globali. Mill-mod, jekk ma kontx taf, il-GSM qed jitneħħa gradwalment.
Kwalunkwe smartphone denja ta 'l-isem għandu jappoġġa aċċess 4G, 3G u 2G b'rekwiżiti varji ta' interface RF f'termini ta 'faxxa tal-frekwenza, qawwa ta' trażmissjoni, sensittività tar-riċevitur u ħafna parametri oħra.
Barra minn hekk, minħabba d-disponibbiltà frammentata tal-ispettru globali, l-istandards 4G ikopru numru kbir ta 'meded ta' frekwenza, sabiex l-operaturi jkunu jistgħu jużawhom fuq kwalunkwe frekwenzi disponibbli fi kwalunkwe żona partikolari - bħalissa 50 band b'kollox, kif inhu l-każ mal-istandards LTE1. "Telefon dinji" veru għandu jaħdem f'dawn l-ambjenti kollha.
Il-problema ewlenija li kwalunkwe radju ċellulari għandu jsolvi hija "komunikazzjoni duplex". Meta nitkellmu, nisimgħu fl-istess ħin. Sistemi tar-radju bikrija użaw push-to-talk (uħud għadhom jagħmlu), imma meta nitkellmu fuq it-telefon, nistennew li l-persuna l-oħra tinterrompina. L-apparati ċellulari (analoġi) tal-ewwel ġenerazzjoni użaw "filtri duplex" (jew duplexers) biex jirċievu l-downlink mingħajr ma jkunu "stordid" billi jittrasmettu l-uplink fuq frekwenza differenti.
Li jagħmlu dawn il-filtri iżgħar u orħos kienet sfida kbira għall-manifatturi tat-telefon bikrija. Meta ġie introdott il-GSM, il-protokoll kien iddisinjat sabiex it-transceivers ikunu jistgħu joperaw f'"half duplex mode".
Dan kien mod għaqlija ħafna biex jiġu eliminati d-duplexers, u kien fattur ewlieni biex jgħin lill-GSM isir teknoloġija mainstream bi prezz baxx li kapaċi tiddomina l-industrija (u tbiddel il-mod kif in-nies ikkomunikaw fil-proċess).
It-telefon Essential minn Andy Rubin, l-inventur tas-sistema operattiva Android, fih l-aħħar karatteristiċi ta’ konnettività fosthom Bluetooth 5.0LE, diversi GSM/LTE u antenna Wi-Fi moħbija f’qafas tat-titanju.
Sfortunatament, il-lezzjonijiet mitgħallma mis-soluzzjoni ta 'problemi tekniċi ġew minsija malajr fil-gwerer tekno-politiċi tal-bidu tat-3G, u l-forma dominanti bħalissa ta' diviżjoni tal-frekwenza duplexing (FDD) teħtieġ duplexer għal kull medda FDD li topera fiha. M'hemm l-ebda dubju li l-isplużjoni tal-LTE tiġi b'fatturi ta 'spejjeż li qed jogħlew.
Filwaqt li xi meded jistgħu jużaw Time Division Duplex, jew TDD (fejn ir-radju jaqleb malajr bejn it-trasmissjoni u r-riċeviment), jeżistu inqas minn dawn il-meded. Il-biċċa l-kbira tal-operaturi (ħlief dawk prinċipalment Ażjatiċi) jippreferu l-firxa FDD, li minnhom hemm aktar minn 30.
Il-wirt tal-ispettru TDD u FDD, id-diffikultà li jiġu rilaxxati meded verament globali, u l-miġja tal-5G b'aktar meded jagħmlu l-problema duplex saħansitra aktar kumplessa. Metodi promettenti li qed jiġu investigati jinkludu disinji ġodda bbażati fuq filtri u l-abbiltà li tiġi eliminata l-awto-interferenza.
Dan tal-aħħar iġib miegħu wkoll il-possibbiltà kemmxejn promettenti ta 'duplex "bla framment" (jew "in-band full duplex"). Fil-futur tal-komunikazzjonijiet mobbli 5G, jista 'jkollna nikkunsidraw mhux biss FDD u TDD, iżda wkoll duplex flessibbli bbażati fuq dawn it-teknoloġiji ġodda.
Riċerkaturi fl-Università ta’ Aalborg fid-Danimarka żviluppaw arkitettura “Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 li tuża (ara l-illustrazzjoni f’paġna 18) antenni separati għat-trasmissjoni u r-riċeviment u tgħaqqad dawn l-antenni ma’ (prestazzjoni baxxa) flimkien ma’ personalizzabbli. filtrazzjoni biex tinkiseb it-trasmissjoni mixtieqa u l-iżolament tar-riċeviment.
Filwaqt li l-prestazzjoni hija impressjonanti, il-ħtieġa għal żewġ antenni hija żvantaġġ kbir. Hekk kif it-telefowns isiru irqaq u aktar eleganti, l-ispazju disponibbli għall-antenni qed isir dejjem iżgħar.
L-apparati mobbli jeħtieġu wkoll antenni multipli għall-multiplexing spazjali (MIMO). Telefowns ċellulari b'arkitettura SAFE u appoġġ MIMO 2 × 2 jeħtieġu biss erba 'antenni. Barra minn hekk, il-firxa tal-irfinar ta 'dawn il-filtri u antenni hija limitata.
Allura l-mowbajls globali se jkollhom bżonn ukoll li jirreplikaw din l-arkitettura ta’ l-interface biex ikopru l-meded ta’ frekwenza LTE kollha (450 MHz sa 3600 MHz), li se jeħtieġu aktar antenni, aktar antenna tuners u aktar filtri, li jġibna lura għall-mistoqsijiet ta’ spiss dwar operazzjoni multi-band minħabba duplikazzjoni tal-komponenti.
Għalkemm aktar antenni jistgħu jiġu installati f'tablet jew laptop, huma meħtieġa aktar avvanzi fil-personalizzazzjoni u/jew il-minjaturizzazzjoni biex din it-teknoloġija tkun adattata għall-smartphones.
Duplex ibbilanċjat elettrikament intuża mill-bidu tat-telefonija bil-wajer17. F'sistema tat-telefon, il-mikrofonu u l-earpiece għandhom ikunu konnessi mal-linja tat-telefon, iżda iżolati minn xulxin sabiex il-vuċi ta 'l-utent stess ma deafen is-sinjal awdjo li jkun dgħajjef. Dan inkiseb bl-użu ta' transformers ibridi qabel il-miġja tat-telefowns elettroniċi.
Iċ-ċirkwit duplex muri fil-figura hawn taħt juża resistor tal-istess valur biex jaqbel mal-impedenza tal-linja ta 'trażmissjoni sabiex il-kurrent mill-mikrofonu jinqasam hekk kif jidħol fit-transformer u jgħaddi f'direzzjonijiet opposti mill-coil primarju. Il-flussi manjetiċi huma effettivament ikkanċellati u l-ebda kurrent ma jiġi indott fil-coil sekondarju, għalhekk il-coil sekondarju huwa iżolat mill-mikrofonu.
Madankollu, is-sinjal mill-mikrofonu għadu jmur għal-linja tat-telefon (għalkemm b'xi telf), u s-sinjal li jkun dieħel fuq il-linja tat-telefon għadu jmur għand il-kelliem (ukoll b'xi telf), li jippermetti komunikazzjoni f'żewġ direzzjonijiet fuq l-istess linja tat-telefon. . . Wajer tal-metall.
Duplexer ibbilanċjat bir-radju huwa simili għal duplexer tat-telefon, iżda minflok mikrofonu, handset u wajer tat-telefon, jintużaw trasmettitur, riċevitur u antenna, rispettivament, kif muri fil-Figura B.
It-tielet mod biex jiġi iżolat it-trasmettitur mir-riċevitur huwa li tiġi eliminata l-awto-interferenza (SI), u b'hekk jitnaqqas is-sinjal trażmess mis-sinjal riċevut. It-tekniki tal-imblukkar ilhom jintużaw fir-radar u fix-xandir għal għexieren ta 'snin.
Pereżempju, fil-bidu tas-snin tmenin, Plessy żviluppat u kkummerċjalizzat prodott ibbażat fuq kumpens SI imsejjaħ "Groundsat" biex testendi l-firxa ta 'netwerks ta' komunikazzjoni militari FM analogi half-duplex4-5.
Is-sistema taġixxi bħala ripetitur ta 'kanal wieħed full-duplex, li testendi l-firxa effettiva ta' radjijiet half-duplex użati fiż-żona tax-xogħol kollha.
Kien hemm interess riċenti fis-soppressjoni tal-awto-interferenza, prinċipalment minħabba t-tendenza lejn komunikazzjonijiet fuq medda qasira (ċellulari u Wi-Fi), li tagħmel il-problema tas-soppressjoni SI aktar maniġġabbli minħabba qawwa ta 'trażmissjoni aktar baxxa u riċeviment ta' enerġija ogħla għall-użu tal-konsumatur . Applikazzjonijiet ta' Aċċess bla Fili u Backhaul 6-8.
L-iPhone ta 'Apple (b'għajnuna minn Qualcomm) bla dubju għandu l-aqwa kapaċitajiet bla fili u LTE tad-dinja, li jappoġġja 16-il banda LTE fuq ċippa waħda. Dan ifisser li jeħtieġ li jiġu prodotti biss żewġ SKUs biex ikopru s-swieq tal-GSM u tas-CDMA.
F'applikazzjonijiet duplex mingħajr kondiviżjoni tal-interferenza, is-soppressjoni tal-interferenza waħedha tista 'ttejjeb l-effiċjenza tal-ispettru billi tippermetti li l-uplink u l-downlink jaqsmu l-istess riżorsi tal-ispettru9,10. Tekniki ta 'soppressjoni ta' awto-interferenza jistgħu jintużaw ukoll biex jinħolqu duplexers personalizzati għal FDD.
Il-kanċellazzjoni nnifisha normalment tikkonsisti f'diversi stadji. In-netwerk direzzjonali bejn l-antenna u t-transceiver jipprovdi l-ewwel livell ta 'separazzjoni bejn is-sinjali trażmessi u riċevuti. It-tieni nett, ipproċessar addizzjonali tas-sinjali analogi u diġitali jintuża biex jelimina kwalunkwe ħoss intrinsiku li jkun fadal fis-sinjal riċevut. L-ewwel stadju jista 'juża antenna separata (bħal f'SAFE), transformer ibridu (deskritt hawn taħt);
Il-problema tal-antenni maqlugħa diġà ġiet deskritta. Iċ-ċirkolaturi huma tipikament narrowband minħabba li jużaw reżonanza ferromanjetika fil-kristall. Din it-teknoloġija ibrida, jew Electrically Balanced Isolation (EBI), hija teknoloġija promettenti li tista 'tkun broadband u potenzjalment integrata fuq ċippa.
Kif muri fil-figura hawn taħt, id-disinn tat-tarf ta 'quddiem ta' l-antenna intelliġenti juża żewġ antenni tunable b'banda dejqa, waħda għat-trażmissjoni u waħda għar-riċeviment, u par ta 'filtri duplex ta' prestazzjoni aktar baxxa iżda tunable. L-antenni individwali mhux biss jipprovdu xi iżolament passiv għall-ispiża tat-telf tal-propagazzjoni bejniethom, iżda għandhom ukoll bandwidth istantanju limitat (iżda sintonizzabbli).
L-antenna li tittrasmetti topera b'mod effettiv biss fil-medda tal-frekwenza tat-trażmissjoni, u l-antenna li tirċievi topera b'mod effettiv biss fil-medda tal-frekwenza tar-riċeviment. F'dan il-każ, l-antenna nnifisha taġixxi wkoll bħala filtru: l-emissjonijiet Tx barra mill-medda huma attenwati mill-antenna li tittrasmetti, u l-interferenza personali fil-medda Tx hija attenwata mill-antenna li tirċievi.
Għalhekk, l-arkitettura teħtieġ li l-antenna tkun tunable, li jinkiseb bl-użu ta ' netwerk ta ' l-irfinar ta ' l-antenna. Hemm xi telf ta 'inserzjoni inevitabbli f'netwerk ta' irfinar ta 'l-antenna. Madankollu, avvanzi reċenti fil-capacitors tunable MEMS18 tejbu b'mod sinifikanti l-kwalità ta 'dawn l-apparati, u b'hekk naqqsu t-telf. It-telf ta 'inserzjoni ta' Rx huwa ta 'madwar 3 dB, li huwa komparabbli mat-telf totali tas-SAW duplexer u swiċċ.
L-iżolament ibbażat fuq l-antenna mbagħad jiġi kkumplimentat minn filtru tunable, ibbażat ukoll fuq capacitors tunable MEM3, biex jinkiseb iżolament ta '25 dB mill-antenna u iżolament ta' 25 dB mill-filtru. Prototipi wrew li dan jista' jinkiseb.
Diversi gruppi ta' riċerka fl-akkademja u l-industrija qed jesploraw l-użu ta' ibridi għall-istampar duplex11–16. Dawn l-iskemi jeliminaw l-SI b'mod passiv billi jippermettu trażmissjoni u riċeviment simultanju minn antenna waħda, iżda jiżolaw it-trasmettitur u r-riċevitur. Huma ta 'natura broadband u jistgħu jiġu implimentati fuq iċ-ċippa, u jagħmluhom għażla attraenti għall-frekwenza duplexing f'apparat mobbli.
Avvanzi riċenti wrew li transceivers FDD li jużaw EBI jistgħu jiġu manifatturati minn CMOS (Semikonduttur tal-Ossidu tal-Metall Kumplimentari) b'telf ta 'inserzjoni, figura tal-istorbju, linearità tar-riċevitur, u karatteristiċi ta' soppressjoni tal-imblukkar adattati għal applikazzjonijiet ċellulari11,12,13. Madankollu, kif juru bosta eżempji fil-letteratura akkademika u xjentifika, hemm limitazzjoni fundamentali li taffettwa l-iżolament duplex.
L-impedenza ta 'antenna tar-radju mhix fissa, iżda tvarja skond il-frekwenza operattiva (minħabba reżonanza ta' l-antenna) u l-ħin (minħabba interazzjoni ma 'ambjent li qed jinbidel). Dan ifisser li l-impedenza tal-ibbilanċjar trid tadatta għal bidliet fl-impedenza tal-binarji, u l-wisa 'ta' frekwenza tad-diżakkoppjar hija limitata minħabba bidliet fid-dominju tal-frekwenza13 (ara l-Figura 1).
Ix-xogħol tagħna fl-Università ta’ Bristol huwa ffukat fuq l-investigazzjoni u l-indirizzar ta’ dawn il-limitazzjonijiet ta’ prestazzjoni biex nuru li l-iżolament u l-fluss meħtieġ ta’ tibgħat/riċeviment jistgħu jinkisbu f’każijiet ta’ użu fid-dinja reali.
Biex tegħleb il-varjazzjonijiet fl-impedenza tal-antenna (li għandhom impatt qawwi fuq l-iżolament), l-algoritmu adattiv tagħna jsegwi l-impedenza tal-antenna f'ħin reali, u l-ittestjar wera li l-prestazzjoni tista 'tinżamm f'varjetà ta' ambjenti dinamiċi, inkluża interazzjoni bl-idejn tal-utent u toroq u ferroviji b'veloċità għolja. l-ivvjaġġar.
Barra minn hekk, biex negħlbu t-tqabbil limitat ta 'l-antenna fid-dominju tal-frekwenza, u b'hekk inżidu l-wisa' tal-frekwenza u l-iżolament ġenerali, aħna ngħaqqdu duplexer ibbilanċjat elettrikament b'soppressjoni SI attiva addizzjonali, billi nużaw it-tieni trasmettitur biex jiġġeneraw sinjal ta 'soppressjoni biex inrażżnu aktar l-awto-interferenza. (ara l-Figura 2).
Ir-riżultati mit-testbed tagħna huma inkoraġġanti: meta kkombinat ma 'EBD, it-teknoloġija attiva tista' ttejjeb b'mod sinifikanti t-trażmissjoni u l-iżolament li tirċievi, kif muri fil-Figura 3.
Is-setup finali tal-laboratorju tagħna juża komponenti ta 'apparat mobbli bi prezz baxx (amplifikaturi u antenni tal-qawwa tat-telefon ċellulari), li jagħmilha rappreżentattiva tal-implimentazzjonijiet tat-telefon ċellulari. Barra minn hekk, il-kejl tagħna juri li dan it-tip ta 'rifjut ta' awto-interferenza f'żewġ stadji jista 'jipprovdi l-iżolament duplex meħtieġ fil-meded ta' frekwenza uplink u downlink, anke meta juża tagħmir ta 'grad kummerċjali bi prezz baxx.
Il-qawwa tas-sinjal li apparat ċellulari jirċievi fil-medda massima tiegħu għandha tkun 12-il ordni ta' kobor inqas mis-saħħa tas-sinjal li jittrasmetti. F'Time Division Duplex (TDD), iċ-ċirkwit duplex huwa sempliċement swiċċ li jgħaqqad l-antenna mat-trasmettitur jew riċevitur, għalhekk id-duplexer f'TDD huwa swiċċ sempliċi. Fl-FDD, it-trasmettitur u r-riċevitur joperaw simultanjament, u d-duplexer juża filtri biex iżola lir-riċevitur mis-sinjal qawwi tat-trasmettitur.
Id-duplexer fit-tarf ta 'quddiem tal-FDD ċellulari jipprovdi> ~ iżolament ta' 50 dB fil-faxxa tal-uplink biex jipprevjeni t-tagħbija żejda tar-riċevitur b'sinjali Tx, u > ~ iżolament ta '50 dB fil-medda ta' downlink biex jipprevjeni t-trażmissjoni barra mill-banda. Sensittività riċevitur imnaqqsa. Fil-medda Rx, it-telf fil-mogħdijiet ta 'trasmissjoni u riċeviment huwa minimu.
Dawn ir-rekwiżiti ta 'telf baxx u ta' iżolament għoli, fejn il-frekwenzi huma separati bi ftit fil-mija biss, jeħtieġu filtrazzjoni ta 'Q għolja, li s'issa tista' tinkiseb biss bl-użu ta 'mewġ akustiku tal-wiċċ (SAW) jew apparat tal-mewġ akustiku tal-ġisem (BAW).
Filwaqt li t-teknoloġija tkompli tevolvi, b'avvanzi l-aktar minħabba n-numru kbir ta 'apparati meħtieġa, operazzjoni multi-band tfisser filtru duplex off-chip separat għal kull medda, kif muri fil-Figura A. Is-swiċċijiet u r-routers kollha jżidu wkoll funzjonalità addizzjonali ma' penalitajiet tal-prestazzjoni u kompromessi.
Telefowns globali affordabbli bbażati fuq teknoloġija attwali huma diffiċli wisq biex jiġu manifatturati. L-arkitettura tar-radju li tirriżulta se tkun kbira ħafna, b'telf u għalja. Il-manifatturi għandhom joħolqu varjanti multipli tal-prodott għal kombinazzjonijiet differenti ta 'meded meħtieġa f'reġjuni differenti, u jagħmlu roaming LTE globali bla limitu diffiċli. L-ekonomiji ta' skala li wasslu għad-dominanza tal-GSM qed isiru dejjem aktar diffiċli biex jinkisbu.
Iż-żieda fid-domanda għal servizzi mobbli b'veloċità għolja tad-data wasslet għall-iskjerament ta' netwerks mobbli 4G fuq 50 medda ta' frekwenza, b'aktar meded li ġejjin hekk kif 5G hija definita bis-sħiħ u skjerata b'mod wiesa'. Minħabba l-kumplessità tal-interface RF, mhuwiex possibbli li dan kollu jiġi kopert f'apparat wieħed bl-użu ta 'teknoloġiji kurrenti bbażati fuq filtri, għalhekk huma meħtieġa ċirkwiti RF customizable u konfigurabbli mill-ġdid.
Idealment, approċċ ġdid biex tissolva l-problema duplex huwa meħtieġ, forsi bbażat fuq filtri tunable jew soppressjoni ta 'awto-interferenza, jew xi kombinazzjoni tat-tnejn.
Filwaqt li għad m'għandniex approċċ wieħed li jissodisfa l-ħafna talbiet ta 'spiża, daqs, prestazzjoni u effiċjenza, forsi l-biċċiet tal-puzzle jingħaqdu flimkien u jkunu fil-but tiegħek fi ftit snin.
Teknoloġiji bħal EBD b'soppressjoni SI jistgħu jiftħu l-possibbiltà li tuża l-istess frekwenza fiż-żewġ direzzjonijiet simultanjament, li tista 'ttejjeb b'mod sinifikanti l-effiċjenza spettrali.
Ħin tal-post: Settembru-24-2024