Kymmenen vuotta sitten älypuhelimet tukivat yleensä vain muutamia standardeja, jotka toimivat neljällä GSM-taajuuskaistalla, ja ehkä muutamaa WCDMA- tai CDMA2000-standardia. Valittavana on niin vähän taajuuskaistoja, joten tietty globaali yhtenäisyys on saavutettu "nelikaistaisilla" GSM-puhelimilla, jotka käyttävät 850/900/1800/1900 MHz taajuuksia ja joita voidaan käyttää kaikkialla maailmassa (no, melko paljon).
Tämä on valtava etu matkustajille ja luo valtavia mittakaavaetuja laitevalmistajille, joiden tarvitsee julkaista vain muutama malli (tai ehkä vain yksi) koko maailmanmarkkinoille. Nopeasti eteenpäin nykypäivään, GSM on edelleen ainoa langaton pääsytekniikka, joka tarjoaa maailmanlaajuista verkkovierailua. Muuten, jos et tiennyt, GSM on vähitellen poistumassa käytöstä.
Jokaisen nimen arvoisen älypuhelimen on tuettava 4G-, 3G- ja 2G-yhteyksiä vaihtelevilla RF-liitäntävaatimuksilla kaistanleveyden, lähetystehon, vastaanottimen herkkyyden ja monien muiden parametrien suhteen.
Lisäksi maailmanlaajuisen spektrin hajanaisen saatavuuden vuoksi 4G-standardit kattavat suuren määrän taajuuskaistoja, joten operaattorit voivat käyttää niitä millä tahansa tietyllä alueella saatavilla olevilla taajuuksilla – tällä hetkellä yhteensä 50 kaistaa, kuten LTE1-standardien tapauksessa. Todellisen "maailman puhelimen" on toimittava kaikissa näissä ympäristöissä.
Avainongelma, joka minkä tahansa solukkoradion on ratkaistava, on "kaksisuuntainen viestintä". Kun puhumme, kuuntelemme samaan aikaan. Varhaiset radiojärjestelmät käyttivät push-to-talk-yhteyttä (jotkut yhä käyttävät), mutta kun puhumme puhelimessa, odotamme toisen henkilön keskeyttävän meidät. Ensimmäisen sukupolven (analogiset) solukkolaitteet käyttivät "duplex-suodattimia" (tai dupleksereita) vastaanottamaan laskevan siirtotien ilman, että ne "järkyttyivät" lähettämällä uplinkin eri taajuudella.
Näiden suodattimien pienentäminen ja halventaminen oli suuri haaste varhaisille puhelinvalmistajille. Kun GSM otettiin käyttöön, protokolla suunniteltiin niin, että lähetin-vastaanottimet voisivat toimia "half duplex -tilassa".
Tämä oli erittäin näppärä tapa eliminoida duplekserit, ja se auttoi GSM:stä kehittymään edulliseksi, valtavirran teknologiaksi, joka pystyy hallitsemaan alaa (ja muuttamaan tapaa, jolla ihmiset kommunikoivat prosessin aikana).
Android-käyttöjärjestelmän keksijän Andy Rubinin Essential-puhelimessa on uusimmat liitäntäominaisuudet, kuten Bluetooth 5.0LE, erilaiset GSM/LTE ja titaanikehykseen piilotettu Wi-Fi-antenni.
Valitettavasti teknisten ongelmien ratkaisemisesta saadut opetukset unohtuivat nopeasti 3G:n alkuaikojen teknis-poliittisissa sodissa, ja tällä hetkellä hallitseva taajuusjakoinen dupleksi (FDD) vaatii duplekserin jokaiselle FDD-kaistalle, jolla se toimii. Ei ole epäilystäkään siitä, että LTE-buumi tuo mukanaan nousevia kustannustekijöitä.
Vaikka jotkin kaistat voivat käyttää Time Division Duplexia tai TDD:tä (jossa radio vaihtaa nopeasti lähetyksen ja vastaanoton välillä), näitä kaistoja on vähemmän. Useimmat operaattorit (paitsi pääasiassa aasialaiset) suosivat FDD-sarjaa, jota on yli 30.
TDD- ja FDD-taajuuksien perintö, aidosti globaalien taajuuksien vapauttamisen vaikeus ja 5G:n tulo lisää taajuuksia tekevät duplex-ongelmasta entistä monimutkaisemman. Lupaavia menetelmiä tutkittavana ovat uudet suodatinpohjaiset mallit ja kyky eliminoida itsehäiriö.
Jälkimmäinen tuo mukanaan myös jonkin verran lupaavan mahdollisuuden "fragmentless" duplex (tai "in-band full duplex"). Tulevaisuudessa 5G-matkaviestinnässä meidän on ehkä harkittava FDD:n ja TDD:n lisäksi myös näihin uusiin teknologioihin perustuvaa joustavaa dupleksia.
Tanskan Aalborgin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet "Smart Antenna Front End" (SAFE) 2-3 -arkkitehtuurin, joka käyttää (katso kuva sivulla 18) erillisiä antenneja lähetykseen ja vastaanottoon ja yhdistää nämä antennit (alhainen suorituskyky) yhdistettynä mukautettaviin antenneihin. suodatus halutun lähetyksen ja vastaanoton eristyksen saavuttamiseksi.
Vaikka suorituskyky on vaikuttava, kahden antennin tarve on suuri haitta. Kun puhelimet ohenevat ja sileämmiksi, antenneille käytettävissä oleva tila pienenee ja pienenee.
Mobiililaitteet vaativat myös useita antenneja spatiaaliseen multipleksointiin (MIMO). Matkapuhelimet, joissa on SAFE-arkkitehtuuri ja 2×2 MIMO -tuki, vaativat vain neljä antennia. Lisäksi näiden suodattimien ja antennien viritysalue on rajoitettu.
Joten maailmanlaajuisten matkapuhelimien on myös kopioitava tämä liitäntäarkkitehtuuri kattamaan kaikki LTE-taajuusalueet (450 MHz - 3600 MHz), mikä vaatii enemmän antenneja, enemmän antennivirittimiä ja suodattimia, mikä tuo meidät takaisin usein kysyttyihin kysymyksiin monikaistainen toiminta komponenttien päällekkäisyyden vuoksi.
Vaikka tablettiin tai kannettavaan tietokoneeseen voidaan asentaa enemmän antenneja, räätälöinnin ja/tai miniatyrisoinnin lisääminen edellyttää, että tämä tekniikka sopii älypuhelimille.
Sähköisesti tasapainotettua dupleksia on käytetty lankapuhelimen alkuajoista lähtien17. Puhelinjärjestelmässä mikrofonin ja kuulokkeen tulee olla kytkettynä puhelinlinjaan, mutta eristettyinä toisistaan, jotta käyttäjän oma ääni ei kuuro heikompaa tulevaa äänisignaalia. Tämä saavutettiin hybridimuuntajilla ennen elektronisten puhelimien tuloa.
Alla olevassa kuvassa näkyvä duplex-piiri käyttää samanarvoista vastusta sovittamaan siirtolinjan impedanssia niin, että mikrofonista tuleva virta jakautuu, kun se tulee muuntajaan ja virtaa vastakkaisiin suuntiin ensiökäämin läpi. Magneettivuot kumotaan tehokkaasti, eikä toisiokäämiin aiheudu virtaa, joten toisiokäämi on eristetty mikrofonista.
Mikrofonin signaali menee kuitenkin edelleen puhelinlinjaan (tosinkin häviöllä), ja puhelinlinjaan tuleva signaali menee edelleen kaiuttimeen (myös häviöllä), mikä mahdollistaa kaksisuuntaisen viestinnän samalla puhelinlinjalla. . . Metallilanka.
Radiobalansoitu dupleksi on samanlainen kuin puhelimen dupleksi, mutta mikrofonin, luurin ja puhelinjohdon sijasta käytetään lähetintä, vastaanotinta ja antennia, kuten kuvassa B.
Kolmas tapa eristää lähetin vastaanottimesta on eliminoida itsehäiriö (SI) ja siten vähentää lähetetty signaali vastaanotetusta signaalista. Jammitustekniikoita on käytetty tutkassa ja lähetyksissä vuosikymmeniä.
Esimerkiksi 1980-luvun alussa Plessy kehitti ja markkinoi SI-kompensaatioon perustuvaa tuotetta nimeltä "Groundsat" laajentaakseen puoliduplex-analogisten FM-sotilaallisten viestintäverkkojen4-5 valikoimaa.
Järjestelmä toimii kaksisuuntaisena yksikanavaisena toistimena ja laajentaa puoliduplex-radioiden tehollista kantamaa koko työalueella.
Viime aikoina on ollut kiinnostusta itsehäiriöiden vaimentamiseen, mikä johtuu pääasiassa suuntauksesta kohti lyhyen kantaman viestintää (matkapuhelin ja Wi-Fi), mikä tekee SI-vaimennusongelmasta helpommin hallittavissa alhaisemman lähetystehon ja suuremman vastaanoton ansiosta kuluttajakäyttöön. . Langaton yhteys ja takaisinkuljetussovellukset 6-8.
Applen iPhonessa (Qualcommin avulla) on luultavasti maailman parhaat langattomat ja LTE-ominaisuudet, ja se tukee 16 LTE-kaistaa yhdellä sirulla. Tämä tarkoittaa, että vain kaksi SKU:ta tarvitsee tuottaa kattamaan GSM- ja CDMA-markkinat.
Duplex-sovelluksissa ilman häiriönjakoa itsehäiriön vaimennus voi parantaa spektrin tehokkuutta sallimalla nousevan ja laskevan linkin jakaa samat spektriresurssit9,10. Itsehäiriöiden vaimennustekniikoita voidaan käyttää myös mukautettujen duplekserien luomiseen FDD:tä varten.
Itse peruutus koostuu yleensä useista vaiheista. Antennin ja lähetin-vastaanottimen välinen suuntaverkko tarjoaa ensimmäisen tason erotuksen lähetettyjen ja vastaanotettujen signaalien välillä. Toiseksi ylimääräistä analogista ja digitaalista signaalinkäsittelyä käytetään poistamaan kaikki jäljellä oleva luontainen kohina vastaanotetusta signaalista. Ensimmäisessä vaiheessa voidaan käyttää erillistä antennia (kuten SAFE:ssa), hybridimuuntajaa (kuvattu alla);
Irrotettujen antennien ongelma on jo kuvattu. Kiertopumput ovat tyypillisesti kapeakaistaisia, koska ne käyttävät kiteessä ferromagneettista resonanssia. Tämä hybriditekniikka eli Electrically Balanced Isolation (EBI) on lupaava tekniikka, joka voidaan yhdistää laajakaistaisesti ja mahdollisesti integroida sirulle.
Kuten alla olevasta kuvasta näkyy, älykkään antennin etupäässä käytetään kahta kapeakaistaista viritettävää antennia, toista lähetykseen ja toista vastaanottoon, sekä paria heikomman suorituskyvyn mutta viritettävää duplex-suodatinta. Yksittäiset antennit eivät ainoastaan tarjoa jonkin verran passiivista eristystä niiden välisen etenemishäviön kustannuksella, vaan niillä on myös rajoitettu (mutta viritettävä) hetkellinen kaistanleveys.
Lähetysantenni toimii tehokkaasti vain lähetystaajuuskaistalla ja vastaanottoantenni toimii tehokkaasti vain vastaanottotaajuuskaistalla. Tässä tapauksessa antenni itse toimii myös suodattimena: kaistan ulkopuoliset Tx-päästöt vaimentaa lähetysantenni ja itsehäiriö Tx-kaistalla vaimentaa vastaanottoantenni.
Siksi arkkitehtuuri edellyttää antennin olevan viritettävä, mikä saavutetaan käyttämällä antennin viritysverkkoa. Antenniviritysverkossa esiintyy väistämätöntä liitäntähäviötä. Viimeaikaiset viritettävät MEMS18-kondensaattorit ovat kuitenkin parantaneet merkittävästi näiden laitteiden laatua ja vähentäneet siten häviöitä. Rx-liitäntähäviö on noin 3 dB, mikä on verrattavissa SAW-duplekserin ja kytkimen kokonaishäviöihin.
Antennipohjaista eristystä täydentää sitten viritettävä suodatin, joka perustuu myös viritettävään MEM3-kondensaattoriin, jotta saavutetaan 25 dB:n eristys antennista ja 25 dB:n eristys suodattimesta. Prototyypit ovat osoittaneet, että tämä voidaan saavuttaa.
Useat korkeakoulujen ja teollisuuden tutkimusryhmät tutkivat hybridien käyttöä kaksipuolisessa tulostuksessa11–16. Nämä menetelmät eliminoivat passiivisesti SI:n sallimalla samanaikaisen lähetyksen ja vastaanoton yhdestä antennista, mutta eristäen lähettimen ja vastaanottimen. Ne ovat luonteeltaan laajakaistaisia ja ne voidaan toteuttaa sirulla, mikä tekee niistä houkuttelevan vaihtoehdon taajuuksien dupleksiin mobiililaitteissa.
Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat osoittaneet, että EBI:tä käyttäviä FDD-lähetin-vastaanottimia voidaan valmistaa CMOS:sta (Complementary Metal Oxide Semiconductor), jossa on lisäyshäviö, kohinaluku, vastaanottimen lineaarisuus ja eston vaimennusominaisuudet, jotka sopivat solukkosovelluksiin11,12,13. Kuitenkin, kuten lukuisat esimerkit akateemisessa ja tieteellisessä kirjallisuudessa osoittavat, duplex-eristykseen vaikuttaa perustavanlaatuinen rajoitus.
Radioantennin impedanssi ei ole kiinteä, vaan se vaihtelee toimintataajuuden (antennin resonanssin vuoksi) ja ajan (johtuen vuorovaikutuksesta muuttuvan ympäristön kanssa) mukaan. Tämä tarkoittaa, että tasapainotusimpedanssin on mukauduttava seuraamaan impedanssin muutoksia, ja erotuskaistanleveys on rajoitettu taajuusalueen13 muutosten vuoksi (katso kuva 1).
Työmme Bristolin yliopistossa keskittyy näiden suorituskykyrajoitusten tutkimiseen ja korjaamiseen osoittaaksemme, että vaadittu lähetys-/vastaanottoeristys ja -kapasiteetti voidaan saavuttaa tosielämän käyttötapauksissa.
Antennin impedanssin vaihteluiden voittamiseksi (joka vaikuttaa vakavasti eristykseen) mukautuva algoritmimme seuraa antennin impedanssia reaaliajassa, ja testaus on osoittanut, että suorituskykyä voidaan ylläpitää useissa dynaamisissa ympäristöissä, mukaan lukien käyttäjän käsin tapahtuva vuorovaikutus ja nopea tie ja rautatie. matkustaa.
Lisäksi taajuuden rajallisen antenninsovituksen voittamiseksi, mikä lisää kaistanleveyttä ja yleistä eristystä, yhdistämme sähköisesti tasapainotetun duplekserin ylimääräiseen aktiiviseen SI-vaimennustoimintoon, käyttämällä toista lähetintä vaimennussignaalin luomiseen itsehäiriöiden vaimentamiseksi. (katso kuva 2).
Testiympäristömme tulokset ovat rohkaisevia: yhdistettynä EBD:hen aktiivinen tekniikka voi parantaa merkittävästi lähetyksen ja vastaanoton eristystä, kuten kuvassa 3 näkyy.
Lopullinen laboratoriokokoonpanomme käyttää edullisia mobiililaitteiden komponentteja (matkapuhelinten tehovahvistimia ja antenneja), joten se edustaa matkapuhelintoteutuksia. Lisäksi mittauksemme osoittavat, että tämän tyyppinen kaksivaiheinen itsehäiriön esto voi tarjota vaaditun duplex-eristyksen nousevan ja laskevan siirtotien taajuuskaistoilla, jopa käytettäessä edullisia kaupallisia laitteita.
Signaalin voimakkuuden, jonka matkapuhelin vastaanottaa maksimialueellaan, on oltava 12 suuruusluokkaa pienempi kuin sen lähettämän signaalin voimakkuus. Time Division Duplex (TDD) -järjestelmässä duplex-piiri on yksinkertaisesti kytkin, joka yhdistää antennin lähettimeen tai vastaanottimeen, joten TDD:n duplekseri on yksinkertainen kytkin. FDD:ssä lähetin ja vastaanotin toimivat samanaikaisesti, ja duplekseri käyttää suodattimia eristääkseen vastaanottimen lähettimen voimakkaasta signaalista.
Matkapuhelinverkon FDD-etupäässä oleva duplekseri tarjoaa >~50 dB:n eristyksen uplink-kaistalla estääkseen vastaanottimen ylikuormituksen Tx-signaaleilla ja >~50 dB:n eristyksen downlink-kaistalla kaistan ulkopuolisen lähetyksen estämiseksi. Vähentynyt vastaanottimen herkkyys. Rx-kaistalla häviöt lähetys- ja vastaanottopoluilla ovat minimaaliset.
Nämä pienihäviöiset, korkean eristyksen vaatimukset, joissa taajuuksia erotetaan vain muutamalla prosentilla, vaativat korkean Q-suodatuksen, joka on toistaiseksi saavutettavissa vain pinta-akustisilla (SAW) tai body acoustic wave (BAW) -laitteilla.
Vaikka tekniikka kehittyy edelleen, suurelta osin tarvittavien laitteiden suuresta määrästä johtuen edistysaskel, monikaistainen toiminta tarkoittaa erillisen off-chip duplex-suodattimen jokaiselle kaistalle, kuten kuvassa A näkyy. Kaikki kytkimet ja reitittimet lisäävät myös lisätoimintoja. suoritussakkoja ja kompromisseja.
Nykyteknologiaan perustuvia edullisia maailmanlaajuisia puhelimia on liian vaikea valmistaa. Tuloksena oleva radioarkkitehtuuri on erittäin suuri, häviöllinen ja kallis. Valmistajien on luotava useita tuoteversioita eri alueilla tarvittaville eri taajuusyhdistelmille, mikä tekee rajoittamattoman maailmanlaajuisen LTE-verkkovierailun vaikeaksi. GSM:n määräävään asemaan johtaneita mittakaavaetuja on yhä vaikeampi saavuttaa.
Nopeiden datanopeuksien mobiilipalvelujen kasvava kysyntä on johtanut 4G-matkapuhelinverkkojen käyttöönottoon 50 taajuuskaistalla, ja taajuuksia tulee vielä lisää, kun 5G on täysin määritelty ja laajalti käytössä. RF-rajapinnan monimutkaisuuden vuoksi tätä kaikkea ei ole mahdollista kattaa yhdellä laitteella nykyisillä suodatinpohjaisilla tekniikoilla, joten tarvitaan mukautettavat ja uudelleenkonfiguroitavat RF-piirit.
Ihannetapauksessa kaksisuuntaisen ongelman ratkaisemiseen tarvitaan uusi lähestymistapa, joka perustuu mahdollisesti viritettävään suodattimeen tai itsehäiriön vaimennuksen tai molempien yhdistelmään.
Vaikka meillä ei vielä ole yhtä lähestymistapaa, joka täyttäisi monet kustannus-, koko-, suorituskyky- ja tehokkuusvaatimukset, ehkä palapelin palaset yhdistyvät ja ovat taskussasi muutaman vuoden kuluttua.
Tekniikat, kuten EBD SI-suppressiolla, voivat avata mahdollisuuden käyttää samaa taajuutta molempiin suuntiin samanaikaisesti, mikä voi parantaa merkittävästi spektrin tehokkuutta.
Postitusaika: 24.9.2024