Tien jaar gelede het slimfone tipies slegs 'n paar standaarde ondersteun wat in die vier GSM-frekwensiebande werk, en miskien 'n paar WCDMA- of CDMA2000-standaarde. Met so min frekwensiebande om van te kies, is 'n sekere mate van globale eenvormigheid bereik met "quad-band" GSM-fone, wat die 850/900/1800/1900 MHz-bande gebruik en oral in die wêreld gebruik kan word (wel, nogal).
Dit is 'n groot voordeel vir reisigers en skep groot skaalvoordele vir toestelvervaardigers, wat net 'n paar modelle (of dalk net een) vir die hele wêreldmark hoef vry te stel. Snel vorentoe tot vandag, bly GSM die enigste draadlose toegangstegnologie wat globale roaming verskaf. Terloops, as jy nie geweet het nie, word GSM geleidelik uitgefaseer.
Enige slimfoon wat die naam waardig is, moet 4G-, 3G- en 2G-toegang ondersteun met verskillende RF-koppelvlakvereistes in terme van bandwydte, stuurkrag, ontvangersensitiwiteit en baie ander parameters.
Verder, as gevolg van die gefragmenteerde beskikbaarheid van globale spektrum, dek 4G-standaarde 'n groot aantal frekwensiebande, sodat operateurs dit kan gebruik op enige frekwensies wat in enige gegewe area beskikbaar is – tans altesaam 50 bande, soos die geval is met LTE1-standaarde. 'n Ware "wêreldfoon" moet in al hierdie omgewings werk.
Die sleutelprobleem wat enige sellulêre radio moet oplos, is "dupleks kommunikasie". Wanneer ons praat, luister ons terselfdertyd. Vroeë radiostelsels het druk-om-te-praat gebruik (sommige doen dit steeds), maar wanneer ons oor die telefoon praat, verwag ons dat die ander persoon ons sal onderbreek. Eerste generasie (analoog) sellulêre toestelle het "dupleks filters" (of dupleksers) gebruik om die afskakel te ontvang sonder om "verdonder" te word deur die opskakel op 'n ander frekwensie uit te stuur.
Om hierdie filters kleiner en goedkoper te maak, was 'n groot uitdaging vir vroeë telefoonvervaardigers. Toe GSM ingestel is, is die protokol so ontwerp dat transceivers in "halfdupleksmodus" kan werk.
Dit was 'n baie slim manier om dupleksers uit te skakel, en was 'n belangrike faktor om GSM te help om 'n laekoste, hoofstroomtegnologie te word wat in staat is om die bedryf te oorheers (en die manier waarop mense in die proses gekommunikeer het) te verander.
Die Essential-foon van Andy Rubin, die uitvinder van die Android-bedryfstelsel, beskik oor die nuutste verbindingskenmerke, insluitend Bluetooth 5.0LE, verskeie GSM/LTE en 'n Wi-Fi-antenna wat in 'n titaniumraam versteek is.
Ongelukkig is die lesse wat geleer is uit die oplossing van tegniese probleme vinnig vergeet in die tegno-politieke oorloë van die vroeë dae van 3G, en die tans dominante vorm van frekwensieverdeling-dupleksing (FDD) vereis 'n duplekser vir elke FDD-band waarin dit werk. Daar is geen twyfel dat die LTE-oplewing met stygende kostefaktore gepaard gaan nie.
Terwyl sommige bande Time Division Duplex, of TDD kan gebruik (waar die radio vinnig wissel tussen uitsaai en ontvang), bestaan minder van hierdie bande. Die meeste operateurs (behalwe hoofsaaklik Asiatiese) verkies die FDD-reeks, waarvan daar meer as 30 is.
Die nalatenskap van TDD- en FDD-spektrum, die moeilikheid om werklik globale bande vry te maak, en die koms van 5G met meer bande maak die dupleksprobleem nog meer kompleks. Belowende metodes wat ondersoek word, sluit in nuwe filter-gebaseerde ontwerpe en die vermoë om selfinmenging uit te skakel.
Laasgenoemde bring ook die ietwat belowende moontlikheid van "fragmentlose" dupleks (of "in-band full dupleks") mee. In die toekoms van 5G-mobiele kommunikasie moet ons dalk nie net FDD en TDD oorweeg nie, maar ook buigsame dupleks gebaseer op hierdie nuwe tegnologieë.
Navorsers aan die Aalborg Universiteit in Denemarke het 'n "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3-argitektuur ontwikkel wat (sien illustrasie op bladsy 18) aparte antennas vir transmissie en ontvangs gebruik en hierdie antennas kombineer met (lae werkverrigting) in kombinasie met aanpasbare filter om die verlangde transmissie- en ontvangsisolasie te bereik.
Alhoewel die prestasie indrukwekkend is, is die behoefte aan twee antennas 'n groot nadeel. Soos fone dunner en slanker word, word die beskikbare spasie vir antennas al hoe kleiner.
Mobiele toestelle benodig ook veelvuldige antennas vir ruimtelike multipleksing (MIMO). Selfone met VEILIGE argitektuur en 2×2 MIMO-ondersteuning benodig slegs vier antennas. Boonop is die instelbereik van hierdie filters en antennas beperk.
So globale selfone sal ook hierdie koppelvlak-argitektuur moet herhaal om alle LTE-frekwensiebande (450 MHz tot 3600 MHz) te dek, wat meer antennas, meer antenna-ontvangers en meer filters sal vereis, wat ons terugbring na die vrae wat gereeld gevra word oor multi-band werking as gevolg van duplisering van komponente.
Alhoewel meer antennas in 'n tablet of skootrekenaar geïnstalleer kan word, is verdere vordering in aanpassing en/of miniaturisering nodig om hierdie tegnologie geskik te maak vir slimfone.
Elektries gebalanseerde dupleks is gebruik sedert die vroeë dae van draadlyntelefonie17. In ’n telefoonstelsel moet die mikrofoon en oorstuk aan die telefoonlyn gekoppel wees, maar van mekaar geïsoleer wees sodat die gebruiker se eie stem nie die swakker inkomende klanksein doof nie. Dit is bereik met behulp van hibriede transformators voor die koms van elektroniese fone.
Die duplekskring wat in die figuur hieronder getoon word, gebruik 'n weerstand van dieselfde waarde om die impedansie van die transmissielyn te pas sodat die stroom van die mikrofoon verdeel soos dit die transformator binnegaan en in teenoorgestelde rigtings deur die primêre spoel vloei. Die magnetiese vloede word effektief uitgekanselleer en geen stroom word in die sekondêre spoel geïnduseer nie, dus is die sekondêre spoel van die mikrofoon geïsoleer.
Die sein vanaf die mikrofoon gaan egter steeds na die telefoonlyn (alhoewel met 'n mate van verlies), en die inkomende sein op die telefoonlyn gaan steeds na die luidspreker (ook met 'n mate van verlies), wat tweerigtingkommunikasie op dieselfde telefoonlyn moontlik maak. . . Metaal draad.
'n Radio-gebalanseerde duplekser is soortgelyk aan 'n telefoonduplekser, maar in plaas van 'n mikrofoon, handset en telefoondraad word 'n sender, ontvanger en antenna onderskeidelik gebruik, soos in Figuur B getoon.
'n Derde manier om die sender van die ontvanger te isoleer, is om self-interferensie (SI) uit te skakel, en sodoende die gestuurde sein van die ontvangde sein af te trek. Stoortegnieke word al dekades lank in radar en uitsaaiwese gebruik.
Byvoorbeeld, in die vroeë 1980's het Plessy 'n SI-vergoedingsgebaseerde produk genaamd "Groundsat" ontwikkel en bemark om die reeks halfdupleks analoog FM militêre kommunikasienetwerke4-5 uit te brei.
Die stelsel dien as 'n voldupleks enkelkanaal herhaler, wat die effektiewe reeks halfdupleks radio's wat regdeur die werkarea gebruik word, uitbrei.
Daar was onlangse belangstelling in selfinterferensie-onderdrukking, hoofsaaklik as gevolg van die neiging na kortafstandkommunikasie (sellulêr en Wi-Fi), wat die probleem van SI-onderdrukking meer hanteerbaar maak as gevolg van laer stuurkrag en hoër kragontvangs vir verbruikersgebruik . Draadlose toegang en terughalingstoepassings 6-8.
Apple se iPhone (met hulp van Qualcomm) het waarskynlik die wêreld se beste draadlose en LTE-vermoëns, wat 16 LTE-bande op 'n enkele skyfie ondersteun. Dit beteken dat slegs twee SKU's geproduseer hoef te word om die GSM- en CDMA-markte te dek.
In duplekstoepassings sonder interferensiedeling, kan self-interferensie-onderdrukking spektrumdoeltreffendheid verbeter deur die op- en afskakel toe te laat om dieselfde spektrumhulpbronne te deel9,10. Self-interferensie-onderdrukkingstegnieke kan ook gebruik word om persoonlike dupleksers vir FDD te skep.
Die kansellasie self bestaan gewoonlik uit verskeie fases. Die rigtingnetwerk tussen die antenna en die transceiver verskaf die eerste vlak van skeiding tussen die gestuurde en ontvangde seine. Tweedens word addisionele analoog- en digitale seinverwerking gebruik om enige oorblywende intrinsieke geraas in die ontvangde sein uit te skakel. Die eerste fase kan 'n aparte antenna gebruik (soos in SAFE), 'n hibriede transformator (hieronder beskryf);
Die probleem van losstaande antennas is reeds beskryf. Sirkulatore is tipies smalband omdat hulle ferromagnetiese resonansie in die kristal gebruik. Hierdie hibriede tegnologie, of Electrically Balanced Isolation (EBI), is 'n belowende tegnologie wat breëband kan wees en moontlik op 'n skyfie geïntegreer kan word.
Soos in die figuur hieronder getoon, gebruik die slim antenna-voorkantontwerp twee smalband-verstelbare antennas, een vir uitsending en een vir ontvangs, en 'n paar laer-prestasie maar instelbare dupleksfilters. Individuele antennas verskaf nie net 'n mate van passiewe isolasie ten koste van voortplantingsverlies tussen hulle nie, maar het ook beperkte (maar verstelbare) oombliklike bandwydte.
Die uitsaaiantenna werk effektief slegs in die uitsaaifrekwensieband, en die ontvangsantenna werk effektief slegs in die ontvangfrekwensieband. In hierdie geval dien die antenna self ook as 'n filter: buite-band Tx-emissies word deur die uitsaaiantenna verswak, en selfinterferensie in die Tx-band word deur die ontvangsantenna verswak.
Daarom vereis die argitektuur dat die antenna verstelbaar is, wat bereik word deur 'n antenna-instelnetwerk te gebruik. Daar is 'n mate van onvermydelike invoegingsverlies in 'n antenna-instelnetwerk. Onlangse vooruitgang in MEMS18-verstelbare kapasitors het egter die kwaliteit van hierdie toestelle aansienlik verbeter en sodoende verliese verminder. Die Rx-invoegingsverlies is ongeveer 3 dB, wat vergelykbaar is met die totale verliese van die SAW-duplekser en skakelaar.
Die antenna-gebaseerde isolasie word dan aangevul deur 'n verstelbare filter, ook gebaseer op MEM3 verstelbare kapasitors, om 25 dB isolasie van die antenna en 25 dB isolasie van die filter te verkry. Prototipes het getoon dat dit bereik kan word.
Verskeie navorsingsgroepe in die akademie en die industrie ondersoek die gebruik van basters vir dupleksdrukwerk11–16. Hierdie skemas skakel SI passief uit deur gelyktydige uitsending en ontvangs vanaf 'n enkele antenna toe te laat, maar die sender en ontvanger te isoleer. Hulle is breëband van aard en kan op die skyfie geïmplementeer word, wat hulle 'n aantreklike opsie maak vir frekwensie-dupleksing in mobiele toestelle.
Onlangse vooruitgang het getoon dat FDD-senderontvangers wat EBI gebruik van CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) vervaardig kan word met invoegingsverlies, geraassyfer, ontvangerlineariteit en blokkeeronderdrukkingskenmerke wat geskik is vir sellulêre toepassings11,12,13. Soos talle voorbeelde in die akademiese en wetenskaplike literatuur egter aantoon, is daar 'n fundamentele beperking wat dupleksisolasie beïnvloed.
Die impedansie van 'n radio-antenna is nie vas nie, maar wissel met bedryfsfrekwensie (as gevolg van antenna-resonansie) en tyd (as gevolg van interaksie met 'n veranderende omgewing). Dit beteken dat die balanseringsimpedansie moet aanpas om impedansieveranderinge op te spoor, en die ontkoppelingsbandwydte is beperk as gevolg van veranderinge in die frekwensiedomein13 (sien Figuur 1).
Ons werk by die Universiteit van Bristol is daarop gefokus om hierdie prestasiebeperkings te ondersoek en aan te spreek om te demonstreer dat die vereiste stuur/ontvang-isolasie en deurvloei in werklike gebruiksgevalle bereik kan word.
Om antenna-impedansie-skommelings (wat isolasie ernstig beïnvloed), volg ons aanpasbare algoritme antenna-impedansie in reële tyd, en toetsing het getoon dat werkverrigting in 'n verskeidenheid dinamiese omgewings gehandhaaf kan word, insluitend interaksie deur gebruikers en hoëspoed pad en spoor reis.
Boonop, om die beperkte antennapassing in die frekwensiedomein te oorkom, en sodoende bandwydte en algehele isolasie te verhoog, kombineer ons 'n elektries gebalanseerde duplekser met addisionele aktiewe SI-onderdrukking, deur 'n tweede sender te gebruik om 'n onderdrukkingsein te genereer om selfinterferensie verder te onderdruk. (sien Figuur 2).
Die resultate van ons toetsbed is bemoedigend: wanneer dit met EBD gekombineer word, kan aktiewe tegnologie die transmissie- en ontvangisolasie aansienlik verbeter, soos in Figuur 3 getoon.
Ons finale laboratoriumopstelling maak gebruik van laekoste mobiele toestelkomponente (selfoonkragversterkers en antennas), wat dit verteenwoordigend maak van selfoonimplementerings. Boonop toon ons metings dat hierdie tipe tweestadium-selfinterferensieverwerping die vereiste dupleksisolasie in die op- en afskakelfrekwensiebande kan verskaf, selfs wanneer laekoste-toerusting van kommersiële graad gebruik word.
Die seinsterkte wat 'n sellulêre toestel by sy maksimum reeks ontvang, moet 12 ordes van grootte laer wees as die seinsterkte wat dit uitsaai. In Time Division Duplex (TDD) is die duplekskring bloot 'n skakelaar wat die antenna met die sender of ontvanger verbind, dus is die duplekser in TDD 'n eenvoudige skakelaar. In FDD werk die sender en ontvanger gelyktydig, en die duplekseerder gebruik filters om die ontvanger van die sender se sterk sein te isoleer.
Die duplekser in die sellulêre FDD-voorkant bied >~50 dB isolasie in die opskakelband om te verhoed dat die ontvanger met Tx-seine oorlaai word, en >~50 dB isolasie in die afskakelband om buite-band transmissie te voorkom. Verminderde ontvangersensitiwiteit. In die Rx-band is verliese in die stuur- en ontvangsroetes minimaal.
Hierdie lae-verlies, hoë isolasie vereistes, waar frekwensies met slegs 'n paar persent geskei word, vereis hoë-Q-filtrering, wat tot dusver slegs bereik kan word met behulp van oppervlak akoestiese golf (SAW) of liggaam akoestiese golf (BAW) toestelle.
Terwyl die tegnologie voortgaan om te ontwikkel, met vooruitgang grootliks as gevolg van die groot aantal toestelle wat benodig word, beteken multi-band werking 'n aparte off-chip dupleks filter vir elke band, soos getoon in Figuur A. Alle skakelaars en routers voeg ook bykomende funksionaliteit by met prestasie boetes en afwegings.
Bekostigbare globale fone gebaseer op huidige tegnologie is te moeilik om te vervaardig. Die gevolglike radio-argitektuur sal baie groot, verlieswekkend en duur wees. Vervaardigers moet verskeie produkvariante skep vir verskillende kombinasies van bande wat in verskillende streke benodig word, wat onbeperkte globale LTE-swerwing moeilik maak. Die skaalvoordele wat tot GSM se oorheersing gelei het, word al hoe moeiliker om te bereik.
Toenemende vraag na hoë dataspoed mobiele dienste het gelei tot die ontplooiing van 4G-selfoonnetwerke oor 50 frekwensiebande, met selfs meer bande om te kom aangesien 5G volledig gedefinieer en wyd ontplooi is. As gevolg van die kompleksiteit van die RF-koppelvlak, is dit nie moontlik om dit alles in 'n enkele toestel te dek deur huidige filtergebaseerde tegnologieë te gebruik nie, dus word aanpasbare en herkonfigureerbare RF-kringe vereis.
Ideaal gesproke is 'n nuwe benadering nodig om die dupleksprobleem op te los, miskien gebaseer op verstelbare filters of selfinmengingsonderdrukking, of 'n kombinasie van albei.
Alhoewel ons nog nie 'n enkele benadering het wat aan die vele eise van koste, grootte, werkverrigting en doeltreffendheid voldoen nie, sal die stukkies van die legkaart dalk bymekaar kom en oor 'n paar jaar in jou sak wees.
Tegnologieë soos EBD met SI-onderdrukking kan die moontlikheid oopmaak om dieselfde frekwensie in beide rigtings gelyktydig te gebruik, wat spektrale doeltreffendheid aansienlik kan verbeter.
Postyd: 24 September 2024