Prieš dešimt metų išmanieji telefonai paprastai palaikė tik kelis standartus, veikiančius keturiose GSM dažnių juostose, ir galbūt kelis WCDMA arba CDMA2000 standartus. Turint tiek mažai dažnių juostų, iš kurių galima rinktis, tam tikras visuotinis vienodumas buvo pasiektas naudojant „keturių juostų“ GSM telefonus, kurie naudoja 850/900/1800/1900 MHz juostas ir gali būti naudojami bet kurioje pasaulio vietoje (na, gana).
Tai didžiulė nauda keliautojams ir sukuria didžiulę masto ekonomiją įrenginių gamintojams, kuriems tereikia išleisti kelis modelius (o gal tik vieną) visai pasaulinei rinkai. Greitai į priekį ir šiandien GSM išlieka vienintele belaidės prieigos technologija, teikiančia pasaulinį tarptinklinį ryšį. Beje, jei nežinojote, GSM palaipsniui atsisakoma.
Bet kuris išmanusis telefonas, vertas šio vardo, turi palaikyti 4G, 3G ir 2G prieigą su skirtingais RF sąsajos reikalavimais, susijusiais su pralaidumu, perdavimo galia, imtuvo jautrumu ir daugeliu kitų parametrų.
Be to, dėl fragmentiško pasaulinio spektro prieinamumo 4G standartai apima daugybę dažnių juostų, todėl operatoriai gali juos naudoti bet kokiais dažniais, kurie yra prieinami bet kurioje konkrečioje srityje – šiuo metu iš viso 50 juostų, kaip ir LTE1 standartų atveju. Tikras „pasaulio telefonas“ turi veikti visose šiose aplinkose.
Pagrindinė problema, kurią turi išspręsti bet kuris korinis radijas, yra „dvipusis ryšys“. Kai kalbame, tuo pat metu klausomės. Ankstyvosiose radijo sistemose buvo naudojamas tiesioginis pokalbis (kai kurios vis dar naudojasi), tačiau kai kalbame telefonu, tikimės, kad kitas asmuo mus pertrauks. Pirmosios kartos (analoginiuose) koriniuose įrenginiuose buvo naudojami „dvipusiai filtrai“ (arba duplekseriai), kad priimtų žemyn nukreiptą ryšį be „apsvaiginimo“, perduodant aukštyn ryšį kitu dažniu.
Padaryti šiuos filtrus mažesnius ir pigesnius buvo didelis iššūkis ankstyviesiems telefonų gamintojams. Kai buvo pristatytas GSM, protokolas buvo sukurtas taip, kad siųstuvai-imtuvai galėtų veikti „pusiau dvipusio ryšio režimu“.
Tai buvo labai protingas būdas pašalinti dvipusius įrenginius ir buvo pagrindinis veiksnys, padedantis GSM tapti nebrangia, pagrindine technologija, galinčia dominuoti pramonėje (ir pakeisti žmonių bendravimo būdą).
„Android“ operacinės sistemos išradėjo Andy Rubino telefonas „Essential“ pasižymi naujausiomis ryšio funkcijomis, įskaitant „Bluetooth 5.0LE“, įvairias GSM/LTE ir „Wi-Fi“ anteną, paslėptą titano rėmelyje.
Deja, pamokos, išmoktos sprendžiant technines problemas, buvo greitai pamirštos technopolitiniuose karuose ankstyvaisiais 3G laikais, o šiuo metu dominuojanti dažnių padalijimo duplekso (FDD) forma reikalauja duplekserio kiekvienoje FDD juostoje, kurioje jis veikia. Nėra jokių abejonių, kad LTE bumas kyla dėl didėjančių sąnaudų veiksnių.
Nors kai kurios juostos gali naudoti Time Division Duplex arba TDD (kai radijas greitai persijungia iš siuntimo ir priėmimo), šių juostų yra mažiau. Dauguma operatorių (išskyrus daugiausia Azijos) teikia pirmenybę FDD diapazonui, kurio yra daugiau nei 30.
Dėl TDD ir FDD spektro palikimo, sunkumų atlaisvinti tikrai pasaulines juostas ir 5G atsiradimą su daugiau juostų dvipusio ryšio problema tampa dar sudėtingesnė. Daug žadantys tiriami metodai apima naujus filtrais pagrįstus dizainus ir galimybę pašalinti savarankiškus trukdžius.
Pastarasis taip pat suteikia daug žadančią „nefragmentinio“ dvipusio (arba „viso duplekso juostoje“) galimybę. 5G mobiliojo ryšio ateityje gali tekti apsvarstyti ne tik FDD ir TDD, bet ir lankstų dvipusį ryšį, pagrįstą šiomis naujomis technologijomis.
Olborgo universiteto Danijoje mokslininkai sukūrė „Smart Antenna Front End“ (SAFE)2-3 architektūrą, kuri naudoja (žr. iliustraciją 18 psl.) atskiras antenas perdavimui ir priėmimui ir sujungia šias antenas su (mažo našumo) ir pritaikomu. filtravimas, kad būtų pasiekta norima perdavimo ir priėmimo izoliacija.
Nors našumas yra įspūdingas, dviejų antenų poreikis yra didelis trūkumas. Kadangi telefonai tampa plonesni ir glotnesni, antenoms skirta vieta vis mažėja.
Mobiliesiems įrenginiams taip pat reikalingos kelios antenos erdviniam tankinimui (MIMO). Mobiliesiems telefonams su SAFE architektūra ir 2×2 MIMO palaikymu reikia tik keturių antenų. Be to, šių filtrų ir antenų derinimo diapazonas yra ribotas.
Taigi pasauliniai mobilieji telefonai taip pat turės atkartoti šią sąsajos architektūrą, kad apimtų visas LTE dažnių juostas (450 MHz–3600 MHz), todėl reikės daugiau antenų, daugiau antenų imtuvų ir filtrų, o tai sugrąžins mus prie dažniausiai užduodamų klausimų apie kelių juostų veikimas dėl komponentų dubliavimo.
Nors planšetiniuose ar nešiojamuosiuose kompiuteriuose galima įdiegti daugiau antenų, norint, kad ši technologija būtų tinkama išmaniesiems telefonams, reikia toliau tobulinti pritaikymą ir (arba) miniatiūrizavimą.
Elektra subalansuotas dvipusis ryšys buvo naudojamas nuo pirmųjų laidinės telefonijos dienų17. Telefono sistemoje mikrofonas ir ausinė turi būti prijungti prie telefono linijos, tačiau izoliuoti vienas nuo kito, kad paties vartotojo balsas neapkurdytų silpnesnio įeinančio garso signalo. Tai buvo pasiekta naudojant hibridinius transformatorius prieš elektroninių telefonų atsiradimą.
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytoje dvipusėje grandinėje naudojamas tos pačios vertės rezistorius, atitinkantis perdavimo linijos varžą, kad srovė iš mikrofono suskiltų, kai ji patenka į transformatorių ir teka priešingomis kryptimis per pirminę ritę. Magnetiniai srautai efektyviai panaikinami ir antrinėje ritėje nesukeliama srovė, todėl antrinė ritė yra izoliuota nuo mikrofono.
Tačiau signalas iš mikrofono vis tiek patenka į telefono liniją (nors ir su tam tikru praradimu), o į telefono liniją įeinantis signalas vis tiek patenka į garsiakalbį (taip pat ir su tam tikru praradimu), leidžiantis abipusį ryšį ta pačia telefono linija. . . Metalinė viela.
Radijo ryšio subalansuotas duplekseris yra panašus į telefono dvipusį įrenginį, tačiau vietoj mikrofono, ragelio ir telefono laido naudojami atitinkamai siųstuvas, imtuvas ir antena, kaip parodyta B paveiksle.
Trečias būdas izoliuoti siųstuvą nuo imtuvo yra pašalinti savaiminius trukdžius (SI), taip atimant perduodamą signalą iš gauto signalo. Trukdymo metodai radare ir transliacijoje buvo naudojami dešimtmečius.
Pavyzdžiui, devintojo dešimtmečio pradžioje Plessy sukūrė ir pardavinėjo SI kompensavimu pagrįstą produktą, pavadintą „Groundsat“, siekdama išplėsti pusiau dvipusių analoginių FM karinių ryšių tinklų4-5 diapazoną.
Sistema veikia kaip pilno dvipusio vieno kanalo kartotuvas, praplečiantis efektyvų pusiau dvipusių radijo imtuvų, naudojamų visoje darbo zonoje, diapazoną.
Pastaruoju metu buvo domimasi savaiminių trukdžių slopinimu, daugiausia dėl mažo nuotolio ryšių (korinio ryšio ir Wi-Fi) tendencijos, dėl kurios SI slopinimo problema tampa lengviau valdoma dėl mažesnės perdavimo galios ir didesnės galios priėmimo vartotojų reikmėms. . Belaidės prieigos ir atgalinio ryšio programos 6–8.
„Apple“ „iPhone“ (su Qualcomm pagalba) neabejotinai turi geriausias pasaulyje belaidžio ryšio ir LTE galimybes, palaikydamas 16 LTE juostų viename luste. Tai reiškia, kad reikia pagaminti tik du SKU, kad apimtų GSM ir CDMA rinkas.
Dvipusėse programose be trukdžių dalijimosi savaiminis trukdžių slopinimas gali pagerinti spektro efektyvumą, nes leidžia aukštyn ir žemyn nukreiptam ryšiui dalytis tais pačiais spektro ištekliais9,10. Savaiminio trukdžių slopinimo metodai taip pat gali būti naudojami kuriant pasirinktinius FDD dvipusius įrenginius.
Pats atšaukimas paprastai susideda iš kelių etapų. Kryptinis tinklas tarp antenos ir siųstuvo-imtuvo suteikia pirmąjį atskyrimo lygį tarp siunčiamų ir priimamų signalų. Antra, naudojamas papildomas analoginio ir skaitmeninio signalo apdorojimas, kad būtų pašalintas bet koks likęs vidinis gaunamo signalo triukšmas. Pirmajame etape gali būti naudojama atskira antena (kaip SAFE), hibridinis transformatorius (aprašytas toliau);
Jau buvo aprašyta atjungtų antenų problema. Cirkuliatoriai paprastai yra siaurajuosčiai, nes naudoja feromagnetinį rezonansą kristale. Ši hibridinė technologija arba elektriškai subalansuota izoliacija (EBI) yra daug žadanti technologija, kuri gali būti plačiajuosčio ryšio ir potencialiai integruota į lustą.
Kaip parodyta toliau esančiame paveikslėlyje, išmaniosios antenos priekinės dalies konstrukcijoje naudojamos dvi siaurajuostės derinamos antenos – viena siuntimui, kita – priėmimui, ir pora mažesnio našumo, bet derinamų dvipusių filtrų. Atskiros antenos ne tik suteikia tam tikrą pasyvią izoliaciją sklidimo tarp jų nuostolių kaina, bet ir turi ribotą (bet reguliuojamą) momentinį pralaidumą.
Siuntimo antena efektyviai veikia tik perdavimo dažnių juostoje, o priėmimo antena – tik priėmimo dažnių juostoje. Šiuo atveju pati antena taip pat veikia kaip filtras: už juostos ribų esantį Tx spinduliavimą slopina siuntimo antena, o savaiminius trukdžius Tx juostoje slopina priėmimo antena.
Todėl architektūra reikalauja, kad antena būtų derinama, o tai pasiekiama naudojant antenos derinimo tinklą. Antenos derinimo tinkle yra neišvengiamas įterpimo praradimas. Tačiau naujausi MEMS18 derinamų kondensatorių pasiekimai žymiai pagerino šių įrenginių kokybę ir taip sumažino nuostolius. Rx įterpimo nuostoliai yra maždaug 3 dB, o tai panašu į visus SAW duplekserio ir jungiklio nuostolius.
Tada antenos izoliaciją papildo derinamas filtras, taip pat pagrįstas MEM3 derinamais kondensatoriais, kad būtų pasiekta 25 dB izoliacija nuo antenos ir 25 dB nuo filtro. Prototipai parodė, kad tai galima pasiekti.
Kelios mokslinių tyrimų grupės akademinėje bendruomenėje ir pramonėje tiria hibridų naudojimą dvipusiam spausdinimui11–16. Šios schemos pasyviai pašalina SI, leisdamos vienu metu perduoti ir priimti iš vienos antenos, bet izoliuoti siųstuvą ir imtuvą. Jie yra plačiajuosčio ryšio ir gali būti įdiegti mikroschemoje, todėl jie yra patraukli dažnių dvipusio ryšio mobiliuosiuose įrenginiuose galimybė.
Naujausi pažanga parodė, kad FDD siųstuvai-imtuvai, naudojantys EBI, gali būti gaminami iš CMOS (papildomo metalo oksido puslaidininkio) su įterpimo praradimu, triukšmo rodikliu, imtuvo tiesiškumu ir blokavimo slopinimo charakteristikomis, tinkamomis korinio ryšio programoms 11, 12, 13. Tačiau, kaip rodo daugybė akademinės ir mokslinės literatūros pavyzdžių, yra esminis apribojimas, turintis įtakos dvipusei izoliacijai.
Radijo antenos varža nėra fiksuota, bet kinta priklausomai nuo veikimo dažnio (dėl antenos rezonanso) ir laiko (dėl sąveikos su besikeičiančia aplinka). Tai reiškia, kad balansavimo varža turi prisitaikyti prie sekimo varžos pokyčių, o atsiejimo dažnių juostos plotis yra ribotas dėl dažnių srities pokyčių13 (žr. 1 pav.).
Mūsų darbas Bristolio universitete yra skirtas šių našumo apribojimų tyrimui ir šalinimui, siekiant parodyti, kad reikiamą siuntimo / gavimo izoliaciją ir pralaidumą galima pasiekti naudojant realiame pasaulyje.
Siekdamas įveikti antenos varžos svyravimus (kurie labai paveikia izoliaciją), mūsų adaptyvusis algoritmas seka antenos varžą realiu laiku, o bandymai parodė, kad našumas gali būti palaikomas įvairiose dinaminėse aplinkose, įskaitant naudotojo sąveiką ir greitaeigius kelius bei geležinkelius. kelionės.
Be to, norėdami įveikti ribotą antenos suderinimą dažnių srityje, taip padidindami pralaidumą ir bendrą izoliaciją, sujungiame elektriškai subalansuotą duplekserį su papildomu aktyviu SI slopinimu, naudodami antrąjį siųstuvą slopinimo signalui generuoti ir toliau slopinti savarankiškus trukdžius. (žr. 2 pav.).
Mūsų bandymų sistemos rezultatai teikia vilčių: kartu su EBD aktyvioji technologija gali žymiai pagerinti perdavimo ir priėmimo izoliaciją, kaip parodyta 3 paveiksle.
Galutinėje laboratorijos sąrankoje naudojami nebrangūs mobiliųjų įrenginių komponentai (mobiliųjų telefonų galios stiprintuvai ir antenos), todėl jie reprezentuoja mobiliųjų telefonų diegimą. Be to, mūsų matavimai rodo, kad tokio tipo dviejų pakopų savaiminio trukdžių atmetimas gali užtikrinti reikiamą dvipusę izoliaciją aukštyn ir žemyn nukreiptose dažnių juostose, net ir naudojant pigią komercinio lygio įrangą.
Signalo stiprumas, kurį korinis įrenginys priima maksimaliu diapazonu, turi būti 12 dydžių mažesnis nei jo perduodamo signalo stiprumas. Laiko padalijimo duplekso (TDD) dvipusė grandinė yra tiesiog jungiklis, jungiantis anteną su siųstuvu arba imtuvu, todėl TDD duplekseris yra paprastas jungiklis. FDD atveju siųstuvas ir imtuvas veikia vienu metu, o duplekseris naudoja filtrus, kad izoliuotų imtuvą nuo stipraus siųstuvo signalo.
Korinio ryšio FDD priekinėje dalyje esantis duplekseris užtikrina > ~ 50 dB izoliaciją aukštyn nukreiptoje juostoje, kad imtuvas nebūtų perkrautas Tx signalais, ir > ~ 50 dB izoliacija žemyn nukreiptoje juostoje, kad būtų išvengta perdavimo už juostos ribų. Sumažintas imtuvo jautrumas. Rx juostoje nuostoliai perdavimo ir priėmimo keliuose yra minimalūs.
Šie mažų nuostolių, didelės izoliacijos reikalavimai, kai dažnius skiria vos keli procentai, reikalauja didelio Q filtravimo, kurį iki šiol galima pasiekti tik naudojant paviršinių akustinių bangų (SAW) arba kūno akustinių bangų (BAW) įrenginius.
Nors technologija ir toliau tobulėja, o pažanga daugiausia dėl to, kad reikia daug įrenginių, kelių juostų veikimas reiškia atskirą dvipusį filtrą be lusto kiekvienai juostai, kaip parodyta A paveiksle. Visi jungikliai ir maršruto parinktuvai taip pat prideda papildomų funkcijų. nuobaudos ir kompromisai.
Įperkamus pasaulinius telefonus, pagrįstus dabartinėmis technologijomis, pagaminti per sunku. Gauta radijo architektūra bus labai didelė, nuostolinga ir brangi. Gamintojai turi sukurti kelis produktų variantus skirtingiems dažnių juostų deriniams, kurių reikia skirtinguose regionuose, todėl neribotas pasaulinis LTE tarptinklinis ryšys yra sudėtingas. Masto ekonomiją, dėl kurios GSM dominuoja, pasiekti darosi vis sunkiau.
Didėjanti didelės spartos mobiliojo ryšio paslaugų paklausa paskatino 4G mobiliojo ryšio tinklus diegti 50 dažnių juostų, o juostų bus dar daugiau, nes 5G bus visiškai apibrėžtas ir plačiai naudojamas. Dėl RF sąsajos sudėtingumo neįmanoma viso to aprėpti viename įrenginyje naudojant dabartines filtrais pagrįstas technologijas, todėl reikalingos tinkinamos ir perkonfigūruojamos RF grandinės.
Idealiu atveju reikia naujo požiūrio į dvipusės problemos sprendimą, galbūt pagrįstą derinamais filtrais arba savaiminių trukdžių slopinimu, arba tam tikru abiejų deriniu.
Nors dar neturime vieno požiūrio, kuris atitiktų daugybę sąnaudų, dydžio, našumo ir efektyvumo reikalavimų, galbūt dėlionės dalys susijungs ir po kelerių metų atsidurs jūsų kišenėje.
Tokios technologijos kaip EBD su SI slopinimu gali atverti galimybę naudoti tą patį dažnį abiem kryptimis vienu metu, o tai gali žymiai pagerinti spektrinį efektyvumą.
Paskelbimo laikas: 2024-09-24