Sepuluh taun kepungkur, smartphone biasane mung ndhukung sawetara standar sing beroperasi ing papat pita frekuensi GSM, lan bisa uga sawetara standar WCDMA utawa CDMA2000. Kanthi sawetara pita frekuensi sing bisa dipilih, tingkat keseragaman global tartamtu wis diraih karo telpon GSM "quad-band", sing nggunakake pita 850/900/1800/1900 MHz lan bisa digunakake ing ngendi wae ing donya (uga, lumayan akeh).
Iki mupangati gedhe kanggo wong sing seneng lelungan lan nggawe skala ekonomi gedhe kanggo produsen piranti, sing mung kudu ngeculake sawetara model (utawa mung siji) kanggo kabeh pasar global. Maju kanthi cepet nganti saiki, GSM tetep dadi siji-sijine teknologi akses nirkabel sing nyedhiyakake roaming global. Oalah, yen sampeyan ora ngerti, GSM mboko sithik dibuwang.
Sembarang smartphone sing cocog karo jeneng kasebut kudu ndhukung akses 4G, 3G lan 2G kanthi syarat antarmuka RF sing beda-beda babagan bandwidth, daya ngirim, sensitivitas panrima lan akeh paramèter liyane.
Kajaba iku, amarga kasedhiyan fragmentasi spektrum global, standar 4G nyakup akeh pita frekuensi, mula operator bisa nggunakake frekuensi kasebut ing sembarang frekuensi sing kasedhiya ing wilayah tartamtu - saiki total 50 pita, kaya sing ana ing standar LTE1. A "telpon donya" bener kudu bisa ing kabeh lingkungan iki.
Masalah utama sing kudu ditindakake radio seluler yaiku "komunikasi duplex". Nalika kita ngomong, kita ngrungokake bebarengan. Sistem radio awal nggunakake push-to-talk (sawetara isih nindakake), nanging nalika kita ngomong ing telpon, kita ngarepake wong liya bakal ngganggu kita. Piranti seluler generasi pisanan (analog) nggunakake "filter duplex" (utawa duplexer) kanggo nampa link mudhun tanpa "kaget" kanthi ngirim uplink ing frekuensi sing beda.
Nggawe saringan iki luwih cilik lan luwih murah minangka tantangan utama kanggo pabrikan telpon awal. Nalika GSM dikenalaké, protokol iki dirancang supaya transceiver bisa operate ing "mode setengah duplex".
Iki minangka cara sing cerdas kanggo ngilangi duplexer, lan dadi faktor utama kanggo mbantu GSM dadi teknologi sing murah lan arus utama sing bisa nguwasani industri kasebut (lan ngganti cara komunikasi wong ing proses kasebut).
Telpon Essential saka Andy Rubin, penemu sistem operasi Android, nduweni fitur konektivitas paling anyar kalebu Bluetooth 5.0LE, macem-macem GSM / LTE lan antena Wi-Fi sing didhelikake ing pigura titanium.
Sayange, pelajaran sing disinaoni saka ngrampungake masalah teknis kanthi cepet dilalekake ing perang tekno-politik ing jaman wiwitan 3G, lan wangun duplexing divisi frekuensi (FDD) sing saiki dominan mbutuhake duplexer kanggo saben band FDD sing dioperasikake . Ora ana sangsi manawa boom LTE teka karo faktor biaya sing mundhak.
Nalika sawetara band bisa nggunakake Time Division Duplex, utawa TDD (ing ngendi radio cepet ngalih antarane ngirim lan nampa), kurang saka band iki ana. Umume operator (kajaba utamane wong Asia) luwih milih kisaran FDD, sing ana luwih saka 30.
Warisan spektrum TDD lan FDD, kangelan mbebasake band sing sejatine global, lan tekane 5G kanthi luwih akeh band nggawe masalah dupleks luwih rumit. Cara sing njanjeni sing diselidiki kalebu desain adhedhasar filter anyar lan kemampuan kanggo ngilangi gangguan diri.
Sing terakhir uga ndadekke karo kamungkinan Luwih janjeni saka "fragmentless" duplex (utawa "in-band full duplex"). Ing mangsa ngarep komunikasi seluler 5G, kita bisa uga kudu nimbang ora mung FDD lan TDD, nanging uga duplex fleksibel adhedhasar teknologi anyar kasebut.
Peneliti ing Universitas Aalborg ing Denmark wis ngembangake arsitektur "Smart Antena Front End" (SAFE) 2-3 sing nggunakake (ndeleng ilustrasi ing kaca 18) antena kapisah kanggo transmisi lan resepsi lan nggabungake antena kasebut kanthi (kinerja kurang) kanthi kombinasi sing bisa disesuaikan. nyaring kanggo entuk transmisi sing dikarepake lan isolasi resepsi.
Nalika kinerja nyengsemaken, perlu kanggo loro antena drawback amba. Nalika telpon saya tipis lan luwih ramping, papan sing kasedhiya kanggo antena saya sithik.
Piranti seluler uga mbutuhake sawetara antena kanggo multiplexing spasial (MIMO). Ponsel kanthi arsitektur SAFE lan dhukungan MIMO 2 × 2 mung mbutuhake patang antena. Kajaba iku, sawetara tuning saringan lan antena iki diwatesi.
Dadi, telpon seluler global uga kudu niru arsitektur antarmuka iki kanggo nutupi kabeh pita frekuensi LTE (450 MHz nganti 3600 MHz), sing mbutuhake antena luwih akeh, tuner antena luwih akeh lan saringan liyane, sing ndadekake kita bali menyang pitakonan sing kerep ditakoni. operasi multi-band amarga duplikasi komponen.
Sanajan luwih akeh antena bisa diinstal ing tablet utawa laptop, luwih maju ing kustomisasi lan/utawa miniaturisasi dibutuhake supaya teknologi iki cocog kanggo smartphone.
Duplex imbang kanthi listrik wis digunakake wiwit wiwitan telephony17. Ing sistem telpon, mikropon lan earpiece kudu disambungake menyang saluran telpon, nanging diisolasi saka saben liyane supaya swara pangguna dhewe ora budheg sinyal audio mlebu sing luwih lemah. Iki digayuh nggunakake trafo hibrida sadurunge tekane telpon elektronik.
Sirkuit duplex sing ditampilake ing gambar ing ngisor iki nggunakake resistor kanthi nilai sing padha kanggo cocog karo impedansi saluran transmisi supaya arus saka mikropon pecah nalika mlebu trafo lan mili ing arah ngelawan liwat kumparan utami. Fluks magnetik dibatalake kanthi efektif lan ora ana arus sing diinduksi ing kumparan sekunder, saengga kumparan sekunder diisolasi saka mikropon.
Nanging, sinyal saka mikropon isih menyang saluran telpon (sanajan karo sawetara mundhut), lan sinyal mlebu ing saluran telpon isih menyang speaker (uga karo sawetara mundhut), ngidini komunikasi loro-arah ing baris telpon padha. . . Kawat logam.
Duplexer imbang radio padha karo duplexer telpon, nanging tinimbang mikropon, handset, lan kabel telpon, pemancar, panrima, lan antena digunakake, kaya sing dituduhake ing Gambar B.
Cara katelu kanggo ngisolasi pemancar saka panrima yaiku ngilangi gangguan diri (SI), saéngga nyuda sinyal sing dikirim saka sinyal sing ditampa. Teknik jamming wis digunakake ing radar lan penyiaran nganti pirang-pirang dekade.
Contone, ing awal taun 1980-an, Plessy ngembangake lan dipasarake produk berbasis kompensasi SI sing diarani "Groundsat" kanggo ngluwihi jangkauan jaringan komunikasi militer FM analog setengah duplex4-5.
Sistem kasebut minangka repeater saluran tunggal full-duplex, ngluwihi jangkauan efektif radio setengah duplex sing digunakake ing saindhenging area kerja.
Ana kapentingan anyar kanggo dipateni gangguan diri, utamane amarga tren komunikasi jarak cendhak (selular lan Wi-Fi), sing ndadekake masalah penindasan SI luwih gampang diatur amarga daya transmisi sing luwih murah lan resepsi daya sing luwih dhuwur kanggo panggunaan konsumen. . Akses Nirkabel lan Aplikasi Backhaul 6-8.
Apple iPhone (karo bantuan saka Qualcomm) biso dibantah nduweni kemampuan nirkabel lan LTE paling apik ing donya, ndhukung 16 band LTE ing chip siji. Iki tegese mung rong SKU sing kudu diprodhuksi kanggo nutupi pasar GSM lan CDMA.
Ing aplikasi dupleks tanpa enggo bareng interferensi, supresi gangguan diri bisa ningkatake efisiensi spektrum kanthi ngidini uplink lan downlink kanggo nuduhake sumber daya spektrum sing padha9,10. Techniques dipatèni gangguan dhewe uga bisa digunakake kanggo nggawe duplexers adat kanggo FDD.
Pembatalan dhewe biasane dumadi saka sawetara tahapan. Jaringan arah antarane antena lan transceiver nyedhiyakake tingkat pamisahan pisanan antarane sinyal sing dikirim lan ditampa. Kapindho, pangolahan sinyal analog lan digital tambahan digunakake kanggo ngilangi gangguan intrinsik sing isih ana ing sinyal sing ditampa. Tahap pisanan bisa nggunakake antena sing kapisah (kaya ing SAFE), trafo hibrida (diterangake ing ngisor iki);
Masalah antena suwek wis diterangake. Sirkulator biasane narrowband amarga nggunakake resonansi ferromagnetik ing kristal. Teknologi hibrida iki, utawa Electrically Balanced Isolation (EBI), minangka teknologi sing bisa dadi broadband lan duweni potensi terintegrasi ing chip.
Minangka ditampilake ing tokoh ing ngisor iki, desain mburi ngarep antena pinter nggunakake loro antena tunable narrowband, siji kanggo ngirim lan siji kanggo nampa, lan sepasang saringan duplex kinerja ngisor nanging tunable. Antena individu ora mung nyedhiyani sawetara isolasi pasif ing biaya panyebaran mundhut antarane, nanging uga winates (nanging tunable) bandwidth cepet.
Antena pemancar beroperasi kanthi efektif mung ing pita frekuensi ngirim, lan antena panampa mung efektif ing pita frekuensi nampa. Ing kasus iki, antena dhewe uga tumindak minangka panyaring: metu-saka-band emisi Tx sing attenuated dening antena ngirim, lan poto-gangguan ing band Tx wis attenuated dening antena panrima.
Mulane, arsitektur mbutuhake antena dadi tunable, sing digayuh kanthi nggunakake jaringan tuning antena. Ana sawetara mundhut selipan ora bisa diendhani ing jaringan tuning antena. Nanging, kemajuan anyar ing kapasitor tunable MEMS18 wis ningkatake kualitas piranti kasebut, saengga bisa nyuda kerugian. Rugi selipan Rx kira-kira 3 dB, kang iso dibandhingke kanggo total mundhut saka duplexer SAW lan ngalih.
Isolasi adhedhasar antena banjur dilengkapi karo saringan tunable, uga adhedhasar kapasitor tunable MEM3, kanggo entuk isolasi 25 dB saka antena lan isolasi 25 dB saka saringan. Prototipe wis nuduhake manawa iki bisa ditindakake.
Sawetara klompok riset ing akademisi lan industri njelajah panggunaan hibrida kanggo printing duplex11-16. Skema kasebut kanthi pasif ngilangi SI kanthi ngidini transmisi lan resepsi simultan saka antena siji, nanging ngisolasi pemancar lan panrima. Iki minangka broadband lan bisa diimplementasikake ing chip, dadi pilihan sing apik kanggo duplexing frekuensi ing piranti seluler.
Kemajuan anyar wis nuduhake yen transceiver FDD nggunakake EBI bisa diprodhuksi saka CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) kanthi mundhut sisipan, angka gangguan, linearitas panrima, lan karakteristik suppression blocking sing cocog kanggo aplikasi seluler11,12,13. Nanging, kaya akeh conto ing literatur akademik lan ilmiah, ana watesan dhasar sing mengaruhi isolasi dupleks.
Impedansi antena radio ora tetep, nanging beda-beda gumantung karo frekuensi operasi (amarga resonansi antena) lan wektu (amarga interaksi karo lingkungan ganti). Iki tegese impedansi wawas kudu adaptasi kanggo owah-owahan impedansi trek, lan bandwidth decoupling diwatesi amarga owah-owahan ing domain frekuensi13 (ndeleng Figure 1).
Pakaryan kita ing Universitas Bristol fokus kanggo nyelidiki lan ngatasi watesan kinerja kasebut kanggo nduduhake yen isolasi lan throughput ngirim / nampa sing dibutuhake bisa digayuh ing kasus panggunaan nyata.
Kanggo ngatasi fluktuasi impedansi antena (sing nyebabake isolasi banget), algoritma adaptif kita nglacak impedansi antena ing wektu nyata, lan tes nuduhake manawa kinerja bisa dijaga ing macem-macem lingkungan dinamis, kalebu interaksi tangan pangguna lan dalan lan rel kanthi kacepetan dhuwur. lelungan.
Kajaba iku, kanggo ngatasi pencocokan antena winates ing domain frekuensi, kanthi mangkono nambah bandwidth lan isolasi sakabèhé, kita gabungke duplexer imbang listrik karo tambahan dipatèni SI aktif, nggunakake pemancar kapindho kanggo generate sinyal dipatèni kanggo luwih nyuda gangguan dhewe. (pirsani Gambar 2).
Asil saka testbed kita nyemangati: yen digabungake karo EBD, teknologi aktif bisa ningkatake transmisi lan nampa isolasi, kaya sing dituduhake ing Gambar 3.
Persiyapan laboratorium pungkasan kita nggunakake komponen piranti seluler sing murah (amplifier lan antena daya ponsel), dadi wakil saka implementasi ponsel. Kajaba iku, pangukuran kita nuduhake manawa penolakan gangguan diri rong tahap iki bisa nyedhiyakake isolasi dupleks sing dibutuhake ing pita frekuensi uplink lan downlink, sanajan nggunakake peralatan kelas komersial sing murah.
Kekuwatan sinyal sing ditampa piranti seluler ing kisaran maksimum kudu 12 urutan magnitudo luwih murah tinimbang kekuatan sinyal sing dikirim. Ing Time Division Duplex (TDD), sirkuit duplex mung saklar sing nyambungake antena menyang pemancar utawa panrima, supaya duplexer ing TDD minangka saklar prasaja. Ing FDD, pemancar lan panrima beroperasi bebarengan, lan duplexer nggunakake saringan kanggo ngisolasi panrima saka sinyal sing kuat pemancar.
Duplexer ing mburi ngarep FDD seluler nyedhiyakake >~50 dB isolasi ing uplink band kanggo nyegah overloading panrima karo sinyal Tx, lan >~50 dB isolasi ing downlink band kanggo nyegah out-of-band transmisi. Suda sensitivitas panrima. Ing band Rx, losses ing ngirim lan nampa path minimal.
Keperluan kurang-mundhut, dhuwur-isolasi iki, ing ngendi frekuensi dipisahake mung sawetara persen, mbutuhake panyaring Q dhuwur, sing nganti saiki mung bisa digayuh nggunakake piranti gelombang akustik permukaan (SAW) utawa gelombang akustik awak (BAW).
Nalika teknologi terus berkembang, karo kemajuan umumé amarga nomer akeh piranti dibutuhake, operasi multi-band tegese kapisah off-chip duplex Filter kanggo saben band, minangka ditampilake ing Figure A. Kabeh ngalih lan router uga nambah fungsi tambahan karo. penalti kinerja lan trade-off.
Telpon global sing terjangkau adhedhasar teknologi saiki angel banget digawe. Arsitèktur radio sing diasilake bakal gedhé banget, rugi lan larang. Produsen kudu nggawe macem-macem varian produk kanggo kombinasi band sing beda-beda sing dibutuhake ing macem-macem wilayah, nggawe roaming LTE global tanpa watesan angel. Skala ekonomi sing nyebabake dominasi GSM dadi saya angel digayuh.
Nambah panjaluk layanan seluler kanthi kecepatan data sing dhuwur nyebabake penyebaran jaringan seluler 4G ing 50 pita frekuensi, kanthi luwih akeh band sing bakal teka amarga 5G wis ditetepake kanthi lengkap lan disebarake sacara luas. Amarga kerumitan antarmuka RF, iku ora bisa kanggo nutupi kabeh iki ing piranti siji nggunakake teknologi basis Filter saiki, supaya sirkuit RF customizable lan reconfigurable dibutuhake.
Saenipun, pendekatan anyar kanggo ngrampungake masalah dupleks dibutuhake, bisa uga adhedhasar saringan sing bisa disetel utawa nyuda gangguan diri, utawa sawetara kombinasi saka loro-lorone.
Nalika kita durung duwe pendekatan siji sing nyukupi akeh panjaluk biaya, ukuran, kinerja lan efisiensi, bisa uga potongan teka-teki bakal teka lan bakal ana ing kanthong sampeyan sajrone sawetara taun.
Teknologi kayata EBD kanthi supresi SI bisa mbukak kemungkinan nggunakake frekuensi sing padha ing loro arah bebarengan, sing bisa ningkatake efisiensi spektral kanthi signifikan.
Wektu kirim: Sep-24-2024