Tsien jier lyn stipe smartphones typysk mar in pear noarmen dy't operearje yn 'e fjouwer GSM-frekwinsjebanden, en miskien in pear WCDMA- of CDMA2000-standerts. Mei sa'n pear frekwinsjebanden om út te kiezen, is in beskate graad fan globale uniformiteit berikt mei "quad-band" GSM-tillefoans, dy't de 850/900/1800/1900 MHz-banden brûke en oeral yn 'e wrâld kinne wurde brûkt (goed, aardich).
Dit is in enoarm foardiel foar reizgers en skept enoarme skaalfoardielen foar apparaatfabrikanten, dy't mar in pear modellen (of miskien mar ien) moatte frijlitte foar de heule wrâldmerk. Snel foarút oant hjoed, bliuwt GSM de ienige technology foar draadloze tagong dy't wrâldwide roaming leveret. Trouwens, as jo it net wisten, wurdt GSM stadichoan ôfskaft.
Elke smartphone dy't de namme wurdich is, moat 4G-, 3G- en 2G-tagong stypje mei wikseljende RF-ynterface-easken yn termen fan bânbreedte, ferstjoerkrêft, ûntfangergefoelichheid en in protte oare parameters.
Derneist, troch de fragmintele beskikberens fan wrâldwide spektrum, dekke 4G-standerts in grut oantal frekwinsjebanden, sadat operators se kinne brûke op alle frekwinsjes dy't beskikber binne yn elk opjûn gebiet - op it stuit yn totaal 50 bands, lykas it gefal is mei LTE1-standerts. In wiere "wrâldtillefoan" moat wurkje yn al dizze omjouwings.
It kaaiprobleem dat elke sellulêre radio moat oplosse is "duplekskommunikaasje". As wy prate, harkje wy tagelyk. Iere radiosystemen brûkten push-to-talk (guon dogge it noch), mar as wy oan 'e tillefoan prate, ferwachtsje wy dat de oare persoan ús sil ûnderbrekke. Earste generaasje (analoge) sellulêre apparaten brûkten "dupleksfilters" (as duplexers) om de downlink te ûntfangen sûnder "ferbjustere" te wurden troch de uplink op in oare frekwinsje te ferstjoeren.
Dizze filters lytser en goedkeaper meitsje wie in grutte útdaging foar iere tillefoanfabrikanten. Doe't GSM waard yntrodusearre, it protokol waard ûntwurpen sadat transceivers koenen operearje yn "heal duplex modus".
Dit wie in heul tûke manier om duplexers te eliminearjen, en wie in wichtige faktor yn it helpen fan GSM in goedkeape, mainstreamtechnology te wurden dy't de yndustry kin dominearje (en de manier wêrop minsken yn it proses kommunisearje).
De Essential telefoan fan Andy Rubin, de útfiner fan it Android bestjoeringssysteem, hat de lêste ferbining funksjes ynklusyf Bluetooth 5.0LE, ferskate GSM / LTE en in Wi-Fi antenne ferburgen yn in titanium frame.
Spitigernôch waarden de lessen leard fan it oplossen fan technyske problemen fluch fergetten yn 'e techno-politike oarloggen fan' e iere dagen fan 3G, en de op it stuit dominante foarm fan frekwinsjeferdieling duplexing (FDD) fereasket in duplexer foar elke FDD-band wêryn it wurket. D'r is gjin twifel dat de LTE-boom komt mei tanimmende kostenfaktoaren.
Wylst guon bands Time Division Duplex, of TDD kinne brûke (wêr't de radio fluch skeakelt tusken ferstjoeren en ûntfangen), besteane minder fan dizze bands. De measte operators (útsein benammen Aziatyske) leaver it FDD-berik, wêrfan d'r mear dan 30 binne.
De erfenis fan TDD- en FDD-spektrum, de muoite om wirklik wrâldwide bands frij te meitsjen, en de komst fan 5G mei mear bands meitsje it duplexprobleem noch komplekser. Belibjende metoaden dy't ûndersocht wurde omfetsje nije filter-basearre ûntwerpen en de mooglikheid om sels-ynterferinsje te eliminearjen.
Dat lêste bringt ek de wat kânsrike mooglikheid fan "fragmintleaze" duplex (of "in-band folsleine duplex") mei. Yn 'e takomst fan 5G mobile kommunikaasje moatte wy miskien net allinich FDD en TDD beskôgje, mar ek fleksibele duplex basearre op dizze nije technologyen.
Undersikers oan de Universiteit fan Aalborg yn Denemarken hawwe in "Smart Antenna Front End" (SAFE) 2-3-arsjitektuer ûntwikkele dy't (sjoch yllustraasje op side 18) aparte antennes brûkt foar oerdracht en ûntfangst en kombinearret dizze antennes mei (lege prestaasjes) yn kombinaasje mei oanpasbere filterjen om de winske oerdracht- en ûntfangstisolaasje te berikken.
Wylst de prestaasje yndrukwekkend is, is de needsaak foar twa antennes in grut nadeel. As tillefoans tinner en slanker wurde, wurdt de beskikbere romte foar antennes lytser en lytser.
Mobile apparaten fereaskje ek meardere antennes foar romtlike multiplexing (MIMO). Mobile tillefoans mei SAFE-arsjitektuer en 2 × 2 MIMO-stipe hawwe mar fjouwer antennes nedich. Derneist is it tuningberik fan dizze filters en antennes beheind.
Dat globale mobile tillefoans sille dizze ynterface-arsjitektuer ek moatte replikearje om alle LTE-frekwinsjebanden (450 MHz oant 3600 MHz) te dekken, wat mear antennes, mear antennetuners en mear filters fereaskje, wat ús werom bringt nei de faak stelde fragen oer fragen oer multi-band operaasje fanwege duplikaasje fan komponinten.
Hoewol't mear antennes kinne wurde ynstallearre yn in tablet of laptop, fierder foarútgong yn maatwurk en / of miniaturization binne nedich om dizze technology geskikt foar smartphones.
Elektrysk lykwichtige duplex is brûkt sûnt de iere dagen fan wireline telefony17. Yn in telefoansysteem moatte de mikrofoan en earpiece ferbûn wêze mei de telefoanline, mar isolearre fan elkoar, sadat de eigen stim fan de brûker it swakkere ynkommende audiosinjaal net dôveret. Dit waard berikt mei hybride transformators foar de komst fan elektroanyske tillefoans.
De duplex circuit werjûn yn de figuer hjirûnder brûkt in wjerstannen fan deselde wearde foar in oerienkomt mei de impedânsje fan de oerdracht line, sadat de hjoeddeiske út de mikrofoan splitst as it komt yn de transformator en streamt yn tsjinoerstelde rjochtingen troch de primêre coil. De magnetyske fluxen wurde effektyf annulearre en gjin stroom wurdt yn 'e sekundêre spoel feroarsake, sadat de sekundêre spoel is isolearre fan 'e mikrofoan.
It sinjaal fan 'e mikrofoan giet lykwols noch nei de telefoanline (hoewol mei wat ferlies), en it ynkommende sinjaal op' e telefoanline giet noch altyd nei de sprekker (ek mei wat ferlies), wêrtroch twa-wize kommunikaasje op deselde telefoanline mooglik is . . Metal tried.
In radio balansearre duplexer is gelyk oan in telefoan duplexer, mar ynstee fan in mikrofoan, handset, en telefoan tried, in stjoerder, ûntfanger, en antenne wurde brûkt, respektivelik, lykas werjûn yn figuer B.
In tredde manier om de stjoerder te isolearjen fan 'e ûntfanger is it eliminearjen fan sels-ynterferinsje (SI), wêrtroch it útstjoerde sinjaal fan it ûntfongen sinjaal subtrahearret. Jammingtechniken wurde al tsientallen jierren brûkt yn radar en útstjoering.
Bygelyks, yn 'e iere 1980's, ûntwikkele en ferkocht Plessy in SI-kompensaasje-basearre produkt neamd "Groundsat" om it berik fan heal-duplex analoge FM-militêre kommunikaasjenetwurken4-5 te wreidzjen.
It systeem fungearret as in full-duplex single-kanaal repeater, wreidet it effektive berik fan heal-duplex radios brûkt troch it hiele wurkgebiet.
D'r is resinte belangstelling foar ûnderdrukking fan sels-ynterferinsje, benammen troch de trend nei kommunikaasje mei koarte berik (sellulêr en Wi-Fi), dy't it probleem fan SI-ûnderdrukking makliker makket troch legere útstjoerkrêft en hegere krêftûntfangst foar konsumintegebrûk . Wireless tagong en backhaul applikaasjes 6-8.
Apple's iPhone (mei help fan Qualcomm) hat nei alle gedachten de bêste draadloze en LTE-mooglikheden fan 'e wrâld, en stipet 16 LTE-bands op ien chip. Dit betsjut dat mar twa SKU's moatte wurde produsearre om de GSM- en CDMA-merken te dekken.
Yn duplex applikaasjes sûnder ynterferinsje dielen, sels-ynterferinsje ûnderdrukking kin ferbetterje spektrum effisjinsje troch te tastean de uplink en downlink te dielen deselde spektrum boarnen9,10. Tekniken foar ûnderdrukking fan sels-ynterferinsje kinne ek brûkt wurde om oanpaste duplexers foar FDD te meitsjen.
De annulearring sels bestiet meastentiids út ferskate stadia. It rjochtingsnetwurk tusken de antenne en de transceiver leveret it earste nivo fan skieding tusken de útstjoerde en ûntfongen sinjalen. Twads wurdt ekstra analoge en digitale sinjaalferwurking brûkt om alle oerbleaune yntrinsike lûd yn it ûntfongen sinjaal te eliminearjen. De earste etappe kin brûke in aparte antenne (lykas yn SAFE), in hybride transformator (beskreaun hjirûnder);
It probleem fan frijsteande antennes is al beskreaun. Circulators binne typysk smelbân, om't se ferromagnetyske resonânsje brûke yn it kristal. Dizze hybride technology, of Electrically Balanced Isolation (EBI), is in kânsrike technology dy't breedbân kin wurde en mooglik yntegreare op in chip.
Lykas werjûn yn 'e ûndersteande figuer, brûkt it tûke antenne-ûntwerp foar front-end twa smelbân ynstelbere antennes, ien foar ferstjoeren en ien foar ûntfangen, en in pear dupleksfilters mei legere prestaasjes, mar ynstelbere. Yndividuele antennes jouwe net allinnich wat passive isolemint op kosten fan fuortplanting ferlies tusken harren, mar hawwe ek beheind (mar tunable) instantaneous bânbreedte.
De útstjoerantenne wurket allinich effektyf yn 'e útstjoerfrekwinsjeband, en de ûntfangende antenne wurket effektyf allinich yn 'e ûntfangstfrekwinsjeband. Yn dit gefal fungearret de antenne sels ek as in filter: Tx-útstjit bûten de band wurdt ferswakke troch de útstjoerantenne, en sels-ynterferinsje yn 'e Tx-band wurdt ferswakke troch de ûntfangende antenne.
Dêrom fereasket de arsjitektuer dat de antenne ôfstimd is, wat wurdt berikt troch it brûken fan in antenne-tuningnetwurk. D'r is wat ûnûntkomber ynfoegingsferlies yn in antenne-tuningnetwurk. Resinte foarútgong yn MEMS18-ynstelbere kondensatoren hawwe lykwols de kwaliteit fan dizze apparaten signifikant ferbettere, wêrtroch ferliezen ferminderje. It Rx-ynfoegjeferlies is sawat 3 dB, wat te fergelykjen is mei de totale ferliezen fan 'e SAW-duplexer en switch.
De antenne-basearre isolaasje wurdt dan komplementearre troch in ynstelbere filter, ek basearre op MEM3-ynstelbere kondensators, om 25 dB isolaasje fan 'e antenne en 25 dB isolaasje fan it filter te berikken. Prototypen hawwe oantoand dat dit kin wurde berikt.
Ferskate ûndersyksgroepen yn 'e akademyske en yndustry ferkenne it gebrûk fan hybriden foar duplex printsjen11–16. Dizze regelingen eliminearje SI passyf troch simultane oerdracht en ûntfangst fan ien antenne te tastean, mar de stjoerder en ûntfanger te isolearjen. Se binne breedbân fan aard en kinne wurde ymplementearre op-chip, wêrtroch't se in oantreklike opsje foar frekwinsje duplexing yn mobile apparaten.
Resinte foarútgongen hawwe oantoand dat FDD-transceivers dy't EBI brûke kinne wurde produsearre út CMOS (komplementêre metalen okside semiconductor) mei ynfoegingsferlies, lûdsfiguer, ûntfangerlineariteit, en blokkearjende ûnderdrukkingseigenskippen geskikt foar sellulêre applikaasjes11,12,13. Lykas lykwols in protte foarbylden yn 'e akademyske en wittenskiplike literatuer oantoand, is d'r in fûnemintele beheining dy't duplex-isolaasje beynfloedet.
De impedânsje fan in radioantenne is net fêst, mar fariearret mei bestjoeringsfrekwinsje (fanwege antenneresonânsje) en tiid (fanwege ynteraksje mei in feroarjende omjouwing). Dit betsjut dat de balancing impedance moat oanpasse oan track impedance feroarings, en de decoupling bânbreedte wurdt beheind troch feroarings yn de frekwinsje domain13 (sjoch figuer 1).
Us wurk oan 'e Universiteit fan Bristol is rjochte op it ûndersiikjen en oanpakken fan dizze prestaasjesbeheiningen om te demonstrearjen dat de fereaske isolaasje en trochfier fan ferstjoeren / ûntfangen kinne wurde berikt yn gefallen fan gebrûk yn echte wrâld.
Om fluktuaasjes fan 'e antenne-impedânsje te oerwinnen (dy't serieus ynfloed hawwe op isolaasje), folget ús adaptive algoritme antenne-impedânsje yn echte tiid, en testen hawwe oantoand dat prestaasjes kinne wurde behâlden yn in ferskaat oan dynamyske omjouwings, ynklusyf ynteraksje mei brûker en hege snelheid dyk en spoar reizgje.
Derneist, om de beheinde antenne-oerienkomst yn it frekwinsjedomein te oerwinnen, en dêrmei bânbreedte en algemiene isolaasje te ferheegjen, kombinearje wy in elektrysk lykwichtige duplexer mei ekstra aktive SI-ûnderdrukking, mei in twadde stjoerder om in ûnderdrukkingsinjaal te generearjen om sels-ynterferinsje fierder te ûnderdrukke. (sjoch figuer 2).
De resultaten fan ús testbêd binne bemoedigend: as kombinearre mei EBD, aktive technology kin it ferstjoeren en ûntfangen isolemint signifikant ferbetterje, lykas werjûn yn figuer 3.
Us lêste laboratoariumopstelling brûkt goedkeape komponinten fan mobile apparaten (fersterkers foar mobyltsjes en antennes), wêrtroch it represintatyf is foar ymplemintaasje fan mobile tillefoans. Boppedat litte ús mjittingen sjen dat dit soarte fan ôfwizing fan sels-ynterferinsje yn twa etappe de fereaske dupleksisolaasje kin leverje yn 'e uplink- en downlinkfrekwinsjebanden, sels by it brûken fan lege kosten, kommersjele kwaliteit apparatuer.
De sinjaalsterkte dy't in sellulêr apparaat ûntfangt op syn maksimale berik moat 12 oarders fan grutte leger wêze dan de sinjaalsterkte dy't it útstjoert. Yn Time Division Duplex (TDD) is it duplex circuit gewoan in switch dy't de antenne ferbynt mei de stjoerder of ûntfanger, sadat de duplexer yn TDD in ienfâldige switch is. Yn FDD wurkje de stjoerder en ûntfanger tagelyk, en de duplexer brûkt filters om de ûntfanger te isolearjen fan it sterke sinjaal fan 'e stjoerder.
De duplexer yn 'e sellulêre FDD-frontend leveret> ~ 50 dB-isolaasje yn' e uplink-bân om foar te kommen dat de ûntfanger oerladen wurdt mei Tx-sinjalen, en> ~ 50 dB isolaasje yn 'e downlink-bân om oerdracht bûten de band te foarkommen. Reduzearre ûntfanger gefoelichheid. Yn 'e Rx-band binne ferliezen yn' e ferstjoer- en ûntfangpaden minimaal.
Dizze easken mei lege ferlies, hege isolaasje, wêrby't frekwinsjes wurde skieden troch mar in pear prosint, fereaskje hege Q-filtering, dy't oant no ta allinich kin wurde berikt mei Surface Acoustic Wave (SAW) of Body Acoustic Wave (BAW) apparaten.
Wylst de technology bliuwt te ûntwikkeljen, mei foarútgong foar in grut part fanwege it grutte oantal apparaten nedich, multi-band operaasje betsjut in apart off-chip duplex filter foar eltse band, lykas werjûn yn figuer A. Alle switches en routers ek tafoegje ekstra funksjonaliteit mei prestaasje boetes en trade-offs.
Betelbere wrâldwide tillefoans basearre op hjoeddeistige technology binne te lestich om te produsearjen. De resultearjende radio-arsjitektuer sil heul grut, ferlies en djoer wêze. Fabrikanten moatte meardere produktfarianten oanmeitsje foar ferskate kombinaasjes fan bands dy't nedich binne yn ferskate regio's, wêrtroch ûnbeheinde globale LTE-roaming lestich is. De skaalfoardielen dy't liede ta de dominânsje fan GSM wurde hieltyd dreger te berikken.
Tanimmende fraach nei mobile tsjinsten mei hege gegevenssnelheid hat laat ta de ynset fan 4G mobile netwurken oer 50 frekwinsje bands, mei noch mear bands te kommen as 5G is folslein definiearre en breed ynset. Fanwegen de kompleksiteit fan 'e RF-ynterface is it net mooglik om dit alles yn ien apparaat te dekken mei aktuele filter-basearre technologyen, sadat oanpasbere en rekonfigureare RF-sirkels binne fereaske.
Ideal is in nije oanpak foar it oplossen fan it dupleksprobleem nedich, miskien basearre op ynstelbere filters of ûnderdrukking fan sels-ynterferinsje, of in kombinaasje fan beide.
Wylst wy noch gjin inkele oanpak hawwe dy't foldocht oan de protte easken fan kosten, grutte, prestaasjes en effisjinsje, miskien sille de puzelstikken byinoar komme en oer in pear jier yn jo bûse wêze.
Technologien lykas EBD mei SI-ûnderdrukking kinne de mooglikheid iepenje om deselde frekwinsje yn beide rjochtingen tagelyk te brûken, wat de spektrale effisjinsje signifikant kin ferbetterje.
Post tiid: Sep-24-2024