För tio år sedan stödde smartphones vanligtvis bara ett fåtal standarder som fungerade i de fyra GSM-frekvensbanden, och kanske några WCDMA- eller CDMA2000-standarder. Med så få frekvensband att välja mellan har en viss grad av global enhetlighet uppnåtts med "quad-band" GSM-telefoner, som använder 850/900/1800/1900 MHz-banden och kan användas var som helst i världen (ja, ganska mycket).
Detta är en enorm fördel för resenärerna och skapar enorma skalfördelar för enhetstillverkare, som bara behöver släppa ett fåtal modeller (eller kanske bara en) för hela den globala marknaden. Snabbspolning fram till idag är GSM fortfarande den enda trådlösa åtkomsttekniken som tillhandahåller global roaming. Förresten, om du inte visste det så fasas GSM gradvis ut.
Alla smartphones som är värda namnet måste stödja 4G, 3G och 2G access med varierande RF-gränssnittskrav vad gäller bandbredd, sändningseffekt, mottagarkänslighet och många andra parametrar.
Dessutom, på grund av den fragmenterade tillgängligheten av globalt spektrum, täcker 4G-standarder ett stort antal frekvensband, så att operatörer kan använda dem på alla tillgängliga frekvenser i ett givet område – för närvarande totalt 50 band, vilket är fallet med LTE1-standarder. En riktig "världstelefon" måste fungera i alla dessa miljöer.
Det viktigaste problemet som alla mobilradio måste lösa är "duplexkommunikation". När vi pratar lyssnar vi samtidigt. Tidiga radiosystem använde push-to-talk (en del gör det fortfarande), men när vi pratar i telefon förväntar vi oss att den andra personen ska avbryta oss. Första generationens (analoga) cellulära enheter använde "duplexfilter" (eller duplexer) för att ta emot nedlänken utan att "bedövas" genom att sända upplänken på en annan frekvens.
Att göra dessa filter mindre och billigare var en stor utmaning för tidiga telefontillverkare. När GSM introducerades utformades protokollet så att transceivrar kunde fungera i "halvduplexläge".
Detta var ett mycket smart sätt att eliminera dubbelsidiga enheter och var en viktig faktor för att hjälpa GSM att bli en lågkostnadsteknik som kan dominera branschen (och förändra hur människor kommunicerade i processen).
The Essential-telefonen från Andy Rubin, uppfinnaren av Android-operativsystemet, har de senaste anslutningsfunktionerna inklusive Bluetooth 5.0LE, olika GSM/LTE och en Wi-Fi-antenn gömd i en titanram.
Tyvärr glömdes lärdomarna från att lösa tekniska problem snabbt i de teknopolitiska krigen under 3Gs tidiga dagar, och den för närvarande dominerande formen av frekvensdelningsduplexing (FDD) kräver en duplexer för varje FDD-band där den är verksam. Det råder ingen tvekan om att LTE-boomen kommer med stigande kostnadsfaktorer.
Medan vissa band kan använda Time Division Duplex, eller TDD (där radion snabbt växlar mellan att sända och ta emot), finns det färre av dessa band. De flesta operatörer (förutom främst asiatiska) föredrar FDD-sortimentet, som det finns mer än 30 av.
Arvet från TDD- och FDD-spektrum, svårigheten att frigöra verkligt globala band och tillkomsten av 5G med fler band gör duplexproblemet ännu mer komplext. Lovande metoder som undersöks inkluderar nya filterbaserade konstruktioner och möjligheten att eliminera självinterferens.
Det senare för också med sig den något lovande möjligheten till "fragmentlös" duplex (eller "in-band full duplex"). I framtiden för 5G-mobilkommunikation kan vi behöva överväga inte bara FDD och TDD, utan även flexibel duplex baserad på dessa nya teknologier.
Forskare vid Aalborg Universitet i Danmark har utvecklat en "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3-arkitektur som använder (se illustration på sidan 18) separata antenner för sändning och mottagning och kombinerar dessa antenner med (låg prestanda) i kombination med anpassningsbara filtrering för att uppnå önskad sändnings- och mottagningsisolering.
Även om prestandan är imponerande, är behovet av två antenner en stor nackdel. I takt med att telefoner blir tunnare och snyggare blir det tillgängliga utrymmet för antenner mindre och mindre.
Mobila enheter kräver också flera antenner för spatial multiplexing (MIMO). Mobiltelefoner med SAFE-arkitektur och 2×2 MIMO-stöd kräver endast fyra antenner. Dessutom är inställningsområdet för dessa filter och antenner begränsat.
Så globala mobiltelefoner kommer också att behöva replikera denna gränssnittsarkitektur för att täcka alla LTE-frekvensband (450 MHz till 3600 MHz), vilket kommer att kräva fler antenner, fler antenntuners och fler filter, vilket för oss tillbaka till de vanligaste frågorna om flerbandsdrift på grund av duplicering av komponenter.
Även om fler antenner kan installeras i en surfplatta eller bärbar dator, krävs ytterligare framsteg inom anpassning och/eller miniatyrisering för att göra denna teknik lämplig för smartphones.
Elektriskt balanserad duplex har använts sedan trådtelefonins tidiga dagar17. I ett telefonsystem måste mikrofonen och hörluren vara anslutna till telefonlinjen, men isolerade från varandra så att användarens egen röst inte dövar den svagare inkommande ljudsignalen. Detta uppnåddes med hybridtransformatorer innan elektroniska telefoner kom.
Duplexkretsen som visas i figuren nedan använder ett motstånd med samma värde för att matcha överföringsledningens impedans så att strömmen från mikrofonen delas när den kommer in i transformatorn och flyter i motsatta riktningar genom primärspolen. De magnetiska flödena elimineras effektivt och ingen ström induceras i sekundärspolen, så sekundärspolen är isolerad från mikrofonen.
Signalen från mikrofonen går dock fortfarande till telefonlinjen (om än med viss förlust), och den inkommande signalen på telefonlinjen går fortfarande till högtalaren (också med viss förlust), vilket möjliggör tvåvägskommunikation på samma telefonlinje . . Metalltråd.
En radiobalanserad duplexenhet liknar en telefonduplexenhet, men istället för en mikrofon, lur och telefonledning används en sändare, mottagare respektive antenn, som visas i figur B.
Ett tredje sätt att isolera sändaren från mottagaren är att eliminera självstörning (SI), och därigenom subtrahera den sända signalen från den mottagna signalen. Jamming-tekniker har använts i radar och sändningar i decennier.
Till exempel, i början av 1980-talet utvecklade och marknadsförde Plessy en SI-kompensationsbaserad produkt som heter "Groundsat" för att utöka utbudet av halvduplex analoga FM militära kommunikationsnätverk4-5.
Systemet fungerar som en full-duplex enkanals repeater, vilket utökar det effektiva utbudet av halv-duplex radioapparater som används i hela arbetsområdet.
Det har nyligen funnits ett intresse för självstörningsundertryckning, främst på grund av trenden mot kortdistanskommunikation (cellulär och Wi-Fi), vilket gör problemet med SI-undertryckning mer hanterbart på grund av lägre sändningseffekt och högre effektmottagning för konsumentanvändning . Tillämpningar för trådlös åtkomst och backhaul 6-8.
Apples iPhone (med hjälp av Qualcomm) har utan tvekan världens bästa trådlösa och LTE-möjligheter, och stöder 16 LTE-band på ett enda chip. Detta innebär att endast två SKU:er behöver produceras för att täcka GSM- och CDMA-marknaderna.
I duplexapplikationer utan störningsdelning kan självstörningsundertryckning förbättra spektrumeffektiviteten genom att tillåta upplänken och nedlänken att dela samma spektrumresurser9,10. Självstörningsundertryckningstekniker kan också användas för att skapa anpassade duplexer för FDD.
Själva avbokningen består vanligtvis av flera steg. Riktningsnätverket mellan antennen och transceivern tillhandahåller den första nivån av separation mellan de sända och mottagna signalerna. För det andra används ytterligare analog och digital signalbehandling för att eliminera eventuellt kvarvarande inre brus i den mottagna signalen. Det första steget kan använda en separat antenn (som i SAFE), en hybridtransformator (beskrivs nedan);
Problemet med fristående antenner har redan beskrivits. Cirkulatorer är vanligtvis smalbandiga eftersom de använder ferromagnetisk resonans i kristallen. Denna hybridteknologi, eller Electrically Balanced Isolation (EBI), är en lovande teknik som kan vara bredbandsmässigt och potentiellt integrerad på ett chip.
Som visas i figuren nedan använder den smarta antennens frontänddesign två smalbandsavstämbara antenner, en för sändning och en för mottagning, och ett par duplexfilter med lägre prestanda men avstämbara. Enskilda antenner ger inte bara en viss passiv isolering till priset av spridningsförlust mellan dem, utan har också begränsad (men avstämbar) momentan bandbredd.
Den sändande antennen arbetar effektivt endast i sändningsfrekvensbandet, och den mottagande antennen arbetar effektivt endast i mottagningsfrekvensbandet. I det här fallet fungerar antennen själv som ett filter: Tx-emissioner utanför bandet dämpas av den sändande antennen, och självstörningen i Tx-bandet dämpas av den mottagande antennen.
Därför kräver arkitekturen att antennen är avstämbar, vilket uppnås genom att använda ett antennavstämningsnätverk. Det finns en oundviklig insättningsförlust i ett antenninställningsnätverk. De senaste framstegen inom MEMS18 avstämbara kondensatorer har dock avsevärt förbättrat kvaliteten på dessa enheter och därigenom minskat förlusterna. Rx-insättningsförlusten är cirka 3 dB, vilket är jämförbart med de totala förlusterna för SAW-duplexenheten och switchen.
Den antennbaserade isoleringen kompletteras sedan med ett avstämbart filter, även det baserat på MEM3 avstämbara kondensatorer, för att uppnå 25 dB isolering från antennen och 25 dB isolering från filtret. Prototyper har visat att detta kan uppnås.
Flera forskargrupper inom akademi och industri undersöker användningen av hybrider för dubbelsidig utskrift11–16. Dessa scheman eliminerar passivt SI genom att tillåta samtidig sändning och mottagning från en enda antenn, men isolera sändaren och mottagaren. De är av bredbandstyp och kan implementeras på chip, vilket gör dem till ett attraktivt alternativ för frekvensduplex i mobila enheter.
Nya framsteg har visat att FDD-transceivrar som använder EBI kan tillverkas av CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) med insättningsförlust, brustal, mottagarlinjäritet och blockerande undertryckningsegenskaper lämpliga för cellulära applikationer11,12,13. Men som många exempel i den akademiska och vetenskapliga litteraturen visar, finns det en grundläggande begränsning som påverkar duplexisolering.
Impedansen för en radioantenn är inte fast, utan varierar med arbetsfrekvens (på grund av antennresonans) och tid (på grund av interaktion med en föränderlig miljö). Detta innebär att balanseringsimpedansen måste anpassas till att spåra impedansförändringar, och avkopplingsbandbredden är begränsad på grund av förändringar i frekvensdomänen13 (se figur 1).
Vårt arbete vid University of Bristol är fokuserat på att undersöka och ta itu med dessa prestandabegränsningar för att visa att den nödvändiga sändnings-/mottagningsisoleringen och genomströmningen kan uppnås i verkliga användningsfall.
För att övervinna antennimpedansfluktuationer (som allvarligt påverkar isoleringen), spårar vår adaptiva algoritm antennimpedans i realtid, och tester har visat att prestanda kan bibehållas i en mängd olika dynamiska miljöer, inklusive interaktion med användaren och höghastighetsvägar och järnvägar resa.
Dessutom, för att övervinna den begränsade antennmatchningen i frekvensdomänen, och därigenom öka bandbredden och den totala isoleringen, kombinerar vi en elektriskt balanserad duplexer med ytterligare aktiv SI-undertryckning, med hjälp av en andra sändare för att generera en undertryckningssignal för att ytterligare undertrycka självstörning. (se figur 2).
Resultaten från vår testbädd är uppmuntrande: i kombination med EBD kan aktiv teknik avsevärt förbättra sändnings- och mottagningsisoleringen, som visas i figur 3.
Vår slutliga laboratorieinstallation använder billiga mobila enhetskomponenter (mobiltelefoneffektförstärkare och antenner), vilket gör den representativ för mobiltelefonimplementeringar. Dessutom visar våra mätningar att denna typ av tvåstegs självinterferensavvisning kan ge den erforderliga duplexisoleringen i upplänks- och nedlänksfrekvensbanden, även när du använder lågkostnadsutrustning av kommersiell kvalitet.
Signalstyrkan som en cellulär enhet tar emot vid sitt maximala intervall måste vara 12 storleksordningar lägre än signalstyrkan den sänder. I Time Division Duplex (TDD) är duplexkretsen helt enkelt en switch som ansluter antennen till sändaren eller mottagaren, så duplexern i TDD är en enkel switch. I FDD fungerar sändaren och mottagaren samtidigt, och duplexenheten använder filter för att isolera mottagaren från sändarens starka signal.
Duplexern i den cellulära FDD-fronten ger >~50 dB isolering i upplänksbandet för att förhindra överbelastning av mottagaren med Tx-signaler, och >~50 dB isolering i nedlänksbandet för att förhindra överföring utanför bandet. Minskad mottagarens känslighet. I Rx-bandet är förlusterna i sändnings- och mottagningsvägarna minimala.
Dessa krav på låg förlust och hög isolering, där frekvenser separeras med bara några få procent, kräver hög-Q-filtrering, vilket hittills endast kan uppnås med ytakustiska vågor (SAW) eller kropps akustiska vågor (BAW).
Medan tekniken fortsätter att utvecklas, med framsteg som till stor del beror på det stora antalet enheter som krävs, innebär flerbandsdrift ett separat off-chip duplexfilter för varje band, som visas i figur A. Alla switchar och routrar lägger också till ytterligare funktionalitet med prestationsstraff och avvägningar.
Prisvärda globala telefoner baserade på nuvarande teknik är för svåra att tillverka. Den resulterande radioarkitekturen kommer att bli mycket stor, förlustbringande och dyr. Tillverkare måste skapa flera produktvarianter för olika kombinationer av band som behövs i olika regioner, vilket gör obegränsad global LTE-roaming svår. De stordriftsfördelar som ledde till GSM:s dominans blir allt svårare att uppnå.
Ökande efterfrågan på mobila tjänster med hög datahastighet har lett till utbyggnaden av 4G-mobilnätverk över 50 frekvensband, med ännu fler band att komma eftersom 5G är helt definierat och brett distribuerat. På grund av komplexiteten hos RF-gränssnittet är det inte möjligt att täcka allt detta i en enda enhet med hjälp av aktuell filterbaserad teknologi, så anpassningsbara och omkonfigurerbara RF-kretsar krävs.
Helst behövs ett nytt tillvägagångssätt för att lösa duplexproblemet, kanske baserat på inställbara filter eller undertryckande av självinterferens, eller någon kombination av båda.
Även om vi ännu inte har ett enda tillvägagångssätt som uppfyller de många kraven på kostnad, storlek, prestanda och effektivitet, kanske pusselbitarna kommer att samlas och finnas i din ficka om några år.
Tekniker som EBD med SI-undertryckning kan öppna upp möjligheten att använda samma frekvens i båda riktningarna samtidigt, vilket avsevärt kan förbättra spektral effektivitet.
Posttid: 2024-09-24