Dieci anni fà, i telefoni smartphones sò generalmente supportati solu uni pochi standard chì operanu in e quattru bande di freccia GSM, è forsi uni pochi standard WCDMA o CDMA2000. Cù pochi bande di freccia da sceglie, un certu gradu di uniformità glubale hè stata ottenuta cù i telefoni GSM "quad-band", chì utilizanu e bande 850/900/1800/1900 MHz è ponu esse usatu in ogni locu in u mondu (bene, abbastanza).
Questu hè un benefiziu enormu per i viaghjatori è crea enormi economie di scala per i fabricatori di dispositivi, chì solu bisognu di liberà uni pochi di mudelli (o forse solu unu) per tuttu u mercatu globale. Avanzate finu à oghje, GSM resta l'unica tecnulugia d'accessu wireless chì furnisce roaming globale. Per via, se ùn sapete micca, GSM hè gradualmente eliminatu.
Ogni smartphone degnu di u nome deve sustene l'accessu 4G, 3G è 2G cù diverse esigenze di l'interfaccia RF in termini di larghezza di banda, putenza di trasmissione, sensibilità di u receptore è parechji altri parametri.
Inoltre, per via di a dispunibilità frammentata di u spettru glubale, i standard 4G coprenu un gran numaru di bande di freccia, cusì l'operatori ponu aduprà nantu à qualsiasi frequenze dispunibili in ogni zona - attualmente 50 bande in totale, cum'è u casu cù i standard LTE1. Un veru "telefonu mundiale" deve travaglià in tutti questi ambienti.
U prublema chjave chì ogni radiu cellulare deve risolve hè a "comunicazione duplex". Quandu parlemu, ascoltemu à u stessu tempu. I primi sistemi di radiu usavanu push-to-talk (alcuni anu sempre), ma quandu parlemu per u telefunu, aspittemu chì l'altra persona ci interrompe. I dispositi cellulari di prima generazione (analogici) anu utilizatu "filtri duplex" (o duplexers) per riceve u downlink senza esse "stornitu" trasmettendu u uplink in una freccia diversa.
Fà questi filtri più chjucu è più prezzu era una sfida maiò per i primi pruduttori di telefoni. Quandu u GSM hè statu introduttu, u protocolu hè statu cuncepitu in modu chì i transceivers puderanu operà in "modu half duplex".
Questu era un modu assai intelligente per eliminà i duplexers, è era un fattore maiò per aiutà à GSM à diventà una tecnulugia mainstream low-cost, capace di duminà l'industria (è cambià a manera di cumunicà in u prucessu).
U telefunu Essential da Andy Rubin, l'inventore di u sistema operatore Android, presenta l'ultime funzioni di cunnessione cumpresi Bluetooth 5.0LE, diversi GSM/LTE è una antenna Wi-Fi oculta in un quadru di titaniu.
Sfortunatamente, e lezioni amparate da risolve i prublemi tecnichi sò stati rapidamente scurdati in e guerre tecno-pulitiche di i primi tempi di 3G, è a forma attualmente dominante di duplexing di divisione di frequenza (FDD) richiede un duplexer per ogni banda FDD in quale opera. Ùn ci hè dubbitu chì u boom LTE vene cun fattori di costu crescente.
Mentre chì certi bandi ponu utilizà Time Division Duplex, o TDD (induve a radiu cambia rapidamente trà a trasmissione è a ricezione), menu di sti bandi esistenu. A maiò parte di l'operatori (eccettu principarmenti asiatichi) preferiscenu a gamma FDD, di quale ci sò più di 30.
L'eredità di u spettru TDD è FDD, a difficultà di liberà bande veramente globale, è l'avventu di 5G cù più bande facenu u prublema duplex ancu più cumplessu. I metudi promettenti sottu investigazione includenu novi disinni basati in filtri è a capacità di eliminà l'autointerferenza.
L'ultime porta ancu cun ella a pussibilità un pocu promettente di duplex "senza frammentu" (o "duplex full in-band"). In u futuru di e cumunicazioni mobili 5G, pudemu avè da cunsiderà micca solu FDD è TDD, ma ancu duplex flexible basatu annantu à sti novi tecnulugia.
I ricercatori di l'Università di Aalborg in Danimarca anu sviluppatu un'architettura "Smart Antenna Front End" (SAFE) 2-3 chì usa (vede l'illustrazione à a pagina 18) antenne separate per a trasmissione è a ricezione è combina queste antenne cù (bassu rendiment) in cumminazione cù customizable. filtrazione per ottene l'isulazione di trasmissione è ricezione desiderata.
Mentre u rendiment hè impressiunanti, a necessità di duie antenne hè un grande svantaghju. Quandu i telefoni diventanu più sottili è più eleganti, u spaziu dispunibule per l'antenne hè sempre più chjucu.
I dispositi mobili necessitanu ancu parechje antenne per multiplexing spaziale (MIMO). I telefoni cellulari cù architettura SAFE è supportu 2 × 2 MIMO necessitanu solu quattru antenne. Inoltre, a gamma di tuning di questi filtri è antenne hè limitata.
Allora i telefoni cellulari glubali anu ancu bisognu di riplicà sta architettura di l'interfaccia per copre tutte e bande di frequenza LTE (da 450 MHz à 3600 MHz), chì necessitanu più antenne, più sintonizzatori d'antenna è più filtri, chì ci riporta à e dumande frequenti nantu à e dumande. operazione multibanda per via di duplicazione di cumpunenti.
Ancu se più antenne ponu esse installate in una tableta o un laptop, più avanzati in a persunalizazione è / o miniaturizazione sò necessarii per fà sta tecnulugia adattata per i smartphones.
Duplex equilibratu elettricamente hè stata utilizata da i primi tempi di a telefonia filaria17. In un sistema telefuninu, u microfonu è l'auriculare deve esse cunnessi à a linea telefonica, ma isolati l'una di l'altru in modu chì a voce propria di l'utilizatore ùn sorda micca u signale audio entrante più debule. Questu hè stata ottenuta utilizendu transformatori hibridi prima di l'avventu di i telefoni elettroni.
U circuitu duplex mostratu in a figura sottu usa un resistore di u stessu valore per currisponde à l'impedenza di a linea di trasmissione in modu chì u currente da u micrufonu si sparghje quandu entra in u transformatore è scorri in direzzione opposta attraversu a bobina primaria. I flussi magnetichi sò effettivamente annullati è nisuna corrente hè indutta in a bobina secundaria, cusì a bobina secundaria hè isolata da u micrufonu.
In ogni casu, u signale da u microfonu và sempre à a linea telefonica (ancu cù una certa perdita), è u signale entrante nantu à a linea telefonica va sempre à u parlante (ancu cù una certa perdita), chì permette una cumunicazione bidirezionale nantu à a stessa linea telefonica. . . Filu di metallu.
Un duplexer equilibratu radiu hè simile à un duplexer telefuninu, ma invece di un microfonu, un telefuninu è un filu di telefunu, un trasmettitore, un ricevitore è una antenna sò utilizati, rispettivamente, cum'è mostra in Figura B.
Un terzu modu per isolà u trasmettitore da u receptore hè di eliminà l'auto-interferenza (SI), sottraendu cusì u signale trasmessu da u signale ricevutu. Tecniche di Jamming sò state aduprate in radar è broadcasting per decennii.
Per esempiu, à l'iniziu di l'anni 1980, Plessy hà sviluppatu è cummercializatu un pruduttu basatu in compensazione SI chjamatu "Groundsat" per allargà a gamma di rete di cumunicazione militare analogica FM half-duplex4-5.
U sistema agisce cum'è un ripetitore full-duplex monocanale, allargendu a gamma effettiva di radiu half-duplex utilizati in tutta l'area di travagliu.
Ci hè statu un interessu recente in a suppressione di l'auto-interferenza, principalmente per a tendenza à e cumunicazioni à corta distanza (cellulare è Wi-Fi), chì rende u prublema di suppressione SI più gestibile per via di una putenza di trasmissione più bassa è di una ricezione di putenza più alta per l'usu di i cunsumatori. . Accessu Wireless è Applicazioni Backhaul 6-8.
L'iPhone d'Apple (cù l'aiutu di Qualcomm) hà senza dubbitu e migliori capacità wireless è LTE di u mondu, supportendu 16 bande LTE in un solu chip. Questu significa chì solu dui SKU deve esse pruduciutu per copre i mercati GSM è CDMA.
In l'applicazioni duplex senza spartera d'interferenza, a soppressione di l'auto-interferenza pò migliurà l'efficienza di u spettru permettendu à u uplink è downlink di sparte e stesse risorse di spettru9,10. Tecniche di suppressione d'auto-interferenza ponu ancu esse aduprate per creà duplexers persunalizati per FDD.
L'annullamentu stessu hè generalmente custituitu da parechje tappe. A reta di direzzione trà l'antenna è u transceiver furnisce u primu livellu di separazione trà i signali trasmessi è ricevuti. In siconda, u processu di signale analogicu è digitale supplementu hè utilizatu per eliminà qualsiasi rumore intrinsicu rimanente in u signale ricevutu. U primu stadiu pò utilizà una antenna separata (cum'è in SAFE), un transformatore hibridu (discrittu quì sottu);
U prublema di l'antenne staccate hè digià statu descrittu. I circulatori sò tipicamente di banda stretta perchè usanu risonanza ferromagnetica in u cristallu. Sta tecnulugia ibrida, o Isolazione Elettricamente Balanced (EBI), hè una tecnulugia promettente chì pò esse a banda larga è potenzalmentu integrata in un chip.
Cum'è mostra in a figura sottu, u disignu di u front-end di l'antenna intelligente usa duie antenne sintonizzabili in banda stretta, una per a trasmissione è una per a ricezione, è un paru di filtri duplex à prestazione più bassa ma sintonizzabili. L'antenni individuali ùn sò micca solu furnisce un isolamentu passiu à u costu di a perdita di propagazione trà elli, ma anu ancu una larghezza di banda istantanea limitata (ma sintonizzabile).
L'antenna di trasmissione opera in modu efficace solu in a banda di frequenza di trasmissione, è l'antenna di ricezione opera in modu efficace solu in a banda di frequenza di ricezione. In questu casu, l'antenna stessu agisce ancu com'è un filtru: l'emissioni di Tx fora di banda sò attenuate da l'antenna di trasmissione, è l'auto-interferenza in a banda Tx hè attenuata da l'antenna di ricezione.
Per quessa, l'architettura richiede chì l'antenna sia sintonizzabile, chì hè ottenuta utilizendu una rete di sintonizazione di l'antenna. Ci hè una perdita d'inserzione inevitabbile in una reta di sintonizazione di l'antenna. Tuttavia, i recenti avanzati in i condensatori sintonizzabili MEMS18 anu migliuratu significativamente a qualità di sti dispositi, riducendu cusì e perdite. A perdita di inserzione Rx hè di circa 3 dB, chì hè paragunabili à e pèrdite totali di u duplexer SAW è u switch.
L'isolamentu basatu in antenna hè allora cumplementatu da un filtru sintonizzabile, ancu basatu nantu à i condensatori sintonizzabili MEM3, per ottene un isolamentu di 25 dB da l'antenna è un isolamentu di 25 dB da u filtru. I prototipi anu dimustratu chì questu pò esse rializatu.
Diversi gruppi di ricerca in l'accademia è l'industria esploranu l'usu di ibridi per a stampa duplex11-16. Questi schemi eliminanu passivamente SI permettendu a trasmissione è a ricezione simultanea da una sola antenna, ma isolandu u trasmettitore è u receptore. Sò a banda larga in natura è ponu esse implementati nantu à u chip, facendu una opzione attraente per u duplexing di frequenza in i dispositi mobili.
Avanzamenti recenti anu dimustratu chì i transceivers FDD chì utilizanu EBI ponu esse fabbricati da CMOS (Semiconductor di Ossidu di Metallu Complementari) cù perdita di inserzione, figura di rumore, linearità di u ricevitore è caratteristiche di suppressione di bloccu adattate per l'applicazioni cellulari11,12,13. Tuttavia, cum'è numerosi esempi in a literatura accademica è scientifica dimustranu, ci hè una limitazione fundamentale chì afecta l'isolamentu duplex.
L'impedenza di una antenna radio ùn hè micca fissa, ma varieghja cù a freccia operativa (per via di a risonanza di l'antenna) è u tempu (per via di l'interazzione cù un ambiente cambiante). Questu significa chì l'impedenza di equilibriu deve adattà à i cambiamenti di l'impedenza di traccia, è a larghezza di banda di decoupling hè limitata per i cambiamenti in u duminiu di freccia13 (vede a Figura 1).
U nostru travagliu à l'Università di Bristol hè focu annantu à l'investigazione è l'indirizzu di queste limitazioni di prestazione per dimustrà chì l'isolamentu è u throughput necessariu di mandà / ricevenu ponu esse ottenuti in casi d'usu reale.
Per superà i fluttuazioni di l'impedenza di l'antenna (chì affettanu severamente l'isolamentu), u nostru algoritmu adattativu traccia l'impedenza di l'antenna in tempu reale, è a prova hà dimustratu chì u rendiment pò esse mantinutu in una varietà di ambienti dinamichi, cumprese l'interazzione cù l'utilizatori è a strada è a ferrovia à alta velocità. viaghjà.
Inoltre, per superà l'antenna limitata in u duminiu di frequenza, aumentendu cusì a larghezza di banda è l'isolamentu generale, combinemu un duplexer elettricamente equilibratu cù una soppressione SI attiva addiziale, utilizendu un secondu trasmettitore per generà un signalu di soppressione per suppressione ulteriormente l'auto-interferenza. (vede a figura 2).
I risultati di u nostru bancu di teste sò incoraggianti: quandu cumminatu cù EBD, a tecnulugia attiva pò migliurà significativamente l'isolamentu di trasmissione è riceve, cum'è mostra in Figura 3.
A nostra cunfigurazione finale di u laboratoriu usa cumpunenti di u dispositivu mobile à pocu costu (amplificatori di putenza di telefuninu è antenne), facendu rapprisentanu l'implementazioni di u telefuninu. Inoltre, e nostre misurazioni mostranu chì stu tipu di rifiutu di l'auto-interferenza in dui fasi pò furnisce l'isolamentu duplex necessariu in e bande di frequenza uplink è downlink, ancu quandu si usa un equipamentu di qualità cummerciale à pocu costu.
A forza di signale chì un dispositivu cellulare riceve à u so intervallu massimu deve esse 12 ordini di magnitudine più bassu di a forza di signale chì trasmette. In Time Division Duplex (TDD), u circuitu duplex hè simplicemente un cambiatore chì cunnetta l'antenna à u trasmettitore o u receptore, cusì u duplexer in TDD hè un cambiamentu simplice. In FDD, u trasmettitore è u ricevitore operanu simultaneamente, è u duplexer usa filtri per isolà u ricevitore da u forte signale di u trasmettitore.
U duplexer in u front-end FDD cellulare furnisce un isolamentu > ~ 50 dB in a banda uplink per impedisce a sovraccarichi di u ricevitore cù segnali Tx, è > ~ 50 dB isolamentu in a banda downlink per impedisce a trasmissione fora di banda. Sensibilità ridotta di u receptore. In a banda Rx, i perditi in i camini di trasmissione è riceve sò minimi.
Queste esigenze di bassa perdita, altu isolamentu, induve e frequenze sò siparati da solu un pocu per centu, necessitanu filtrazione high-Q, chì finu à avà pò esse ottenuta solu cù l'onda acustica di a superficia (SAW) o l'onda acustica di u corpu (BAW).
Mentre a tecnulugia cuntinueghja à evoluzione, cù l'avanzati largamente per via di u gran numaru di dispusitivi necessarii, l'operazione multibanda significa un filtru duplex off-chip separatu per ogni banda, cum'è mostra in a Figura A. Tutti i switches è i router aghjunghjenu ancu funziunalità supplementari cù penalità di prestazione è compromessi.
I telefuni globali assequibili basati nantu à a tecnulugia attuale sò troppu difficiuli di fabricà. L'architettura radiu resultanti serà assai grande, perdita è caru. I pruduttori anu da creà parechje varianti di produttu per diverse cumminazzioni di bande necessarie in diverse regioni, rendendu difficili u roaming LTE globale illimitatu. L'ecunumia di scala chì hà purtatu à a dominazione di GSM sò diventate sempre più difficili da ottene.
L'aumentu di a dumanda di servizii mobili di alta velocità di dati hà purtatu à l'implementazione di rete mobili 4G in 50 bande di frequenza, cù ancu più bande à vene cum'è 5G hè cumplettamente definitu è largamente implementatu. A causa di a cumplessità di l'interfaccia RF, ùn hè micca pussibule di copre tuttu questu in un unicu dispositivu utilizendu tecnulugii attuali basati in filtri, cusì sò necessarii circuiti RF persunalizabili è ricunfigurabili.
Ideale, un novu approcciu per risolve u prublema duplex hè necessariu, forse basatu nantu à filtri sintonizzabili o suppressione d'auto-interferenza, o una cumminazione di i dui.
Mentre ùn avemu micca un approcciu unicu chì risponde à e numerose richieste di costu, dimensione, prestazione è efficienza, forse i pezzi di u puzzle si riuniscenu è saranu in a vostra sacchetta in pochi anni.
Tecnulugie cum'è EBD cù suppressione SI ponu apre a pussibilità di utilizà a stessa frequenza in i dui direzzione simultaneamente, chì ponu migliurà significativamente l'efficienza spettrale.
Tempu di post: 24-Sep-2024