Sepuluh tahun yang lalu, telefon pintar biasanya hanya menyokong beberapa piawaian yang beroperasi dalam empat jalur frekuensi GSM, dan mungkin beberapa piawaian WCDMA atau CDMA2000. Dengan begitu sedikit jalur frekuensi untuk dipilih, tahap tertentu keseragaman global telah dicapai dengan telefon GSM "quad-band", yang menggunakan jalur 850/900/1800/1900 MHz dan boleh digunakan di mana-mana sahaja di dunia (baik, cukup banyak).
Ini adalah manfaat yang besar untuk pengembara dan mencipta skala ekonomi yang besar untuk pengeluar peranti, yang hanya perlu mengeluarkan beberapa model (atau mungkin hanya satu) untuk keseluruhan pasaran global. Cepat ke hari ini, GSM kekal sebagai satu-satunya teknologi akses wayarles yang menyediakan perayauan global. Ngomong-ngomong, jika anda tidak tahu, GSM sedang ditamatkan secara berperingkat.
Mana-mana telefon pintar yang layak diberi nama mesti menyokong akses 4G, 3G dan 2G dengan keperluan antara muka RF yang berbeza-beza dari segi lebar jalur, kuasa penghantaran, kepekaan penerima dan banyak parameter lain.
Selain itu, disebabkan ketersediaan spektrum global yang berpecah-belah, piawaian 4G meliputi sejumlah besar jalur frekuensi, jadi pengendali boleh menggunakannya pada mana-mana frekuensi yang tersedia di mana-mana kawasan tertentu – pada masa ini 50 jalur secara keseluruhan, seperti halnya dengan piawaian LTE1. "Telefon dunia" sebenar mesti berfungsi dalam semua persekitaran ini.
Masalah utama yang mesti diselesaikan oleh mana-mana radio selular ialah "komunikasi dupleks". Apabila kita bercakap, kita mendengar pada masa yang sama. Sistem radio awal menggunakan push-to-talk (sesetengahnya masih melakukannya), tetapi apabila kita bercakap di telefon, kita mengharapkan orang lain mengganggu kita. Peranti selular generasi pertama (analog) menggunakan "penapis dupleks" (atau dupleks) untuk menerima pautan bawah tanpa "terkejut" dengan menghantar pautan atas pada frekuensi yang berbeza.
Menjadikan penapis ini lebih kecil dan lebih murah merupakan cabaran utama bagi pengeluar telefon awal. Apabila GSM diperkenalkan, protokol telah direka supaya transceiver boleh beroperasi dalam "mod separuh dupleks".
Ini adalah cara yang sangat bijak untuk menghapuskan dupleks, dan merupakan faktor utama dalam membantu GSM menjadi teknologi kos rendah, arus perdana yang mampu menguasai industri (dan mengubah cara orang berkomunikasi dalam proses itu).
Telefon Essential daripada Andy Rubin, pencipta sistem pengendalian Android, menampilkan ciri sambungan terkini termasuk Bluetooth 5.0LE, pelbagai GSM/LTE dan antena Wi-Fi yang tersembunyi dalam bingkai titanium.
Malangnya, pengajaran yang diperoleh daripada menyelesaikan masalah teknikal telah dilupakan dengan cepat dalam perang tekno-politik pada zaman awal 3G, dan bentuk pendua bahagian frekuensi (FDD) yang dominan pada masa ini memerlukan pendua untuk setiap jalur FDD di mana ia beroperasi . Tidak dinafikan bahawa ledakan LTE datang dengan faktor peningkatan kos.
Walaupun sesetengah band boleh menggunakan Time Division Duplex, atau TDD (di mana radio bertukar dengan cepat antara menghantar dan menerima), lebih sedikit daripada band ini wujud. Kebanyakan pengendali (kecuali terutamanya Asia) lebih suka julat FDD, yang mana terdapat lebih daripada 30.
Warisan spektrum TDD dan FDD, kesukaran untuk membebaskan jalur yang benar-benar global, dan kemunculan 5G dengan lebih banyak jalur menjadikan masalah dupleks lebih kompleks. Kaedah yang menjanjikan dalam penyiasatan termasuk reka bentuk berasaskan penapis baharu dan keupayaan untuk menghapuskan gangguan diri.
Yang terakhir ini juga membawa bersamanya kemungkinan yang agak menjanjikan untuk dupleks "tanpa serpihan" (atau "dupleks penuh dalam jalur"). Pada masa hadapan komunikasi mudah alih 5G, kita mungkin perlu mempertimbangkan bukan sahaja FDD dan TDD, tetapi juga dupleks fleksibel berdasarkan teknologi baharu ini.
Penyelidik di Universiti Aalborg di Denmark telah membangunkan seni bina "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3 yang menggunakan (lihat ilustrasi di halaman 18) antena berasingan untuk penghantaran dan penerimaan dan menggabungkan antena ini dengan (prestasi rendah) dalam kombinasi dengan yang boleh disesuaikan penapisan untuk mencapai pengasingan penghantaran dan penerimaan yang dikehendaki.
Walaupun prestasinya mengagumkan, keperluan untuk dua antena adalah kelemahan yang besar. Apabila telefon semakin nipis dan licin, ruang yang tersedia untuk antena semakin mengecil.
Peranti mudah alih juga memerlukan berbilang antena untuk pemultipleksan ruang (MIMO). Telefon mudah alih dengan seni bina SELAMAT dan sokongan 2×2 MIMO hanya memerlukan empat antena. Selain itu, julat penalaan penapis dan antena ini adalah terhad.
Jadi telefon mudah alih global juga perlu meniru seni bina antara muka ini untuk meliputi semua jalur frekuensi LTE (450 MHz hingga 3600 MHz), yang memerlukan lebih banyak antena, lebih banyak penala antena dan lebih banyak penapis, yang membawa kita kembali kepada soalan lazim tentang operasi berbilang jalur kerana pertindihan komponen.
Walaupun lebih banyak antena boleh dipasang dalam tablet atau komputer riba, kemajuan selanjutnya dalam penyesuaian dan/atau pengecilan diperlukan untuk menjadikan teknologi ini sesuai untuk telefon pintar.
Dupleks seimbang elektrik telah digunakan sejak zaman awal telefon talian wayar17. Dalam sistem telefon, mikrofon dan alat dengar mesti disambungkan ke talian telefon, tetapi diasingkan antara satu sama lain supaya suara pengguna sendiri tidak memekakkan isyarat audio masuk yang lebih lemah. Ini dicapai menggunakan transformer hibrid sebelum kemunculan telefon elektronik.
Litar dupleks yang ditunjukkan dalam rajah di bawah menggunakan perintang yang mempunyai nilai yang sama untuk memadankan impedans saluran penghantaran supaya arus dari mikrofon berpecah apabila ia memasuki pengubah dan mengalir dalam arah yang bertentangan melalui gegelung primer. Fluks magnet dibatalkan dengan berkesan dan tiada arus teraruh dalam gegelung sekunder, jadi gegelung sekunder diasingkan daripada mikrofon.
Walau bagaimanapun, isyarat daripada mikrofon masih pergi ke talian telefon (walaupun dengan sedikit kehilangan), dan isyarat masuk pada talian telefon masih pergi ke pembesar suara (juga dengan sedikit kehilangan), membenarkan komunikasi dua hala pada talian telefon yang sama . . Kawat logam.
Duplekser seimbang radio adalah serupa dengan dupleks telefon, tetapi bukannya mikrofon, telefon bimbit, dan wayar telefon, pemancar, penerima dan antena digunakan, masing-masing, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah B.
Cara ketiga untuk mengasingkan pemancar daripada penerima adalah untuk menghapuskan gangguan diri (SI), dengan itu menolak isyarat yang dihantar daripada isyarat yang diterima. Teknik jamming telah digunakan dalam radar dan penyiaran selama beberapa dekad.
Sebagai contoh, pada awal 1980-an, Plessy membangunkan dan memasarkan produk berasaskan pampasan SI yang dipanggil "Groundsat" untuk melanjutkan julat rangkaian komunikasi tentera FM analog separuh dupleks4-5.
Sistem ini bertindak sebagai pengulang saluran tunggal dupleks penuh, memanjangkan julat berkesan radio separuh dupleks yang digunakan di seluruh kawasan kerja.
Terdapat minat baru-baru ini dalam penindasan gangguan diri, terutamanya disebabkan oleh trend ke arah komunikasi jarak dekat (selular dan Wi-Fi), yang menjadikan masalah penindasan SI lebih mudah diurus kerana kuasa penghantaran yang lebih rendah dan penerimaan kuasa yang lebih tinggi untuk kegunaan pengguna. . Akses Wayarles dan Aplikasi Pengangkutan Balik 6-8.
iPhone Apple (dengan bantuan daripada Qualcomm) boleh dikatakan mempunyai keupayaan wayarles dan LTE terbaik dunia, menyokong 16 jalur LTE pada satu cip. Ini bermakna hanya dua SKU perlu dihasilkan untuk meliputi pasaran GSM dan CDMA.
Dalam aplikasi dupleks tanpa perkongsian gangguan, penindasan gangguan diri boleh meningkatkan kecekapan spektrum dengan membenarkan pautan atas dan pautan bawah berkongsi sumber spektrum yang sama9,10. Teknik penindasan gangguan diri juga boleh digunakan untuk mencipta dupleks tersuai untuk FDD.
Pembatalan itu sendiri biasanya terdiri daripada beberapa peringkat. Rangkaian arah antara antena dan transceiver menyediakan tahap pertama pemisahan antara isyarat yang dihantar dan diterima. Kedua, pemprosesan isyarat analog dan digital tambahan digunakan untuk menghapuskan sebarang bunyi intrinsik yang tinggal dalam isyarat yang diterima. Peringkat pertama mungkin menggunakan antena berasingan (seperti dalam SELAMAT), pengubah hibrid (diterangkan di bawah);
Masalah antena tertanggal telah pun diterangkan. Peredaran biasanya jalur sempit kerana ia menggunakan resonans feromagnetik dalam kristal. Teknologi hibrid ini, atau Pengasingan Seimbang Elektrik (EBI), adalah teknologi yang menjanjikan yang boleh menjadi jalur lebar dan berpotensi disepadukan pada cip.
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, reka bentuk hujung hadapan antena pintar menggunakan dua antena boleh tala jalur sempit, satu untuk menghantar dan satu untuk menerima, dan sepasang penapis dupleks berprestasi rendah tetapi boleh ditala. Antena individu bukan sahaja menyediakan beberapa pengasingan pasif pada kos kehilangan perambatan di antara mereka, tetapi juga mempunyai lebar jalur segera yang terhad (tetapi boleh dilaras).
Antena pemancar beroperasi dengan berkesan hanya dalam jalur frekuensi pemancar, dan antena penerima beroperasi dengan berkesan hanya dalam jalur frekuensi penerimaan. Dalam kes ini, antena itu sendiri juga bertindak sebagai penapis: pelepasan Tx luar jalur dilemahkan oleh antena pemancar, dan gangguan diri dalam jalur Tx dilemahkan oleh antena penerima.
Oleh itu, seni bina memerlukan antena untuk ditala, yang dicapai dengan menggunakan rangkaian penalaan antena. Terdapat beberapa kehilangan sisipan yang tidak dapat dielakkan dalam rangkaian penalaan antena. Walau bagaimanapun, kemajuan terkini dalam kapasitor boleh tala MEMS18 telah meningkatkan kualiti peranti ini dengan ketara, sekali gus mengurangkan kerugian. Kehilangan sisipan Rx adalah kira-kira 3 dB, yang setanding dengan jumlah kerugian pendua dan suis SAW.
Pengasingan berasaskan antena kemudiannya dilengkapi dengan penapis boleh tala, juga berdasarkan kapasitor boleh tala MEM3, untuk mencapai pengasingan 25 dB daripada antena dan pengasingan 25 dB daripada penapis. Prototaip telah menunjukkan bahawa ini boleh dicapai.
Beberapa kumpulan penyelidikan dalam akademik dan industri sedang meneroka penggunaan hibrid untuk pencetakan dupleks11–16. Skim ini secara pasif menghapuskan SI dengan membenarkan penghantaran dan penerimaan serentak dari satu antena, tetapi mengasingkan pemancar dan penerima. Ia bersifat jalur lebar dan boleh dilaksanakan pada cip, menjadikannya pilihan yang menarik untuk penduaan frekuensi dalam peranti mudah alih.
Kemajuan terkini telah menunjukkan bahawa transceiver FDD menggunakan EBI boleh dihasilkan daripada CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) dengan kehilangan sisipan, angka hingar, lineariti penerima dan ciri penindasan menyekat yang sesuai untuk aplikasi selular11,12,13. Walau bagaimanapun, seperti yang ditunjukkan oleh banyak contoh dalam kesusasteraan akademik dan saintifik, terdapat had asas yang mempengaruhi pengasingan dupleks.
Impedans antena radio tidak tetap, tetapi berbeza dengan kekerapan operasi (disebabkan oleh resonans antena) dan masa (disebabkan oleh interaksi dengan persekitaran yang berubah). Ini bermakna galangan pengimbangan mesti menyesuaikan diri untuk menjejaki perubahan impedans, dan lebar jalur penyahgandingan adalah terhad disebabkan oleh perubahan dalam domain frekuensi13 (lihat Rajah 1).
Kerja kami di Universiti Bristol tertumpu pada penyiasatan dan menangani had prestasi ini untuk menunjukkan bahawa pengasingan dan pemprosesan penghantaran/terima yang diperlukan boleh dicapai dalam kes penggunaan dunia sebenar.
Untuk mengatasi turun naik impedans antena (yang memberi kesan teruk kepada pengasingan), algoritma penyesuaian kami menjejaki impedans antena dalam masa nyata, dan ujian telah menunjukkan bahawa prestasi boleh dikekalkan dalam pelbagai persekitaran dinamik, termasuk interaksi tangan pengguna dan jalan dan rel berkelajuan tinggi melancong.
Selain itu, untuk mengatasi padanan antena terhad dalam domain frekuensi, dengan itu meningkatkan lebar jalur dan pengasingan keseluruhan, kami menggabungkan duplekser seimbang elektrik dengan penindasan SI aktif tambahan, menggunakan pemancar kedua untuk menjana isyarat penindasan untuk menyekat lagi gangguan diri. (lihat Rajah 2).
Keputusan daripada katil ujian kami adalah menggalakkan: apabila digabungkan dengan EBD, teknologi aktif boleh meningkatkan penghantaran dan menerima pengasingan dengan ketara, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.
Persediaan makmal terakhir kami menggunakan komponen peranti mudah alih kos rendah (penguat kuasa telefon bimbit dan antena), menjadikannya mewakili pelaksanaan telefon mudah alih. Selain itu, pengukuran kami menunjukkan bahawa jenis penolakan gangguan diri dua peringkat ini boleh memberikan pengasingan dupleks yang diperlukan dalam jalur frekuensi uplink dan downlink, walaupun semasa menggunakan peralatan gred komersial kos rendah.
Kekuatan isyarat yang diterima peranti selular pada julat maksimum mestilah 12 susunan magnitud lebih rendah daripada kekuatan isyarat yang dihantar. Dalam Dupleks Pembahagian Masa (TDD), litar dupleks hanyalah suis yang menyambungkan antena kepada pemancar atau penerima, jadi dupleks dalam TDD ialah suis mudah. Dalam FDD, pemancar dan penerima beroperasi secara serentak, dan dupleks menggunakan penapis untuk mengasingkan penerima daripada isyarat kuat pemancar.
Duplekser dalam bahagian hadapan FDD selular menyediakan pengasingan >~50 dB dalam jalur pautan atas untuk mengelakkan penerima terlampau muatan dengan isyarat Tx, dan pengasingan >~50 dB dalam jalur pautan bawah untuk mengelakkan penghantaran luar jalur. Mengurangkan sensitiviti penerima. Dalam jalur Rx, kerugian dalam laluan hantar dan terima adalah minimum.
Keperluan kehilangan rendah, pengasingan tinggi ini, di mana frekuensi dipisahkan hanya beberapa peratus, memerlukan penapisan Q tinggi, yang setakat ini hanya boleh dicapai menggunakan peranti gelombang akustik permukaan (SAW) atau gelombang akustik badan (BAW).
Walaupun teknologi terus berkembang, dengan kemajuan sebahagian besarnya disebabkan oleh bilangan besar peranti yang diperlukan, operasi berbilang jalur bermaksud penapis dupleks luar cip yang berasingan untuk setiap jalur, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah A. Semua suis dan penghala juga menambah fungsi tambahan dengan penalti prestasi dan tukar ganti.
Telefon global mampu milik berdasarkan teknologi semasa terlalu sukar untuk dihasilkan. Seni bina radio yang dihasilkan akan menjadi sangat besar, rugi dan mahal. Pengilang perlu mencipta berbilang varian produk untuk kombinasi jalur berbeza yang diperlukan di rantau berbeza, menjadikan perayauan LTE global tanpa had sukar. Skala ekonomi yang membawa kepada penguasaan GSM menjadi semakin sukar untuk dicapai.
Permintaan yang semakin meningkat untuk perkhidmatan mudah alih berkelajuan data tinggi telah membawa kepada penggunaan rangkaian mudah alih 4G merentas 50 jalur frekuensi, dengan lebih banyak jalur akan datang apabila 5G ditakrifkan sepenuhnya dan digunakan secara meluas. Oleh kerana kerumitan antara muka RF, adalah tidak mungkin untuk menampung semua ini dalam satu peranti menggunakan teknologi berasaskan penapis semasa, jadi litar RF yang boleh disesuaikan dan boleh dikonfigurasikan semula diperlukan.
Sebaik-baiknya, pendekatan baharu untuk menyelesaikan masalah dupleks diperlukan, mungkin berdasarkan penapis boleh tala atau penindasan gangguan diri, atau gabungan kedua-duanya.
Walaupun kami masih belum mempunyai satu pendekatan yang memenuhi banyak tuntutan kos, saiz, prestasi dan kecekapan, mungkin kepingan teka-teki itu akan disatukan dan berada di dalam poket anda dalam beberapa tahun.
Teknologi seperti EBD dengan penindasan SI boleh membuka kemungkinan menggunakan frekuensi yang sama dalam kedua-dua arah secara serentak, yang boleh meningkatkan kecekapan spektrum dengan ketara.
Masa siaran: Sep-24-2024