Fa deu anys, els telèfons intel·ligents normalment només admetien uns quants estàndards que operaven a les quatre bandes de freqüència GSM, i potser alguns estàndards WCDMA o CDMA2000. Amb tan poques bandes de freqüència per triar, s'ha aconseguit un cert grau d'uniformitat global amb els telèfons GSM de "quad-band", que utilitzen les bandes de 850/900/1800/1900 MHz i es poden utilitzar a qualsevol part del món (bé, pràcticament).
Aquest és un gran benefici per als viatgers i crea grans economies d'escala per als fabricants de dispositius, que només necessiten llançar uns quants models (o potser només un) per a tot el mercat global. Avancem ràpidament fins avui, GSM segueix sent l'única tecnologia d'accés sense fil que ofereix itinerància global. Per cert, si no ho sabíeu, GSM s'està eliminant gradualment.
Qualsevol telèfon intel·ligent digne d'aquest nom ha de suportar l'accés 4G, 3G i 2G amb diferents requisits d'interfície de RF en termes d'amplada de banda, potència de transmissió, sensibilitat del receptor i molts altres paràmetres.
A més, a causa de la disponibilitat fragmentada de l'espectre global, els estàndards 4G cobreixen un gran nombre de bandes de freqüència, de manera que els operadors poden utilitzar-les en qualsevol freqüència disponible en qualsevol àrea determinada, actualment 50 bandes en total, com és el cas dels estàndards LTE1. Un veritable "telèfon mundial" ha de funcionar en tots aquests entorns.
El problema clau que ha de resoldre qualsevol ràdio mòbil és la "comunicació dúplex". Quan parlem, escoltem alhora. Els primers sistemes de ràdio feien servir push-to-talk (alguns encara ho fan), però quan parlem per telèfon, esperem que l'altra persona ens interrompi. Els dispositius cel·lulars (analògics) de primera generació utilitzaven "filtres dúplex" (o dúplex) per rebre l'enllaç descendent sense quedar "sorpresos" en transmetre l'enllaç ascendent en una freqüència diferent.
Fer que aquests filtres siguin més petits i barats va ser un repte important per als primers fabricants de telèfons. Quan es va introduir GSM, el protocol es va dissenyar perquè els transceptors poguessin funcionar en "mode semidúplex".
Aquesta va ser una manera molt intel·ligent d'eliminar els dúplex, i va ser un factor important per ajudar a GSM a convertir-se en una tecnologia convencional de baix cost capaç de dominar la indústria (i canviar la forma en què la gent es comunicava en el procés).
El telèfon Essential d'Andy Rubin, l'inventor del sistema operatiu Android, inclou les últimes funcions de connectivitat, com ara Bluetooth 5.0LE, diversos GSM/LTE i una antena Wi-Fi amagada en un marc de titani.
Malauradament, les lliçons apreses de la resolució de problemes tècnics es van oblidar ràpidament en les guerres tecnopolítiques dels primers dies de 3G, i la forma dominant actualment de duplicació per divisió de freqüència (FDD) requereix un duplexor per a cada banda FDD en què opera. No hi ha dubte que el boom de LTE ve amb factors de cost creixents.
Tot i que algunes bandes poden utilitzar Time Division Duplex, o TDD (on la ràdio canvia ràpidament entre la transmissió i la recepció), existeixen menys d'aquestes bandes. La majoria d'operadors (excepte principalment els asiàtics) prefereixen la gamma FDD, de la qual n'hi ha més de 30.
El llegat de l'espectre TDD i FDD, la dificultat d'alliberar bandes realment globals i l'arribada del 5G amb més bandes fan que el problema del dúplex sigui encara més complex. Els mètodes prometedors que s'estan investigant inclouen nous dissenys basats en filtres i la capacitat d'eliminar les autointerferències.
Aquest últim també porta amb si la possibilitat una mica prometedora de dúplex "sense fragments" (o "dúplex complet en banda"). En el futur de les comunicacions mòbils 5G, potser haurem de considerar no només FDD i TDD, sinó també dúplex flexible basat en aquestes noves tecnologies.
Investigadors de la Universitat d'Aalborg a Dinamarca han desenvolupat una arquitectura "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3 que utilitza (vegeu la il·lustració a la pàgina 18) antenes separades per a la transmissió i la recepció i combina aquestes antenes amb (de baix rendiment) en combinació amb antenes personalitzables. filtrat per aconseguir l'aïllament desitjat de transmissió i recepció.
Tot i que el rendiment és impressionant, la necessitat de dues antenes és un gran inconvenient. A mesura que els telèfons es fan més prims i elegants, l'espai disponible per a les antenes és cada cop més petit.
Els dispositius mòbils també requereixen múltiples antenes per a la multiplexació espacial (MIMO). Els telèfons mòbils amb arquitectura SAFE i suport MIMO 2×2 requereixen només quatre antenes. A més, el rang de sintonització d'aquests filtres i antenes és limitat.
Així doncs, els telèfons mòbils globals també hauran de replicar aquesta arquitectura d'interfície per cobrir totes les bandes de freqüència LTE (450 MHz a 3600 MHz), cosa que requerirà més antenes, més sintonitzadors d'antenes i més filtres, cosa que ens porta de nou a les preguntes més freqüents sobre funcionament multibanda a causa de la duplicació de components.
Tot i que es poden instal·lar més antenes en una tauleta o portàtil, calen més avenços en personalització i/o miniaturització perquè aquesta tecnologia sigui adequada per a telèfons intel·ligents.
El dúplex equilibrat elèctricament s'ha utilitzat des dels primers dies de la telefonia per cable17. En un sistema telefònic, el micròfon i l'auricular han d'estar connectats a la línia telefònica, però aïllats els uns dels altres perquè la veu de l'usuari no ensordeixi el senyal d'àudio entrant més feble. Això es va aconseguir mitjançant transformadors híbrids abans de l'arribada dels telèfons electrònics.
El circuit dúplex que es mostra a la figura següent utilitza una resistència del mateix valor per fer coincidir la impedància de la línia de transmissió de manera que el corrent del micròfon es divideix quan entra al transformador i flueix en direccions oposades per la bobina primària. Els fluxos magnètics es cancel·len efectivament i no s'indueix cap corrent a la bobina secundària, de manera que la bobina secundària està aïllada del micròfon.
No obstant això, el senyal del micròfon encara va a la línia telefònica (encara que amb alguna pèrdua) i el senyal entrant a la línia telefònica encara va a l'altaveu (també amb alguna pèrdua), permetent la comunicació bidireccional a la mateixa línia telefònica. . . Fil metàl·lic.
Un dúplex equilibrat de ràdio és similar a un dúplex de telèfon, però en lloc d'un micròfon, un auricular i un cable telefònic, s'utilitzen un transmissor, un receptor i una antena, respectivament, tal com es mostra a la figura B.
Una tercera manera d'aïllar el transmissor del receptor és eliminar l'autointerferència (SI), restant així el senyal transmès del senyal rebut. Les tècniques d'embussos s'han utilitzat al radar i a les emissions durant dècades.
Per exemple, a principis de la dècada de 1980, Plessy va desenvolupar i comercialitzar un producte basat en compensació SI anomenat "Groundsat" per ampliar la gamma de xarxes de comunicacions militars FM analògiques semidúplex4-5.
El sistema actua com un repetidor d'un sol canal full-duplex, ampliant el rang efectiu de ràdios half-duplex utilitzats a tota l'àrea de treball.
Hi ha hagut interès recent per la supressió d'autointerferències, principalment a causa de la tendència a les comunicacions de curt abast (cel·lular i Wi-Fi), que fa que el problema de la supressió SI sigui més manejable a causa de la menor potència de transmissió i una major recepció de potència per a l'ús del consumidor. . Aplicacions d'accés sense fil i backhaul 6-8.
L'iPhone d'Apple (amb l'ajuda de Qualcomm) té, sens dubte, les millors capacitats sense fil i LTE del món, suportant 16 bandes LTE en un sol xip. Això significa que només cal produir dos SKU per cobrir els mercats GSM i CDMA.
En aplicacions dúplex sense compartir interferències, la supressió d'autointerferències pot millorar l'eficiència de l'espectre permetent que l'enllaç ascendent i descendent comparteixin els mateixos recursos d'espectre9,10. Les tècniques de supressió d'autointerferències també es poden utilitzar per crear duplicadors personalitzats per a FDD.
La cancel·lació en si sol consta de diverses etapes. La xarxa direccional entre l'antena i el transceptor proporciona el primer nivell de separació entre els senyals transmesos i rebuts. En segon lloc, s'utilitza un processament de senyal analògic i digital addicional per eliminar qualsevol soroll intrínsec restant al senyal rebut. La primera etapa pot utilitzar una antena separada (com a SAFE), un transformador híbrid (descrit a continuació);
El problema de les antenes separades ja s'ha descrit. Els circuladors solen ser de banda estreta perquè utilitzen ressonància ferromagnètica al cristall. Aquesta tecnologia híbrida, o aïllament elèctricament equilibrat (EBI), és una tecnologia prometedora que pot ser de banda ampla i potencialment integrada en un xip.
Com es mostra a la figura següent, el disseny frontal de l'antena intel·ligent utilitza dues antenes ajustables de banda estreta, una per a la transmissió i una altra per a la recepció, i un parell de filtres dúplex de baix rendiment però ajustables. Les antenes individuals no només proporcionen un cert aïllament passiu a costa de la pèrdua de propagació entre elles, sinó que també tenen una amplada de banda instantània limitada (però ajustable).
L'antena de transmissió només funciona efectivament a la banda de freqüència de transmissió i l'antena de recepció només funciona efectivament a la banda de freqüència de recepció. En aquest cas, la pròpia antena també actua com a filtre: les emissions de Tx fora de banda s'atenuen per l'antena transmissora, i l'antena receptora atenua l'autointerferència a la banda Tx.
Per tant, l'arquitectura requereix que l'antena sigui sintonitzable, cosa que s'aconsegueix utilitzant una xarxa de sintonització d'antenes. Hi ha una pèrdua d'inserció inevitable en una xarxa de sintonització d'antenes. Tanmateix, els avenços recents en els condensadors sintonitzables MEMS18 han millorat significativament la qualitat d'aquests dispositius, reduint així les pèrdues. La pèrdua d'inserció Rx és d'aproximadament 3 dB, que és comparable a les pèrdues totals del duplexor i del commutador SAW.
A continuació, l'aïllament basat en antenes es complementa amb un filtre ajustable, també basat en condensadors ajustables MEM3, per aconseguir un aïllament de 25 dB de l'antena i un aïllament de 25 dB del filtre. Els prototips han demostrat que això es pot aconseguir.
Diversos grups de recerca del món acadèmic i de la indústria estan explorant l'ús d'híbrids per a la impressió dúplex11–16. Aquests esquemes eliminen passivament SI permetent la transmissió i la recepció simultànies des d'una sola antena, però aïllant el transmissor i el receptor. Són de banda ampla per naturalesa i es poden implementar al xip, cosa que els converteix en una opció atractiva per a la duplicació de freqüència en dispositius mòbils.
Els avenços recents han demostrat que els transceptors FDD que utilitzen EBI es poden fabricar a partir de CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) amb pèrdua d'inserció, xifra de soroll, linealitat del receptor i característiques de supressió de bloqueig adequades per a aplicacions cel·lulars11,12,13. Tanmateix, com demostren nombrosos exemples a la literatura acadèmica i científica, hi ha una limitació fonamental que afecta l'aïllament dúplex.
La impedància d'una antena de ràdio no és fixa, sinó que varia amb la freqüència de funcionament (a causa de la ressonància de l'antena) i el temps (a causa de la interacció amb un entorn canviant). Això vol dir que la impedància d'equilibri s'ha d'adaptar als canvis d'impedància del seguiment i l'amplada de banda de desacoblament està limitada a causa dels canvis en el domini de la freqüència13 (vegeu la figura 1).
El nostre treball a la Universitat de Bristol se centra a investigar i abordar aquestes limitacions de rendiment per demostrar que l'aïllament i el rendiment d'enviament/recepció necessaris es poden aconseguir en casos d'ús reals.
Per superar les fluctuacions de la impedància de l'antena (que afecten greument l'aïllament), el nostre algorisme adaptatiu fa un seguiment de la impedància de l'antena en temps real i les proves han demostrat que el rendiment es pot mantenir en una varietat d'entorns dinàmics, inclosa la interacció de l'usuari i la carretera i el ferrocarril d'alta velocitat. viatjar.
A més, per superar la concordança limitada de l'antena en el domini de la freqüència, augmentant així l'amplada de banda i l'aïllament general, combinem un duplexor equilibrat elèctricament amb una supressió SI activa addicional, utilitzant un segon transmissor per generar un senyal de supressió per suprimir encara més l'autointerferència. (vegeu la figura 2).
Els resultats del nostre banc de proves són encoratjadors: quan es combina amb EBD, la tecnologia activa pot millorar significativament l'aïllament de transmissió i recepció, tal com es mostra a la figura 3.
La nostra configuració final del laboratori utilitza components de dispositius mòbils de baix cost (amplificadors de potència de telèfon mòbil i antenes), cosa que la fa representativa de les implementacions de telèfons mòbils. A més, les nostres mesures mostren que aquest tipus de rebuig d'autointerferència en dues etapes pot proporcionar l'aïllament dúplex necessari a les bandes de freqüència d'enllaç ascendent i descendent, fins i tot quan s'utilitzen equips de baix cost i qualitat comercial.
La força del senyal que rep un dispositiu mòbil al seu rang màxim ha de ser 12 ordres de magnitud inferior a la força del senyal que transmet. A Time Division Duplex (TDD), el circuit dúplex és simplement un interruptor que connecta l'antena al transmissor o receptor, de manera que el dúplex de TDD és un simple interruptor. A FDD, el transmissor i el receptor funcionen simultàniament i el duplexor utilitza filtres per aïllar el receptor del senyal fort del transmissor.
El dúplex de la part frontal FDD cel·lular proporciona un aïllament > ~ 50 dB a la banda d'enllaç ascendent per evitar la sobrecàrrega del receptor amb senyals Tx, i un aïllament > ~ 50 dB a la banda d'enllaç descendent per evitar la transmissió fora de banda. Sensibilitat del receptor reduïda. A la banda Rx, les pèrdues en els camins de transmissió i recepció són mínimes.
Aquests requisits d'aïllament alt i de baixes pèrdues, on les freqüències estan separades només per un percentatge, requereixen un filtratge d'alta Q, que fins ara només es pot aconseguir mitjançant dispositius d'ona acústica superficial (SAW) o d'ona acústica corporal (BAW).
Tot i que la tecnologia continua evolucionant, amb avenços en gran part a causa de la gran quantitat de dispositius necessaris, el funcionament multibanda significa un filtre dúplex fora de xip independent per a cada banda, tal com es mostra a la figura A. Tots els commutadors i encaminadors també afegeixen funcionalitat addicional amb penalitzacions de rendiment i compensacions.
Els telèfons globals assequibles basats en la tecnologia actual són massa difícils de fabricar. L'arquitectura de ràdio resultant serà molt gran, amb pèrdues i cara. Els fabricants han de crear múltiples variants de producte per a diferents combinacions de bandes necessàries en diferents regions, cosa que dificulta la itinerància global il·limitada de LTE. Les economies d'escala que van conduir al domini de GSM són cada cop més difícils d'aconseguir.
L'augment de la demanda de serveis mòbils d'alta velocitat de dades ha portat al desplegament de xarxes mòbils 4G en 50 bandes de freqüència, amb encara més bandes a mesura que el 5G està totalment definit i àmpliament desplegat. A causa de la complexitat de la interfície de RF, no és possible cobrir tot això en un sol dispositiu utilitzant les tecnologies actuals basades en filtres, per la qual cosa es requereixen circuits de RF personalitzables i reconfigurables.
Idealment, cal un nou enfocament per resoldre el problema dúplex, potser basat en filtres ajustables o supressió d'autointerferències, o alguna combinació d'ambdós.
Tot i que encara no tenim un únic enfocament que compleixi les moltes exigències de cost, mida, rendiment i eficiència, potser les peces del trencaclosques s'ajuntaran i estaran a la butxaca d'aquí a uns anys.
Tecnologies com EBD amb supressió SI poden obrir la possibilitat d'utilitzar la mateixa freqüència en ambdues direccions simultàniament, cosa que pot millorar significativament l'eficiència espectral.
Hora de publicació: 24-set-2024