Десять лет назад смартфоны обычно поддерживали лишь несколько стандартов, работающих в четырех диапазонах частот GSM, и, возможно, несколько стандартов WCDMA или CDMA2000. При таком небольшом количестве полос частот на выбор, определенная степень глобального единообразия была достигнута с помощью «четырёхдиапазонных» телефонов GSM, которые используют диапазоны 850/900/1800/1900 МГц и могут использоваться в любой точке мира (ну, довольно много).
Это огромная выгода для путешественников и создает огромную экономию за счет масштаба для производителей устройств, которым нужно выпустить всего несколько моделей (или, может быть, только одну) для всего мирового рынка. Перенесемся в будущее: GSM остается единственной технологией беспроводного доступа, обеспечивающей глобальный роуминг. Кстати, если вы не знали, GSM постепенно выводится из употребления.
Любой смартфон, достойный этого названия, должен поддерживать доступ 4G, 3G и 2G с различными требованиями к радиочастотному интерфейсу с точки зрения пропускной способности, мощности передачи, чувствительности приемника и многих других параметров.
Кроме того, из-за фрагментированной доступности глобального спектра стандарты 4G охватывают большое количество диапазонов частот, поэтому операторы могут использовать их на любых частотах, доступных в любой конкретной области – в настоящее время всего 50 диапазонов, как и в случае со стандартами LTE1. Настоящий «мировой телефон» должен работать во всех этих средах.
Ключевая проблема, которую должна решить любая сотовая радиосвязь – это «дуплексная связь». Когда мы говорим, мы одновременно слушаем. Ранние радиосистемы использовали функцию «нажми и говори» (некоторые до сих пор используют), но когда мы говорим по телефону, мы ожидаем, что другой человек перебьет нас. Сотовые устройства первого поколения (аналоговые) использовали «дуплексные фильтры» (или дуплексеры) для приема нисходящей линии связи, не «оглушаясь» передачей восходящей линии связи на другой частоте.
Сделать эти фильтры меньше и дешевле было серьезной задачей для первых производителей телефонов. Когда был представлен GSM, протокол был разработан таким образом, чтобы трансиверы могли работать в «полудуплексном режиме».
Это был очень умный способ избавиться от дуплексеров, и он стал основным фактором, который помог GSM стать недорогой, основной технологией, способной доминировать в отрасли (и изменить способы общения людей в процессе).
Телефон Essential от Энди Рубина, изобретателя операционной системы Android, оснащен новейшими функциями подключения, включая Bluetooth 5.0LE, различные GSM/LTE и антенну Wi-Fi, спрятанную в титановой рамке.
К сожалению, уроки, извлеченные из решения технических проблем, были быстро забыты в технико-политических войнах первых дней 3G, и доминирующая в настоящее время форма дуплексной связи с частотным разделением каналов (FDD) требует дуплексера для каждого диапазона FDD, в котором она работает. Нет сомнений в том, что бум LTE сопровождается ростом затрат.
Хотя некоторые диапазоны могут использовать дуплекс с временным разделением каналов или TDD (когда радиостанция быстро переключается между передачей и приемом), таких диапазонов существует меньше. Большинство операторов (кроме преимущественно азиатских) отдают предпочтение диапазону FDD, которых насчитывается более 30.
Наследие спектра TDD и FDD, сложность освобождения действительно глобальных полос и появление 5G с большим количеством полос делают проблему дуплекса еще более сложной. Многообещающие методы, находящиеся в стадии исследования, включают новые конструкции на основе фильтров и возможность устранения самоинтерференции.
Последнее также приносит с собой несколько многообещающую возможность «безфрагментарного» дуплекса (или «внутриполосного полного дуплекса»). В будущем мобильной связи 5G нам, возможно, придется рассмотреть не только FDD и TDD, но и гибкий дуплекс на основе этих новых технологий.
Исследователи из Ольборгского университета в Дании разработали архитектуру «Smart Antenna Front End» (SAFE)2-3, которая использует (см. иллюстрацию на стр. 18) отдельные антенны для передачи и приема и сочетает эти антенны с (низкой производительностью) в сочетании с настраиваемыми антеннами. фильтрация для достижения желаемой изоляции передачи и приема.
Хотя производительность впечатляет, необходимость в двух антеннах является большим недостатком. Поскольку телефоны становятся тоньше и изящнее, места для антенн становится все меньше и меньше.
Мобильным устройствам также требуется несколько антенн для пространственного мультиплексирования (MIMO). Для мобильных телефонов с архитектурой SAFE и поддержкой MIMO 2×2 требуется всего четыре антенны. Кроме того, диапазон настройки этих фильтров и антенн ограничен.
Таким образом, глобальным мобильным телефонам также необходимо будет воспроизвести эту архитектуру интерфейса, чтобы охватить все диапазоны частот LTE (от 450 МГц до 3600 МГц), что потребует большего количества антенн, большего количества антенных тюнеров и большего количества фильтров, что возвращает нас к часто задаваемым вопросам о многодиапазонная работа за счет дублирования компонентов.
Хотя в планшет или ноутбук можно установить больше антенн, необходимы дальнейшие достижения в области настройки и/или миниатюризации, чтобы сделать эту технологию подходящей для смартфонов.
Электрически сбалансированный дуплекс использовался с первых дней существования проводной телефонии17. В телефонной системе микрофон и наушник должны быть подключены к телефонной линии, но изолированы друг от друга, чтобы собственный голос пользователя не заглушал более слабый входящий звуковой сигнал. Это было достигнуто с помощью гибридных трансформаторов до появления электронных телефонов.
В дуплексной схеме, показанной на рисунке ниже, используется резистор того же номинала, чтобы согласовать сопротивление линии передачи, так что ток от микрофона разделяется при входе в трансформатор и течет в противоположных направлениях через первичную катушку. Магнитные потоки эффективно нейтрализуются, и во вторичной катушке ток не индуцируется, поэтому вторичная катушка изолируется от микрофона.
Однако сигнал с микрофона по-прежнему поступает в телефонную линию (хотя и с некоторыми потерями), а входящий сигнал по телефонной линии по-прежнему поступает в динамик (также с некоторыми потерями), что обеспечивает двустороннюю связь по одной и той же телефонной линии. . . Металлическая проволока.
Радиобалансный дуплексер аналогичен телефонному дуплексеру, но вместо микрофона, телефонной трубки и телефонного провода используются передатчик, приемник и антенна соответственно, как показано на рисунке Б.
Третий способ изолировать передатчик от приемника — устранить собственные помехи (SI), тем самым вычитая передаваемый сигнал из полученного сигнала. Методы постановки помех использовались в радиолокации и радиовещании на протяжении десятилетий.
Например, в начале 1980-х годов Плесси разработал и продал продукт на основе компенсации SI под названием «Groundsat», предназначенный для расширения диапазона полудуплексных аналоговых FM-сетей военной связи4-5.
Система действует как полнодуплексный одноканальный ретранслятор, расширяя эффективный диапазон полудуплексных радиостанций, используемых по всей рабочей зоне.
В последнее время наблюдается интерес к подавлению собственных помех, главным образом из-за тенденции к использованию средств связи ближнего действия (сотовой связи и Wi-Fi), что делает проблему подавления SI более управляемой из-за более низкой мощности передачи и более высокой мощности приема для потребительского использования. . Приложения беспроводного доступа и транзитной связи 6-8.
iPhone от Apple (с помощью Qualcomm), возможно, обладает лучшими в мире возможностями беспроводной связи и LTE, поддерживая 16 диапазонов LTE на одном чипе. Это означает, что для покрытия рынков GSM и CDMA необходимо выпустить всего два SKU.
В дуплексных приложениях без совместного использования помех подавление собственных помех может повысить эффективность использования спектра, позволяя восходящей и нисходящей линиям связи использовать одни и те же ресурсы спектра9,10. Методы подавления собственных помех также можно использовать для создания индивидуальных дуплексеров для FDD.
Сама отмена обычно состоит из нескольких этапов. Направленная сеть между антенной и приемопередатчиком обеспечивает первый уровень разделения передаваемых и принимаемых сигналов. Во-вторых, дополнительная аналоговая и цифровая обработка сигнала используется для устранения оставшегося собственного шума в полученном сигнале. На первом этапе может использоваться отдельная антенна (как в SAFE), гибридный трансформатор (описан ниже);
Проблема оторвавшихся антенн уже была описана. Циркуляторы обычно узкополосные, поскольку используют ферромагнитный резонанс в кристалле. Эта гибридная технология, или электрически сбалансированная изоляция (EBI), является многообещающей технологией, которая может быть широкополосной и потенциально интегрирована в чип.
Как показано на рисунке ниже, в конструкции входной части интеллектуальной антенны используются две узкополосные перестраиваемые антенны: одна для передачи и одна для приема, а также пара менее производительных, но настраиваемых дуплексных фильтров. Отдельные антенны не только обеспечивают некоторую пассивную изоляцию за счет потерь при распространении между ними, но также имеют ограниченную (но настраиваемую) мгновенную полосу пропускания.
Передающая антенна эффективно работает только в полосе частот передачи, а приемная антенна эффективно работает только в полосе частот приема. В этом случае сама антенна также выполняет роль фильтра: внеполосные излучения Tx ослабляются передающей антенной, а собственные помехи в диапазоне Tx ослабляются приемной антенной.
Следовательно, архитектура требует, чтобы антенна была настраиваемой, что достигается за счет использования сети настройки антенны. В сети настройки антенны существуют некоторые неизбежные вносимые потери. Однако недавние достижения в области перестраиваемых конденсаторов MEMS18 значительно улучшили качество этих устройств, тем самым сократив потери. Вносимые потери Rx составляют примерно 3 дБ, что сопоставимо с общими потерями ПАВ-дуплексера и коммутатора.
Затем развязка на основе антенны дополняется настраиваемым фильтром, также основанным на перестраиваемых конденсаторах MEM3, для достижения изоляции 25 дБ от антенны и изоляции 25 дБ от фильтра. Прототипы продемонстрировали, что этого можно достичь.
Несколько исследовательских групп в академических кругах и промышленности изучают возможность использования гибридов для двусторонней печати11–16. Эти схемы пассивно устраняют SI, позволяя одновременную передачу и прием с одной антенны, но изолируя передатчик и приемник. Они носят широкополосный характер и могут быть реализованы на кристалле, что делает их привлекательным вариантом для частотного дуплексирования в мобильных устройствах.
Недавние достижения показали, что трансиверы FDD, использующие EBI, могут быть изготовлены из КМОП (дополнительный металлооксид-полупроводник) с вносимыми потерями, коэффициентом шума, линейностью приемника и характеристиками подавления блокировок, подходящими для сотовых приложений11,12,13. Однако, как показывают многочисленные примеры в академической и научной литературе, существует фундаментальное ограничение, влияющее на дуплексную изоляцию.
Импеданс радиоантенны не фиксирован, а меняется в зависимости от рабочей частоты (из-за резонанса антенны) и времени (из-за взаимодействия с изменяющейся средой). Это означает, что балансирующее сопротивление должно адаптироваться для отслеживания изменений импеданса, а полоса развязки ограничена из-за изменений в частотной области13 (см. рисунок 1).
Наша работа в Бристольском университете сосредоточена на исследовании и устранении этих ограничений производительности, чтобы продемонстрировать, что требуемая изоляция отправки и получения и пропускная способность могут быть достигнуты в реальных случаях использования.
Чтобы преодолеть колебания импеданса антенны (которые серьезно влияют на изоляцию), наш адаптивный алгоритм отслеживает импеданс антенны в режиме реального времени, и испытания показали, что производительность может поддерживаться в различных динамических средах, включая взаимодействие с пользователем и высокоскоростные автомобильные и железнодорожные перевозки. путешествовать.
Кроме того, чтобы преодолеть ограниченное согласование антенн в частотной области и тем самым увеличить полосу пропускания и общую изоляцию, мы объединяем электрически сбалансированный дуплексер с дополнительным активным подавлением SI, используя второй передатчик для генерации сигнала подавления для дальнейшего подавления собственных помех. (см. рисунок 2).
Результаты нашего испытательного стенда обнадеживают: в сочетании с EBD активная технология может значительно улучшить изоляцию передачи и приема, как показано на рисунке 3.
В нашей окончательной лабораторной установке используются недорогие компоненты мобильных устройств (усилители мощности и антенны сотовых телефонов), что делает ее репрезентативной для реализации мобильных телефонов. Более того, наши измерения показывают, что этот тип двухступенчатого подавления собственных помех может обеспечить необходимую дуплексную развязку в диапазонах частот восходящей и нисходящей линии связи даже при использовании недорогого оборудования коммерческого уровня.
Уровень сигнала, который сотовое устройство принимает на максимальном расстоянии, должен быть на 12 порядков ниже, чем уровень сигнала, который оно передает. В дуплексе с временным разделением (TDD) дуплексная схема представляет собой просто переключатель, который соединяет антенну с передатчиком или приемником, поэтому дуплексер в TDD представляет собой простой переключатель. В FDD передатчик и приемник работают одновременно, а дуплексер использует фильтры для изоляции приемника от сильного сигнала передатчика.
Дуплексер во входном каскаде сотового FDD обеспечивает изоляцию >~50 дБ в диапазоне восходящей линии связи для предотвращения перегрузки приемника сигналами Tx и изоляцию >~50 дБ в полосе нисходящей линии связи для предотвращения внеполосной передачи. Снижена чувствительность приемника. В диапазоне Rx потери в трактах передачи и приема минимальны.
Эти требования к низким потерям и высокой изоляции, когда частоты разделены всего на несколько процентов, требуют фильтрации с высокой добротностью, которая до сих пор может быть достигнута только с использованием устройств на поверхностных акустических волнах (SAW) или объемных акустических волнах (BAW).
Хотя технология продолжает развиваться, причем успехи во многом обусловлены большим количеством требуемых устройств, многодиапазонная работа означает отдельный внекристальный дуплексный фильтр для каждого диапазона, как показано на рисунке A. Все коммутаторы и маршрутизаторы также добавляют дополнительные функции с помощью штрафы за производительность и компромиссы.
Доступные глобальные телефоны, основанные на современных технологиях, слишком сложно производить. В результате радиоархитектура будет очень большой, с потерями и дорогой. Производителям приходится создавать несколько вариантов продуктов для разных комбинаций диапазонов, необходимых в разных регионах, что затрудняет безлимитный глобальный роуминг LTE. Экономии от масштаба, которая привела к доминированию GSM, становится все труднее достичь.
Растущий спрос на услуги высокоскоростной мобильной связи привел к развертыванию мобильных сетей 4G в 50 диапазонах частот, а по мере того, как 5G полностью определен и широко развернут, появится еще больше диапазонов. Из-за сложности радиочастотного интерфейса невозможно охватить все это в одном устройстве с использованием современных технологий на основе фильтров, поэтому требуются настраиваемые и реконфигурируемые радиочастотные схемы.
В идеале необходим новый подход к решению проблемы дуплекса, возможно, основанный на перестраиваемых фильтрах или подавлении собственных помех, или некоторой комбинации того и другого.
Хотя у нас пока нет единого подхода, отвечающего многочисленным требованиям стоимости, размера, производительности и эффективности, возможно, части головоломки соберутся воедино и через несколько лет окажутся у вас в кармане.
Такие технологии, как EBD с подавлением SI, могут открыть возможность использования одной и той же частоты в обоих направлениях одновременно, что может значительно улучшить спектральную эффективность.
Время публикации: 24 сентября 2024 г.