Hai dez anos, os teléfonos intelixentes normalmente admitían só algúns estándares que operaban nas catro bandas de frecuencia GSM, e quizais algúns estándares WCDMA ou CDMA2000. Con tan poucas bandas de frecuencia para escoller, conseguiuse un certo grao de uniformidade global cos teléfonos GSM de "cuádruple banda", que usan as bandas de 850/900/1800/1900 MHz e poden usarse en calquera parte do mundo (ben, practicamente).
Este é un gran beneficio para os viaxeiros e crea enormes economías de escala para os fabricantes de dispositivos, que só precisan lanzar algúns modelos (ou quizais só un) para todo o mercado global. Avanzando ata hoxe, GSM segue sendo a única tecnoloxía de acceso sen fíos que ofrece itinerancia global. Por certo, se non o sabías, GSM estase eliminando gradualmente.
Calquera teléfono intelixente digno deste nome debe admitir o acceso 4G, 3G e 2G con diferentes requisitos de interface de RF en canto a ancho de banda, potencia de transmisión, sensibilidade do receptor e moitos outros parámetros.
Ademais, debido á dispoñibilidade fragmentada do espectro global, os estándares 4G cobren un gran número de bandas de frecuencia, polo que os operadores poden utilizalas en calquera frecuencia dispoñible en calquera área determinada, actualmente 50 bandas en total, como é o caso dos estándares LTE1. Un verdadeiro "teléfono mundial" debe funcionar en todos estes ambientes.
O problema clave que debe resolver calquera radio móbil é a "comunicación dúplex". Cando falamos, escoitamos ao mesmo tempo. Os primeiros sistemas de radio usaban o pulsar para falar (algúns aínda o fan), pero cando falamos por teléfono, esperamos que a outra persoa nos interrompa. Os dispositivos móbiles (analóxicos) de primeira xeración usaban "filtros dúplex" (ou duplexores) para recibir a ligazón descendente sen quedar "aturdidos" ao transmitir a ligazón ascendente nunha frecuencia diferente.
Facer estes filtros máis pequenos e baratos foi un gran desafío para os primeiros fabricantes de teléfonos. Cando se introduciu GSM, o protocolo foi deseñado para que os transceptores puidesen funcionar en "modo semidúplex".
Esta foi unha forma moi intelixente de eliminar os dúplex e foi un factor importante para axudar a GSM a converterse nunha tecnoloxía convencional de baixo custo capaz de dominar a industria (e de cambiar a forma en que a xente se comunicaba no proceso).
O teléfono Essential de Andy Rubin, o inventor do sistema operativo Android, presenta as últimas funcións de conectividade, incluíndo Bluetooth 5.0LE, varios GSM/LTE e unha antena Wi-Fi oculta nun marco de titanio.
Desafortunadamente, as leccións aprendidas coa resolución de problemas técnicos foron esquecidas rapidamente nas guerras tecno-políticas dos primeiros días da 3G, e a forma actualmente dominante de dúplex por división de frecuencia (FDD) require un dúplex para cada banda FDD na que opera. Non hai dúbida de que o boom LTE vén con factores de custo en aumento.
Aínda que algunhas bandas poden usar Time Division Duplex ou TDD (onde a radio cambia rapidamente entre a transmisión e a recepción), existen menos destas bandas. A maioría dos operadores (excepto principalmente os asiáticos) prefiren a gama FDD, dos cales hai máis de 30.
O legado do espectro TDD e FDD, a dificultade de liberar bandas verdadeiramente globais e a chegada do 5G con máis bandas fan que o problema do dúplex sexa aínda máis complexo. Os métodos prometedores en investigación inclúen novos deseños baseados en filtros e a capacidade de eliminar as autointerferencias.
Este último tamén trae consigo a posibilidade un tanto prometedora do dúplex "sen fragmentos" (ou "duplex completo en banda"). No futuro das comunicacións móbiles 5G, quizais teñamos que considerar non só FDD e TDD, senón tamén un dúplex flexible baseado nestas novas tecnoloxías.
Investigadores da Universidade de Aalborg en Dinamarca desenvolveron unha arquitectura "Smart Antenna Front End" (SAFE) 2-3 que usa (ver a ilustración na páxina 18) antenas separadas para a transmisión e recepción e combina estas antenas con (baixo rendemento) en combinación con elementos personalizables. filtrado para conseguir o illamento de transmisión e recepción desexado.
Aínda que o rendemento é impresionante, a necesidade de dúas antenas é un gran inconveniente. A medida que os teléfonos se fan máis finos e elegantes, o espazo dispoñible para as antenas é cada vez máis pequeno.
Os dispositivos móbiles tamén requiren varias antenas para a multiplexación espacial (MIMO). Os teléfonos móbiles con arquitectura SAFE e compatibilidade con MIMO 2×2 precisan só catro antenas. Ademais, o rango de sintonía destes filtros e antenas é limitado.
Polo tanto, os teléfonos móbiles globais tamén terán que replicar esta arquitectura de interface para cubrir todas as bandas de frecuencia LTE (450 MHz a 3600 MHz), o que requirirá máis antenas, máis sintonizadores de antenas e máis filtros, o que nos volve ás preguntas máis frecuentes sobre operación multibanda debido á duplicación de compoñentes.
Aínda que se poden instalar máis antenas nunha tableta ou portátil, son necesarios máis avances na personalización e/ou miniaturización para que esta tecnoloxía sexa apta para teléfonos intelixentes.
O dúplex equilibrado eléctricamente utilizouse dende os primeiros tempos da telefonía fría17. Nun sistema telefónico, o micrófono e o auricular deben estar conectados á liña telefónica, pero illados entre si para que a propia voz do usuario non enxordece o sinal de audio entrante máis débil. Isto conseguiuse mediante transformadores híbridos antes da chegada dos teléfonos electrónicos.
O circuíto dúplex que se mostra na figura seguinte usa unha resistencia do mesmo valor para coincidir coa impedancia da liña de transmisión, de xeito que a corrente do micrófono se divide ao entrar no transformador e flúe en direccións opostas pola bobina primaria. Os fluxos magnéticos son efectivamente cancelados e non se induce corrente na bobina secundaria, polo que a bobina secundaria está illada do micrófono.
Non obstante, o sinal do micrófono aínda vai á liña telefónica (aínda que con certa perda) e o sinal entrante na liña telefónica aínda vai ao altofalante (tamén con algunha perda), permitindo a comunicación bidireccional na mesma liña telefónica. . . Fío metálico.
Un dúplex equilibrado de radio é semellante a un dúplex de teléfono, pero en lugar dun micrófono, un auricular e un cable de teléfono, utilízanse un transmisor, un receptor e unha antena, respectivamente, como se mostra na Figura B.
Unha terceira forma de illar o transmisor do receptor é eliminar a autointerferencia (SI), restando así o sinal transmitido do sinal recibido. As técnicas de interferencia utilízanse no radar e na transmisión durante décadas.
Por exemplo, a principios da década de 1980, Plessy desenvolveu e comercializou un produto baseado na compensación SI chamado "Groundsat" para ampliar a gama de redes de comunicacións militares FM analóxicas semidúplex4-5.
O sistema actúa como un repetidor monocanal full-duplex, ampliando o alcance efectivo das radios half-duplex utilizadas en toda a área de traballo.
Houbo interese recentemente na supresión de autointerferencias, principalmente debido á tendencia cara ás comunicacións de curto alcance (celular e Wi-Fi), o que fai que o problema da supresión SI sexa máis manexable debido á menor potencia de transmisión e unha maior recepción de potencia para o uso do consumidor. . Aplicacións de acceso sen fíos e backhaul 6-8.
O iPhone de Apple (coa axuda de Qualcomm) sen dúbida ten as mellores capacidades sen fíos e LTE do mundo, soportando 16 bandas LTE nun só chip. Isto significa que só hai que producir dous SKU para cubrir os mercados GSM e CDMA.
Nas aplicacións dúplex sen compartir interferencias, a supresión de autointerferencias pode mellorar a eficiencia do espectro ao permitir que a ligazón ascendente e descendente compartan os mesmos recursos de espectro9,10. Tamén se poden usar técnicas de supresión de autointerferencias para crear duplexores personalizados para FDD.
A cancelación en si consta normalmente de varias etapas. A rede direccional entre a antena e o transceptor proporciona o primeiro nivel de separación entre os sinais transmitidos e recibidos. En segundo lugar, utilízase procesamento adicional de sinal analóxico e dixital para eliminar calquera ruído intrínseco restante no sinal recibido. A primeira etapa pode usar unha antena separada (como en SAFE), un transformador híbrido (descrito a continuación);
Xa se describiu o problema das antenas separadas. Os circuladores son normalmente de banda estreita porque usan resonancia ferromagnética no cristal. Esta tecnoloxía híbrida, ou Electrically Balanced Isolation (EBI), é unha tecnoloxía prometedora que pode ser de banda ancha e potencialmente integrada nun chip.
Como se mostra na figura seguinte, o deseño frontal da antena intelixente usa dúas antenas sintonizables de banda estreita, unha para transmitir e outra para recibir, e un par de filtros dúplex de menor rendemento pero sintonizables. As antenas individuais non só proporcionan certo illamento pasivo a costa da perda de propagación entre elas, senón que tamén teñen un ancho de banda instantáneo limitado (pero sintonizable).
A antena transmisora só funciona eficazmente na banda de frecuencias de transmisión e a antena receptora só funciona eficazmente na banda de frecuencias de recepción. Neste caso, a propia antena tamén actúa como un filtro: as emisións de Tx fóra da banda son atenuadas pola antena transmisora e as autointerferencias na banda de Tx son atenuadas pola antena receptora.
Polo tanto, a arquitectura require que a antena sexa sintonizable, o que se consegue mediante o uso dunha rede de sintonización de antenas. Hai algunha perda de inserción inevitable nunha rede de sintonización de antenas. Non obstante, os avances recentes nos capacitores sintonizables MEMS18 melloraron significativamente a calidade destes dispositivos, reducindo así as perdas. A perda de inserción de Rx é de aproximadamente 3 dB, o que é comparable ás perdas totais do dúplex e do interruptor SAW.
O illamento baseado na antena complétase entón cun filtro sintonizable, tamén baseado en capacitores sintonizables MEM3, para conseguir un illamento de 25 dB da antena e un illamento de 25 dB do filtro. Os prototipos demostraron que isto se pode conseguir.
Varios grupos de investigación da academia e da industria están a explorar o uso de híbridos para a impresión dúplex11–16. Estes esquemas eliminan pasivamente a SI ao permitir a transmisión e recepción simultáneas desde unha única antena, pero illando o transmisor e o receptor. Son de banda ancha por natureza e pódense implementar no chip, o que os converte nunha opción atractiva para a duplicación de frecuencias en dispositivos móbiles.
Os avances recentes demostraron que os transceptores FDD que usan EBI poden fabricarse a partir de CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) con perdas de inserción, cifra de ruído, linealidade do receptor e características de supresión de bloqueo adecuadas para aplicacións móbiles11,12,13. Non obstante, como demostran numerosos exemplos na literatura académica e científica, existe unha limitación fundamental que afecta ao illamento dúplex.
A impedancia dunha antena de radio non é fixa, senón que varía coa frecuencia de funcionamento (debido á resonancia da antena) e o tempo (debido á interacción cun ambiente cambiante). Isto significa que a impedancia de equilibrado debe adaptarse aos cambios de impedancia da pista, e o ancho de banda de desacoplamento está limitado debido aos cambios no dominio da frecuencia13 (ver Figura 1).
O noso traballo na Universidade de Bristol céntrase en investigar e abordar estas limitacións de rendemento para demostrar que o illamento e o rendemento necesarios para enviar/recibir se poden conseguir en casos de uso do mundo real.
Para superar as flutuacións da impedancia da antena (que afectan gravemente ao illamento), o noso algoritmo adaptativo rastrexa a impedancia da antena en tempo real e as probas demostraron que o rendemento pode manterse nunha variedade de ambientes dinámicos, incluíndo a interacción do usuario e as estradas e o ferrocarril de alta velocidade. viaxar.
Ademais, para superar a limitada coincidencia da antena no dominio da frecuencia, aumentando así o ancho de banda e o illamento global, combinamos un duplexor equilibrado eléctricamente cunha supresión SI activa adicional, utilizando un segundo transmisor para xerar un sinal de supresión para suprimir aínda máis as autointerferencias. (ver Figura 2).
Os resultados do noso banco de probas son alentadores: cando se combina con EBD, a tecnoloxía activa pode mellorar significativamente o illamento de transmisión e recepción, como se mostra na Figura 3.
A nosa configuración final do laboratorio utiliza compoñentes de dispositivos móbiles de baixo custo (amplificadores de potencia de teléfonos móbiles e antenas), o que o fai representativo das implementacións de teléfonos móbiles. Ademais, as nosas medicións mostran que este tipo de rexeitamento de autointerferencia en dúas etapas pode proporcionar o illamento dúplex necesario nas bandas de frecuencia de enlace ascendente e descendente, mesmo cando se usan equipos de calidade comercial de baixo custo.
A intensidade do sinal que recibe un dispositivo móbil no seu alcance máximo debe ser 12 ordes de magnitude inferior á intensidade do sinal que transmite. En Time Division Duplex (TDD), o circuíto dúplex é simplemente un interruptor que conecta a antena co transmisor ou receptor, polo que o dúplex en TDD é un simple interruptor. En FDD, o transmisor e o receptor funcionan simultáneamente e o duplexor usa filtros para illar o receptor do sinal forte do transmisor.
O dúplex na parte frontal do FDD móbil proporciona un illamento de > ~ 50 dB na banda de enlace ascendente para evitar a sobrecarga do receptor con sinais Tx, e un illamento de > ~ 50 dB na banda de enlace descendente para evitar a transmisión fóra da banda. Sensibilidade do receptor reducida. Na banda Rx, as perdas nos camiños de transmisión e recepción son mínimas.
Estes requisitos de baixa perda e alto illamento, onde as frecuencias están separadas só nun pouco por cento, requiren un filtrado de alta Q, que ata agora só se pode conseguir mediante dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW) ou ondas acústicas corporales (BAW).
Aínda que a tecnoloxía segue evolucionando, con avances en gran parte debido á gran cantidade de dispositivos necesarios, o funcionamento multibanda significa un filtro dúplex fóra de chip separado para cada banda, como se mostra na Figura A. Todos os conmutadores e enrutadores tamén engaden funcionalidades adicionales con penalizacións de rendemento e compensacións.
Os teléfonos globais accesibles baseados na tecnoloxía actual son demasiado difíciles de fabricar. A arquitectura de radio resultante será moi grande, con perdas e cara. Os fabricantes teñen que crear varias variantes de produtos para diferentes combinacións de bandas necesarias en diferentes rexións, o que dificulta a itinerancia LTE global ilimitada. As economías de escala que levaron ao dominio de GSM son cada vez máis difíciles de conseguir.
A crecente demanda de servizos móbiles de alta velocidade de datos levou ao despregamento de redes móbiles 4G en 50 bandas de frecuencia, con aínda máis bandas por vir a medida que o 5G estea totalmente definido e amplamente implantado. Debido á complexidade da interface de RF, non é posible cubrir todo isto nun único dispositivo utilizando as tecnoloxías actuais baseadas en filtros, polo que son necesarios circuítos de RF personalizables e reconfigurables.
Idealmente, é necesario un novo enfoque para resolver o problema dúplex, quizais baseado en filtros axustables ou supresión de autointerferencias, ou algunha combinación de ambos.
Aínda que aínda non temos un enfoque único que satisfaga as moitas demandas de custo, tamaño, rendemento e eficiencia, quizais as pezas do crebacabezas se xunten e estean no teu peto nuns anos.
Tecnoloxías como EBD con supresión SI poden abrir a posibilidade de usar a mesma frecuencia en ambas direccións simultaneamente, o que pode mellorar significativamente a eficiencia espectral.
Hora de publicación: 24-09-2024