Tien jaar geleden ondersteunden smartphones doorgaans slechts een paar standaarden die actief waren in de vier GSM-frequentiebanden, en misschien een paar WCDMA- of CDMA2000-standaarden. Met zo weinig frequentiebanden om uit te kiezen, is er een zekere mate van mondiale uniformiteit bereikt met “quad-band” GSM-telefoons, die de 850/900/1800/1900 MHz-banden gebruiken en overal ter wereld kunnen worden gebruikt (nou ja, vrijwel).
Dit is een enorm voordeel voor reizigers en creëert enorme schaalvoordelen voor apparaatfabrikanten, die slechts een paar modellen (of misschien slechts één) hoeven uit te brengen voor de hele wereldmarkt. Snel vooruit naar vandaag: GSM blijft de enige draadloze toegangstechnologie die wereldwijde roaming mogelijk maakt. Trouwens, als je het nog niet wist: GSM wordt geleidelijk uitgefaseerd.
Elke smartphone die deze naam waardig is, moet 4G-, 3G- en 2G-toegang ondersteunen met variërende RF-interfacevereisten op het gebied van bandbreedte, zendvermogen, ontvangergevoeligheid en vele andere parameters.
Bovendien bestrijken 4G-standaarden, vanwege de gefragmenteerde beschikbaarheid van het mondiale spectrum, een groot aantal frequentiebanden, zodat operators ze kunnen gebruiken op alle beschikbare frequenties in een bepaald gebied – momenteel 50 banden in totaal, zoals het geval is met LTE1-standaarden. Een echte ‘wereldtelefoon’ moet in al deze omgevingen werken.
Het belangrijkste probleem dat elke mobiele radio moet oplossen is ‘duplexcommunicatie’. Als we spreken, luisteren we tegelijkertijd. Vroege radiosystemen gebruikten push-to-talk (sommige doen dat nog steeds), maar als we aan de telefoon praten, verwachten we dat de andere persoon ons onderbreekt. Eerste generatie (analoge) mobiele apparaten gebruikten “duplexfilters” (of duplexers) om de downlink te ontvangen zonder te worden “verdoofd” door de uplink op een andere frequentie uit te zenden.
Het kleiner en goedkoper maken van deze filters was een grote uitdaging voor de vroege telefoonfabrikanten. Toen GSM werd geïntroduceerd, was het protocol zo ontworpen dat zendontvangers in “half duplex-modus” konden werken.
Dit was een heel slimme manier om duplexers te elimineren, en was een belangrijke factor in het helpen van GSM om een goedkope, mainstream-technologie te worden die in staat was de industrie te domineren (en daarbij de manier waarop mensen communiceerden te veranderen).
De Essential-telefoon van Andy Rubin, de uitvinder van het Android-besturingssysteem, beschikt over de nieuwste connectiviteitsfuncties, waaronder Bluetooth 5.0LE, diverse GSM/LTE en een Wi-Fi-antenne verborgen in een titanium frame.
Helaas werden de lessen die zijn geleerd bij het oplossen van technische problemen snel vergeten in de techno-politieke oorlogen van de begindagen van 3G, en de momenteel dominante vorm van Frequency Division Duplexing (FDD) vereist een duplexer voor elke FDD-band waarin deze actief is. Het lijdt geen twijfel dat de LTE-boom gepaard gaat met stijgende kostenfactoren.
Hoewel sommige banden Time Division Duplex of TDD kunnen gebruiken (waarbij de radio snel schakelt tussen zenden en ontvangen), bestaan er minder van deze banden. De meeste operators (behalve vooral Aziatische) geven de voorkeur aan het FDD-assortiment, waarvan er meer dan 30 zijn.
De erfenis van het TDD- en FDD-spectrum, de moeilijkheid om werkelijk mondiale banden vrij te maken en de komst van 5G met meer banden maken het duplexprobleem nog complexer. Veelbelovende methoden die momenteel worden onderzocht, zijn onder meer nieuwe, op filters gebaseerde ontwerpen en de mogelijkheid om zelfinterferentie te elimineren.
Dit laatste brengt ook de enigszins veelbelovende mogelijkheid van “fragmentloze” duplex (of “in-band full duplex”) met zich mee. In de toekomst van 5G mobiele communicatie moeten we wellicht niet alleen rekening houden met FDD en TDD, maar ook met flexibele duplex op basis van deze nieuwe technologieën.
Onderzoekers van de Universiteit van Aalborg in Denemarken hebben een “Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 architectuur ontwikkeld die gebruik maakt (zie illustratie op pagina 18) van afzonderlijke antennes voor transmissie en ontvangst en deze antennes combineert met (lage prestaties) in combinatie met aanpasbare filtering om de gewenste zend- en ontvangstisolatie te bereiken.
Hoewel de prestaties indrukwekkend zijn, is de behoefte aan twee antennes een groot nadeel. Naarmate telefoons dunner en slanker worden, wordt de beschikbare ruimte voor antennes steeds kleiner.
Mobiele apparaten hebben ook meerdere antennes nodig voor ruimtelijke multiplexing (MIMO). Mobiele telefoons met SAFE-architectuur en 2×2 MIMO-ondersteuning hebben slechts vier antennes nodig. Bovendien is het afstembereik van deze filters en antennes beperkt.
Wereldwijde mobiele telefoons zullen deze interface-architectuur dus ook moeten repliceren om alle LTE-frequentiebanden (450 MHz tot 3600 MHz) te bestrijken, waarvoor meer antennes, meer antennetuners en meer filters nodig zullen zijn, wat ons terugbrengt bij de veelgestelde vragen over multi-band werking vanwege duplicatie van componenten.
Hoewel er meer antennes in een tablet of laptop kunnen worden geïnstalleerd, zijn verdere ontwikkelingen op het gebied van maatwerk en/of miniaturisatie nodig om deze technologie geschikt te maken voor smartphones.
Elektrisch gebalanceerde duplex wordt gebruikt sinds de begindagen van vaste telefonie17. In een telefoonsysteem moeten de microfoon en het oorstuk op de telefoonlijn zijn aangesloten, maar van elkaar worden geïsoleerd, zodat de eigen stem van de gebruiker het zwakkere binnenkomende audiosignaal niet verdooft. Dit werd bereikt met behulp van hybride transformatoren vóór de komst van elektronische telefoons.
Het duplexcircuit in de onderstaande afbeelding gebruikt een weerstand van dezelfde waarde om de impedantie van de transmissielijn aan te passen, zodat de stroom van de microfoon zich splitst wanneer deze de transformator binnenkomt en in tegengestelde richtingen door de primaire spoel stroomt. De magnetische fluxen worden effectief geëlimineerd en er wordt geen stroom geïnduceerd in de secundaire spoel, dus de secundaire spoel is geïsoleerd van de microfoon.
Het signaal van de microfoon gaat echter nog steeds naar de telefoonlijn (zij het met enig verlies), en het binnenkomende signaal op de telefoonlijn gaat nog steeds naar de luidspreker (ook met enig verlies), waardoor tweerichtingscommunicatie op dezelfde telefoonlijn mogelijk is. . . Metalen draad.
Een radiogebalanceerde duplexer is vergelijkbaar met een telefoonduplexer, maar in plaats van een microfoon, hoorn en telefoondraad worden respectievelijk een zender, ontvanger en antenne gebruikt, zoals weergegeven in afbeelding B.
Een derde manier om de zender van de ontvanger te isoleren is door zelfinterferentie (SI) te elimineren, waardoor het verzonden signaal wordt afgetrokken van het ontvangen signaal. Jammingtechnieken worden al tientallen jaren gebruikt in radar- en omroeporganisaties.
Begin jaren tachtig ontwikkelde en bracht Plessy bijvoorbeeld een op SI-compensatie gebaseerd product genaamd “Groundsat” op de markt, om het bereik van half-duplex analoge FM-militaire communicatienetwerken uit te breiden4-5.
Het systeem fungeert als een full-duplex enkelkanaals repeater, waardoor het effectieve bereik van half-duplex radio's die in het hele werkgebied worden gebruikt, wordt vergroot.
Er is recentelijk belangstelling geweest voor het onderdrukken van zelfinterferentie, voornamelijk als gevolg van de trend naar communicatie over korte afstanden (mobiel en Wi-Fi), waardoor het probleem van SI-onderdrukking beter beheersbaar wordt vanwege het lagere zendvermogen en de hogere vermogensontvangst voor consumentengebruik. . Draadloze toegang en backhaul-toepassingen 6-8.
Apple's iPhone (met hulp van Qualcomm) heeft aantoonbaar de beste draadloze en LTE-mogelijkheden ter wereld en ondersteunt 16 LTE-banden op één enkele chip. Dit betekent dat er slechts twee SKU's hoeven te worden geproduceerd om de GSM- en CDMA-markten te bestrijken.
In duplextoepassingen zonder het delen van interferentie kan onderdrukking van zelfinterferentie de spectrumefficiëntie verbeteren door de uplink en downlink dezelfde spectrumbronnen te laten delen9,10. Onderdrukkingstechnieken voor zelfinterferentie kunnen ook worden gebruikt om aangepaste duplexers voor FDD te maken.
De annulering zelf bestaat meestal uit verschillende fasen. Het directionele netwerk tussen de antenne en de zendontvanger zorgt voor het eerste scheidingsniveau tussen de verzonden en ontvangen signalen. Ten tweede wordt aanvullende analoge en digitale signaalverwerking gebruikt om eventuele resterende intrinsieke ruis in het ontvangen signaal te elimineren. De eerste trap kan een afzonderlijke antenne gebruiken (zoals in SAFE), een hybride transformator (hieronder beschreven);
Het probleem van losse antennes is al beschreven. Circulatoren zijn doorgaans smalbandig omdat ze gebruik maken van ferromagnetische resonantie in het kristal. Deze hybride technologie, of Electrically Balanced Isolation (EBI), is een veelbelovende technologie die breedbandig kan zijn en mogelijk op een chip kan worden geïntegreerd.
Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, maakt het front-endontwerp van de slimme antenne gebruik van twee afstembare smalbandantennes, één voor zenden en één voor ontvangen, en een paar minder presterende maar afstembare duplexfilters. Individuele antennes bieden niet alleen enige passieve isolatie ten koste van voortplantingsverlies daartussen, maar hebben ook een beperkte (maar afstembare) onmiddellijke bandbreedte.
De zendantenne werkt alleen effectief in de zendfrequentieband, en de ontvangstantenne werkt alleen effectief in de ontvangstfrequentieband. In dit geval fungeert de antenne zelf ook als filter: Tx-emissies buiten de band worden verzwakt door de zendantenne, en zelfinterferentie in de Tx-band wordt verzwakt door de ontvangende antenne.
Daarom vereist de architectuur dat de antenne afstembaar is, wat wordt bereikt door gebruik te maken van een antenneafstemmingsnetwerk. Er is een onvermijdelijk invoegverlies in een antenneafstemmingsnetwerk. Recente ontwikkelingen op het gebied van afstembare MEMS18-condensatoren hebben de kwaliteit van deze apparaten echter aanzienlijk verbeterd, waardoor de verliezen zijn verminderd. Het Rx-insertieverlies bedraagt ongeveer 3 dB, wat vergelijkbaar is met de totale verliezen van de SAW-duplexer en switch.
De antennegebaseerde isolatie wordt vervolgens aangevuld met een afstembaar filter, ook gebaseerd op afstembare MEM3-condensatoren, om een isolatie van 25 dB van de antenne en 25 dB isolatie van het filter te bereiken. Prototypes hebben aangetoond dat dit mogelijk is.
Verschillende onderzoeksgroepen in de academische wereld en de industrie onderzoeken het gebruik van hybriden voor dubbelzijdig printen11–16. Deze schema's elimineren passief SI door gelijktijdige verzending en ontvangst van een enkele antenne mogelijk te maken, maar de zender en ontvanger te isoleren. Ze zijn breedbandig van aard en kunnen op de chip worden geïmplementeerd, waardoor ze een aantrekkelijke optie zijn voor frequentieduplexing in mobiele apparaten.
Recente ontwikkelingen hebben aangetoond dat FDD-transceivers die EBI gebruiken, kunnen worden vervaardigd uit CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) met invoegverlies, ruisgetal, lineariteit van de ontvanger en blokkeringsonderdrukkingskarakteristieken die geschikt zijn voor mobiele toepassingen11,12,13. Zoals talrijke voorbeelden in de academische en wetenschappelijke literatuur aantonen, is er echter een fundamentele beperking die de duplexisolatie beïnvloedt.
De impedantie van een radioantenne is niet vast, maar varieert met de werkfrequentie (als gevolg van antenneresonantie) en de tijd (als gevolg van interactie met een veranderende omgeving). Dit betekent dat de balanceringsimpedantie zich moet aanpassen aan veranderingen in de spoorimpedantie, en dat de ontkoppelingsbandbreedte beperkt is als gevolg van veranderingen in het frequentiedomein (zie figuur 1).
Ons werk aan de Universiteit van Bristol is gericht op het onderzoeken en aanpakken van deze prestatiebeperkingen om aan te tonen dat de vereiste isolatie voor verzenden/ontvangen en doorvoer kunnen worden bereikt in praktijksituaties.
Om fluctuaties in de antenne-impedantie (die een ernstige impact hebben op de isolatie) te ondervangen, volgt ons adaptieve algoritme de antenne-impedantie in realtime. Uit tests is gebleken dat de prestaties kunnen worden gehandhaafd in een verscheidenheid aan dynamische omgevingen, waaronder interactie door gebruikers en hogesnelheidswegen en spoorwegen. reis.
Om de beperkte antennematching in het frequentiedomein te overwinnen, waardoor de bandbreedte en de algehele isolatie toenemen, combineren we bovendien een elektrisch gebalanceerde duplexer met extra actieve SI-onderdrukking, waarbij we een tweede zender gebruiken om een onderdrukkingssignaal te genereren om zelfinterferentie verder te onderdrukken. (zie figuur 2).
De resultaten van ons testbed zijn bemoedigend: in combinatie met EBD kan actieve technologie de zend- en ontvangstisolatie aanzienlijk verbeteren, zoals weergegeven in figuur 3.
Onze uiteindelijke laboratoriumopstelling maakt gebruik van goedkope componenten van mobiele apparaten (eindversterkers en antennes voor mobiele telefoons), waardoor deze representatief zijn voor implementaties van mobiele telefoons. Bovendien laten onze metingen zien dat dit soort tweetraps-onderdrukking van zelfinterferentie de vereiste duplex-isolatie kan bieden in de uplink- en downlink-frequentiebanden, zelfs bij gebruik van goedkope, commerciële apparatuur.
De signaalsterkte die een mobiel apparaat op zijn maximale bereik ontvangt, moet twaalf ordes van grootte lager zijn dan de signaalsterkte die het verzendt. In Time Division Duplex (TDD) is het duplexcircuit eenvoudigweg een schakelaar die de antenne met de zender of ontvanger verbindt, dus de duplexer in TDD is een eenvoudige schakelaar. Bij FDD werken de zender en de ontvanger gelijktijdig, en gebruikt de duplexer filters om de ontvanger te isoleren van het sterke signaal van de zender.
De duplexer in het cellulaire FDD-front-end biedt >~50 dB isolatie in de uplink-band om overbelasting van de ontvanger met Tx-signalen te voorkomen, en >~50 dB isolatie in de downlink-band om out-of-band transmissie te voorkomen. Verminderde gevoeligheid van de ontvanger. In de Rx-band zijn de verliezen in de zend- en ontvangstpaden minimaal.
Deze vereisten met weinig verlies en hoge isolatie, waarbij frequenties slechts een paar procent van elkaar verwijderd zijn, vereisen filtering met een hoge Q, die tot nu toe alleen kan worden bereikt met behulp van apparaten voor oppervlakte-akoestische golven (SAW) of lichaamsakoestische golven (BAW).
Terwijl de technologie blijft evolueren, waarbij de vooruitgang grotendeels te danken is aan het grote aantal benodigde apparaten, betekent multibandwerking een afzonderlijk off-chip duplexfilter voor elke band, zoals weergegeven in afbeelding A. Alle switches en routers voegen ook extra functionaliteit toe met prestatieboetes en trade-offs.
Betaalbare mondiale telefoons op basis van de huidige technologie zijn te moeilijk te produceren. De resulterende radioarchitectuur zal zeer groot, verlieslatend en duur zijn. Fabrikanten moeten meerdere productvarianten creëren voor verschillende combinaties van banden die nodig zijn in verschillende regio's, waardoor onbeperkte wereldwijde LTE-roaming moeilijk wordt. De schaalvoordelen die tot de dominantie van GSM hebben geleid, worden steeds moeilijker te verwezenlijken.
De toenemende vraag naar mobiele diensten met hoge datasnelheid heeft geleid tot de inzet van mobiele 4G-netwerken over 50 frequentiebanden, en er zullen nog meer banden volgen naarmate 5G volledig is gedefinieerd en op grote schaal wordt ingezet. Vanwege de complexiteit van de RF-interface is het niet mogelijk om dit allemaal in één apparaat te dekken met behulp van de huidige, op filters gebaseerde technologieën, dus zijn aanpasbare en herconfigureerbare RF-circuits vereist.
Idealiter is er een nieuwe aanpak nodig om het duplexprobleem op te lossen, misschien gebaseerd op afstembare filters of onderdrukking van zelfinterferentie, of een combinatie van beide.
Hoewel we nog geen enkele aanpak hebben die voldoet aan de vele eisen op het gebied van kosten, omvang, prestaties en efficiëntie, zullen de puzzelstukjes misschien wel samenkomen en binnen een paar jaar in uw zak zitten.
Technologieën zoals EBD met SI-onderdrukking kunnen de mogelijkheid openen om dezelfde frequentie tegelijkertijd in beide richtingen te gebruiken, wat de spectrale efficiëntie aanzienlijk kan verbeteren.
Posttijd: 24 september 2024