O'n yil oldin, smartfonlar odatda to'rtta GSM chastota diapazonida ishlaydigan bir nechta standartlarni va ehtimol bir nechta WCDMA yoki CDMA2000 standartlarini qo'llab-quvvatlagan. Tanlash uchun juda kam chastota diapazonlari bilan, 850/900/1800/1900 MGts diapazonlaridan foydalanadigan va dunyoning istalgan nuqtasida foydalanish mumkin bo'lgan "to'rt polosali" GSM telefonlari bilan ma'lum darajada global bir xillikka erishildi (yaxshi, deyarli).
Bu sayohatchilar uchun katta foyda va butun jahon bozori uchun bir nechta modellarni (yoki faqat bittasini) chiqarishi kerak bo'lgan qurilma ishlab chiqaruvchilari uchun ulkan miqyos iqtisodini yaratadi. Bugungi kunga kelib, GSM global roumingni ta'minlovchi yagona simsiz ulanish texnologiyasi bo'lib qolmoqda. Aytgancha, agar siz bilmagan bo'lsangiz, GSM asta-sekin o'chirilmoqda.
Nomga loyiq har qanday smartfon tarmoqli kengligi, uzatish quvvati, qabul qiluvchining sezgirligi va boshqa ko'plab parametrlar bo'yicha turli xil RF interfeysi talablari bilan 4G, 3G va 2G kirishni qo'llab-quvvatlashi kerak.
Bundan tashqari, global spektrning tarqoq mavjudligi sababli, 4G standartlari ko'p sonli chastota diapazonlarini qamrab oladi, shuning uchun operatorlar ularni istalgan hududda mavjud bo'lgan har qanday chastotalarda ishlatishlari mumkin - hozirda LTE1 standartlarida bo'lgani kabi jami 50 ta diapazon. Haqiqiy "dunyo telefoni" bu muhitlarning barchasida ishlashi kerak.
Har qanday uyali radio hal qilishi kerak bo'lgan asosiy muammo bu "dupleks aloqa". Gapirganda, biz bir vaqtning o'zida tinglaymiz. Ilk radio tizimlari push-to-talk-dan foydalangan (ba'zilari hali ham shunday), lekin biz telefonda gaplashganda, boshqa odam bizni to'xtatib qo'yishini kutamiz. Birinchi avlod (analog) uyali qurilmalar yuqoriga ulanishni boshqa chastotada uzatish orqali "hayratlanmasdan" pastga ulanishni olish uchun "dupleks filtrlar" (yoki duplekslar) dan foydalangan.
Ushbu filtrlarni kichikroq va arzonroq qilish birinchi telefon ishlab chiqaruvchilari uchun katta muammo edi. GSM joriy etilganda, protokol qabul qiluvchilar "yarim dupleks rejimida" ishlashi mumkin bo'lgan tarzda ishlab chiqilgan.
Bu duplekslarni yo'q qilishning juda aqlli usuli edi va GSM ning sanoatda hukmronlik qila oladigan (va jarayonda odamlarning muloqot qilish usulini o'zgartiradigan) arzon, asosiy texnologiyaga aylanishiga yordam beradigan asosiy omil bo'ldi.
Android operatsion tizimining ixtirochisi Endi Rubinning Essential telefoni Bluetooth 5.0LE, turli GSM/LTE va titan ramkaga yashiringan Wi-Fi antennasi kabi eng yangi ulanish funksiyalariga ega.
Afsuski, texnik muammolarni hal qilishdan olingan saboqlar 3G ning dastlabki kunlaridagi texno-siyosiy urushlarda tezda unutildi va hozirgi vaqtda chastotani taqsimlashning (FDD) dominant shakli u ishlaydigan har bir FDD diapazoni uchun duplekslashni talab qiladi. Hech shubha yo'qki, LTE bumi ko'tarilgan xarajat omillari bilan birga keladi.
Ba'zi diapazonlar Time Division Duplex yoki TDD (radio tezda uzatish va qabul qilish o'rtasida almashinadi) dan foydalanishi mumkin bo'lsa-da, bu diapazonlarning kamroq qismi mavjud. Aksariyat operatorlar (asosan Osiyo operatorlari bundan mustasno) 30 dan ortiq FDD diapazonini afzal ko'rishadi.
TDD va FDD spektrining merosi, chinakam global diapazonlarni bo'shatish qiyinligi va ko'proq diapazonli 5G ning paydo bo'lishi dupleks muammosini yanada murakkablashtiradi. Tekshirilayotgan istiqbolli usullar orasida filtrga asoslangan yangi dizaynlar va o'z-o'zidan aralashuvni bartaraf etish qobiliyati mavjud.
Ikkinchisi, shuningdek, "parchalarsiz" dupleksning (yoki "band ichidagi to'liq dupleks") qandaydir istiqbolli imkoniyatini ham olib keladi. 5G mobil aloqasining kelajagida biz nafaqat FDD va TDD, balki ushbu yangi texnologiyalarga asoslangan moslashuvchan dupleksni ham hisobga olishimiz kerak.
Daniyadagi Aalborg universiteti tadqiqotchilari uzatish va qabul qilish uchun alohida antennalardan foydalanadigan (18-betdagi rasmga qarang) va ushbu antennalarni (past unumdorlik) moslashtirilgan antennalar bilan birlashtirgan “Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 arxitekturasini ishlab chiqdilar. kerakli uzatish va qabul qilish izolyatsiyasiga erishish uchun filtrlash.
Ishlash ta'sirchan bo'lsa-da, ikkita antennaga bo'lgan ehtiyoj katta kamchilikdir. Telefonlar yupqaroq va silliqlashgani sayin, antennalar uchun mavjud bo'sh joy tobora kichrayib bormoqda.
Mobil qurilmalar, shuningdek, fazoviy multiplekslash (MIMO) uchun bir nechta antennalarni talab qiladi. SAFE arxitekturasi va 2×2 MIMO-ni qo‘llab-quvvatlaydigan mobil telefonlar faqat to‘rtta antennani talab qiladi. Bundan tashqari, ushbu filtrlar va antennalarning sozlash diapazoni cheklangan.
Shunday qilib, global mobil telefonlar barcha LTE chastota diapazonlarini (450 MGts dan 3600 MGts gacha) qamrab olish uchun ushbu interfeys arxitekturasini takrorlashi kerak bo'ladi, bu ko'proq antennalar, ko'proq antenna tyunerlari va ko'proq filtrlarni talab qiladi, bu bizni tez-tez beriladigan savollarga qaytaradi. komponentlarning takrorlanishi tufayli ko'p tarmoqli ishlash.
Planshet yoki noutbukda ko'proq antennalar o'rnatilishi mumkin bo'lsa-da, ushbu texnologiyani smartfonlar uchun mos qilish uchun sozlash va/yoki miniatyuralashtirish bo'yicha qo'shimcha yutuqlar talab etiladi.
Elektr balanslangan dupleks simli telefoniyaning dastlabki kunlaridan beri qo'llanila boshlandi17. Telefon tizimida mikrofon va eshitish vositasi telefon liniyasiga ulangan bo'lishi kerak, lekin foydalanuvchining o'z ovozi zaifroq kiruvchi audio signalni eshitmasligi uchun bir-biridan ajratilgan bo'lishi kerak. Bunga elektron telefonlar paydo bo'lishidan oldin gibrid transformatorlar yordamida erishilgan.
Quyidagi rasmda ko'rsatilgan dupleks sxemasi uzatish liniyasining empedansiga mos keladigan bir xil qiymatdagi rezistordan foydalanadi, shunda mikrofondan oqim transformatorga kirganda bo'linadi va birlamchi lasan orqali qarama-qarshi yo'nalishda oqadi. Magnit oqimlari samarali ravishda bekor qilinadi va ikkilamchi lasanda oqim paydo bo'lmaydi, shuning uchun ikkilamchi lasan mikrofondan ajratiladi.
Shu bilan birga, mikrofondan kelgan signal hali ham telefon liniyasiga boradi (bir oz yo'qolgan bo'lsa ham) va telefon liniyasidagi kiruvchi signal hali ham karnayga (shuningdek, biroz yo'qotish bilan) o'tib, bir xil telefon liniyasida ikki tomonlama aloqani ta'minlaydi. . . Metall sim.
Radio muvozanatli duplekslagich telefon duplekseriga o'xshaydi, lekin B rasmda ko'rsatilganidek, mikrofon, telefon va telefon simi o'rniga mos ravishda uzatuvchi, qabul qiluvchi va antenna ishlatiladi.
Transmitterni qabul qilgichdan ajratishning uchinchi usuli - bu o'z-o'zidan aralashuvni (SI) yo'q qilish, shu bilan uzatilgan signalni qabul qilingan signaldan chiqarib tashlash. Bir necha o'n yillar davomida radar va radioeshittirishda siqilish usullari qo'llanilgan.
Misol uchun, 1980-yillarning boshida Plessy yarim dupleks analog FM harbiy aloqa tarmoqlari diapazonini kengaytirish uchun "Groundsat" deb nomlangan SI kompensatsiyaga asoslangan mahsulotni ishlab chiqdi va sotdi4-5.
Tizim butun ish maydonida ishlatiladigan yarim dupleks radiolarning samarali diapazonini kengaytirib, to'liq dupleksli bitta kanalli takrorlovchi sifatida ishlaydi.
So'nggi paytlarda o'z-o'zidan shovqinlarni bostirishga qiziqish bor, asosan qisqa masofali aloqa (uyali va Wi-Fi) tendentsiyasi tufayli, bu uzatish quvvati pastligi va iste'molchi foydalanishi uchun yuqori quvvat qabul qilinishi tufayli SIni bostirish muammosini yanada qulayroq qiladi. . Simsiz ulanish va qayta yuklash ilovalari 6-8.
Apple iPhone (Qualcomm yordami bilan) dunyodagi eng yaxshi simsiz va LTE imkoniyatlariga ega bo'lib, bitta chipda 16 ta LTE diapazonini qo'llab-quvvatlaydi. Bu shuni anglatadiki, GSM va CDMA bozorlarini qoplash uchun faqat ikkita SKU ishlab chiqarish kerak.
Interferentsiyani almashishsiz dupleks ilovalarda o'z-o'zidan aralashuvni bostirish yuqoriga va pastga ulanishga bir xil spektr resurslarini almashish imkonini berish orqali spektr samaradorligini oshirishi mumkin9,10. O'z-o'zidan aralashuvni bostirish usullaridan FDD uchun maxsus duplekslarni yaratish uchun ham foydalanish mumkin.
Bekor qilishning o'zi odatda bir necha bosqichlardan iborat. Antenna va qabul qiluvchi o'rtasidagi yo'nalishli tarmoq uzatilgan va qabul qilingan signallarni ajratishning birinchi darajasini ta'minlaydi. Ikkinchidan, qabul qilingan signalda qolgan ichki shovqinlarni yo'q qilish uchun qo'shimcha analog va raqamli signalni qayta ishlash qo'llaniladi. Birinchi bosqichda alohida antenna (SAFEda bo'lgani kabi), gibrid transformator (quyida tasvirlangan) foydalanish mumkin;
Ajratilgan antennalar muammosi allaqachon tasvirlangan. Sirkulyatorlar odatda tor tarmoqli bo'ladi, chunki ular kristalda ferromagnit rezonansdan foydalanadilar. Ushbu gibrid texnologiya yoki elektr muvozanatli izolyatsiyasi (EBI) keng polosali bo'lishi mumkin bo'lgan va chipga potentsial integratsiyalangan istiqbolli texnologiyadir.
Quyidagi rasmda ko'rsatilganidek, aqlli antennaning old tomoni dizayni ikkita tor polosali sozlanishi mumkin bo'lgan antennalardan, biri uzatish va ikkinchisi qabul qilish uchun va bir juft pastroq, lekin sozlanishi dupleks filtrlardan foydalanadi. Individual antennalar nafaqat ular orasidagi tarqalishning yo'qolishi hisobiga passiv izolyatsiyani ta'minlabgina qolmay, balki cheklangan (lekin sozlanishi) lahzali tarmoqli kengligiga ham ega.
Uzatuvchi antenna faqat uzatuvchi chastota diapazonida samarali ishlaydi, qabul qiluvchi antenna esa faqat qabul qiluvchi chastota diapazonida samarali ishlaydi. Bunday holda, antennaning o'zi ham filtr vazifasini bajaradi: diapazondan tashqari Tx emissiyasi uzatuvchi antenna tomonidan susaytiriladi va Tx diapazonidagi o'z-o'zidan shovqin qabul qiluvchi antenna tomonidan zaiflashadi.
Shuning uchun arxitektura antennani sozlashni talab qiladi, bu esa antennani sozlash tarmog'idan foydalanish orqali erishiladi. Antennani sozlash tarmog'ida muqarrar ravishda kiritish yo'qolishi mavjud. Biroq, MEMS18 sozlanishi mumkin bo'lgan kondansatörlardagi so'nggi yutuqlar ushbu qurilmalarning sifatini sezilarli darajada yaxshiladi va shu bilan yo'qotishlarni kamaytiradi. Rx kiritish yo'qolishi taxminan 3 dB ni tashkil qiladi, bu SAW duplekseri va kalitining umumiy yo'qotishlari bilan solishtirish mumkin.
Keyinchalik antennaga asoslangan izolyatsiya antennadan 25 dB izolyatsiyaga va filtrdan 25 dB izolyatsiyaga erishish uchun MEM3 sozlanishi kondansatkichlarga asoslangan sozlanishi filtr bilan to'ldiriladi. Prototiplar bunga erishish mumkinligini ko'rsatdi.
Akademiya va sanoatdagi bir nechta tadqiqot guruhlari dupleks bosib chiqarish uchun duragaylardan foydalanishni o'rganmoqda11–16. Ushbu sxemalar bitta antennadan bir vaqtning o'zida uzatish va qabul qilish imkonini beruvchi, lekin uzatuvchi va qabul qiluvchini izolyatsiya qilish orqali SIni passiv ravishda yo'q qiladi. Ular tabiatan keng polosali va chipda amalga oshirilishi mumkin, bu ularni mobil qurilmalarda chastotali duplekslash uchun jozibador variantga aylantiradi.
So'nggi yutuqlar shuni ko'rsatdiki, EBI yordamida FDD qabul qiluvchilar CMOS (qo'shimcha metall oksidi yarimo'tkazgich) dan kiritish yo'qolishi, shovqin ko'rsatkichi, qabul qiluvchining chiziqliligi va uyali ilovalar uchun mos bo'lgan blokirovka bostirish xususiyatlari bilan ishlab chiqarilishi mumkin11,12,13. Biroq, akademik va ilmiy adabiyotlardagi ko'plab misollar ko'rsatganidek, dupleks izolyatsiyasiga ta'sir qiluvchi asosiy cheklov mavjud.
Radio antennaning empedansi qat'iy emas, lekin ish chastotasi (antenna rezonansi tufayli) va vaqt (o'zgaruvchan muhit bilan o'zaro ta'sir tufayli) bilan farq qiladi. Bu shuni anglatadiki, muvozanatlash impedansi impedans o'zgarishlarini kuzatishga moslashishi kerak va chastota domenidagi o'zgarishlar tufayli ajratish tarmoqli kengligi cheklangan13 (1-rasmga qarang).
Bristol universitetidagi ishimiz haqiqiy foydalanish holatlarida kerakli jo'natish/qabul qilish izolyatsiyasi va o'tkazish qobiliyatiga erishish mumkinligini ko'rsatish uchun ushbu ishlash cheklovlarini tekshirish va hal qilishga qaratilgan.
Antenna impedansining tebranishlarini (izolyatsiyaga jiddiy ta'sir ko'rsatadigan) engib o'tish uchun bizning adaptiv algoritmimiz real vaqt rejimida antenna impedansini kuzatib boradi va sinov shuni ko'rsatdiki, unumdorlikni turli dinamik muhitlarda, jumladan, foydalanuvchi qo'li bilan o'zaro aloqada va yuqori tezlikdagi avtomobil va temir yo'lda saqlab turish mumkin. sayohat.
Bundan tashqari, chastota domenidagi cheklangan antenna mosligini bartaraf etish va shu bilan o'tkazish qobiliyatini va umumiy izolyatsiyani oshirish uchun biz elektr muvozanatli duplekserni qo'shimcha faol SI bostirish bilan birlashtiramiz va o'z-o'zidan shovqinni yanada bostirish uchun bostirish signalini yaratish uchun ikkinchi transmitterdan foydalanamiz. (2-rasmga qarang).
Sinovimiz natijalari quvonarli: EBD bilan birlashganda, faol texnologiya 3-rasmda ko'rsatilganidek, uzatish va qabul qilish izolyatsiyasini sezilarli darajada yaxshilaydi.
Yakuniy laboratoriya o'rnatishimiz arzon narxlardagi mobil qurilma komponentlaridan (uyali telefon quvvat kuchaytirgichlari va antennalar) foydalanadi, bu esa uni mobil telefon ilovalarining vakili qiladi. Bundan tashqari, bizning o'lchovlarimiz shuni ko'rsatadiki, bu turdagi ikki bosqichli o'z-o'zidan aralashuvni rad etish, hatto arzon narxlardagi, tijorat darajasidagi uskunalardan foydalanganda ham yuqoriga va pastga ulanish chastota diapazonlarida kerakli dupleks izolyatsiyani ta'minlashi mumkin.
Uyali qurilma maksimal diapazonda oladigan signal kuchi u uzatadigan signal kuchidan 12 daraja past bo'lishi kerak. Time Division Duplex (TDD) da dupleks sxemasi oddiygina antennani uzatuvchi yoki qabul qilgichga ulaydigan kalit, shuning uchun TDDdagi duplekser oddiy kalitdir. FDD da uzatuvchi va qabul qiluvchi bir vaqtning o'zida ishlaydi va dupleksator qabul qiluvchini transmitterning kuchli signalidan ajratish uchun filtrlardan foydalanadi.
Uyali FDD old qismidagi dupleksator qabul qiluvchini Tx signallari bilan ortiqcha yuklanishini oldini olish uchun yuqoriga ulanish diapazonida >~50 dB izolyatsiyani va tarmoqdan tashqari uzatishni oldini olish uchun pastga ulanish diapazonida >~50 dB izolyatsiyani ta'minlaydi. Qabul qiluvchining sezgirligi pasaygan. Rx diapazonida uzatish va qabul qilish yo'llarida yo'qotishlar minimaldir.
Chastotalar faqat bir necha foizga ajratilgan bu past yo'qotish, yuqori izolyatsiya talablari yuqori Q filtrlashni talab qiladi, bunga hozirgacha faqat sirt akustik to'lqini (SAW) yoki tana akustik to'lqini (BAW) qurilmalari yordamida erishish mumkin.
Asosan talab qilinadigan qurilmalar sonining koʻpligi tufayli texnologiya rivojlanishda davom etayotgan boʻlsa-da, koʻp tarmoqli ishlash har bir tarmoqli uchun alohida chipdan tashqari dupleks filtrni bildiradi, rasm A da koʻrsatilganidek. Barcha kalitlar va marshrutizatorlar qoʻshimcha funksiyalarni ham qoʻshadi. ishlash jazolari va o'zaro kelishuvlar.
Mavjud texnologiyaga asoslangan arzon global telefonlarni ishlab chiqarish juda qiyin. Olingan radio arxitekturasi juda katta, yo'qotadigan va qimmat bo'ladi. Ishlab chiqaruvchilar turli hududlarda zarur bo'lgan turli xil birikmalar uchun bir nechta mahsulot variantlarini yaratishlari kerak, bu esa cheksiz global LTE roumingini qiyinlashtiradi. GSM ustunligiga olib kelgan miqyosdagi iqtisodlarga erishish tobora qiyinlashib bormoqda.
Yuqori tezlikdagi mobil aloqa xizmatlariga talabning ortishi 4G mobil tarmoqlarini 50 chastota diapazonida joylashtirishga olib keldi, 5G toʻliq aniqlangan va keng tarqalgan boʻlsa, yanada koʻproq diapazonlar paydo boʻladi. RF interfeysining murakkabligi tufayli bularning barchasini joriy filtrga asoslangan texnologiyalardan foydalangan holda bitta qurilmada qamrab olish mumkin emas, shuning uchun sozlanishi va qayta sozlanishi RF davrlari talab qilinadi.
Ideal holda, dupleks muammosini hal qilish uchun yangi yondashuv kerak, ehtimol sozlanishi filtrlar yoki o'z-o'zidan shovqinlarni bostirish yoki ikkalasining kombinatsiyasiga asoslangan.
Garchi bizda xarajat, o‘lcham, unumdorlik va samaradorlik bo‘yicha ko‘plab talablarga javob beradigan yagona yondashuv hali mavjud bo‘lmasa-da, ehtimol jumboqning qismlari birlashib, bir necha yil ichida cho‘ntagingizda bo‘ladi.
SI bostirish bilan EBD kabi texnologiyalar bir vaqtning o'zida ikkala yo'nalishda bir xil chastotadan foydalanish imkoniyatini ochib beradi, bu esa spektral samaradorlikni sezilarli darajada oshirishi mumkin.
Yuborilgan vaqt: 24-sentyabr, 2024-yil