Он жыл бұрын смартфондар әдетте төрт GSM жиілік диапазонында жұмыс істейтін бірнеше стандарттарға және мүмкін бірнеше WCDMA немесе CDMA2000 стандарттарына қолдау көрсетті. Таңдау үшін соншалықты аз жиілік диапазоны болғандықтан, 850/900/1800/1900 МГц жолақтарын пайдаланатын және әлемнің кез келген жерінде пайдалануға болатын «төрт жолақты» GSM телефондарымен белгілі дәрежеде жаһандық біркелкілікке қол жеткізілді (жақсы, өте көп).
Бұл саяхатшылар үшін үлкен пайда және бүкіл әлемдік нарық үшін бірнеше үлгіні (немесе бір ғана) шығаруы қажет құрылғы өндірушілері үшін ауқымды экономиканы жасайды. Бүгінгі таңда GSM жаһандық роумингті қамтамасыз ететін жалғыз сымсыз қол жеткізу технологиясы болып қала береді. Айтпақшы, егер сіз білмесеңіз, GSM біртіндеп жойылуда.
Атауға лайық кез келген смартфон өткізу қабілеттілігі, тарату қуаты, қабылдағыш сезімталдығы және басқа да көптеген параметрлер бойынша әртүрлі РЖ интерфейс талаптарымен 4G, 3G және 2G қолжетімділігін қолдауы керек.
Бұған қоса, жаһандық спектрдің бөлшектелген қолжетімділігіне байланысты 4G стандарттары жиілік диапазондарының үлкен санын қамтиды, сондықтан операторлар оларды кез келген аймақта қол жетімді кез келген жиіліктерде пайдалана алады – қазіргі уақытта LTE1 стандарттарындағыдай барлығы 50 жолақ. Нағыз «әлемдік телефон» осы орталардың барлығында жұмыс істеуі керек.
Кез келген ұялы радио шешуге тиіс негізгі мәселе – «дуплексті байланыс». Сөйлегенде бір уақытта тыңдаймыз. Ертедегі радиожүйелер push-to talk функциясын пайдаланды (кейбіреулері әлі де қолданады), бірақ біз телефонмен сөйлескен кезде, біз басқа адам бізге кедергі жасайды деп күтеміз. Бірінші буынның (аналогтық) ұялы құрылғылары жоғары қосылымды басқа жиілікте жіберу арқылы төмен байланысты «таңқалтпай» алу үшін «дуплексті сүзгілерді» (немесе дуплексорларды) пайдаланды.
Бұл сүзгілерді кішірейту және арзанырақ ету ерте телефон өндірушілері үшін үлкен қиындық болды. GSM енгізілген кезде, хаттама трансиверлер «жартылай дуплексті режимде» жұмыс істей алатындай етіп жасалған.
Бұл дуплексерлерді жоюдың өте ақылды жолы болды және GSM-тің салада үстемдік ете алатын (және процесте адамдардың байланысу тәсілін өзгертуге) қабілетті арзан, негізгі технологияға айналуына көмектесетін негізгі фактор болды.
Android операциялық жүйесінің өнертапқышы Энди Рубиннің Essential телефоны Bluetooth 5.0LE, әртүрлі GSM/LTE және титан жақтауында жасырылған Wi-Fi антеннасын қоса алғанда, соңғы қосылым мүмкіндіктерін ұсынады.
Өкінішке орай, техникалық мәселелерді шешуден алынған сабақтар 3G-тің алғашқы күндеріндегі техно-саяси соғыстарда тез ұмытылды және қазіргі уақытта жиілікті бөлу дуплекстеудің (FDD) басым түрі ол жұмыс істейтін әрбір FDD диапазоны үшін дуплексерді қажет етеді. LTE бумының қымбаттау факторларымен келетіні сөзсіз.
Кейбір жолақтар Time Division Duplex немесе TDD (радио жіберу мен қабылдау арасында жылдам ауысады) пайдалана алатынымен, бұл жолақтардың саны азырақ. Көптеген операторлар (негізінен азиялықтарды қоспағанда) 30-дан астам FDD диапазонын қалайды.
TDD және FDD спектрінің мұрасы, шынымен жаһандық жолақтарды босатудың қиындығы және көбірек диапазондармен 5G пайда болуы дуплекс мәселесін одан сайын күрделірек етеді. Тергеудегі перспективалы әдістерге жаңа сүзгіге негізделген конструкциялар және өзіндік кедергілерді жою мүмкіндігі кіреді.
Соңғысы сонымен бірге «үзіндісіз» дуплекстің (немесе «жолақты толық дуплекстің») біршама перспективалы мүмкіндігін әкеледі. 5G ұялы байланысының болашағында бізге тек FDD және TDD ғана емес, сонымен қатар осы жаңа технологияларға негізделген икемді дуплексті де қарастыруға тура келуі мүмкін.
Даниядағы Олборг университетінің зерттеушілері жіберу және қабылдау үшін бөлек антенналарды пайдаланатын (18-беттегі суретті қараңыз) және осы антенналарды (төмен өнімділікпен) теңшелетін құрылғылармен біріктіретін «Smart Antenna Front End» (SAFE)2-3 архитектурасын әзірледі. қажетті жіберу және қабылдау оқшаулауына қол жеткізу үшін сүзгілеу.
Өнімділік әсерлі болғанымен, екі антеннаның қажеттілігі үлкен кемшілік болып табылады. Телефондар жұқа және тегіс болған сайын, антенналар үшін бос орын азайып барады.
Сондай-ақ, мобильді құрылғылар кеңістіктік мультиплекстеу (MIMO) үшін бірнеше антеннаны қажет етеді. SAFE архитектурасы және 2×2 MIMO қолдауы бар ұялы телефондар тек төрт антеннаны қажет етеді. Сонымен қатар, бұл сүзгілер мен антенналардың баптау диапазоны шектеулі.
Сонымен, ғаламдық ұялы телефондар барлық LTE жиілік диапазондарын (450 МГц-тен 3600 МГц-ке дейін) қамту үшін осы интерфейс архитектурасын қайталауы керек, бұл көбірек антенналарды, антенна тюнерлерін және көбірек сүзгілерді қажет етеді, бұл бізді жиі қойылатын сұрақтарға қайтарады. компоненттердің қайталануына байланысты көп жолақты жұмыс.
Планшетке немесе ноутбукке көбірек антенналарды орнатуға болатынына қарамастан, бұл технологияны смартфондар үшін қолайлы ету үшін теңшеу және/немесе кішірейту бойынша қосымша жетістіктер қажет.
Электрлік теңдестірілген дуплекс сымды телефонияның алғашқы күндерінен бастап қолданыла бастады17. Телефон жүйесінде микрофон мен құлаққап телефон желісіне қосылуы керек, бірақ пайдаланушының өз даусы әлсіз түсетін дыбыс сигналын естімеу үшін бір-бірінен оқшауланған болуы керек. Бұған электронды телефондар пайда болғанға дейін гибридті трансформаторларды қолдану арқылы қол жеткізілді.
Төмендегі суретте көрсетілген дуплексті схема микрофоннан келетін ток трансформаторға кірген кезде екіге бөлініп, бастапқы катушка арқылы қарама-қарсы бағытта ағып кетуі үшін тарату желісінің кедергісіне сәйкес келетін бірдей мәндегі резисторды пайдаланады. Магниттік ағындар тиімді түрде жойылады және екіншілік катушкада ток индукцияланбайды, сондықтан екіншілік катушкалар микрофоннан оқшауланады.
Дегенмен, микрофон сигналы бұрынғысынша телефон желісіне түседі (біраз жоғалтумен), ал телефон желісіндегі кіріс сигнал бұрынғысынша динамикке түседі (сонымен бірге аздап жоғалып), бір телефон желісінде екі жақты байланыс орнатуға мүмкіндік береді. . . Металл сым.
Радио теңдестірілген дуплексер телефон дуплексеріне ұқсас, бірақ В суретінде көрсетілгендей микрофон, телефон тұтқасы және телефон сымының орнына тиісінше таратқыш, қабылдағыш және антенна қолданылады.
Таратқышты қабылдағыштан оқшаулаудың үшінші жолы - өздігінен кедергілерді (СИ) жою, осылайша қабылданған сигналдан жіберілген сигналды алып тастау. Кептелу әдістері ондаған жылдар бойы радар мен хабар таратуда қолданылған.
Мысалы, 1980 жылдардың басында Плесси жартылай дуплексті аналогтық FM әскери байланыс желілерінің ауқымын кеңейту үшін «Groundsat» деп аталатын SI өтемақысына негізделген өнімді әзірледі және сатты4-5.
Жүйе толық дуплексті бір арналы қайталағыш ретінде әрекет етеді, жұмыс аймағында қолданылатын жартылай дуплексті радиолардың тиімді диапазонын кеңейтеді.
Жақында, негізінен, қысқа қашықтықтағы байланысқа (ұялы және Wi-Fi) тенденцияға байланысты, өз-өзіне кедергілерді жоюға қызығушылық пайда болды, бұл төменірек жіберу қуаты мен тұтынушы пайдалану үшін жоғары қуат қабылдауына байланысты SI-ны басу мәселесін басқаруға болады. . Сымсыз қатынас және кері тасымалдау қолданбалары 6-8.
Apple компаниясының iPhone телефоны (Qualcomm көмегімен) бір чипте 16 LTE жолағын қолдайтын әлемдегі ең жақсы сымсыз және LTE мүмкіндіктеріне ие. Бұл GSM және CDMA нарықтарын қамту үшін тек екі SKU шығару керек дегенді білдіреді.
Кедергілерді бөлісусіз дуплексті қолданбаларда өздігінен кедергілерді басу жоғары және төмен байланысқа бірдей спектр ресурстарын ортақ пайдалануға мүмкіндік беру арқылы спектрдің тиімділігін жақсартады9,10. Өздігінен кедергілерді басу әдістерін FDD үшін теңшелетін дуплексерлерді жасау үшін де пайдалануға болады.
Бас тартудың өзі әдетте бірнеше кезеңнен тұрады. Антенна мен трансивер арасындағы бағытталған желі жіберілетін және қабылданған сигналдар арасындағы бірінші деңгейді бөлуді қамтамасыз етеді. Екіншіден, қабылданған сигналда қалған ішкі шуды жою үшін қосымша аналогтық және цифрлық сигналды өңдеу қолданылады. Бірінші кезеңде бөлек антенна (SAFE-дегідей), гибридті трансформатор (төменде сипатталған) қолданылуы мүмкін;
Бөлінген антенналардың мәселесі қазірдің өзінде сипатталған. Циркуляторлар әдетте тар жолақты, өйткені олар кристалда ферромагниттік резонансты пайдаланады. Бұл гибридті технология немесе электрлік теңдестірілген оқшаулау (EBI) - кең жолақты болуы мүмкін және чипте ықтимал біріктірілген перспективалы технология.
Төмендегі суретте көрсетілгендей, смарт антеннаның алдыңғы жағындағы дизайн екі тар жолақты реттелетін антеннаны пайдаланады, біреуі жіберуге және екіншісі қабылдауға арналған және өнімділігі төмен, бірақ реттелетін дуплексті сүзгілердің жұбы. Жеке антенналар олардың арасындағы таралуды жоғалту құны бойынша кейбір пассивті оқшаулауды қамтамасыз етіп қана қоймайды, сонымен қатар шектеулі (бірақ реттелетін) лездік өткізу қабілеттілігіне ие.
Таратушы антенна тек тарату жиілік диапазонында тиімді жұмыс істейді, ал қабылдау антеннасы тек қабылдау жиілік диапазонында тиімді жұмыс істейді. Бұл жағдайда антеннаның өзі де фильтр қызметін атқарады: жолақтан тыс Tx эмиссиялары таратушы антенна арқылы әлсіретіледі, ал Tx диапазонындағы өзіндік кедергілер қабылдау антеннасымен әлсірейді.
Сондықтан, архитектура антеннаның реттелетін болуын талап етеді, оған антеннаны баптау желісін пайдалану арқылы қол жеткізіледі. Антеннаны баптау желісінде сөзсіз кірістіру жоғалуы бар. Дегенмен, MEMS18 реттелетін конденсаторлардағы соңғы жетістіктер бұл құрылғылардың сапасын айтарлықтай жақсартты, осылайша шығындарды азайтты. Rx кірістіру жоғалуы шамамен 3 дБ құрайды, бұл SAW дуплексері мен қосқышының жалпы жоғалтуларымен салыстыруға болады.
Содан кейін антеннаға негізделген оқшаулау антеннадан 25 дБ оқшаулауға және сүзгіден 25 дБ оқшаулауға қол жеткізу үшін MEM3 реттелетін конденсаторларға негізделген реттелетін сүзгімен толықтырылады. Прототиптер бұған қол жеткізуге болатынын көрсетті.
Академия мен өнеркәсіптегі бірнеше зерттеу топтары дуплексті басып шығару үшін гибридтерді пайдалануды зерттеп жатыр11–16. Бұл схемалар бір антеннадан бір уақытта жіберу мен қабылдауға мүмкіндік беру арқылы SI-ны пассивті түрде жояды, бірақ таратқыш пен қабылдағышты оқшаулайды. Олар кең жолақты сипатқа ие және чипте іске асырылуы мүмкін, бұл оларды мобильді құрылғыларда жиілікті дуплекстеу үшін тартымды нұсқаға айналдырады.
Соңғы жетістіктер EBI пайдаланатын FDD қабылдағыштарын кірістіру жоғалуы, шудың суреті, қабылдағыштың сызықтылығы және ұялы қолданбаларға қолайлы блоктауды басу сипаттамалары бар CMOS (қосымша металл оксиді жартылай өткізгіш) арқылы жасауға болатынын көрсетті11,12,13. Дегенмен, академиялық және ғылыми әдебиеттердегі көптеген мысалдар көрсеткендей, дуплексті оқшаулауға әсер ететін негізгі шектеулер бар.
Радиоантеннаның кедергісі тұрақты емес, жұмыс жиілігіне (антеннаның резонансына байланысты) және уақытқа (өзгеретін ортамен әрекеттесуіне байланысты) өзгереді. Бұл теңгерімдеуші кедергі кедергі өзгерістерін қадағалауға бейімделуі керек дегенді білдіреді, ал ажырату өткізу қабілеттілігі жиілік доменіндегі өзгерістерге байланысты шектеледі13 (1-суретті қараңыз).
Бристоль университетіндегі жұмысымыз нақты пайдалану жағдайларында қажетті жіберу/қабылдау оқшаулауы мен өткізу қабілетіне қол жеткізуге болатынын көрсету үшін осы өнімділік шектеулерін зерттеуге және шешуге бағытталған.
Антенна кедергісінің ауытқуын (оқшаулауға қатты әсер ететін) еңсеру үшін біздің бейімделген алгоритміміз нақты уақытта антенна кедергісін қадағалайды және тестілеу өнімділікті әр түрлі динамикалық орталарда, соның ішінде пайдаланушының өзара әрекеттесуінде және жоғары жылдамдықты автомобиль және теміржолда сақтауға болатындығын көрсетті. саяхат.
Сонымен қатар, жиілік доменіндегі шектеулі антенна сәйкестігін жеңу, осылайша өткізу қабілеттілігін және жалпы оқшаулауды арттыру үшін біз электрлік теңдестірілген дуплексерді қосымша белсенді SI басуымен біріктіреміз, бұл өздігінен кедергілерді одан әрі басу үшін басу сигналын жасау үшін екінші таратқышты пайдаланады. (2-суретті қараңыз).
Біздің сынақ алаңының нәтижелері жігерлендіреді: EBD-мен біріктірілген белсенді технология 3-суретте көрсетілгендей, жіберу және қабылдау оқшаулауын айтарлықтай жақсарта алады.
Біздің соңғы зертханалық қондырғымыз арзан мобильді құрылғы құрамдастарын (ұялы телефонның қуат күшейткіштері мен антенналары) пайдаланады, бұл оны ұялы телефонды іске асырудың өкілі етеді. Сонымен қатар, біздің өлшеулеріміз көрсеткендей, екі сатылы өздігінен кедергілерді қабылдамаудың бұл түрі, тіпті арзан, коммерциялық жабдықты пайдаланған кезде де жоғары және төмен жиілік диапазонында қажетті дуплексті оқшаулауды қамтамасыз ете алады.
Ұялы құрылғының максималды диапазонында алатын сигнал күші ол жіберетін сигнал күшінен 12 рет төмен болуы керек. Уақытты бөлу дуплексінде (TDD) дуплексті схема антеннаны таратқышқа немесе қабылдағышқа қосатын жай ғана қосқыш болып табылады, сондықтан TDD-дегі дуплексер қарапайым қосқыш болып табылады. FDD-де таратқыш пен қабылдағыш бір уақытта жұмыс істейді, ал дуплексер қабылдағышты таратқыштың күшті сигналынан оқшаулау үшін сүзгілерді пайдаланады.
Ұялы FDD алдыңғы жағындағы дуплексер Tx сигналдарымен қабылдағыштың шамадан тыс жүктелуін болдырмау үшін жоғары байланыс жолағында >~50 дБ оқшаулауды және диапазоннан тыс жіберуді болдырмау үшін төмен байланыс жолағында >~50 дБ оқшаулауды қамтамасыз етеді. Қабылдағыш сезімталдығының төмендеуі. Rx диапазонында жіберу және қабылдау жолдарындағы жоғалтулар минималды.
Жиіліктер бірнеше пайызға ғана бөлінген бұл шығыны аз, жоғары оқшаулау талаптары жоғары Q сүзгісін талап етеді, оған әзірге тек беттік акустикалық толқын (SAW) немесе дене акустикалық толқыны (BAW) құрылғылары арқылы қол жеткізуге болады.
Технология дамып келе жатқанымен, негізінен құрылғылардың көп саны талап етілетін жетістіктермен көп диапазонды жұмыс A суретінде көрсетілгендей әр жолақ үшін бөлек чиптен тыс дуплексті сүзгіні білдіреді. Барлық қосқыштар мен маршрутизаторлар сонымен қатар қосымша функцияларды қосады. орындаушылық айыппұлдар мен айырбастар.
Қазіргі технологияға негізделген қолжетімді жаһандық телефондарды өндіру тым қиын. Алынған радиоархитектура өте үлкен, шығынды және қымбат болады. Өндірушілер әртүрлі аймақтарда қажет диапазондардың әртүрлі комбинациясы үшін өнімнің бірнеше нұсқаларын жасауы керек, бұл шексіз ғаламдық LTE роумингін қиындатады. GSM үстемдігіне әкелген ауқымды үнемдеуге қол жеткізу қиындай түсуде.
Деректер жылдамдығы жоғары мобильді қызметтерге сұраныстың артуы 4G мобильді желілерін 50 жиілік диапазонында орналастыруға әкелді, 5G толық анықталған және кеңінен таралғандықтан, одан да көп жолақтар келеді. РЖ интерфейсінің күрделілігіне байланысты осының барлығын ағымдағы сүзгіге негізделген технологияларды пайдалана отырып, бір құрылғыда қамту мүмкін емес, сондықтан теңшелетін және қайта конфигурацияланатын РЖ схемалары қажет.
Ең дұрысы, дуплексті мәселені шешуге жаңа тәсіл қажет, мүмкін реттелетін сүзгілерге немесе өзін-өзі кедергілерді жоюға немесе екеуінің кейбір комбинациясына негізделген.
Бізде құн, өлшем, өнімділік және тиімділік бойынша көптеген талаптарға жауап беретін біртұтас тәсіл әлі болмаса да, басқатырғыштың бөліктері бірнеше жылдан кейін жиналып, қалтаңызда болуы мүмкін.
SI басу мүмкіндігі бар EBD сияқты технологиялар екі бағытта бірдей жиілікті бір уақытта пайдалану мүмкіндігін аша алады, бұл спектрлік тиімділікті айтарлықтай жақсартуға мүмкіндік береді.
Жіберу уақыты: 24 қыркүйек 2024 ж