Duela hamar urte, telefono adimendunek normalean lau GSM maiztasun bandetan funtzionatzen zuten estandar gutxi batzuk onartzen zituzten, eta agian WCDMA edo CDMA2000 estandar batzuk. Hain maiztasun-banda aukeratzeko aukera izanda, nolabaiteko uniformetasun globala lortu da "banda lauko" GSM telefonoekin, 850/900/1800/1900 MHz-ko bandak erabiltzen dituztenak eta munduko edozein lekutan erabil daitezkeenak (beno, nahiko).
Hau onura handia da bidaiarientzat eta eskala-ekonomia handiak sortzen ditu gailuen fabrikatzaileentzat, modelo batzuk (edo agian bakarra) merkatu global osorako kaleratu behar dituztenak. Gaur egunera arte, GSM-k ibiltaritza globala eskaintzen duen haririk gabeko sarbide teknologia bakarra izaten jarraitzen du. Bide batez, ez bazenekien, GSM pixkanaka desagertzen ari da.
Izen hori merezi duen edozein smartphone-ek 4G, 3G eta 2G sarbidea onartu behar du RF interfazearen eskakizun ezberdinekin, banda zabalerari, transmisio-potentziari, hartzailearen sentikortasunari eta beste hainbat parametrori dagokionez.
Gainera, espektro globalaren erabilgarritasun zatikatua dela eta, 4G estandarrek maiztasun-banda ugari estaltzen dituzte, beraz, operadoreek edozein eremutan eskuragarri dauden maiztasunetan erabil ditzakete, gaur egun 50 banda guztira, LTE1 estandarrekin gertatzen den bezala. Benetako "munduko telefono" batek ingurune hauetan guztietan funtzionatu behar du.
Edozein irrati zelulark konpondu behar duen funtsezko arazoa "duplex komunikazioa" da. Hitz egiten dugunean, aldi berean entzuten dugu. Lehen irrati-sistemek push-to-talk erabiltzen zuten (batzuek oraindik ere egiten dute), baina telefonoz hitz egiten dugunean, beste pertsonak etetea espero dugu. Lehen belaunaldiko gailu zelularrek (analogikoak) "duplex iragazkiak" (edo duplexagailuak) erabiltzen zituzten beheranzko lotura jasotzeko, gorako lotura beste maiztasun batean transmitituz "harritu" gabe.
Iragazki hauek txikiagoak eta merkeagoak egitea erronka handia izan zen lehen telefono fabrikatzaileentzat. GSM sartu zenean, protokoloa transceptoreek "erdi duplex moduan" funtziona zezaten diseinatu zen.
Duplexagailuak ezabatzeko oso modu adimentsua izan zen hau, eta GSM industrian menderatzeko gai den (eta jendea prozesuan komunikatzeko modua aldatzeko) kostu baxuko teknologia nagusi bihurtzen laguntzeko faktore nagusia izan zen.
Android sistema eragilearen asmatzaile den Andy Rubinen Essential telefonoak konektagarritasun-funtzio berrienak ditu, besteak beste, Bluetooth 5.0LE, hainbat GSM/LTE eta titaniozko marko batean ezkutatuta dagoen Wi-Fi antena.
Zoritxarrez, arazo teknikoak konpontzetik ikasitako ikasgaiak azkar ahaztu ziren 3G-ren hasierako gerra tekno-politikoetan, eta gaur egun maiztasun-zatiketa-duplexaren (FDD) forma nagusi denak duplexagailu bat behar du funtzionatzen duen FDD banda bakoitzeko. Zalantzarik gabe, LTE boom-ak kostu-faktore igotzen ditu.
Banda batzuek Time Division Duplex edo TDD erabil dezaketen arren (irratia azkar igortzen den eta jasotzeko artean aldatzen den), banda horietako gutxiago daude. Operadore gehienek (batez ere Asiakoak izan ezik) FDD gama nahiago dute, eta horietatik 30 baino gehiago daude.
TDD eta FDD espektroaren ondareak, benetako banda globalak askatzeko zailtasunak eta 5G-ren etorrerak banda gehiagorekin duplex arazoa are konplexuagoa bihurtzen dute. Ikertzen ari diren metodo itxaropentsuen artean iragazkietan oinarritutako diseinu berriak eta autointerferentziak ezabatzeko gaitasuna daude.
Azken honek "fragmentless" duplex (edo "bandan full duplex") aukera itxaropentsu samarra dakar. 5G komunikazio mugikorren etorkizunean, baliteke FDD eta TDD ez ezik, teknologia berri hauetan oinarritutako duplex malgua ere kontuan hartu behar izatea.
Danimarkako Aalborg Unibertsitateko ikertzaileek "Smart Antenna Front End" (SAFE)2-3 arkitektura bat garatu dute, (ikus 18. orrialdeko ilustrazioa) antena bereiziak erabiltzen dituena transmisiorako eta harrerarako eta antena hauek (errendimendu baxua) konbinatzen dituena pertsonalizagarriekin konbinatuta. iragaztea nahi den transmisioa eta harrera isolamendua lortzeko.
Errendimendua ikusgarria den arren, bi antenen beharra eragozpen handia da. Telefonoak meheagoak eta dotoreagoak diren heinean, antenentzako lekua gero eta txikiagoa da.
Gailu mugikorrek ere hainbat antena behar dituzte multiplexazio espaziala (MIMO). Arkitektura SEGURUA eta 2×2 MIMO euskarria duten telefono mugikorrek lau antena baino ez dituzte behar. Gainera, iragazki eta antena horien sintonizazio-esparrua mugatua da.
Beraz, telefono mugikor globalek ere interfaze-arkitektura hori errepikatu beharko dute LTE maiztasun-banda guztiak estaltzeko (450 MHz-tik 3600 MHz-era), eta horrek antena gehiago, antena sintonizatzaile gehiago eta iragazki gehiago beharko ditu, eta horrek maiz egiten diren galderetara itzultzen gaitu. banda anitzeko funtzionamendua osagaien bikoizketa dela eta.
Tableta edo ordenagailu eramangarri batean antena gehiago instala daitezkeen arren, pertsonalizazioan eta/edo miniaturizazioan aurrerapen gehiago behar dira teknologia hau telefono adimendunetarako egokia izan dadin.
Elektrikoki orekatua duplexa hari bidezko telefoniaren hasieratik erabili izan da17. Telefono-sistema batean, mikrofonoa eta entzungailua telefono-lineari konektatu behar dira, baina elkarrengandik isolatuta egon behar dute, erabiltzailearen ahotsak sarrerako audio seinale ahulagoa gor ez dezan. Hori telefono elektronikoen etorrera baino lehen transformadore hibridoak erabiliz lortu zen.
Beheko irudian ageri den duplex zirkuituak balio bereko erresistentzia erabiltzen du transmisio-lerroaren inpedantziarekin bat etor dadin, mikrofonotik datorren korrontea zatitu dadin transformadorean sartzean eta bobina primarioan zehar kontrako noranzkoetan igaro dadin. Fluxu magnetikoak modu eraginkorrean bertan behera uzten dira eta ez da korronterik eragiten bobina sekundarioan, beraz, bobina sekundarioa mikrofonotik isolatuta dago.
Dena den, mikrofonoaren seinalea telefono lineara doa oraindik (nahiz eta galera batekin), eta telefono lineako sarrerako seinalea bozgorailura doa oraindik (galera pixka batekin ere), telefono linea berean bi norabideko komunikazioa ahalbidetuz. . . Metalezko alanbrea.
Irrati-duplexore orekatua telefono-duplexadore baten antzekoa da, baina mikrofonoa, telefonoa eta telefono-hariaren ordez, igorlea, hargailua eta antena erabiltzen dira, hurrenez hurren, B irudian ikusten den moduan.
Igorlea hargailutik isolatzeko hirugarren modu bat autointerferentzia (SI) ezabatzea da, eta, horrela, jasotako seinaleari transmititutako seinalea kenduz. Jamming teknikak radar eta difusioan erabili izan dira hamarkadetan.
Esate baterako, 1980ko hamarkadaren hasieran, Plessyk "Groundsat" izeneko SI konpentsazioan oinarritutako produktu bat garatu eta merkaturatu zuen FM erdi-duplex analogikoko komunikazio sare militarren gama4-5 zabaltzeko.
Sistemak kanal bakarreko full-duplex errepikagailu gisa jarduten du, lan-eremu osoan erabiltzen diren erdi-duplex irratien gama eraginkorra hedatuz.
Azkenaldian autointerferentziak ezabatzearen inguruko interesa egon da, batez ere, irismen laburreko komunikazioetarako joeragatik (zelularra eta Wi-Fi), eta horrek SIren kentzearen arazoa kudeatuago bihurtzen du transmisio potentzia txikiagoagatik eta kontsumitzaileentzako potentzia-harrera handiagoagatik. . Haririk gabeko sarbidea eta backhaul aplikazioak 6-8.
Appleren iPhoneak (Qualcomm-en laguntzarekin) munduko haririk gabeko eta LTE gaitasun onenak ditu, dudarik gabe, txip bakarrean 16 LTE banda onartzen ditu. Horrek esan nahi du bi SKU bakarrik ekoiztu behar direla GSM eta CDMA merkatuak estaltzeko.
Interferentzia partekatu gabeko aplikazio duplexetan, autointerferentziak kentzeak espektroaren eraginkortasuna hobe dezake, goranzko eta beherako loturak espektro-baliabide berdinak partekatzeko aukera emanez9,10. Autointerferentziak ezabatzeko teknikak ere erabil daitezke FDDrako duplexgailu pertsonalizatuak sortzeko.
Baliogabetzeak berak hainbat fase izan ohi ditu. Antena eta transzisorearen arteko norabide sareak igorritako eta jasotako seinaleen arteko lehen bereizketa maila ematen du. Bigarrenik, seinale analogiko eta digitalaren prozesamendu osagarria erabiltzen da jasotako seinalean geratzen den berezko zarata ezabatzeko. Lehenengo etapak antena bereizi bat erabil dezake (SAFE-n bezala), transformadore hibrido bat (behean deskribatzen dena);
Dagoeneko deskribatu da atertu diren antenen arazoa. Zirkulagailuak normalean banda estuak dira, kristalean erresonantzia ferromagnetikoa erabiltzen dutelako. Teknologia hibrido hau edo Elektrikoki Balanced Isolation (EBI), banda zabaleko eta potentzialki txip batean integra daitekeen teknologia itxaropentsua da.
Beheko irudian ikusten den bezala, antena adimendunaren aurreko diseinuak banda estuko bi antena sintonizagarri erabiltzen ditu, bat igortzeko eta beste bat jasotzeko, eta errendimendu baxuagoko baina sintonizatu daitezkeen duplex iragazki pare bat. Banakako antenen artean isolamendu pasibo batzuk ez ezik, haien arteko hedapen-galeren kostuarekin batera, banda-zabalera mugatua (baina sintonizagarria) ere badute.
Igorle-antena eraginkortasunez funtzionatzen du transmisio-maiztasun-bandan soilik, eta hartzaileak harrera-maiztasun-bandan soilik funtzionatzen du. Kasu honetan, antena berak ere iragazki gisa jokatzen du: bandaz kanpoko Tx emisioak igorlearen antena arintzen ditu, eta Tx bandako autointerferentziak arintzen ditu hartzaileak.
Horregatik, arkitekturak antena sintonizagarria izatea eskatzen du, eta hori antena sintonizatzeko sare bat erabiliz lortzen da. Antenak sintonizatzeko sare batean sartze-galera saihestezina dago. Hala ere, MEMS18 kondentsadore sintonizagarrien azken aurrerapenek gailu horien kalitatea nabarmen hobetu dute, eta, ondorioz, galerak murriztu dituzte. Rx txertatze-galera gutxi gorabehera 3 dB-koa da, hau da, SAW duplexagailuaren eta etengailuaren guztizko galeraren parekoa.
Ondoren, antenan oinarritutako isolamendua iragazki sintonizagarri batekin osatzen da, MEM3 kondentsadore sintonizagarrietan oinarrituta ere, antenatik 25 dB isolatzea eta iragazkitik 25 dB isolatzea lortzeko. Prototipoek hori lor daitekeela frogatu dute.
Akademiako eta industriako hainbat ikerketa talde hibridoen erabilera aztertzen ari dira duplex inprimatzeko11–16. Eskema hauek SI pasiboki ezabatzen dute antena bakar batetik aldibereko transmisioa eta harrera ahalbidetuz, baina igorlea eta hargailua isolatuta. Banda zabaleko izaera dute eta txip-an inplementa daitezke, gailu mugikorretako maiztasun-duplexatzeko aukera erakargarri bihurtuz.
Azken aurrerapenek erakutsi dute EBI erabiltzen duten FDD transzeitoreak CMOS (Metal Oxide Semiconductor Osagarria) txertatze-galerarekin, zarata-zifrarekin, hargailuaren linealtasunarekin eta blokeo-uztapen-ezaugarriekin zelula-aplikazioetarako egokiak diren CMOSetik fabrikatu daitezkeela11,12,13. Hala ere, literatura akademiko eta zientifikoko adibide ugarik erakusten dutenez, duplex isolamenduari eragiten dion oinarrizko muga bat dago.
Irrati antena baten inpedantzia ez da finkoa, baina funtzionamendu-maiztasunaren arabera (antenen erresonantziagatik) eta denborarekin (ingurune aldakor batekin elkarreraginagatik) aldatzen da. Horrek esan nahi du oreka-inpedantzia inpedantzia-aldaketetara egokitu behar dela eta desakoplazio-banda-zabalera mugatua dela maiztasun-domeinuaren aldaketen ondorioz13 (ikus 1. irudia).
Bristoleko Unibertsitateko gure lana errendimendu-muga hauek ikertzera eta bideratzera bideratzen da, beharrezkoa den bidalketa/jasotze isolamendua eta errendimendua mundu errealeko erabilera kasuetan lor daitezkeela frogatzeko.
Antenen inpedantziaren gorabeherak gainditzeko (isolamenduari eragin handia diotenak), gure algoritmo moldatzaileak antenen inpedantzia denbora errealean jarraitzen du, eta probak frogatu du errendimendua mantendu daitekeela hainbat ingurune dinamikotan, erabiltzailearen eskuko interakzioa eta abiadura handiko errepidea eta trena barne. bidaiatu.
Gainera, maiztasun-domeinuko antena bat etortze mugatua gainditzeko, banda-zabalera eta isolamendu orokorra areagotzeko, elektrikoki orekatuta dagoen duplexagailu bat konbinatzen dugu SIren ezabaketa aktibo gehigarriarekin, bigarren transmisore bat erabiliz, ezabatze-seinalea sortzeko, auto-interferentzia gehiago kentzeko. (ikus 2. irudia).
Gure proba-oholeko emaitzak pozgarriak dira: EBDarekin konbinatuta, teknologia aktiboak nabarmen hobetu dezake transmisioa eta jaso isolamendua, 3. Irudian ikusten den moduan.
Gure laborategiko azken konfigurazioak kostu baxuko gailu mugikorren osagaiak erabiltzen ditu (telefono mugikorren potentzia-anplifikadoreak eta antenak), telefono mugikorren inplementazioen adierazgarri bihurtuz. Gainera, gure neurketek erakusten dute bi etapako autointerferentziaren arbuio mota honek behar den duplex isolamendua eskain dezakeela gorako eta beherako loturako maiztasun-bandetan, nahiz eta kostu baxuko ekipamendu komertziala erabilita.
Gailu zelular batek gehienezko irismenean jasotzen duen seinalearen indarrak transmititzen duen seinalearen indarra baino 12 magnitude txikiagoa izan behar du. Time Division Duplex-en (TDD), duplex zirkuitua antena transmisore edo hargailuarekin konektatzen duen etengailu bat besterik ez da, beraz, TDD-ko duplexorea etengailu sinple bat da. FDD-n, igorleak eta hargailuak aldi berean funtzionatzen dute, eta duplexoreak iragazkiak erabiltzen ditu hargailua igorgailuaren seinale indartsutik isolatzeko.
FDD mugikorreko aurrealdeko duplexagailuak > ~ 50 dB isolamendua eskaintzen du goranzko bandan hargailua Tx seinaleekin gainkarga ez dadin, eta > ~ 50 dB isolamendua beheranzko bandan bandaz kanpoko transmisioa saihesteko. Hartzailearen sentsibilitatea murriztua. Rx bandan, igorpen eta jasotzeko bideetan galerak minimoak dira.
Galera baxuko eta isolamendu handiko eskakizun hauek, non maiztasunak ehuneko bakarrean bereizten diren, Q altuko iragazkia behar dute, eta orain arte gainazaleko uhin akustikoak (SAW) edo gorputz uhin akustikoak (BAW) gailuak erabiliz soilik lor daiteke.
Teknologiak eboluzionatzen jarraitzen duen bitartean, aurrerapenekin neurri handi batean beharrezkoak diren gailu kopuru handia dela eta, banda anitzeko funtzionamenduak banda bakoitzerako txipz kanpoko iragazki duplex bereizia esan nahi du, A irudian erakusten den moduan. Etengailu eta bideratzaile guztiek funtzionalitate gehigarriak ere gehitzen dituzte. errendimendu-zigorrak eta truke-kontuak.
Gaur egungo teknologian oinarritutako telefono global merkeak fabrikatzeko zailak dira. Ondorioz, irrati-arkitektura oso handia, galeratsua eta garestia izango da. Fabrikatzaileek hainbat produktu-aldaera sortu behar dituzte eskualde desberdinetan beharrezkoak diren bande-konbinazio desberdinetarako, eta LTE mundu mailako ibiltaritza mugagabea zailduz. GSMren nagusitasuna ekarri zuten eskala-ekonomiak gero eta zailagoak dira lortzea.
Datu-abiadura handiko zerbitzu mugikorren eskaera gero eta handiagoak 4G sare mugikorrak hedatzea ekarri du 50 maiztasun-bandetan, are eta banda gehiago etorriko dira 5G guztiz definitu eta hedatuta dagoen heinean. RF interfazearen konplexutasuna dela eta, ezin da hori guztia gailu bakar batean estali egungo iragazkietan oinarritutako teknologiak erabiliz, beraz, RF zirkuitu pertsonalizagarriak eta birkonfiguragarriak behar dira.
Egokiena, duplex arazoa konpontzeko ikuspegi berri bat behar da, beharbada iragazki sintonizagarrietan edo autointerferentzien ezabapenean oinarrituta, edo bien konbinazioren batean.
Oraindik kostu, tamaina, errendimendu eta eraginkortasunaren eskakizun askori erantzuten dion ikuspegi bakar bat ez badugu ere, agian puzzlearen piezak elkartuko dira eta zure poltsikoan egongo dira urte gutxi barru.
SI ezabatzea duten EBD bezalako teknologiak maiztasun bera bi noranzkoetan aldi berean erabiltzeko aukera ireki dezakete, eta horrek eraginkortasun espektrala nabarmen hobetu dezake.
Argitalpenaren ordua: 2024-09-24