Dieci anni fa, gli smartphone in genere supportavano solo pochi standard operativi nelle quattro bande di frequenza GSM e forse alcuni standard WCDMA o CDMA2000. Con così poche bande di frequenza tra cui scegliere, un certo grado di uniformità globale è stato raggiunto con i telefoni GSM “quad-band”, che utilizzano le bande 850/900/1800/1900 MHz e possono essere utilizzati ovunque nel mondo (beh, praticamente).
Questo è un enorme vantaggio per i viaggiatori e crea enormi economie di scala per i produttori di dispositivi, che devono rilasciare solo pochi modelli (o forse solo uno) per l’intero mercato globale. Avanzando rapidamente fino ad oggi, il GSM rimane l'unica tecnologia di accesso wireless che fornisce il roaming globale. A proposito, se non lo sapevi, il GSM verrà gradualmente eliminato.
Qualsiasi smartphone degno di questo nome deve supportare l'accesso 4G, 3G e 2G con diversi requisiti di interfaccia RF in termini di larghezza di banda, potenza di trasmissione, sensibilità del ricevitore e molti altri parametri.
Inoltre, a causa della disponibilità frammentata dello spettro globale, gli standard 4G coprono un gran numero di bande di frequenza, quindi gli operatori possono utilizzarli su qualsiasi frequenza disponibile in una determinata area – attualmente 50 bande in totale, come nel caso degli standard LTE1. Un vero “telefono mondiale” deve funzionare in tutti questi ambienti.
Il problema chiave che qualsiasi radio cellulare deve risolvere è la “comunicazione duplex”. Quando parliamo, ascoltiamo allo stesso tempo. I primi sistemi radio utilizzavano il push-to-talk (alcuni lo fanno ancora), ma quando parliamo al telefono ci aspettiamo che l’altra persona ci interrompa. I dispositivi cellulari (analogici) di prima generazione utilizzavano “filtri duplex” (o duplexer) per ricevere il downlink senza essere “storditi” trasmettendo l’uplink su una frequenza diversa.
Rendere questi filtri più piccoli ed economici è stata una grande sfida per i primi produttori di telefoni. Quando fu introdotto il GSM, il protocollo fu progettato in modo che i ricetrasmettitori potessero funzionare in “modalità half duplex”.
Questo è stato un modo molto intelligente per eliminare i duplexer ed è stato un fattore importante nell'aiutare il GSM a diventare una tecnologia mainstream a basso costo in grado di dominare il settore (e cambiare il modo in cui le persone comunicavano nel processo).
Il telefono Essential di Andy Rubin, l'inventore del sistema operativo Android, è dotato delle più recenti funzionalità di connettività tra cui Bluetooth 5.0LE, diversi GSM/LTE e un'antenna Wi-Fi nascosta in un telaio in titanio.
Sfortunatamente, le lezioni apprese dalla risoluzione dei problemi tecnici sono state rapidamente dimenticate nelle guerre tecno-politiche degli albori del 3G, e la forma attualmente dominante di duplexing a divisione di frequenza (FDD) richiede un duplexer per ciascuna banda FDD in cui opera. Non c’è dubbio che il boom dell’LTE si accompagna a fattori di costo in aumento.
Sebbene alcune bande possano utilizzare Time Division Duplex o TDD (dove la radio passa rapidamente dalla trasmissione alla ricezione), esistono meno di queste bande. La maggior parte degli operatori (tranne soprattutto quelli asiatici) preferiscono la gamma FDD, di cui ce ne sono più di 30.
L’eredità dello spettro TDD e FDD, la difficoltà di liberare bande veramente globali e l’avvento del 5G con più bande rendono il problema duplex ancora più complesso. I metodi promettenti oggetto di studio includono nuovi progetti basati su filtri e la capacità di eliminare l'auto-interferenza.
Quest'ultimo porta con sé anche la possibilità alquanto promettente del duplex “fragmentless” (o “full duplex in banda”). Nel futuro delle comunicazioni mobili 5G, potremmo dover considerare non solo FDD e TDD, ma anche duplex flessibile basato su queste nuove tecnologie.
I ricercatori dell’Università di Aalborg in Danimarca hanno sviluppato un’architettura “Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 che utilizza (vedi illustrazione a pagina 18) antenne separate per trasmissione e ricezione e combina queste antenne con (a basse prestazioni) in combinazione con dispositivi personalizzabili filtraggio per ottenere l'isolamento di trasmissione e ricezione desiderato.
Sebbene le prestazioni siano impressionanti, la necessità di due antenne è un grosso svantaggio. Man mano che i telefoni diventano sempre più sottili ed eleganti, lo spazio disponibile per le antenne diventa sempre più piccolo.
I dispositivi mobili richiedono inoltre più antenne per il multiplexing spaziale (MIMO). I telefoni cellulari con architettura SAFE e supporto MIMO 2×2 richiedono solo quattro antenne. Inoltre, la gamma di sintonizzazione di questi filtri e antenne è limitata.
Quindi anche i telefoni cellulari globali dovranno replicare questa architettura di interfaccia per coprire tutte le bande di frequenza LTE (da 450 MHz a 3600 MHz), il che richiederà più antenne, più sintonizzatori di antenne e più filtri, il che ci riporta alle domande più frequenti su funzionamento multi-banda dovuto alla duplicazione dei componenti.
Sebbene sia possibile installare più antenne in un tablet o laptop, sono necessari ulteriori progressi nella personalizzazione e/o miniaturizzazione per rendere questa tecnologia adatta agli smartphone.
Il duplex elettricamente bilanciato è stato utilizzato fin dagli albori della telefonia fissa17. In un sistema telefonico, il microfono e l'auricolare devono essere collegati alla linea telefonica, ma isolati tra loro in modo che la voce dell'utente non assordi il segnale audio in ingresso più debole. Ciò è stato ottenuto utilizzando trasformatori ibridi prima dell'avvento dei telefoni elettronici.
Il circuito duplex mostrato nella figura seguente utilizza un resistore dello stesso valore per adattarsi all'impedenza della linea di trasmissione in modo che la corrente proveniente dal microfono si divida quando entra nel trasformatore e fluisce in direzioni opposte attraverso la bobina primaria. I flussi magnetici vengono effettivamente annullati e nella bobina secondaria non viene indotta corrente, pertanto la bobina secondaria è isolata dal microfono.
Tuttavia, il segnale dal microfono va comunque alla linea telefonica (anche se con una certa perdita), e il segnale in entrata sulla linea telefonica va comunque all'altoparlante (anche con una certa perdita), consentendo la comunicazione bidirezionale sulla stessa linea telefonica. . . Filo metallico.
Un duplexer radiobilanciato è simile a un duplexer telefonico, ma invece di un microfono, una cornetta e un cavo telefonico vengono utilizzati rispettivamente un trasmettitore, un ricevitore e un'antenna, come mostrato nella Figura B.
Un terzo modo per isolare il trasmettitore dal ricevitore è eliminare l'auto-interferenza (SI), sottraendo così il segnale trasmesso dal segnale ricevuto. Le tecniche di disturbo sono state utilizzate nei radar e nelle trasmissioni radiotelevisive per decenni.
Ad esempio, all’inizio degli anni ’80, Plessy sviluppò e commercializzò un prodotto basato sulla compensazione SI chiamato “Groundsat” per estendere la gamma delle reti di comunicazione militare FM analogiche half-duplex4-5.
Il sistema funge da ripetitore full-duplex a canale singolo, estendendo la portata effettiva delle radio half-duplex utilizzate in tutta l'area di lavoro.
C'è stato un recente interesse per la soppressione dell'auto-interferenza, principalmente a causa della tendenza verso le comunicazioni a corto raggio (cellulari e Wi-Fi), che rendono il problema della soppressione SI più gestibile grazie alla minore potenza di trasmissione e alla maggiore potenza di ricezione per l'uso da parte dei consumatori . Applicazioni di accesso wireless e backhaul 6-8.
L'iPhone di Apple (con l'aiuto di Qualcomm) ha probabilmente le migliori funzionalità wireless e LTE al mondo, supportando 16 bande LTE su un singolo chip. Ciò significa che è necessario produrre solo due SKU per coprire i mercati GSM e CDMA.
Nelle applicazioni duplex senza condivisione delle interferenze, la soppressione dell'auto-interferenza può migliorare l'efficienza dello spettro consentendo all'uplink e al downlink di condividere le stesse risorse dello spettro9,10. Le tecniche di soppressione dell'auto-interferenza possono essere utilizzate anche per creare duplexer personalizzati per FDD.
La cancellazione stessa consiste solitamente in più fasi. La rete direzionale tra l'antenna e il ricetrasmettitore fornisce il primo livello di separazione tra i segnali trasmessi e ricevuti. In secondo luogo, viene utilizzata un'ulteriore elaborazione del segnale analogico e digitale per eliminare qualsiasi rumore intrinseco residuo nel segnale ricevuto. Il primo stadio può utilizzare un'antenna separata (come in SAFE), un trasformatore ibrido (descritto di seguito);
Il problema delle antenne staccate è già stato descritto. I circolatori sono tipicamente a banda stretta perché utilizzano la risonanza ferromagnetica nel cristallo. Questa tecnologia ibrida, o Isolamento Bilanciato Elettricamente (EBI), è una tecnologia promettente che può essere a banda larga e potenzialmente integrata su un chip.
Come mostrato nella figura seguente, il design del front-end dell'antenna intelligente utilizza due antenne sintonizzabili a banda stretta, una per la trasmissione e una per la ricezione, e una coppia di filtri duplex a prestazioni inferiori ma sintonizzabili. Le singole antenne non solo forniscono un certo isolamento passivo al costo della perdita di propagazione tra di loro, ma hanno anche una larghezza di banda istantanea limitata (ma sintonizzabile).
L'antenna trasmittente funziona efficacemente solo nella banda di frequenza di trasmissione e l'antenna ricevente funziona efficacemente solo nella banda di frequenza di ricezione. In questo caso, l'antenna stessa funge anche da filtro: le emissioni Tx fuori banda vengono attenuate dall'antenna trasmittente e l'autointerferenza nella banda Tx viene attenuata dall'antenna ricevente.
Pertanto, l'architettura richiede che l'antenna sia sintonizzabile, cosa che si ottiene utilizzando una rete di sintonizzazione dell'antenna. C'è qualche inevitabile perdita di inserzione in una rete di sintonizzazione dell'antenna. Tuttavia, i recenti progressi nei condensatori sintonizzabili MEMS18 hanno migliorato significativamente la qualità di questi dispositivi, riducendo così le perdite. La perdita di inserzione Rx è di circa 3 dB, che è paragonabile alle perdite totali del duplexer e dello switch SAW.
L'isolamento basato sull'antenna è quindi completato da un filtro sintonizzabile, anch'esso basato su condensatori sintonizzabili MEM3, per ottenere un isolamento di 25 dB dall'antenna e un isolamento di 25 dB dal filtro. I prototipi hanno dimostrato che ciò è possibile.
Diversi gruppi di ricerca nel mondo accademico e industriale stanno esplorando l'uso di ibridi per la stampa fronte-retro11–16. Questi schemi eliminano passivamente l'SI consentendo la trasmissione e la ricezione simultanee da una singola antenna, ma isolando il trasmettitore e il ricevitore. Sono per natura a banda larga e possono essere implementati su chip, il che li rende un'opzione interessante per il duplexing di frequenza nei dispositivi mobili.
Recenti progressi hanno dimostrato che i ricetrasmettitori FDD che utilizzano EBI possono essere fabbricati da CMOS (semiconduttore a ossido di metallo complementare) con perdita di inserzione, figura di rumore, linearità del ricevitore e caratteristiche di soppressione del blocco adatte per applicazioni cellulari11,12,13. Tuttavia, come dimostrano numerosi esempi nella letteratura accademica e scientifica, esiste una limitazione fondamentale che riguarda l’isolamento duplex.
L'impedenza di un'antenna radio non è fissa, ma varia con la frequenza operativa (a causa della risonanza dell'antenna) e con il tempo (a causa dell'interazione con un ambiente in evoluzione). Ciò significa che l'impedenza di bilanciamento deve adattarsi per tenere traccia dei cambiamenti di impedenza e la larghezza di banda di disaccoppiamento è limitata a causa dei cambiamenti nel dominio della frequenza13 (vedere Figura 1).
Il nostro lavoro presso l'Università di Bristol è incentrato sull'analisi e sulla risoluzione di questi limiti prestazionali per dimostrare che l'isolamento di invio/ricezione e il throughput richiesti possono essere raggiunti nei casi d'uso del mondo reale.
Per superare le fluttuazioni dell'impedenza dell'antenna (che incidono gravemente sull'isolamento), il nostro algoritmo adattivo tiene traccia dell'impedenza dell'antenna in tempo reale e i test hanno dimostrato che le prestazioni possono essere mantenute in una varietà di ambienti dinamici, inclusa l'interazione con l'utente e strade e ferrovie ad alta velocità viaggio.
Inoltre, per superare l'adattamento limitato dell'antenna nel dominio della frequenza, aumentando così la larghezza di banda e l'isolamento complessivo, combiniamo un duplexer bilanciato elettricamente con un'ulteriore soppressione SI attiva, utilizzando un secondo trasmettitore per generare un segnale di soppressione per sopprimere ulteriormente l'auto-interferenza. (vedere Figura 2).
I risultati del nostro banco di prova sono incoraggianti: se combinata con l’EBD, la tecnologia attiva può migliorare significativamente l’isolamento di trasmissione e ricezione, come mostrato nella Figura 3.
La nostra configurazione finale del laboratorio utilizza componenti di dispositivi mobili a basso costo (amplificatori di potenza e antenne per telefoni cellulari), rendendolo rappresentativo delle implementazioni dei telefoni cellulari. Inoltre, le nostre misurazioni mostrano che questo tipo di rifiuto dell’autointerferenza a due stadi può fornire l’isolamento duplex richiesto nelle bande di frequenza di uplink e downlink, anche quando si utilizzano apparecchiature a basso costo di livello commerciale.
La potenza del segnale che un dispositivo cellulare riceve alla sua portata massima deve essere inferiore di 12 ordini di grandezza rispetto alla potenza del segnale che trasmette. Nel Time Division Duplex (TDD), il circuito duplex è semplicemente un interruttore che collega l'antenna al trasmettitore o al ricevitore, quindi il duplexer in TDD è un semplice interruttore. In FDD, il trasmettitore e il ricevitore funzionano simultaneamente e il duplexer utilizza filtri per isolare il ricevitore dal forte segnale del trasmettitore.
Il duplexer nel front-end FDD cellulare fornisce un isolamento >~50 dB nella banda uplink per evitare di sovraccaricare il ricevitore con segnali Tx e un isolamento >~50 dB nella banda downlink per impedire la trasmissione fuori banda. Sensibilità del ricevitore ridotta. Nella banda Rx, le perdite nei percorsi di trasmissione e ricezione sono minime.
Questi requisiti di bassa perdita e alto isolamento, in cui le frequenze sono separate solo di una piccola percentuale, richiedono un filtraggio ad alto Q, che finora può essere ottenuto solo utilizzando dispositivi a onde acustiche superficiali (SAW) o a onde acustiche corporee (BAW).
Mentre la tecnologia continua ad evolversi, con progressi dovuti in gran parte al gran numero di dispositivi richiesti, il funzionamento multi-banda implica un filtro duplex off-chip separato per ciascuna banda, come mostrato nella Figura A. Tutti gli switch e i router aggiungono inoltre funzionalità aggiuntive con penalità di prestazione e compromessi.
I telefoni globali a prezzi accessibili basati sulla tecnologia attuale sono troppo difficili da produrre. L’architettura radio risultante sarà molto grande, con perdite e costosa. I produttori devono creare più varianti di prodotto per diverse combinazioni di bande necessarie in diverse regioni, rendendo difficile il roaming LTE globale illimitato. Le economie di scala che hanno portato al predominio del GSM stanno diventando sempre più difficili da realizzare.
La crescente domanda di servizi mobili ad alta velocità di trasmissione dati ha portato all’implementazione delle reti mobili 4G su 50 bande di frequenza, con ancora più bande in arrivo man mano che il 5G sarà completamente definito e ampiamente diffuso. A causa della complessità dell'interfaccia RF, non è possibile coprire tutto questo in un unico dispositivo utilizzando le attuali tecnologie basate su filtri, quindi sono necessari circuiti RF personalizzabili e riconfigurabili.
Idealmente, sarebbe necessario un nuovo approccio per risolvere il problema del duplex, magari basato su filtri sintonizzabili o sulla soppressione dell’auto-interferenza, o su una combinazione di entrambi.
Sebbene non disponiamo ancora di un unico approccio in grado di soddisfare le numerose esigenze di costi, dimensioni, prestazioni ed efficienza, forse i pezzi del puzzle si uniranno e saranno nelle vostre tasche tra qualche anno.
Tecnologie come l'EBD con soppressione SI possono aprire la possibilità di utilizzare la stessa frequenza in entrambe le direzioni contemporaneamente, il che può migliorare significativamente l'efficienza spettrale.
Orario di pubblicazione: 24 settembre 2024