Ինչու են տարբեր հաճախականությունների համակցություններ համակցված ալեհավաքների համար:

Տասը տարի առաջ սմարթֆոնները սովորաբար աջակցում էին միայն մի քանի ստանդարտներ, որոնք գործում էին GSM հաճախականությունների չորս տիրույթներում, և, հավանաբար, մի քանի WCDMA կամ CDMA2000 ստանդարտներ: Ընտրելու այդքան քիչ հաճախականությունների տիրույթներից, գլոբալ միատեսակության որոշակի աստիճան է ձեռք բերվել «քառաշերտ» GSM հեռախոսներով, որոնք օգտագործում են 850/900/1800/1900 ՄՀց տիրույթները և կարող են օգտագործվել աշխարհի ցանկացած կետում (լավ, բավականին):
Սա հսկայական օգուտ է ճանապարհորդների համար և ստեղծում է մասշտաբի հսկայական տնտեսություններ սարքեր արտադրողների համար, ովքեր պետք է թողարկեն միայն մի քանի մոդելներ (կամ գուցե միայն մեկը) ամբողջ համաշխարհային շուկայի համար: Մինչև այսօր GSM-ը մնում է միակ անլար հասանելիության տեխնոլոգիան, որն ապահովում է գլոբալ ռոումինգ: Ի դեպ, եթե չգիտեիք, GSM-ն աստիճանաբար դուրս է գալիս:
Անվանմանը արժանի ցանկացած սմարթֆոն պետք է ապահովի 4G, 3G և 2G մուտք՝ ՌԴ ինտերֆեյսի տարբեր պահանջներով՝ թողունակության, փոխանցման հզորության, ընդունիչի զգայունության և շատ այլ պարամետրերի առումով:
Բացի այդ, գլոբալ սպեկտրի մասնատված հասանելիության պատճառով 4G ստանդարտներն ընդգրկում են մեծ թվով հաճախականությունների տիրույթներ, այնպես որ օպերատորները կարող են դրանք օգտագործել ցանկացած տվյալ տարածքում առկա ցանկացած հաճախականության վրա՝ ներկայումս ընդհանուր առմամբ 50 տիրույթ, ինչպես դա LTE1 ստանդարտների դեպքում է: Իսկական «համաշխարհային հեռախոսը» պետք է աշխատի այս բոլոր միջավայրերում:
Հիմնական խնդիրը, որը պետք է լուծի ցանկացած բջջային ռադիո, «դուպլեքս կապն է»: Երբ խոսում ենք, միաժամանակ լսում ենք։ Վաղ ռադիոհամակարգերը օգտագործում էին push-to-talk (որոշները դեռ օգտագործում են), բայց երբ մենք խոսում ենք հեռախոսով, մենք ակնկալում ենք, որ դիմացինը կխանգարի մեզ: Առաջին սերնդի (անալոգային) բջջային սարքերը օգտագործում էին «կրկնակի զտիչներ» (կամ դուպլեքսեր)՝ ներքևի կապը ստանալու համար՝ առանց «ապշեցնելու»՝ փոխանցելով վերին հղումը այլ հաճախականությամբ:
Այս զտիչները ավելի փոքր և էժան դարձնելը լուրջ մարտահրավեր էր վաղ հեռախոս արտադրողների համար: Երբ ներկայացվեց GSM-ը, արձանագրությունը նախագծված էր այնպես, որ հաղորդիչները կարողանան աշխատել «կես դուպլեքս ռեժիմով»:
Սա շատ խելացի միջոց էր դուպլեքսները վերացնելու համար և հիմնական գործոնն էր, որն օգնում էր GSM-ին դառնալ էժան, հիմնական տեխնոլոգիա, որն ի վիճակի է գերիշխել արդյունաբերության մեջ (և փոխել մարդկանց հաղորդակցման ձևը գործընթացում):
Android օպերացիոն համակարգի գյուտարար Էնդի Ռուբինի Essential հեռախոսն ունի կապի վերջին հնարավորություններ, ներառյալ Bluetooth 5.0LE, տարբեր GSM/LTE և Wi-Fi ալեհավաք՝ թաքնված տիտանի շրջանակում:
Ցավոք, տեխնիկական խնդիրների լուծումից քաղված դասերը արագ մոռացվեցին 3G-ի վաղ օրերի տեխնոքաղաքական պատերազմների ժամանակ, և հաճախականության բաժանման կրկնակի ձևավորման (FDD) ներկայիս գերիշխող ձևը պահանջում է կրկնօրինակիչ յուրաքանչյուր FDD խմբի համար, որտեղ այն գործում է: Կասկած չկա, որ LTE-ի բումը պայմանավորված է ծախսերի աճող գործոններով:
Թեև որոշ տիրույթներ կարող են օգտագործել Time Division Duplex կամ TDD (որտեղ ռադիոն արագ անցնում է հաղորդման և ընդունման միջև), այդ տիրույթներից ավելի քիչ քանակ կա: Օպերատորների մեծ մասը (բացառությամբ հիմնականում ասիականների) նախընտրում է FDD շարքը, որոնցից ավելի քան 30-ը:
TDD և FDD սպեկտրի ժառանգությունը, իսկապես գլոբալ տիրույթներն ազատելու դժվարությունը և 5G-ի գալուստը ավելի շատ տիրույթներով ավելի են բարդացնում դուպլեքսի խնդիրը: Հետազոտվող խոստումնալից մեթոդները ներառում են ֆիլտրի վրա հիմնված նոր ձևավորումներ և ինքնամիջամտությունը վերացնելու հնարավորությունը:
Վերջինս իր հետ բերում է նաև «առանց մասնատված» դուպլեքսի (կամ «ներառապայման լրիվ դուպլեքսի») որոշակիորեն խոստումնալից հնարավորությունը: 5G բջջային կապի ապագայում մենք կարող ենք հաշվի առնել ոչ միայն FDD-ն և TDD-ն, այլև ճկուն դուպլեքսը, որը հիմնված է այս նոր տեխնոլոգիաների վրա:
Դանիայի Ալբորգի համալսարանի հետազոտողները մշակել են «Smart Antenna Front End» (SAFE) 2-3 ճարտարապետություն, որն օգտագործում է (տես նկարազարդումը էջ 18) առանձին ալեհավաքներ փոխանցման և ընդունման համար և համատեղում է այս ալեհավաքները (ցածր կատարողականությամբ)՝ համակցված հարմարեցվածի հետ։ ֆիլտրում` փոխանցման և ընդունման ցանկալի մեկուսացմանը հասնելու համար:
Չնայած կատարումը տպավորիչ է, երկու ալեհավաքների անհրաժեշտությունը մեծ թերություն է: Քանի որ հեռախոսները դառնում են ավելի բարակ և սլացիկ, ալեհավաքների համար հասանելի տարածքը գնալով փոքրանում է:
Բջջային սարքերը նաև պահանջում են մի քանի ալեհավաքներ տարածական մուլտիպլեքսավորման համար (MIMO): ԱՆՎՏԱՆԳ ճարտարապետությամբ և 2×2 MIMO աջակցությամբ բջջային հեռախոսները պահանջում են ընդամենը չորս ալեհավաք: Բացի այդ, այս ֆիլտրերի և ալեհավաքների թյունինգի շրջանակը սահմանափակ է:
Այսպիսով, գլոբալ բջջային հեռախոսները նույնպես պետք է կրկնօրինակեն այս ինտերֆեյսի ճարտարապետությունը՝ ծածկելու LTE հաճախականությունների բոլոր տիրույթները (450 ՄՀց-ից մինչև 3600 ՄՀց), ինչը կպահանջի ավելի շատ ալեհավաքներ, ավելի շատ ալեհավաք լարողներ և ավելի շատ զտիչներ, ինչը մեզ վերադարձնում է հաճախակի տրվող հարցերին: բազմաշերտ գործարկում՝ բաղադրիչների կրկնօրինակման պատճառով:
Թեև ավելի շատ ալեհավաքներ կարող են տեղադրվել պլանշետում կամ նոութբուքում, հարմարեցման և/կամ մանրանկարչության հետագա առաջընթացն անհրաժեշտ է այս տեխնոլոգիան սմարթֆոնների համար հարմար դարձնելու համար:
Էլեկտրական հավասարակշռված դուպլեքսը օգտագործվել է լարային հեռախոսակապի վաղ օրերից17: Հեռախոսային համակարգում խոսափողը և ականջակալը պետք է միացված լինեն հեռախոսագծին, բայց մեկուսացված լինեն միմյանցից, որպեսզի օգտագործողի սեփական ձայնը չխլացնի ավելի թույլ մուտքային ձայնային ազդանշանը: Սա ձեռք է բերվել հիբրիդային տրանսֆորմատորների միջոցով, մինչև էլեկտրոնային հեռախոսների հայտնվելը:
Ստորև նկարում ներկայացված դուպլեքս սխեման օգտագործում է նույն արժեքի ռեզիստորը, որպեսզի համապատասխանի հաղորդման գծի դիմադրությանը, որպեսզի խոսափողի հոսանքը տրոհվի, երբ մտնում է տրանսֆորմատոր և հոսում հակառակ ուղղություններով առաջնային կծիկի միջով: Մագնիսական հոսքերը արդյունավետորեն ջնջվում են, և երկրորդական կծիկում հոսանք չի առաջանում, ուստի երկրորդական կծիկը մեկուսացված է խոսափողից:
Այնուամենայնիվ, խոսափողից ազդանշանը դեռևս գնում է դեպի հեռախոսագիծ (չնայած որոշակի կորստով), իսկ հեռախոսի գծի մուտքային ազդանշանը դեռևս գնում է դեպի բարձրախոսը (նաև որոշակի կորուստներով), ինչը թույլ է տալիս երկկողմանի հաղորդակցություն նույն հեռախոսագծի վրա: . . Մետաղական մետաղալար.
Ռադիո հավասարակշռված դուպլեքսերը նման է հեռախոսի դուպլեքսերին, սակայն խոսափողի, հեռախոսի և հեռախոսի լարերի փոխարեն օգտագործվում են համապատասխանաբար հաղորդիչ, ընդունիչ և ալեհավաք, ինչպես ցույց է տրված Նկար Բ-ում:
Հաղորդիչը ստացողից մեկուսացնելու երրորդ եղանակը ինքնամիջամտությունը (SI) վերացնելն է, դրանով իսկ ստացված ազդանշանից հանելով փոխանցվող ազդանշանը: Խցանման տեխնիկան օգտագործվել է ռադարներում և հեռարձակման մեջ տասնամյակներ շարունակ:
Օրինակ, 1980-ականների սկզբին Plessy-ն մշակել և շուկա է հանել SI-ի փոխհատուցման վրա հիմնված արտադրանք, որը կոչվում է «Groundsat», որպեսզի ընդլայնի կիսադուպլեքս անալոգային FM ռազմական կապի ցանցերի շրջանակը4-5:
Համակարգը գործում է որպես լրիվ դուպլեքս մեկ ալիքով կրկնող՝ ընդլայնելով աշխատանքային տարածքում օգտագործվող կիսադուպլեքս ռադիոների արդյունավետ տիրույթը:
Վերջերս հետաքրքրություն է նկատվել ինքնամիջամտության ճնշման նկատմամբ, հիմնականում պայմանավորված է դեպի կարճ հեռահար հաղորդակցությունների (բջջային և Wi-Fi) տենդենցը, որն ավելի կառավարելի է դարձնում SI-ի ճնշման խնդիրը՝ հաղորդման ցածր հզորության և սպառողների օգտագործման համար ավելի բարձր էներգիայի ընդունման պատճառով: . Անլար մուտքի և Backhaul հավելվածներ 6-8.
Apple-ի iPhone-ը (Qualcomm-ի օգնությամբ) թերևս ունի աշխարհի լավագույն անլար և LTE հնարավորությունները՝ աջակցելով 16 LTE տիրույթ մեկ չիպի վրա: Սա նշանակում է, որ GSM և CDMA շուկաները ծածկելու համար անհրաժեշտ է արտադրել ընդամենը երկու SKU:
Դուպլեքս հավելվածներում՝ առանց միջամտության համօգտագործման, ինքնամիջամտության ճնշումը կարող է բարելավել սպեկտրի արդյունավետությունը՝ թույլ տալով վերահղմանը և ներքևին կիսել սպեկտրի նույն ռեսուրսները9,10: Ինքնամիջամտության ճնշման տեխնիկան կարող է օգտագործվել նաև FDD-ի համար հատուկ կրկնօրինակիչներ ստեղծելու համար:
Չեղարկումն ինքնին սովորաբար բաղկացած է մի քանի փուլից: Ալեհավաքի և ընդունիչի միջև ուղղորդված ցանցը ապահովում է փոխանցվող և ստացված ազդանշանների բաժանման առաջին մակարդակը: Երկրորդ, լրացուցիչ անալոգային և թվային ազդանշանների մշակումն օգտագործվում է ստացված ազդանշանում մնացած ներքին աղմուկը վերացնելու համար: Առաջին փուլը կարող է օգտագործել առանձին ալեհավաք (ինչպես SAFE-ում), հիբրիդային տրանսֆորմատոր (նկարագրված է ստորև);
Անջատված ալեհավաքների խնդիրն արդեն նկարագրված է: Շրջանառուները սովորաբար նեղ գոտի են, քանի որ դրանք բյուրեղում օգտագործում են ֆերոմագնիսական ռեզոնանս: Այս հիբրիդային տեխնոլոգիան կամ Էլեկտրական հավասարակշռված մեկուսացումը (EBI) խոստումնալից տեխնոլոգիա է, որը կարող է լինել լայնաշերտ և պոտենցիալ ինտեգրվել չիպի վրա:
Ինչպես ցույց է տրված ստորև նկարում, խելացի ալեհավաքի առջևի դիզայնը օգտագործում է երկու նեղաշերտ կարգավորվող ալեհավաքներ՝ մեկը փոխանցման և մյուսը ստանալու համար, և մի զույգ ցածր արդյունավետության, բայց կարգավորելի դուպլեքս զտիչներ: Առանձին ալեհավաքները ոչ միայն ապահովում են որոշակի պասիվ մեկուսացում նրանց միջև տարածման կորստի գնով, այլև ունեն սահմանափակ (բայց կարգավորելի) ակնթարթային թողունակություն:
Հաղորդող ալեհավաքն արդյունավետորեն գործում է միայն հաղորդման հաճախականության տիրույթում, իսկ ընդունող ալեհավաքն արդյունավետ գործում է միայն ընդունման հաճախականության տիրույթում: Այս դեպքում ալեհավաքն ինքնին հանդես է գալիս նաև որպես զտիչ. շղթայից դուրս Tx արտանետումները թուլանում են հաղորդող ալեհավաքով, իսկ Tx տիրույթում ինքնամիջամտությունը թուլանում է ընդունող ալեհավաքով:
Հետևաբար, ճարտարապետությունը պահանջում է, որ ալեհավաքը կարգավորելի լինի, ինչը ձեռք է բերվում ալեհավաքի թյունինգ ցանցի օգտագործմամբ: Անտենաների թյունինգի ցանցում առկա է տեղադրման որոշակի անխուսափելի կորուստ: Այնուամենայնիվ, MEMS18 կարգավորելի կոնդենսատորների վերջին ձեռքբերումները զգալիորեն բարելավել են այս սարքերի որակը՝ դրանով իսկ նվազեցնելով կորուստները: Rx-ի ներդրման կորուստը մոտավորապես 3 դԲ է, ինչը համեմատելի է SAW դուպլեքսերի և անջատիչի ընդհանուր կորուստների հետ:
Այնուհետև ալեհավաքի վրա հիմնված մեկուսացումը լրացվում է կարգավորելի ֆիլտրով, որը նույնպես հիմնված է MEM3 կարգավորվող կոնդենսատորների վրա՝ հասնելու ալեհավաքից 25 դԲ և ֆիլտրից 25 դԲ մեկուսացման: Նախատիպերը ցույց են տվել, որ դրան կարելի է հասնել:
Ակադեմիայի և արդյունաբերության մի քանի հետազոտական ​​խմբեր ուսումնասիրում են հիբրիդների օգտագործումը դուպլեքս տպագրության համար11–16: Այս սխեմաները պասիվորեն վերացնում են SI-ն՝ թույլ տալով միաժամանակյա փոխանցում և ընդունում մեկ ալեհավաքից, բայց մեկուսացնելով հաղորդիչը և ստացողը: Դրանք իրենց բնույթով լայնաշերտ են և կարող են իրականացվել չիպի վրա՝ դրանք դարձնելով գրավիչ տարբերակ շարժական սարքերում հաճախականությունների կրկնօրինակման համար:
Վերջին առաջընթացները ցույց են տվել, որ EBI օգտագործող FDD հաղորդիչները կարող են արտադրվել CMOS-ից (Complementary Metal Oxide Semiconductor)՝ ներդիրի կորստով, աղմուկի թվով, ստացողի գծայինությամբ և արգելափակման ճնշման բնութագրերով, որոնք հարմար են բջջային հավելվածների համար11,12,13: Այնուամենայնիվ, ինչպես ցույց են տալիս ակադեմիական և գիտական ​​գրականության բազմաթիվ օրինակներ, կա մի հիմնարար սահմանափակում, որը ազդում է դուպլեքս մեկուսացման վրա:
Ռադիո ալեհավաքի դիմադրությունը ֆիքսված չէ, բայց տատանվում է գործառնական հաճախականության (ալեհավաքի ռեզոնանսի պատճառով) և ժամանակի (փոփոխվող միջավայրի հետ փոխազդեցության պատճառով): Սա նշանակում է, որ հավասարակշռող դիմադրությունը պետք է հարմարվի հետևելու դիմադրության փոփոխություններին, և անջատման թողունակությունը սահմանափակ է հաճախականության տիրույթի փոփոխությունների պատճառով13 (տես Նկար 1):
Մեր աշխատանքը Բրիստոլի համալսարանում կենտրոնացած է կատարողականի այս սահմանափակումների հետաքննության և լուծման վրա՝ ցույց տալու համար, որ անհրաժեշտ ուղարկման/ստացման մեկուսացումը և թողունակությունը կարելի է ձեռք բերել իրական աշխարհի օգտագործման դեպքերում:
Ալեհավաքի դիմադրության տատանումները (որոնք լրջորեն ազդում են մեկուսացման վրա) հաղթահարելու համար, մեր հարմարվողական ալգորիթմը հետևում է ալեհավաքի դիմադրությանը իրական ժամանակում, և փորձարկումը ցույց է տվել, որ աշխատանքը կարող է պահպանվել տարբեր դինամիկ միջավայրերում, ներառյալ օգտագործողի ձեռքի փոխազդեցությունը և արագընթաց ճանապարհը և երկաթուղին: ճանապարհորդություն.
Բացի այդ, հաճախականության տիրույթում սահմանափակ ալեհավաքի համընկնումը հաղթահարելու համար, դրանով իսկ մեծացնելով թողունակությունը և ընդհանուր մեկուսացումը, մենք համատեղում ենք էլեկտրական հավասարակշռված դուպլեքսերը լրացուցիչ ակտիվ SI ճնշմամբ՝ օգտագործելով երկրորդ հաղորդիչը՝ ճնշող ազդանշան ստեղծելու համար՝ հետագայում ինքնամիջամտումը ճնշելու համար: (տես նկար 2):
Մեր փորձարկման հարթակի արդյունքները հուսադրող են. EBD-ի հետ համակցված ակտիվ տեխնոլոգիան կարող է զգալիորեն բարելավել փոխանցման և ընդունման մեկուսացումը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 3-ում:
Մեր վերջնական լաբորատոր սարքավորումն օգտագործում է էժան շարժական սարքի բաղադրիչներ (բջջային հեռախոսի հզորության ուժեղացուցիչներ և ալեհավաքներ)՝ դարձնելով այն բջջային հեռախոսների ներդրման ներկայացուցչական: Ավելին, մեր չափումները ցույց են տալիս, որ այս տեսակի երկաստիճան ինքնամիջամտության մերժումը կարող է ապահովել անհրաժեշտ դուպլեքս մեկուսացում վերընթաց և ներքև հղման հաճախականությունների տիրույթներում, նույնիսկ երբ օգտագործվում են էժան, առևտրային կարգի սարքավորումներ:
Բջջային սարքի ստացած ազդանշանի ուժգնությունն իր առավելագույն տիրույթում պետք է լինի 12 կարգով ավելի ցածր, քան այն փոխանցում է ազդանշանի ուժգնությունը: Time Division Duplex-ում (TDD) դուպլեքս սխեման պարզապես անջատիչ է, որը միացնում է ալեհավաքը հաղորդիչին կամ ստացողին, ուստի TDD-ում դուպլեքսերը պարզ անջատիչ է: FDD-ում հաղորդիչը և ստացողը գործում են միաժամանակ, և դուպլեքսերը օգտագործում է զտիչներ՝ ստացողը հաղորդիչի ուժեղ ազդանշանից մեկուսացնելու համար:
Դուպլեքսերը բջջային FDD առջևի ծայրում ապահովում է >~50 դԲ մեկուսացում վերին հղման տիրույթում` կանխելու համար ստացողի գերբեռնումը Tx ազդանշաններով, և >~50 դԲ մեկուսացում ներքևի հղման գոտում` շղթայից դուրս փոխանցումը կանխելու համար: Նվազեցված ընդունիչի զգայունությունը: Rx տիրույթում կորուստները փոխանցման և ընդունման ուղիներում նվազագույն են:
Այս ցածր կորուստների և բարձր մեկուսացման պահանջները, որտեղ հաճախականությունները բաժանված են ընդամենը մի քանի տոկոսով, պահանջում են բարձր Q զտում, որը մինչ այժմ կարելի է հասնել միայն մակերեսային ակուստիկ ալիքի (SAW) կամ մարմնի ակուստիկ ալիքի (BAW) սարքերի միջոցով:
Թեև տեխնոլոգիան շարունակում է զարգանալ, մեծամասամբ պահանջվող սարքերի մեծ թվով պայմանավորված առաջընթացներով, բազմաշերտ գործարկումը նշանակում է առանձին անջատված դուպլեքս ֆիլտր յուրաքանչյուր գոտու համար, ինչպես ցույց է տրված Նկար Ա-ում: Բոլոր անջատիչները և երթուղիչները նաև լրացուցիչ գործառույթներ են ավելացնում: կատարման տույժեր և փոխզիջումներ:
Ընթացիկ տեխնոլոգիայի վրա հիմնված մատչելի համաշխարհային հեռախոսները չափազանց դժվար է արտադրել: Ստացված ռադիոյի ճարտարապետությունը կլինի շատ մեծ, վնասաբեր և թանկ: Արտադրողները պետք է ստեղծեն մի քանի արտադրանքի տարբերակներ տարբեր տարածաշրջաններում անհրաժեշտ տիրույթների տարբեր համակցությունների համար՝ դժվարացնելով անսահմանափակ գլոբալ LTE ռոումինգը: Այն մասշտաբի տնտեսությունները, որոնք հանգեցրին GSM-ի գերակայությանը, գնալով դժվարանում են հասնել:
Տվյալների բարձր արագությամբ շարժական ծառայությունների պահանջարկի աճը հանգեցրել է 4G բջջային ցանցերի տեղակայմանը 50 հաճախականությունների տիրույթներում, իսկ ավելի շատ տիրույթներ են սպասվում, քանի որ 5G-ը լիովին սահմանված և լայնորեն տարածված է: RF ինտերֆեյսի բարդության պատճառով հնարավոր չէ այս ամենը ծածկել մեկ սարքում՝ օգտագործելով ընթացիկ ֆիլտրի վրա հիմնված տեխնոլոգիաները, ուստի պահանջվում են կարգավորելի և վերակազմավորվող ՌԴ սխեմաներ:
Իդեալում, երկակի խնդրի լուծման համար անհրաժեշտ է նոր մոտեցում, որը հավանաբար հիմնված է կարգավորելի զտիչների կամ ինքնամիջամտության ճնշման կամ երկուսի համակցության վրա:
Թեև մենք դեռ չունենք մեկ մոտեցում, որը կհամապատասխանի ծախսերի, չափերի, կատարողականի և արդյունավետության բազմաթիվ պահանջներին, միգուցե փազլի կտորները մի քանի տարի հետո կմիավորվեն և կլինեն ձեր գրպանում:
Տեխնոլոգիաները, ինչպիսիք են EBD-ն՝ SI-ի ճնշմամբ, կարող են բացել նույն հաճախականությունը միաժամանակ երկու ուղղություններով օգտագործելու հնարավորությունը, ինչը կարող է զգալիորեն բարելավել սպեկտրային արդյունավետությունը: