Mười năm trước, điện thoại thông minh thường chỉ hỗ trợ một số tiêu chuẩn hoạt động ở bốn băng tần GSM và có lẽ một số tiêu chuẩn WCDMA hoặc CDMA2000. Với rất ít dải tần để lựa chọn, điện thoại GSM “bốn băng tần” đã đạt được mức độ đồng nhất toàn cầu nhất định, sử dụng các băng tần 850/900/1800/1900 MHz và có thể được sử dụng ở mọi nơi trên thế giới (à, khá nhiều).
Đây là một lợi ích to lớn cho khách du lịch và tạo ra quy mô kinh tế lớn cho các nhà sản xuất thiết bị, những người chỉ cần tung ra một vài mẫu (hoặc có thể chỉ một) cho toàn bộ thị trường toàn cầu. Chuyển nhanh đến ngày nay, GSM vẫn là công nghệ truy cập không dây duy nhất cung cấp khả năng chuyển vùng toàn cầu. Nhân tiện, nếu bạn chưa biết thì GSM đang dần bị loại bỏ.
Bất kỳ điện thoại thông minh nào xứng đáng với tên gọi này đều phải hỗ trợ truy cập 4G, 3G và 2G với các yêu cầu giao diện RF khác nhau về băng thông, công suất phát, độ nhạy máy thu và nhiều thông số khác.
Ngoài ra, do phổ tần toàn cầu bị phân tán nên các tiêu chuẩn 4G bao trùm một số lượng lớn các dải tần, do đó, các nhà khai thác có thể sử dụng chúng trên bất kỳ tần số nào có sẵn ở bất kỳ khu vực nhất định nào – hiện có tổng cộng 50 băng tần, như trường hợp của các tiêu chuẩn LTE1. Một “điện thoại thế giới” thực sự phải hoạt động trong tất cả các môi trường này.
Vấn đề then chốt mà bất kỳ đài phát thanh di động nào cũng phải giải quyết là “giao tiếp song công”. Khi chúng ta nói, chúng ta cùng lắng nghe. Các hệ thống vô tuyến ban đầu sử dụng tính năng bấm để nói (một số vẫn còn sử dụng tính năng này), nhưng khi nói chuyện điện thoại, chúng ta mong đợi người khác sẽ ngắt lời mình. Các thiết bị di động thế hệ đầu tiên (tương tự) đã sử dụng “bộ lọc song công” (hoặc bộ song công) để nhận đường xuống mà không bị “làm choáng” khi truyền đường lên trên một tần số khác.
Làm cho những bộ lọc này nhỏ hơn và rẻ hơn là một thách thức lớn đối với các nhà sản xuất điện thoại thời kỳ đầu. Khi GSM được giới thiệu, giao thức được thiết kế sao cho các bộ thu phát có thể hoạt động ở “chế độ bán song công”.
Đây là một cách rất thông minh để loại bỏ bộ song công và là yếu tố chính giúp GSM trở thành công nghệ chính thống, chi phí thấp có khả năng thống trị ngành (và thay đổi cách mọi người giao tiếp trong quá trình này).
Điện thoại Essential của Andy Rubin, nhà phát minh hệ điều hành Android, có các tính năng kết nối mới nhất bao gồm Bluetooth 5.0LE, nhiều mạng GSM/LTE và ăng-ten Wi-Fi ẩn trong khung titan.
Thật không may, những bài học rút ra từ việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật đã nhanh chóng bị lãng quên trong các cuộc chiến tranh chính trị-kỹ thuật vào những ngày đầu của 3G và hình thức song công phân chia tần số (FDD) thống trị hiện nay yêu cầu bộ song công cho mỗi băng tần FDD mà nó hoạt động. Không còn nghi ngờ gì nữa, sự bùng nổ của LTE đi kèm với các yếu tố chi phí ngày càng tăng.
Mặc dù một số băng tần có thể sử dụng Song công phân chia thời gian hoặc TDD (nơi radio nhanh chóng chuyển đổi giữa truyền và nhận), nhưng tồn tại ít băng tần hơn. Hầu hết các nhà khai thác (ngoại trừ chủ yếu là người châu Á) thích phạm vi FDD hơn, trong đó có hơn 30.
Di sản của phổ TDD và FDD, khó khăn trong việc giải phóng các băng tần toàn cầu thực sự và sự ra đời của 5G với nhiều băng tần hơn khiến vấn đề song công càng trở nên phức tạp hơn. Các phương pháp đầy hứa hẹn đang được nghiên cứu bao gồm các thiết kế dựa trên bộ lọc mới và khả năng loại bỏ hiện tượng tự nhiễu.
Loại thứ hai cũng mang đến khả năng có phần hứa hẹn về song công “không phân mảnh” (hoặc “song công hoàn toàn trong băng tần”). Trong tương lai của truyền thông di động 5G, chúng ta có thể phải xem xét không chỉ FDD và TDD mà còn cả song công linh hoạt dựa trên các công nghệ mới này.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aalborg ở Đan Mạch đã phát triển kiến trúc “Mặt trước ăng-ten thông minh” (SAFE)2-3 sử dụng (xem hình minh họa trên trang 18) các ăng-ten riêng biệt để truyền và nhận và kết hợp các ăng-ten này với (hiệu suất thấp) kết hợp với các thiết bị có thể tùy chỉnh. lọc để đạt được sự cách ly truyền và nhận mong muốn.
Mặc dù hiệu suất rất ấn tượng nhưng việc cần có hai ăng-ten là một nhược điểm lớn. Khi điện thoại ngày càng mỏng hơn và kiểu dáng đẹp hơn, không gian dành cho ăng-ten ngày càng nhỏ hơn.
Thiết bị di động cũng yêu cầu nhiều ăng-ten để ghép kênh không gian (MIMO). Điện thoại di động có kiến trúc AN TOÀN và hỗ trợ MIMO 2×2 chỉ cần bốn ăng-ten. Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh của các bộ lọc và ăng-ten này bị hạn chế.
Vì vậy, điện thoại di động toàn cầu cũng sẽ cần phải tái tạo kiến trúc giao diện này để bao phủ tất cả các dải tần LTE (450 MHz đến 3600 MHz), điều này sẽ cần nhiều ăng-ten hơn, nhiều bộ điều chỉnh ăng-ten hơn và nhiều bộ lọc hơn, điều này đưa chúng ta quay trở lại các câu hỏi thường gặp về hoạt động đa băng tần do sự trùng lặp của các thành phần.
Mặc dù có thể lắp đặt nhiều ăng-ten hơn trong máy tính bảng hoặc máy tính xách tay nhưng vẫn cần có những tiến bộ hơn nữa trong việc tùy chỉnh và/hoặc thu nhỏ để làm cho công nghệ này phù hợp với điện thoại thông minh.
Song công cân bằng điện đã được sử dụng từ những ngày đầu của điện thoại hữu tuyến17. Trong hệ thống điện thoại, micrô và tai nghe phải được kết nối với đường dây điện thoại nhưng cách ly với nhau để giọng nói của người dùng không làm nhiễu tín hiệu âm thanh đến yếu hơn. Điều này đạt được bằng cách sử dụng máy biến áp lai trước khi điện thoại điện tử ra đời.
Mạch song công trong hình bên dưới sử dụng một điện trở có cùng giá trị để phù hợp với trở kháng của đường truyền sao cho dòng điện từ micrô tách ra khi đi vào máy biến áp và chạy ngược chiều qua cuộn sơ cấp. Từ thông bị triệt tiêu một cách hiệu quả và không có dòng điện nào được tạo ra trong cuộn dây thứ cấp, do đó cuộn dây thứ cấp được cách ly khỏi micrô.
Tuy nhiên, tín hiệu từ micro vẫn đi đến đường dây điện thoại (mặc dù có một số mất mát) và tín hiệu đến trên đường dây điện thoại vẫn đi đến loa (cũng có một số mất mát), cho phép liên lạc hai chiều trên cùng một đường dây điện thoại . . Dây kim loại.
Bộ song công cân bằng vô tuyến tương tự như bộ song công điện thoại, nhưng thay vì micrô, thiết bị cầm tay và dây điện thoại, bộ phát, bộ thu và ăng-ten được sử dụng tương ứng, như trong Hình B.
Cách thứ ba để cách ly máy phát khỏi máy thu là loại bỏ hiện tượng tự nhiễu (SI), từ đó trừ tín hiệu truyền đi khỏi tín hiệu nhận được. Kỹ thuật gây nhiễu đã được sử dụng trong radar và phát thanh truyền hình trong nhiều thập kỷ.
Ví dụ, vào đầu những năm 1980, Plessy đã phát triển và tiếp thị một sản phẩm dựa trên bù SI có tên là “Groundsat” để mở rộng phạm vi của mạng truyền thông quân sự FM tương tự bán song công4-5.
Hệ thống này hoạt động như một bộ lặp kênh đơn song công hoàn toàn, mở rộng phạm vi hiệu quả của bộ đàm bán song công được sử dụng trên toàn khu vực làm việc.
Gần đây đã có sự quan tâm đến việc tự triệt tiêu nhiễu, chủ yếu là do xu hướng truyền thông tầm ngắn (di động và Wi-Fi), khiến vấn đề triệt tiêu SI trở nên dễ quản lý hơn do công suất phát thấp hơn và khả năng thu công suất cao hơn cho người tiêu dùng sử dụng. . Truy cập không dây và ứng dụng truyền dẫn 6-8.
iPhone của Apple (với sự trợ giúp từ Qualcomm) được cho là có khả năng không dây và LTE tốt nhất thế giới, hỗ trợ 16 băng tần LTE trên một con chip. Điều này có nghĩa là chỉ cần sản xuất hai SKU để đáp ứng thị trường GSM và CDMA.
Trong các ứng dụng song công không chia sẻ nhiễu, việc triệt tiêu tự nhiễu có thể cải thiện hiệu suất phổ bằng cách cho phép đường lên và đường xuống chia sẻ cùng một tài nguyên phổ9,10. Kỹ thuật ngăn chặn tự nhiễu cũng có thể được sử dụng để tạo bộ song công tùy chỉnh cho FDD.
Bản thân việc hủy bỏ thường bao gồm nhiều giai đoạn. Mạng định hướng giữa ăng-ten và bộ thu phát cung cấp mức phân tách đầu tiên giữa tín hiệu truyền và tín hiệu nhận. Thứ hai, việc xử lý tín hiệu tương tự và kỹ thuật số bổ sung được sử dụng để loại bỏ mọi nhiễu nội tại còn lại trong tín hiệu nhận được. Giai đoạn đầu tiên có thể sử dụng một ăng-ten riêng (như trong SAFE), một máy biến áp lai (mô tả bên dưới);
Vấn đề ăng-ten tách rời đã được mô tả. Các bộ tuần hoàn thường có băng tần hẹp vì chúng sử dụng cộng hưởng sắt từ trong tinh thể. Công nghệ lai này, hay Công nghệ cách ly cân bằng điện (EBI), là một công nghệ đầy hứa hẹn có thể được băng thông rộng và có khả năng tích hợp trên chip.
Như minh họa trong hình bên dưới, thiết kế mặt trước của ăng-ten thông minh sử dụng hai ăng-ten có thể điều chỉnh băng tần hẹp, một để phát và một để nhận và một cặp bộ lọc song công có hiệu suất thấp hơn nhưng có thể điều chỉnh được. Các ăng-ten riêng lẻ không chỉ cung cấp một số cách ly thụ động với chi phí tổn thất truyền sóng giữa chúng mà còn có băng thông tức thời hạn chế (nhưng có thể điều chỉnh được).
Ăng ten phát chỉ hoạt động hiệu quả ở dải tần phát và ăng ten thu chỉ hoạt động hiệu quả ở dải tần thu. Trong trường hợp này, bản thân ăng-ten cũng hoạt động như một bộ lọc: các phát xạ Tx ngoài băng tần bị suy giảm bởi ăng-ten phát và hiện tượng tự nhiễu trong băng tần Tx bị ăng-ten thu suy giảm.
Do đó, kiến trúc yêu cầu ăng-ten phải có khả năng điều chỉnh được, điều này đạt được bằng cách sử dụng mạng điều chỉnh ăng-ten. Có một số tổn thất chèn không thể tránh khỏi trong mạng điều chỉnh ăng-ten. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây về tụ điện điều chỉnh MEMS18 đã cải thiện đáng kể chất lượng của các thiết bị này, nhờ đó giảm tổn thất. Suy hao chèn Rx xấp xỉ 3 dB, tương đương với tổn thất tổng của bộ song công và chuyển mạch SAW.
Sau đó, việc cách ly dựa trên ăng-ten được bổ sung bằng bộ lọc điều chỉnh được, cũng dựa trên tụ điện điều chỉnh MEM3, để đạt được mức cách ly 25 dB khỏi ăng-ten và cách ly 25 dB khỏi bộ lọc. Nguyên mẫu đã chứng minh rằng điều này có thể đạt được.
Một số nhóm nghiên cứu trong giới học viện và ngành công nghiệp đang khám phá việc sử dụng các vật liệu lai để in hai mặt11–16. Các sơ đồ này loại bỏ SI một cách thụ động bằng cách cho phép truyền và nhận đồng thời từ một ăng-ten duy nhất nhưng cách ly máy phát và máy thu. Chúng có bản chất là băng thông rộng và có thể được triển khai trên chip, khiến chúng trở thành một lựa chọn hấp dẫn để ghép tần số trong thiết bị di động.
Những tiến bộ gần đây đã chỉ ra rằng bộ thu phát FDD sử dụng EBI có thể được sản xuất từ CMOS (Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung) với tổn thất chèn, hệ số nhiễu, độ tuyến tính của máy thu và các đặc tính triệt tiêu chặn phù hợp cho các ứng dụng di động11,12,13. Tuy nhiên, như nhiều ví dụ trong tài liệu khoa học và học thuật đã chứng minh, có một hạn chế cơ bản ảnh hưởng đến việc cách ly song công.
Trở kháng của ăng-ten vô tuyến không cố định mà thay đổi theo tần số hoạt động (do cộng hưởng ăng-ten) và thời gian (do tương tác với môi trường thay đổi). Điều này có nghĩa là trở kháng cân bằng phải thích ứng với những thay đổi trở kháng của rãnh và băng thông tách bị hạn chế do những thay đổi trong miền tần số13 (xem Hình 1).
Công việc của chúng tôi tại Đại học Bristol tập trung vào việc điều tra và giải quyết những hạn chế về hiệu suất này để chứng minh rằng khả năng cách ly và thông lượng gửi/nhận cần thiết có thể đạt được trong các trường hợp sử dụng trong thế giới thực.
Để khắc phục sự dao động trở kháng ăng-ten (ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng cách ly), thuật toán thích ứng của chúng tôi theo dõi trở kháng ăng-ten trong thời gian thực và thử nghiệm đã chỉ ra rằng hiệu suất có thể được duy trì trong nhiều môi trường động, bao gồm tương tác bằng tay người dùng cũng như đường bộ và đường sắt tốc độ cao du lịch.
Ngoài ra, để khắc phục tình trạng khớp ăng-ten hạn chế trong miền tần số, từ đó tăng băng thông và cách ly tổng thể, chúng tôi kết hợp bộ song công cân bằng điện với bộ triệt tiêu SI chủ động bổ sung, sử dụng bộ phát thứ hai để tạo ra tín hiệu triệt tiêu nhằm triệt tiêu hiện tượng tự nhiễu hơn nữa. (xem Hình 2).
Kết quả từ nền tảng thử nghiệm của chúng tôi rất đáng khích lệ: khi kết hợp với EBD, công nghệ chủ động có thể cải thiện đáng kể khả năng cách ly truyền và nhận, như trong Hình 3.
Thiết lập phòng thí nghiệm cuối cùng của chúng tôi sử dụng các thành phần thiết bị di động giá rẻ (bộ khuếch đại công suất điện thoại di động và ăng-ten), khiến nó trở thành đại diện cho việc triển khai điện thoại di động. Hơn nữa, các phép đo của chúng tôi cho thấy kiểu loại bỏ tự nhiễu hai giai đoạn này có thể cung cấp khả năng cách ly song công cần thiết ở các dải tần đường lên và đường xuống, ngay cả khi sử dụng thiết bị cấp thương mại, chi phí thấp.
Cường độ tín hiệu mà thiết bị di động nhận được ở phạm vi tối đa của nó phải thấp hơn 12 bậc cường độ tín hiệu mà nó truyền đi. Trong Song công phân chia theo thời gian (TDD), mạch song công chỉ đơn giản là một công tắc kết nối ăng-ten với máy phát hoặc máy thu, do đó, bộ song công trong TDD là một công tắc đơn giản. Trong FDD, máy phát và máy thu hoạt động đồng thời và bộ song công sử dụng các bộ lọc để cách ly máy thu khỏi tín hiệu mạnh của máy phát.
Bộ song công ở mặt trước FDD di động cung cấp khả năng cách ly >~50 dB trong băng tần đường lên để tránh làm quá tải máy thu với tín hiệu Tx và cách ly >~50 dB trong băng tần đường xuống để tránh truyền ngoài băng tần. Giảm độ nhạy của máy thu. Trong băng tần Rx, tổn thất trên đường truyền và nhận là tối thiểu.
Những yêu cầu về tổn thất thấp, cách ly cao này, trong đó các tần số chỉ cách nhau một vài phần trăm, yêu cầu lọc Q cao, điều này cho đến nay chỉ có thể đạt được bằng cách sử dụng các thiết bị sóng âm bề mặt (SAW) hoặc sóng âm cơ thể (BAW).
Trong khi công nghệ tiếp tục phát triển với những tiến bộ phần lớn nhờ vào số lượng lớn thiết bị được yêu cầu, hoạt động đa băng tần có nghĩa là một bộ lọc song công ngoài chip riêng biệt cho mỗi băng tần, như minh họa trong Hình A. Tất cả các bộ chuyển mạch và bộ định tuyến cũng bổ sung thêm chức năng với các hình phạt về hiệu suất và sự đánh đổi.
Điện thoại toàn cầu giá cả phải chăng dựa trên công nghệ hiện tại quá khó để sản xuất. Kiến trúc vô tuyến thu được sẽ rất lớn, bị tổn hao và đắt tiền. Các nhà sản xuất phải tạo ra nhiều biến thể sản phẩm cho các kết hợp băng tần khác nhau cần thiết ở các khu vực khác nhau, khiến việc chuyển vùng LTE toàn cầu không giới hạn trở nên khó khăn. Tính kinh tế nhờ quy mô dẫn đến sự thống trị của GSM ngày càng trở nên khó đạt được.
Nhu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ di động tốc độ dữ liệu cao đã dẫn đến việc triển khai mạng di động 4G trên 50 băng tần, thậm chí còn có nhiều băng tần hơn nữa khi 5G được xác định đầy đủ và triển khai rộng rãi. Do sự phức tạp của giao diện RF, không thể bao gồm tất cả những điều này trong một thiết bị duy nhất bằng cách sử dụng các công nghệ dựa trên bộ lọc hiện tại, do đó cần có các mạch RF có thể tùy chỉnh và cấu hình lại.
Lý tưởng nhất là cần có một cách tiếp cận mới để giải quyết vấn đề song công, có thể dựa trên các bộ lọc có thể điều chỉnh được hoặc sự triệt tiêu tự nhiễu hoặc sự kết hợp nào đó của cả hai.
Mặc dù chúng tôi chưa có một cách tiếp cận duy nhất đáp ứng nhiều nhu cầu về chi phí, quy mô, hiệu suất và hiệu quả, nhưng có lẽ các mảnh ghép sẽ tập hợp lại và nằm gọn trong túi bạn sau vài năm nữa.
Các công nghệ như EBD với chức năng triệt tiêu SI có thể mở ra khả năng sử dụng cùng tần số theo cả hai hướng cùng một lúc, điều này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất quang phổ.
Thời gian đăng: 24-09-2024