Арван жилийн өмнө ухаалаг гар утаснууд GSM давтамжийн дөрвөн зурваст ажилладаг хэдхэн стандарт, магадгүй WCDMA эсвэл CDMA2000 стандартыг дэмждэг байсан. Сонгох цөөн тооны давтамжийн зурвасын улмаас дэлхийн хаана ч ашиглах боломжтой, 850/900/1800/1900 МГц-ийн зурвасыг ашигладаг "дөрвөлсөн зурвас" GSM утаснууд нь дэлхийн хэмжээнд тодорхой хэмжээний жигд байдалд хүрсэн (сайн, нэлээн их).
Энэ нь аялагчдын хувьд асар их ашиг тус бөгөөд дэлхийн зах зээлд зөвхөн цөөн хэдэн загвар (эсвэл магадгүй нэг л) гаргах шаардлагатай төхөөрөмж үйлдвэрлэгчдэд асар их хэмжээний эдийн засгийг бий болгодог. Өнөөдрийг хүртэл GSM бол дэлхийн роуминг үйлчилгээ үзүүлдэг цорын ганц утасгүй холболтын технологи хэвээр байна. Дашрамд хэлэхэд, хэрэв та мэдэхгүй байсан бол GSM аажмаар алга болж байна.
Энэ нэрэнд тохирох аливаа ухаалаг утас нь зурвасын өргөн, дамжуулах хүч, хүлээн авагчийн мэдрэмж болон бусад олон параметрийн хувьд янз бүрийн RF интерфейсийн шаардлага бүхий 4G, 3G, 2G хандалтыг дэмжих ёстой.
Нэмж дурдахад, дэлхийн спектрийн хуваагдмал байдлаас шалтгаалан 4G стандартууд нь олон тооны давтамжийн зурвасыг хамардаг тул операторууд үүнийг аль ч бүсэд байгаа ямар ч давтамж дээр ашиглах боломжтой - одоогоор LTE1 стандартын адил нийт 50 зурваст байна. Жинхэнэ "дэлхийн утас" эдгээр бүх орчинд ажиллах ёстой.
Аливаа үүрэн холбооны радиогийн шийдвэрлэх ёстой гол асуудал бол "дуплекс харилцаа холбоо" юм. Бид ярихдаа нэгэн зэрэг сонсдог. Эртний радио системүүд нь түлхэх яриаг ашигладаг байсан (зарим нь одоо ч ашигладаг), гэхдээ бид утсаар ярих үед нөгөө хүн бидний яриаг тасална гэж бид хүлээдэг. Нэгдүгээр үеийн (аналог) үүрэн холбооны төхөөрөмжүүд нь өөр давтамжаар дээшлэх холбоосыг дамжуулж "гайхах"гүйгээр доош линкийг хүлээн авахын тулд "дуплекс шүүлтүүр" (эсвэл дуплекс шүүлтүүр) ашигладаг байв.
Эдгээр шүүлтүүрийг жижигрүүлж, хямд болгох нь анхны утас үйлдвэрлэгчдийн хувьд томоохон сорилт байв. GSM-г нэвтрүүлэх үед протокол нь дамжуулагчийг "хагас дуплекс горимд" ажиллах боломжтой болгосон.
Энэ нь дуплексерүүдийг устгах маш ухаалаг арга байсан бөгөөд GSM-ийг хямд өртөгтэй, үйлдвэрлэлд ноёрхох чадвартай (мөн хүмүүсийн харилцах арга хэлбэрийг өөрчлөх) гол хүчин зүйл болсон.
Андройд үйлдлийн системийг зохион бүтээгч Энди Рубины Essential гар утас нь Bluetooth 5.0LE, төрөл бүрийн GSM/LTE болон титан хүрээ дотор нуугдсан Wi-Fi антен зэрэг хамгийн сүүлийн үеийн холболтын боломжуудтай.
Харамсалтай нь 3G-ийн эхэн үеийн техник-улс төрийн дайнд техникийн асуудлуудыг шийдвэрлэхэд сурсан сургамжууд хурдан мартагдсан бөгөөд одоо давамгайлж буй давтамж хуваах дуплекс (FDD) нь түүний ажиллаж буй FDD зурвас бүрт дуплексер шаарддаг. LTE-ийн өсөлт нь зардлын өсөлттэй холбоотой гэдэгт эргэлзэх зүйл алга.
Зарим хамтлагууд Time Division Duplex буюу TDD (радио нь дамжуулах, хүлээн авах хооронд хурдан шилждэг) ашиглах боломжтой боловч эдгээр хамтлагуудаас цөөн байдаг. Ихэнх операторууд (ихэвчлэн Азийнхаас бусад) FDD хүрээг илүүд үздэг бөгөөд үүнээс 30 гаруй байдаг.
TDD болон FDD спектрийн өв залгамжлал, жинхэнэ глобал хамтлагуудыг чөлөөлөхөд бэрхшээлтэй байдал, илүү олон хамтлаг бүхий 5G бий болсон нь дуплекс асуудлыг улам бүр төвөгтэй болгож байна. Шалгаж буй ирээдүйтэй аргуудын дунд шүүлтүүрт суурилсан шинэ загварууд, өөрийн хөндлөнгийн оролцоог арилгах чадвар орно.
Сүүлийнх нь мөн "хэсэггүй" дуплекс (эсвэл "хамтлаг доторх бүрэн дуплекс") гэсэн бага зэрэг ирээдүйтэй боломжийг авчирдаг. Ирээдүйд 5G мобайл холбооны хувьд бид зөвхөн FDD болон TDD төдийгүй эдгээр шинэ технологид суурилсан уян хатан дуплексийг авч үзэх шаардлагатай болж магадгүй юм.
Данийн Аальборгийн их сургуулийн судлаачид дамжуулах, хүлээн авахдаа тусдаа антеннуудыг ашигладаг (18-р хуудасны зургийг үз) "Ухаалаг антенны урд төгсгөл" (SAFE)2-3 архитектурыг боловсруулж, эдгээр антеннуудыг (бага гүйцэтгэлтэй) тохируулж болно. Хүссэн дамжуулах, хүлээн авах тусгаарлалтыг хангахын тулд шүүлтүүр.
Гүйцэтгэл нь гайхалтай боловч хоёр антенны хэрэгцээ нь том сул тал юм. Утас нарийхан, нарийхан болохын хэрээр антенны зай багассаар байна.
Мөн хөдөлгөөнт төхөөрөмжүүд нь орон зайн мультиплекс (MIMO) хийхэд олон антен шаарддаг. SAFE архитектуртай, 2×2 MIMO дэмжлэгтэй гар утаснуудад ердөө дөрвөн антен шаардлагатай. Нэмж дурдахад эдгээр шүүлтүүр, антеннуудын тааруулах хүрээ хязгаарлагдмал байдаг.
Тиймээс дэлхийн гар утаснууд бүх LTE давтамжийн зурвасыг (450 МГц-ээс 3600 МГц) хамрахын тулд интерфэйсийн архитектурыг давтах шаардлагатай бөгөөд энэ нь илүү олон антен, антен тааруулагч, илүү олон шүүлтүүр шаарддаг бөгөөд энэ нь биднийг байнга асуудаг асуултууд руу буцаана. бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн давхардлын улмаас олон зурвасын ажиллагаа.
Хэдийгээр таблет эсвэл зөөврийн компьютерт илүү олон антен суулгаж болох ч энэ технологийг ухаалаг гар утсанд тохиромжтой болгохын тулд өөрчлөх болон/эсвэл жижигрүүлэх чиглэлээр ахиц дэвшил гаргах шаардлагатай байна.
Цахилгааны тэнцвэртэй дуплексийг утастай телефон утасны эхэн үеэс хэрэглэж ирсэн17. Утасны системд микрофон ба чихэвч нь утасны шугамд холбогдсон байх ёстой, гэхдээ хэрэглэгчийн өөрийн дуу хоолой нь ирж буй сул дохиог дүлий болгохгүйн тулд бие биенээсээ тусгаарлагдсан байх ёстой. Энэ нь электрон утас гарч ирэхээс өмнө эрлийз трансформаторын тусламжтайгаар хүрсэн.
Доорх зурагт үзүүлсэн дуплекс хэлхээ нь дамжуулах шугамын эсэргүүцлийг тохируулахын тулд ижил утгатай резисторыг ашигладаг бөгөөд ингэснээр микрофоны гүйдэл трансформатор руу ороход хуваагдаж, үндсэн ороомогоор эсрэг чиглэлд урсдаг. Соронзон урсгалыг үр дүнтэй унтрааж, хоёрдогч ороомогт гүйдэл үүсгэдэггүй тул хоёрдогч ороомог нь микрофоноос тусгаарлагдсан байдаг.
Гэсэн хэдий ч микрофоноос ирсэн дохио нь утасны шугам руу очсон хэвээр байгаа (хэдийгээр бага зэрэг алдагдалтай байсан ч), утасны шугам дээрх ирж буй дохио чанга яригч руу очсон хэвээр байна (мөн бага зэрэг алдагдалтай), энэ нь нэг утасны шугам дээр хоёр талын холбоо тогтоох боломжийг олгодог. . . Металл утас.
Радио тэнцвэржүүлсэн дуплексер нь утасны дуплексертэй төстэй боловч зураг Б-д үзүүлсэнчлэн микрофон, гар утас, утасны утасны оронд дамжуулагч, хүлээн авагч, антенныг тус тус ашигладаг.
Дамжуулагчийг хүлээн авагчаас тусгаарлах гуравдахь арга бол өөрөө хөндлөнгийн оролцоог арилгах (SI) бөгөөд ингэснээр хүлээн авсан дохионоос дамжуулсан дохиог хасах явдал юм. Түгжрэлийн техникийг радар болон өргөн нэвтрүүлэгт олон арван жилийн турш ашиглаж ирсэн.
Жишээлбэл, 1980-аад оны эхээр Plessy хагас дуплекс аналоги FM цэргийн холбооны сүлжээний хүрээг өргөтгөхийн тулд "Groundsat" нэртэй SI-ийн нөхөн төлбөрт суурилсан бүтээгдэхүүнийг боловсруулж, зах зээлд гаргасан.
Систем нь бүрэн дуплекс нэг сувгийн давталт болж, ажлын талбарт ашигладаг хагас дуплекс радиогийн үр дүнтэй хүрээг өргөтгөдөг.
Сүүлийн үед ойрын зайн харилцаа холбоо (үүрэн болон Wi-Fi) руу чиглэх хандлагатай байгаа тул өөрийн хөндлөнгийн оролцоог дарах сонирхол байгаа бөгөөд энэ нь дамжуулах чадал бага, хэрэглэгчийн хэрэглээнд илүү өндөр эрчим хүч хүлээн авснаас үүдэн SI-г дарах асуудлыг шийдвэрлэх боломжтой болгодог. . Утасгүй хандалт ба ачаа тээшний програмууд 6-8.
Apple-ийн iPhone утас (Qualcomm-ийн тусламжтайгаар) нэг чип дээр 16 LTE хамтлагийг дэмждэг дэлхийн хамгийн шилдэг утасгүй болон LTE чадамжтай гэж хэлж болно. Энэ нь GSM болон CDMA зах зээлийг хамрахын тулд зөвхөн хоёр SKU үйлдвэрлэх шаардлагатай гэсэн үг юм.
Хөндлөнгийн хуваалтгүй дуплекс програмуудад өөрөө хөндлөнгийн оролцоог дарах нь дээд ба доош холбоосыг ижил спектрийн нөөцийг хуваалцах боломжийг олгох замаар спектрийн үр ашгийг сайжруулж чадна9,10. Өөртөө хөндлөнгийн оролцоог таслан зогсоох арга техникийг мөн FDD-д зориулсан тусгай дуплексер үүсгэхэд ашиглаж болно.
Цуцлах нь өөрөө ихэвчлэн хэд хэдэн үе шатаас бүрдэнэ. Антен ба дамжуулагчийн хоорондох чиглэлийн сүлжээ нь дамжуулагдсан болон хүлээн авсан дохиог тусгаарлах эхний түвшинг хангадаг. Хоёрдугаарт, хүлээн авсан дохионы үлдэгдэл дуу чимээг арилгахын тулд нэмэлт аналог болон дижитал дохионы боловсруулалтыг ашигладаг. Эхний шатанд тусдаа антен (SAFE-ийн адил), эрлийз трансформатор (доор тайлбарласан) ашиглаж болно;
Салсан антенны асуудлыг аль хэдийн тайлбарласан. Циркуляторууд нь талст дахь ферросоронзон резонансыг ашигладаг тул ихэвчлэн нарийн зурвастай байдаг. Энэхүү эрлийз технологи буюу цахилгаан тэнцвэржүүлсэн тусгаарлалт (EBI) нь өргөн зурвасын болон чип дээр нэгтгэх боломжтой ирээдүйтэй технологи юм.
Доорх зурагт үзүүлснээр ухаалаг антенны урд талын загвар нь хоёр нарийн зурвасын тохируулж болох антеннуудын нэг нь дамжуулах, нөгөө нь хүлээн авах, гүйцэтгэл багатай боловч тааруулах боломжтой хоёр давхар шүүлтүүрийг ашигладаг. Бие даасан антенууд нь тэдгээрийн хоорондох тархалтын алдагдлын зардлаар зарим идэвхгүй тусгаарлалтыг хангаад зогсохгүй хязгаарлагдмал (гэхдээ тохируулах боломжтой) агшин зуурын зурвасын өргөнтэй байдаг.
Дамжуулах антенн нь зөвхөн дамжуулах давтамжийн зурваст үр дүнтэй ажилладаг ба хүлээн авагч антен нь зөвхөн хүлээн авах давтамжийн зурваст үр дүнтэй ажилладаг. Энэ тохиолдолд антен нь өөрөө шүүлтүүрийн үүрэг гүйцэтгэдэг: зурвасаас гадуурх Tx ялгаруулалтыг дамжуулагч антеннаар бууруулж, Tx зурвас дахь өөрөө хөндлөнгийн оролцоог хүлээн авагч антенаар бууруулдаг.
Тиймээс архитектур нь антенныг тааруулах боломжтой байхыг шаарддаг бөгөөд үүнийг антен тааруулах сүлжээг ашиглан хийдэг. Антен тааруулах сүлжээнд зайлшгүй оруулах алдагдах тохиолдол гардаг. Гэсэн хэдий ч MEMS18 тохируулж болох конденсаторын сүүлийн үеийн дэвшилтүүд нь эдгээр төхөөрөмжүүдийн чанарыг эрс сайжруулж, улмаар алдагдлыг бууруулсан. Rx оруулах алдагдал нь ойролцоогоор 3 дБ бөгөөд үүнийг SAW дуплексер болон шилжүүлэгчийн нийт алдагдалтай харьцуулж болно.
Дараа нь антеннаас 25 дБ, шүүлтүүрээс 25 дБ тусгаарлахын тулд антенн дээр суурилсан тусгаарлалтыг MEM3 тохируулж болох конденсатор дээр суурилсан тохируулж болох шүүлтүүрээр нөхдөг. Прототипүүд нь үүнд хүрч болохыг харуулсан.
Эрдэм болон үйлдвэрлэлийн хэд хэдэн судалгааны бүлгүүд хоёр талт хэвлэх зориулалттай эрлийзийг ашиглах талаар судалж байна11–16. Эдгээр схемүүд нь нэг антеннаас нэгэн зэрэг дамжуулах, хүлээн авах боломжийг олгодог боловч дамжуулагч болон хүлээн авагчийг тусгаарлах замаар SI-ийг идэвхгүй байдлаар арилгадаг. Эдгээр нь өргөн зурвасын шинж чанартай бөгөөд чип дээр хэрэгжих боломжтой тул хөдөлгөөнт төхөөрөмжид давтамжийг давхар хуулбарлахад тохиромжтой сонголт болж өгдөг.
Сүүлийн үеийн дэвшилтүүд нь EBI ашиглан FDD дамжуулагчийг CMOS (Нэмэлт металлын исэл хагас дамжуулагч) -аас гарган авах алдагдал, дуу чимээний дүрс, хүлээн авагчийн шугаман чанар, үүрэн холбооны хэрэглээнд тохиромжтой блок дарах шинж чанартай болохыг харуулж байна11,12,13. Гэсэн хэдий ч эрдэм шинжилгээний болон шинжлэх ухааны уран зохиолын олон жишээнүүдээс харахад хоёр талт тусгаарлалтад нөлөөлдөг үндсэн хязгаарлалт байдаг.
Радио антенны эсэргүүцэл нь тогтмол биш боловч ажиллах давтамж (антенны резонансын улмаас) болон цаг хугацаа (өөрчлөгдөж буй орчинтой харилцан үйлчлэлийн улмаас) өөр өөр байдаг. Энэ нь тэнцвэржүүлэгч эсэргүүцэл нь эсэргүүцлийн өөрчлөлтөд дасан зохицох ёстой гэсэн үг бөгөөд давтамжийн муж дахь өөрчлөлтийн улмаас салгах зурвасын өргөн хязгаарлагдмал байна13 (Зураг 1-ийг үз).
Бристолын Их Сургууль дахь бидний ажил нь бодит хэрэглээний тохиолдлуудад шаардлагатай илгээх/хүлээн авах тусгаарлалт болон дамжуулах чадварыг харуулахын тулд эдгээр гүйцэтгэлийн хязгаарлалтыг судалж, шийдвэрлэхэд чиглэгддэг.
Антенны эсэргүүцлийн хэлбэлзлийг даван туулахын тулд (тусгаарлалтад ноцтой нөлөөлдөг) бидний дасан зохицох алгоритм нь антенны эсэргүүцлийг бодит цаг хугацаанд хянадаг бөгөөд туршилтын үр дүнд хэрэглэгчийн гар ажиллагаа, өндөр хурдны зам, төмөр зам зэрэг янз бүрийн динамик орчинд гүйцэтгэлийг хадгалах боломжтой болохыг харуулсан. аялал.
Нэмж дурдахад, давтамжийн домэйн дэх хязгаарлагдмал антенны тохирох байдлыг даван туулах, ингэснээр зурвасын өргөн болон нийт тусгаарлалтыг нэмэгдүүлэхийн тулд бид цахилгаан тэнцвэржүүлсэн дуплексерийг нэмэлт идэвхтэй SI дарангуйлагчтай хослуулж, хоёр дахь дамжуулагчийг ашиглан дарангуйлах дохиог үүсгэдэг. (2-р зургийг үз).
Бидний туршилтын талбайн үр дүн урам зоригтой байна: идэвхтэй технологи нь EBD-тэй хослуулснаар 3-р зурагт үзүүлсэн шиг дамжуулах, хүлээн авах тусгаарлалтыг мэдэгдэхүйц сайжруулж чадна.
Манай лабораторийн эцсийн тохиргоо нь хямд өртөгтэй хөдөлгөөнт төхөөрөмжийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг (гар утасны цахилгаан өсгөгч ба антен) ашигладаг бөгөөд энэ нь гар утасны хэрэгжилтийг төлөөлдөг. Түүгээр ч барахгүй, бидний хийсэн хэмжилтээс харахад энэ төрлийн хоёр үе шаттай өөрөө хөндлөнгийн оролцооноос татгалзах нь хямд өртөгтэй, арилжааны чанартай тоног төхөөрөмж ашиглаж байсан ч дээш болон доош холболтын давтамжийн зурваст шаардлагатай хоёр талт тусгаарлалтыг хангаж чадна.
Үүрэн холбооны төхөөрөмжийн хамгийн дээд хязгаарт хүлээн авах дохионы хүч нь дамжуулж буй дохионы хүчнээс 12 дахин бага байх ёстой. Time Division Duplex (TDD) дээр дуплекс хэлхээ нь зүгээр л антенныг дамжуулагч эсвэл хүлээн авагчтай холбодог унтраалга тул TDD дахь дуплексер нь энгийн унтраалга юм. FDD-д дамжуулагч болон хүлээн авагч нь нэгэн зэрэг ажилладаг бөгөөд дуплексер нь дамжуулагчийн хүчтэй дохионоос хүлээн авагчийг тусгаарлах шүүлтүүрийг ашигладаг.
Үүрэн холбооны FDD урд талын дуплексер нь Tx дохиогоор хүлээн авагчийг хэт ачаалахаас сэргийлэхийн тулд дээд холболтын зурваст >~50 дБ тусгаарлалт, зурвасаас гадуур дамжуулахаас сэргийлэхийн тулд доош холбоосын зурваст >~50 дБ тусгаарлалтыг хангадаг. Хүлээн авагчийн мэдрэмжийг бууруулсан. Rx зурваст дамжуулах болон хүлээн авах зам дахь алдагдал хамгийн бага байдаг.
Эдгээр бага алдагдалтай, өндөр тусгаарлалттай, давтамжууд нь хэдхэн хувиар тусгаарлагддаг тул өндөр Q шүүлтүүрийг шаарддаг бөгөөд одоогоор үүнийг зөвхөн гадаргуугийн акустик долгион (SAW) эсвэл биеийн акустик долгион (BAW) төхөөрөмж ашиглан хийх боломжтой.
Технологи үргэлжлэн хөгжиж, олон тооны төхөөрөмж шаардлагатай байгаатай холбоотойгоор ахиц дэвшил гарч байгаа хэдий ч олон зурвасын ажиллагаа нь диаграм тус бүрт тусдаа чипээс гадуурх дуплекс шүүлтүүртэй байхыг хэлдэг бөгөөд үүнийг Зураг А-д үзүүлэв. Бүх унтраалга болон чиглүүлэгчид мөн нэмэлт функцуудыг нэмж өгдөг. гүйцэтгэлийн торгууль ба солилцоо.
Одоогийн технологид суурилсан боломжийн үнээр дэлхийн утас үйлдвэрлэхэд хэтэрхий хэцүү байдаг. Үүссэн радио архитектур нь маш том, алдагдалтай, үнэтэй байх болно. Үйлдвэрлэгчид өөр өөр бүс нутагт шаардлагатай хамтлагуудын өөр өөр хослолд зориулж олон төрлийн бүтээгдэхүүний хувилбаруудыг бий болгож, хязгааргүй дэлхийн LTE роуминг хийхэд хэцүү болгодог. GSM-ийг давамгайлахад хүргэсэн хэмнэлтийн хэмнэлтэд хүрэх нь улам бүр хэцүү болж байна.
Өгөгдлийн өндөр хурдтай гар утасны үйлчилгээний эрэлт нэмэгдэж байгаа нь 50 давтамжийн зурваст 4G гар утасны сүлжээг нэвтрүүлэхэд хүргэсэн бөгөөд 5G-ийг бүрэн тодорхойлж, өргөнөөр нэвтрүүлснээр улам олон зурвас ирэх болно. RF интерфейсийн нарийн төвөгтэй байдлаас шалтгаалан одоогийн шүүлтүүрт суурилсан технологиудыг ашиглан энэ бүгдийг нэг төхөөрөмжид багтаах боломжгүй тул өөрчлөх боломжтой, дахин тохируулах боломжтой RF хэлхээ шаардлагатай.
Тохиромжтой шүүлтүүр эсвэл өөрөө хөндлөнгийн оролцоог дарах, эсвэл аль алиныг нь хослуулах зэрэгт суурилсан дуплекс асуудлыг шийдэх шинэ арга барил шаардлагатай.
Хэдийгээр зардал, хэмжээ, гүйцэтгэл, үр ашиг гэх мэт олон шаардлагыг хангасан ганц арга барил бидэнд хараахан гараагүй байгаа ч магадгүй хэдэн жилийн дараа тааварын хэсгүүд нэгдэж, таны халаасанд байх болно.
SI дарангуйлал бүхий EBD зэрэг технологиуд нь ижил давтамжийг хоёр чиглэлд нэгэн зэрэг ашиглах боломжийг нээж өгч, спектрийн үр ашгийг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх боломжтой.
Шуудангийн цаг: 2024 оны 9-р сарын 24-ний хооронд