Hace diez años, los teléfonos inteligentes normalmente soportaban sólo unos pocos estándares que operaban en las cuatro bandas de frecuencia GSM, y quizás algunos estándares WCDMA o CDMA2000. Con tan pocas bandas de frecuencia para elegir, se ha logrado un cierto grado de uniformidad global con los teléfonos GSM “cuatribanda”, que utilizan las bandas 850/900/1800/1900 MHz y pueden usarse en cualquier parte del mundo (bueno, bastante).
Esto supone un enorme beneficio para los viajeros y crea enormes economías de escala para los fabricantes de dispositivos, que sólo necesitan lanzar unos pocos modelos (o tal vez sólo uno) para todo el mercado global. Hoy en día, GSM sigue siendo la única tecnología de acceso inalámbrico que proporciona roaming global. Por cierto, si no lo sabías, GSM se está eliminando gradualmente.
Cualquier teléfono inteligente digno de ese nombre debe admitir acceso 4G, 3G y 2G con diferentes requisitos de interfaz RF en términos de ancho de banda, potencia de transmisión, sensibilidad del receptor y muchos otros parámetros.
Además, debido a la disponibilidad fragmentada del espectro global, los estándares 4G cubren una gran cantidad de bandas de frecuencia, por lo que los operadores pueden usarlos en cualquier frecuencia disponible en cualquier área determinada (actualmente 50 bandas en total, como es el caso de los estándares LTE1). Un verdadero “teléfono mundial” debe funcionar en todos estos entornos.
El problema clave que debe resolver cualquier radio celular es la “comunicación dúplex”. Cuando hablamos, escuchamos al mismo tiempo. Los primeros sistemas de radio usaban pulsar para hablar (algunos todavía lo hacen), pero cuando hablamos por teléfono, esperamos que la otra persona nos interrumpa. Los dispositivos celulares (analógicos) de primera generación utilizaban “filtros dúplex” (o duplexores) para recibir el enlace descendente sin quedar “aturdidos” al transmitir el enlace ascendente en una frecuencia diferente.
Hacer estos filtros más pequeños y más baratos fue un gran desafío para los primeros fabricantes de teléfonos. Cuando se introdujo GSM, el protocolo se diseñó para que los transceptores pudieran funcionar en "modo semidúplex".
Esta fue una forma muy inteligente de eliminar los duplexores y fue un factor importante para ayudar a que GSM se convirtiera en una tecnología convencional de bajo costo capaz de dominar la industria (y cambiar la forma en que las personas se comunicaban en el proceso).
El teléfono Essential de Andy Rubin, el inventor del sistema operativo Android, presenta las últimas funciones de conectividad que incluyen Bluetooth 5.0LE, varios GSM/LTE y una antena Wi-Fi oculta en un marco de titanio.
Desafortunadamente, las lecciones aprendidas al resolver problemas técnicos se olvidaron rápidamente en las guerras tecnopolíticas de los primeros días de 3G, y la forma actualmente dominante de duplexación por división de frecuencia (FDD) requiere un duplexor para cada banda FDD en la que opera. No hay duda de que el auge de LTE viene acompañado de factores de costos crecientes.
Si bien algunas bandas pueden usar Time Division Duplex o TDD (donde la radio cambia rápidamente entre transmisión y recepción), existen menos de estas bandas. La mayoría de los operadores (excepto principalmente los asiáticos) prefieren la gama FDD, de la que hay más de 30.
El legado del espectro TDD y FDD, la dificultad de liberar bandas verdaderamente globales y la llegada del 5G con más bandas hacen que el problema del dúplex sea aún más complejo. Los métodos prometedores que se están investigando incluyen nuevos diseños basados en filtros y la capacidad de eliminar la autointerferencia.
Este último también trae consigo la posibilidad algo prometedora del dúplex “sin fragmentos” (o “dúplex completo dentro de banda”). En el futuro de las comunicaciones móviles 5G, es posible que tengamos que considerar no solo FDD y TDD, sino también el dúplex flexible basado en estas nuevas tecnologías.
Investigadores de la Universidad de Aalborg en Dinamarca han desarrollado una arquitectura “Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 que utiliza (ver ilustración en la página 18) antenas separadas para transmisión y recepción y combina estas antenas con (bajo rendimiento) en combinación con antenas personalizables. filtrado para lograr el aislamiento de transmisión y recepción deseado.
Si bien el rendimiento es impresionante, la necesidad de dos antenas es un gran inconveniente. A medida que los teléfonos se vuelven más delgados y elegantes, el espacio disponible para las antenas es cada vez más pequeño.
Los dispositivos móviles también requieren múltiples antenas para multiplexación espacial (MIMO). Los teléfonos móviles con arquitectura SAFE y soporte MIMO 2×2 requieren sólo cuatro antenas. Además, el rango de sintonización de estos filtros y antenas es limitado.
Por lo tanto, los teléfonos móviles globales también necesitarán replicar esta arquitectura de interfaz para cubrir todas las bandas de frecuencia LTE (450 MHz a 3600 MHz), lo que requerirá más antenas, más sintonizadores de antena y más filtros, lo que nos lleva de nuevo a las preguntas más frecuentes sobre Funcionamiento multibanda debido a la duplicación de componentes.
Aunque se pueden instalar más antenas en una tableta o computadora portátil, se necesitan más avances en personalización y/o miniaturización para que esta tecnología sea adecuada para teléfonos inteligentes.
El dúplex eléctricamente equilibrado se ha utilizado desde los inicios de la telefonía fija17. En un sistema telefónico, el micrófono y el auricular deben estar conectados a la línea telefónica, pero aislados entre sí para que la propia voz del usuario no ensordezca la señal de audio entrante más débil. Esto se logró utilizando transformadores híbridos antes de la llegada de los teléfonos electrónicos.
El circuito dúplex que se muestra en la figura siguiente utiliza una resistencia del mismo valor para igualar la impedancia de la línea de transmisión, de modo que la corriente del micrófono se divida cuando ingresa al transformador y fluya en direcciones opuestas a través de la bobina primaria. Los flujos magnéticos se cancelan efectivamente y no se induce corriente en la bobina secundaria, por lo que la bobina secundaria está aislada del micrófono.
Sin embargo, la señal del micrófono aún llega a la línea telefónica (aunque con cierta pérdida) y la señal entrante en la línea telefónica aún llega al altavoz (también con cierta pérdida), lo que permite la comunicación bidireccional en la misma línea telefónica. . . Alambre metálico.
Un duplexor de radio balanceado es similar a un duplexor telefónico, pero en lugar de un micrófono, un auricular y un cable telefónico, se utilizan un transmisor, un receptor y una antena, respectivamente, como se muestra en la Figura B.
Una tercera forma de aislar el transmisor del receptor es eliminar la autointerferencia (SI), restando así la señal transmitida de la señal recibida. Las técnicas de interferencia se han utilizado en radares y radiodifusión durante décadas.
Por ejemplo, a principios de la década de 1980, Plessy desarrolló y comercializó un producto basado en compensación SI llamado “Groundsat” para ampliar el alcance de las redes de comunicaciones militares FM analógicas semidúplex4-5.
El sistema actúa como un repetidor monocanal full-duplex, ampliando el alcance efectivo de las radios semidúplex utilizadas en toda el área de trabajo.
Recientemente ha habido interés en la supresión de autointerferencias, principalmente debido a la tendencia hacia las comunicaciones de corto alcance (celulares y Wi-Fi), lo que hace que el problema de la supresión SI sea más manejable debido a una menor potencia de transmisión y una mayor potencia de recepción para uso del consumidor. . Aplicaciones de acceso inalámbrico y backhaul 6-8.
Podría decirse que el iPhone de Apple (con la ayuda de Qualcomm) tiene las mejores capacidades inalámbricas y LTE del mundo, ya que admite 16 bandas LTE en un solo chip. Esto significa que sólo es necesario producir dos SKU para cubrir los mercados GSM y CDMA.
En aplicaciones dúplex sin compartir interferencias, la supresión de autointerferencias puede mejorar la eficiencia del espectro al permitir que el enlace ascendente y el enlace descendente compartan los mismos recursos de espectro9,10. También se pueden utilizar técnicas de supresión de autointerferencias para crear duplexores personalizados para FDD.
La cancelación en sí suele constar de varias etapas. La red direccional entre la antena y el transceptor proporciona el primer nivel de separación entre las señales transmitidas y recibidas. En segundo lugar, se utiliza un procesamiento adicional de señales analógicas y digitales para eliminar cualquier ruido intrínseco restante en la señal recibida. La primera etapa puede utilizar una antena separada (como en SAFE), un transformador híbrido (que se describe a continuación);
El problema de las antenas desprendidas ya se ha descrito. Los circuladores suelen ser de banda estrecha porque utilizan resonancia ferromagnética en el cristal. Esta tecnología híbrida, o aislamiento eléctricamente equilibrado (EBI), es una tecnología prometedora que puede ser de banda ancha y potencialmente integrarse en un chip.
Como se muestra en la siguiente figura, el diseño frontal de la antena inteligente utiliza dos antenas sintonizables de banda estrecha, una para transmisión y otra para recepción, y un par de filtros dúplex sintonizables pero de menor rendimiento. Las antenas individuales no sólo proporcionan cierto aislamiento pasivo a costa de la pérdida de propagación entre ellas, sino que también tienen un ancho de banda instantáneo limitado (pero sintonizable).
La antena transmisora funciona eficazmente sólo en la banda de frecuencia de transmisión y la antena receptora funciona eficazmente sólo en la banda de frecuencia de recepción. En este caso, la propia antena también actúa como filtro: las emisiones de Tx fuera de banda son atenuadas por la antena transmisora, y la autointerferencia en la banda de Tx es atenuada por la antena receptora.
Por lo tanto, la arquitectura requiere que la antena sea sintonizable, lo que se logra mediante el uso de una red de sintonización de antena. Hay una pérdida de inserción inevitable en una red de sintonización de antena. Sin embargo, los avances recientes en los condensadores sintonizables MEMS18 han mejorado significativamente la calidad de estos dispositivos, reduciendo así las pérdidas. La pérdida de inserción de Rx es de aproximadamente 3 dB, que es comparable a las pérdidas totales del duplexor y conmutador SAW.
El aislamiento basado en la antena se complementa luego con un filtro sintonizable, también basado en condensadores sintonizables MEM3, para lograr un aislamiento de 25 dB de la antena y un aislamiento de 25 dB del filtro. Los prototipos han demostrado que esto se puede lograr.
Varios grupos de investigación del mundo académico y de la industria están explorando el uso de híbridos para la impresión dúplex11–16. Estos esquemas eliminan pasivamente la SI al permitir la transmisión y recepción simultáneas desde una sola antena, pero aislando el transmisor y el receptor. Son de banda ancha por naturaleza y pueden implementarse en un chip, lo que los convierte en una opción atractiva para la duplexación de frecuencia en dispositivos móviles.
Avances recientes han demostrado que los transceptores FDD que utilizan EBI se pueden fabricar a partir de CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) con características de pérdida de inserción, figura de ruido, linealidad del receptor y supresión de bloqueo adecuadas para aplicaciones celulares11,12,13. Sin embargo, como lo demuestran numerosos ejemplos en la literatura académica y científica, existe una limitación fundamental que afecta el aislamiento dúplex.
La impedancia de una antena de radio no es fija, sino que varía con la frecuencia de funcionamiento (debido a la resonancia de la antena) y el tiempo (debido a la interacción con un entorno cambiante). Esto significa que la impedancia de equilibrio debe adaptarse para rastrear los cambios de impedancia, y el ancho de banda de desacoplamiento está limitado debido a los cambios en el dominio de la frecuencia13 (consulte la Figura 1).
Nuestro trabajo en la Universidad de Bristol se centra en investigar y abordar estas limitaciones de rendimiento para demostrar que el aislamiento y el rendimiento de envío/recepción requeridos se pueden lograr en casos de uso del mundo real.
Para superar las fluctuaciones de la impedancia de la antena (que afectan gravemente al aislamiento), nuestro algoritmo adaptativo rastrea la impedancia de la antena en tiempo real y las pruebas han demostrado que el rendimiento se puede mantener en una variedad de entornos dinámicos, incluida la interacción manual del usuario y carreteras y ferrocarriles de alta velocidad. viajar.
Además, para superar la adaptación limitada de la antena en el dominio de la frecuencia, aumentando así el ancho de banda y el aislamiento general, combinamos un duplexor eléctricamente equilibrado con supresión SI activa adicional, utilizando un segundo transmisor para generar una señal de supresión para suprimir aún más la autointerferencia. (ver Figura 2).
Los resultados de nuestro banco de pruebas son alentadores: cuando se combina con EBD, la tecnología activa puede mejorar significativamente el aislamiento de transmisión y recepción, como se muestra en la Figura 3.
Nuestra configuración final de laboratorio utiliza componentes de dispositivos móviles de bajo costo (amplificadores de potencia y antenas para teléfonos celulares), lo que la hace representativa de las implementaciones de teléfonos móviles. Además, nuestras mediciones muestran que este tipo de rechazo de autointerferencia de dos etapas puede proporcionar el aislamiento dúplex requerido en las bandas de frecuencia de enlace ascendente y descendente, incluso cuando se utilizan equipos de calidad comercial y de bajo costo.
La intensidad de la señal que recibe un dispositivo celular en su alcance máximo debe ser 12 órdenes de magnitud menor que la intensidad de la señal que transmite. En Time Division Duplex (TDD), el circuito dúplex es simplemente un interruptor que conecta la antena al transmisor o receptor, por lo que el duplexor en TDD es un simple interruptor. En FDD, el transmisor y el receptor funcionan simultáneamente y el duplexor utiliza filtros para aislar el receptor de la fuerte señal del transmisor.
El duplexor en el extremo frontal del FDD celular proporciona un aislamiento de >~50 dB en la banda de enlace ascendente para evitar la sobrecarga del receptor con señales de transmisión, y un aislamiento de >~50 dB en la banda de enlace descendente para evitar la transmisión fuera de banda. Sensibilidad reducida del receptor. En la banda Rx, las pérdidas en las rutas de transmisión y recepción son mínimas.
Estos requisitos de baja pérdida y alto aislamiento, donde las frecuencias están separadas solo por un pequeño porcentaje, requieren un filtrado de alta Q, que hasta ahora solo se puede lograr utilizando dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW) o de ondas acústicas corporales (BAW).
Si bien la tecnología continúa evolucionando, con avances debidos en gran medida a la gran cantidad de dispositivos necesarios, la operación multibanda significa un filtro dúplex fuera del chip separado para cada banda, como se muestra en la Figura A. Todos los conmutadores y enrutadores también agregan funcionalidad adicional con penalizaciones de desempeño y compensaciones.
Los teléfonos globales asequibles basados en la tecnología actual son demasiado difíciles de fabricar. La arquitectura de radio resultante será muy grande, con pérdidas y costosa. Los fabricantes tienen que crear múltiples variantes de productos para diferentes combinaciones de bandas necesarias en diferentes regiones, lo que dificulta el roaming LTE global ilimitado. Las economías de escala que llevaron al dominio de GSM son cada vez más difíciles de lograr.
La creciente demanda de servicios móviles de datos de alta velocidad ha llevado al despliegue de redes móviles 4G en 50 bandas de frecuencia, y habrá aún más bandas a medida que 5G esté completamente definido y ampliamente implementado. Debido a la complejidad de la interfaz de RF, no es posible cubrir todo esto en un solo dispositivo utilizando las tecnologías actuales basadas en filtros, por lo que se requieren circuitos de RF personalizables y reconfigurables.
Idealmente, se necesita un nuevo enfoque para resolver el problema del dúplex, quizás basado en filtros sintonizables o supresión de autointerferencias, o alguna combinación de ambos.
Si bien todavía no tenemos un enfoque único que satisfaga las numerosas demandas de costo, tamaño, rendimiento y eficiencia, tal vez las piezas del rompecabezas se unan y estén en su bolsillo en unos años.
Tecnologías como EBD con supresión SI pueden abrir la posibilidad de utilizar la misma frecuencia en ambas direcciones simultáneamente, lo que puede mejorar significativamente la eficiencia espectral.
Hora de publicación: 24 de septiembre de 2024