Sepuluh tahun yang lalu, ponsel pintar biasanya hanya mendukung beberapa standar yang beroperasi di empat pita frekuensi GSM, dan mungkin beberapa standar WCDMA atau CDMA2000. Dengan begitu sedikitnya pilihan pita frekuensi, tingkat keseragaman global tertentu telah dicapai dengan telepon GSM “quad-band”, yang menggunakan pita 850/900/1800/1900 MHz dan dapat digunakan di mana saja di dunia (yah, cukup banyak).
Hal ini memberikan keuntungan besar bagi wisatawan dan menciptakan skala ekonomi yang besar bagi produsen perangkat, yang hanya perlu merilis beberapa model (atau mungkin hanya satu) untuk seluruh pasar global. Hingga saat ini, GSM tetap menjadi satu-satunya teknologi akses nirkabel yang menyediakan roaming global. Omong-omong, jika Anda belum mengetahuinya, GSM secara bertahap akan dihapuskan.
Ponsel cerdas apa pun yang sesuai dengan namanya harus mendukung akses 4G, 3G, dan 2G dengan berbagai persyaratan antarmuka RF dalam hal bandwidth, daya pancar, sensitivitas penerima, dan banyak parameter lainnya.
Selain itu, karena ketersediaan spektrum global yang terfragmentasi, standar 4G mencakup sejumlah besar pita frekuensi, sehingga operator dapat menggunakannya pada frekuensi apa pun yang tersedia di wilayah tertentu – saat ini totalnya mencakup 50 pita, seperti halnya standar LTE1. “Telepon dunia” yang sebenarnya harus berfungsi di semua lingkungan ini.
Masalah utama yang harus dipecahkan oleh radio seluler adalah “komunikasi dupleks”. Ketika kita berbicara, kita mendengarkan pada saat yang sama. Sistem radio awal menggunakan push-to-talk (sebagian masih menggunakan metode push-to-talk), namun ketika kita berbicara melalui telepon, kita berharap orang lain akan menyela kita. Perangkat seluler (analog) generasi pertama menggunakan “filter duplex” (atau duplexer) untuk menerima downlink tanpa “terkejut” dengan mentransmisikan uplink pada frekuensi yang berbeda.
Membuat filter ini lebih kecil dan lebih murah merupakan tantangan besar bagi produsen ponsel awal. Ketika GSM diperkenalkan, protokolnya dirancang sedemikian rupa sehingga transceiver dapat beroperasi dalam “mode setengah dupleks”.
Ini adalah cara yang sangat cerdas untuk menghilangkan duplekser, dan merupakan faktor utama dalam membantu GSM menjadi teknologi arus utama berbiaya rendah yang mampu mendominasi industri (dan mengubah cara orang berkomunikasi dalam prosesnya).
Ponsel Essential besutan Andy Rubin, penemu sistem operasi Android ini menghadirkan fitur konektivitas terkini antara lain Bluetooth 5.0LE, berbagai GSM/LTE, dan antena Wi-Fi yang tersembunyi dalam bingkai titanium.
Sayangnya, pembelajaran dari penyelesaian masalah teknis dengan cepat terlupakan dalam perang tekno-politik di masa-masa awal 3G, dan bentuk dupleks pembagian frekuensi (FDD) yang saat ini dominan memerlukan duplekser untuk setiap pita FDD di mana ia beroperasi. Tidak ada keraguan bahwa ledakan LTE disebabkan oleh meningkatnya faktor biaya.
Meskipun beberapa band dapat menggunakan Time Division Duplex, atau TDD (di mana radio dengan cepat beralih antara transmisi dan penerimaan), jumlah band ini lebih sedikit. Sebagian besar operator (kecuali sebagian besar operator di Asia) lebih menyukai rentang FDD, yang jumlahnya lebih dari 30.
Warisan spektrum TDD dan FDD, sulitnya membebaskan pita-pita global, dan munculnya 5G dengan lebih banyak pita membuat masalah dupleks menjadi semakin kompleks. Metode menjanjikan yang sedang diselidiki mencakup desain berbasis filter baru dan kemampuan untuk menghilangkan interferensi diri.
Yang terakhir ini juga membawa kemungkinan yang cukup menjanjikan yaitu duplex “fragmentless” (atau “in-band full duplex”). Di masa depan komunikasi seluler 5G, kita mungkin harus mempertimbangkan tidak hanya FDD dan TDD, tetapi juga dupleks fleksibel berdasarkan teknologi baru ini.
Para peneliti di Universitas Aalborg di Denmark telah mengembangkan arsitektur “Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 yang menggunakan (lihat ilustrasi di halaman 18) antena terpisah untuk transmisi dan penerimaan dan menggabungkan antena ini dengan antena (performa rendah) yang dikombinasikan dengan antena yang dapat disesuaikan. penyaringan untuk mencapai isolasi transmisi dan penerimaan yang diinginkan.
Meskipun kinerjanya mengesankan, kebutuhan akan dua antena merupakan kelemahan besar. Ketika ponsel semakin tipis dan ramping, ruang yang tersedia untuk antena semakin kecil.
Perangkat seluler juga memerlukan banyak antena untuk multiplexing spasial (MIMO). Ponsel dengan arsitektur SAFE dan dukungan 2×2 MIMO hanya membutuhkan empat antena. Selain itu, jangkauan penyetelan filter dan antena ini terbatas.
Jadi ponsel global juga perlu mereplikasi arsitektur antarmuka ini untuk mencakup semua pita frekuensi LTE (450 MHz hingga 3600 MHz), yang akan memerlukan lebih banyak antena, lebih banyak tuner antena, dan lebih banyak filter, yang membawa kita kembali ke pertanyaan umum pertanyaan tentang operasi multi-band karena duplikasi komponen.
Meskipun lebih banyak antena yang dapat dipasang di tablet atau laptop, diperlukan penyesuaian dan/atau miniaturisasi lebih lanjut agar teknologi ini cocok untuk ponsel pintar.
Dupleks yang seimbang secara elektrik telah digunakan sejak awal mula telepon kabel17. Dalam sistem telepon, mikrofon dan lubang suara harus dihubungkan ke saluran telepon, tetapi diisolasi satu sama lain sehingga suara pengguna tidak memekakkan telinga terhadap sinyal audio masuk yang lebih lemah. Hal ini dicapai dengan menggunakan trafo hybrid sebelum munculnya telepon elektronik.
Rangkaian dupleks yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini menggunakan resistor dengan nilai yang sama untuk mencocokkan impedansi saluran transmisi sehingga arus dari mikrofon terbagi saat memasuki transformator dan mengalir berlawanan arah melalui kumparan primer. Fluks magnet secara efektif dihilangkan dan tidak ada arus yang diinduksi pada kumparan sekunder, sehingga kumparan sekunder diisolasi dari mikrofon.
Namun, sinyal dari mikrofon tetap masuk ke saluran telepon (walaupun ada yang hilang), dan sinyal masuk dari saluran telepon masih masuk ke speaker (juga ada yang hilang), sehingga memungkinkan komunikasi dua arah pada saluran telepon yang sama. . . Kawat logam.
Duplekser seimbang radio mirip dengan duplekser telepon, tetapi sebagai pengganti mikrofon, handset, dan kabel telepon, masing-masing digunakan pemancar, penerima, dan antena, seperti yang ditunjukkan pada Gambar B.
Cara ketiga untuk mengisolasi pemancar dari penerima adalah dengan menghilangkan interferensi diri (SI), sehingga mengurangi sinyal yang dikirimkan dari sinyal yang diterima. Teknik jamming telah digunakan dalam radar dan penyiaran selama beberapa dekade.
Misalnya, pada awal tahun 1980an, Plessy mengembangkan dan memasarkan produk berbasis kompensasi SI yang disebut “Groundsat” untuk memperluas jangkauan jaringan komunikasi militer FM analog half-duplex4-5.
Sistem ini bertindak sebagai repeater saluran tunggal dupleks penuh, memperluas jangkauan efektif radio setengah dupleks yang digunakan di seluruh area kerja.
Baru-baru ini ada minat dalam menekan interferensi mandiri, terutama karena tren komunikasi jarak pendek (seluler dan Wi-Fi), yang membuat masalah penekanan SI lebih mudah ditangani karena daya pancar yang lebih rendah dan penerimaan daya yang lebih tinggi untuk penggunaan konsumen. . Akses Nirkabel dan Aplikasi Backhaul 6-8.
IPhone Apple (dengan bantuan Qualcomm) bisa dibilang memiliki kemampuan nirkabel dan LTE terbaik di dunia, mendukung 16 band LTE dalam satu chip. Artinya, hanya perlu dua SKU yang diproduksi untuk mencakup pasar GSM dan CDMA.
Dalam aplikasi dupleks tanpa pembagian interferensi, penekanan interferensi mandiri dapat meningkatkan efisiensi spektrum dengan memungkinkan uplink dan downlink berbagi sumber daya spektrum yang sama9,10. Teknik penindasan interferensi diri juga dapat digunakan untuk membuat duplekser khusus untuk FDD.
Pembatalan sendiri biasanya terdiri dari beberapa tahap. Jaringan terarah antara antena dan transceiver menyediakan tingkat pemisahan pertama antara sinyal yang dikirim dan diterima. Kedua, pemrosesan sinyal analog dan digital tambahan digunakan untuk menghilangkan noise intrinsik yang tersisa dalam sinyal yang diterima. Tahap pertama dapat menggunakan antena terpisah (seperti pada SAFE), trafo hybrid (dijelaskan di bawah);
Masalah antena terlepas telah dijelaskan. Sirkulator biasanya berbentuk pita sempit karena menggunakan resonansi feromagnetik dalam kristal. Teknologi hybrid atau Electrically Balanced Isolation (EBI) ini merupakan teknologi menjanjikan yang bersifat broadband dan berpotensi terintegrasi dalam sebuah chip.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, desain ujung depan antena pintar menggunakan dua antena pita sempit yang dapat disetel, satu untuk transmisi dan satu untuk penerimaan, serta sepasang filter dupleks berperforma lebih rendah namun dapat disetel. Antena individu tidak hanya menyediakan beberapa isolasi pasif dengan mengorbankan kerugian propagasi di antara mereka, tetapi juga memiliki bandwidth sesaat yang terbatas (tetapi dapat disesuaikan).
Antena pemancar beroperasi secara efektif hanya pada pita frekuensi pemancar, dan antena penerima beroperasi secara efektif hanya pada pita frekuensi penerima. Dalam hal ini, antena itu sendiri juga bertindak sebagai filter: emisi Tx di luar pita dilemahkan oleh antena pemancar, dan interferensi mandiri pada pita Tx dilemahkan oleh antena penerima.
Oleh karena itu, arsitekturnya memerlukan antena yang dapat disetel, yang dicapai dengan menggunakan jaringan penyetelan antena. Ada beberapa kerugian penyisipan yang tidak dapat dihindari dalam jaringan penyetelan antena. Namun, kemajuan terbaru dalam kapasitor merdu MEMS18 telah meningkatkan kualitas perangkat ini secara signifikan, sehingga mengurangi kerugian. Kerugian penyisipan Rx kira-kira 3 dB, yang sebanding dengan total kerugian duplekser dan sakelar SAW.
Isolasi berbasis antena kemudian dilengkapi dengan filter merdu, juga berdasarkan kapasitor merdu MEM3, untuk mencapai isolasi 25 dB dari antena dan isolasi 25 dB dari filter. Prototipe telah menunjukkan bahwa hal ini dapat dicapai.
Beberapa kelompok penelitian di dunia akademis dan industri sedang menjajaki penggunaan hibrida untuk pencetakan dupleks11–16. Skema ini secara pasif menghilangkan SI dengan memungkinkan transmisi dan penerimaan simultan dari satu antena, namun mengisolasi pemancar dan penerima. Mereka bersifat broadband dan dapat diimplementasikan pada chip, menjadikannya pilihan yang menarik untuk dupleks frekuensi pada perangkat seluler.
Kemajuan terbaru menunjukkan bahwa transceiver FDD yang menggunakan EBI dapat diproduksi dari CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) dengan karakteristik insertion loss, noise figure, linearitas penerima, dan penekanan pemblokiran yang sesuai untuk aplikasi seluler11,12,13. Namun, seperti yang ditunjukkan oleh banyak contoh dalam literatur akademis dan ilmiah, terdapat batasan mendasar yang mempengaruhi isolasi dupleks.
Impedansi antena radio tidak tetap, tetapi bervariasi menurut frekuensi pengoperasian (akibat resonansi antena) dan waktu (akibat interaksi dengan lingkungan yang berubah). Ini berarti bahwa impedansi penyeimbang harus beradaptasi dengan perubahan impedansi lintasan, dan bandwidth decoupling terbatas karena perubahan dalam domain frekuensi13 (lihat Gambar 1).
Pekerjaan kami di Universitas Bristol difokuskan pada penyelidikan dan mengatasi keterbatasan kinerja ini untuk menunjukkan bahwa isolasi dan throughput pengiriman/penerimaan yang diperlukan dapat dicapai dalam kasus penggunaan di dunia nyata.
Untuk mengatasi fluktuasi impedansi antena (yang sangat berdampak pada isolasi), algoritme adaptif kami melacak impedansi antena secara real-time, dan pengujian menunjukkan bahwa kinerja dapat dipertahankan di berbagai lingkungan dinamis, termasuk interaksi tangan pengguna serta jalan raya dan kereta berkecepatan tinggi. bepergian.
Selain itu, untuk mengatasi pencocokan antena terbatas dalam domain frekuensi, sehingga meningkatkan bandwidth dan isolasi keseluruhan, kami menggabungkan duplexer yang seimbang secara elektrik dengan tambahan penekanan SI aktif, menggunakan pemancar kedua untuk menghasilkan sinyal penekanan guna lebih menekan interferensi diri. (lihat Gambar 2).
Hasil dari pengujian kami cukup menggembirakan: bila dikombinasikan dengan EBD, teknologi aktif dapat meningkatkan isolasi transmisi dan penerimaan secara signifikan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Penyiapan laboratorium akhir kami menggunakan komponen perangkat seluler berbiaya rendah (penguat daya dan antena ponsel), sehingga mewakili implementasi ponsel. Selain itu, pengukuran kami menunjukkan bahwa jenis penolakan interferensi diri dua tahap ini dapat memberikan isolasi dupleks yang diperlukan pada pita frekuensi uplink dan downlink, bahkan ketika menggunakan peralatan kelas komersial yang berbiaya rendah.
Kekuatan sinyal yang diterima perangkat seluler pada jangkauan maksimumnya harus 12 kali lipat lebih rendah dari kekuatan sinyal yang dipancarkannya. Dalam Time Division Duplex (TDD), rangkaian duplex hanyalah sebuah saklar yang menghubungkan antena ke pemancar atau penerima, sehingga duplexer di TDD adalah saklar sederhana. Dalam FDD, pemancar dan penerima beroperasi secara bersamaan, dan duplekser menggunakan filter untuk mengisolasi penerima dari sinyal kuat pemancar.
Duplekser di ujung depan FDD seluler menyediakan isolasi >~50 dB pada pita uplink untuk mencegah penerima kelebihan beban dengan sinyal Tx, dan isolasi >~50 dB pada pita downlink untuk mencegah transmisi di luar pita. Sensitivitas penerima berkurang. Pada pita Rx, kerugian pada jalur transmisi dan penerimaan sangat minim.
Persyaratan kerugian rendah dan isolasi tinggi ini, di mana frekuensi dipisahkan hanya beberapa persen, memerlukan penyaringan Q tinggi, yang sejauh ini hanya dapat dicapai dengan menggunakan perangkat gelombang akustik permukaan (SAW) atau gelombang akustik tubuh (BAW).
Sementara teknologi terus berkembang, dengan kemajuan yang sebagian besar disebabkan oleh banyaknya perangkat yang dibutuhkan, pengoperasian multi-band berarti filter dupleks off-chip yang terpisah untuk setiap band, seperti yang ditunjukkan pada Gambar A. Semua switch dan router juga menambahkan fungsionalitas tambahan dengan penalti kinerja dan trade-off.
Ponsel global yang terjangkau berdasarkan teknologi saat ini terlalu sulit untuk diproduksi. Arsitektur radio yang dihasilkan akan sangat besar, lossy, dan mahal. Produsen harus membuat beberapa varian produk untuk kombinasi pita berbeda yang dibutuhkan di wilayah berbeda, sehingga menjadikan roaming LTE global tanpa batas menjadi sulit. Skala ekonomi yang menyebabkan dominasi GSM semakin sulit dicapai.
Meningkatnya permintaan akan layanan seluler berkecepatan data tinggi telah mendorong penerapan jaringan seluler 4G di 50 pita frekuensi, dan akan semakin banyak lagi pita frekuensi yang akan datang seiring dengan semakin terdefinisinya 5G dan diterapkan secara luas. Karena kerumitan antarmuka RF, tidak mungkin mencakup semua ini dalam satu perangkat yang menggunakan teknologi berbasis filter saat ini, sehingga diperlukan sirkuit RF yang dapat disesuaikan dan dikonfigurasi ulang.
Idealnya, diperlukan pendekatan baru untuk menyelesaikan masalah dupleks, mungkin berdasarkan filter yang dapat disetel atau penekanan interferensi mandiri, atau kombinasi keduanya.
Meskipun kita belum memiliki satu pendekatan pun yang mampu memenuhi berbagai tuntutan dalam hal biaya, ukuran, kinerja, dan efisiensi, mungkin potongan-potongan teka-teki tersebut akan menyatu dan siap untuk Anda dalam beberapa tahun ke depan.
Teknologi seperti EBD dengan penekanan SI dapat membuka kemungkinan penggunaan frekuensi yang sama di kedua arah secara bersamaan, yang secara signifikan dapat meningkatkan efisiensi spektral.
Waktu posting: 24 Sep-2024