Há dez anos, os smartphones normalmente suportavam apenas alguns padrões operando nas quatro bandas de frequência GSM e talvez alguns padrões WCDMA ou CDMA2000. Com tão poucas bandas de frequência para escolher, um certo grau de uniformidade global foi alcançado com telefones GSM “quad-band”, que utilizam as bandas 850/900/1800/1900 MHz e podem ser usados em qualquer lugar do mundo (bem, praticamente).
Este é um enorme benefício para os viajantes e cria enormes economias de escala para os fabricantes de dispositivos, que só precisam de lançar alguns modelos (ou talvez apenas um) para todo o mercado global. Avançando até hoje, o GSM continua sendo a única tecnologia de acesso sem fio que oferece roaming global. A propósito, se você não sabia, o GSM está sendo gradualmente eliminado.
Qualquer smartphone digno desse nome deve suportar acesso 4G, 3G e 2G com diversos requisitos de interface RF em termos de largura de banda, potência de transmissão, sensibilidade do receptor e muitos outros parâmetros.
Além disso, devido à disponibilidade fragmentada do espectro global, os padrões 4G cobrem um grande número de bandas de frequência, pelo que os operadores podem utilizá-los em quaisquer frequências disponíveis em qualquer área – atualmente 50 bandas no total, como é o caso dos padrões LTE1. Um verdadeiro “telefone mundial” deve funcionar em todos esses ambientes.
O principal problema que qualquer rádio celular deve resolver é a “comunicação duplex”. Quando falamos, ouvimos ao mesmo tempo. Os primeiros sistemas de rádio usavam push-to-talk (alguns ainda usam), mas quando falamos ao telefone, esperamos que a outra pessoa nos interrompa. Os dispositivos celulares (analógicos) de primeira geração usavam “filtros duplex” (ou duplexadores) para receber o downlink sem serem “atordoados” pela transmissão do uplink em uma frequência diferente.
Tornar esses filtros menores e mais baratos foi um grande desafio para os primeiros fabricantes de telefones. Quando o GSM foi introduzido, o protocolo foi projetado para que os transceptores pudessem operar no “modo half duplex”.
Esta foi uma maneira muito inteligente de eliminar duplexadores e foi um fator importante para ajudar o GSM a se tornar uma tecnologia mainstream de baixo custo, capaz de dominar a indústria (e mudar a maneira como as pessoas se comunicavam no processo).
O telefone Essential de Andy Rubin, o inventor do sistema operacional Android, apresenta os mais recentes recursos de conectividade, incluindo Bluetooth 5.0LE, vários GSM/LTE e uma antena Wi-Fi escondida em uma estrutura de titânio.
Infelizmente, as lições aprendidas com a resolução de problemas técnicos foram rapidamente esquecidas nas guerras técnico-políticas dos primeiros dias do 3G, e a forma atualmente dominante de duplexação por divisão de frequência (FDD) requer um duplexador para cada banda FDD em que opera. Não há dúvida de que o boom do LTE vem acompanhado de fatores de custo crescentes.
Embora algumas bandas possam usar Time Division Duplex, ou TDD (onde o rádio alterna rapidamente entre transmissão e recepção), existem menos dessas bandas. A maioria das operadoras (exceto principalmente as asiáticas) prefere a linha FDD, da qual existem mais de 30.
O legado do espectro TDD e FDD, a dificuldade de libertar bandas verdadeiramente globais e o advento do 5G com mais bandas tornam o problema duplex ainda mais complexo. Métodos promissores sob investigação incluem novos designs baseados em filtros e a capacidade de eliminar a autointerferência.
Este último também traz consigo a possibilidade um tanto promissora de duplex “sem fragmentos” (ou “full duplex em banda”). No futuro das comunicações móveis 5G, talvez tenhamos de considerar não apenas FDD e TDD, mas também duplex flexível baseado nestas novas tecnologias.
Pesquisadores da Universidade de Aalborg, na Dinamarca, desenvolveram uma arquitetura “Smart Antenna Front End” (SAFE)2-3 que usa (veja a ilustração na página 18) antenas separadas para transmissão e recepção e combina essas antenas com (baixo desempenho) em combinação com personalizáveis filtragem para alcançar o isolamento de transmissão e recepção desejado.
Embora o desempenho seja impressionante, a necessidade de duas antenas é uma grande desvantagem. À medida que os telefones ficam mais finos e elegantes, o espaço disponível para antenas fica cada vez menor.
Os dispositivos móveis também requerem múltiplas antenas para multiplexação espacial (MIMO). Telefones celulares com arquitetura SAFE e suporte MIMO 2×2 requerem apenas quatro antenas. Além disso, o alcance de sintonia destes filtros e antenas é limitado.
Assim, os telemóveis globais também precisarão de replicar esta arquitectura de interface para cobrir todas as bandas de frequência LTE (450 MHz a 3600 MHz), o que exigirá mais antenas, mais sintonizadores de antena e mais filtros, o que nos traz de volta às perguntas frequentes sobre operação multibanda devido à duplicação de componentes.
Embora mais antenas possam ser instaladas em um tablet ou laptop, são necessários mais avanços na personalização e/ou miniaturização para tornar esta tecnologia adequada para smartphones.
O duplex eletricamente balanceado tem sido usado desde os primórdios da telefonia fixa17. Em um sistema telefônico, o microfone e o fone de ouvido devem estar conectados à linha telefônica, mas isolados um do outro para que a voz do próprio usuário não ensurdeça o sinal de áudio de entrada mais fraco. Isto foi conseguido usando transformadores híbridos antes do advento dos telefones eletrônicos.
O circuito duplex mostrado na figura abaixo usa um resistor do mesmo valor para corresponder à impedância da linha de transmissão, de modo que a corrente do microfone se divide ao entrar no transformador e flui em direções opostas através da bobina primária. Os fluxos magnéticos são efetivamente cancelados e nenhuma corrente é induzida na bobina secundária, de modo que a bobina secundária fica isolada do microfone.
No entanto, o sinal do microfone ainda vai para a linha telefônica (embora com alguma perda), e o sinal de entrada na linha telefônica ainda vai para o alto-falante (também com alguma perda), permitindo a comunicação bidirecional na mesma linha telefônica. . . Fio metálico.
Um duplexador de rádio balanceado é semelhante a um duplexador de telefone, mas em vez de um microfone, um monofone e um fio telefônico, são usados um transmissor, um receptor e uma antena, respectivamente, conforme mostrado na Figura B.
Uma terceira maneira de isolar o transmissor do receptor é eliminar a autointerferência (SI), subtraindo assim o sinal transmitido do sinal recebido. Técnicas de interferência têm sido usadas em radar e transmissão há décadas.
Por exemplo, no início da década de 1980, Plessy desenvolveu e comercializou um produto baseado em compensação SI denominado “Groundsat” para ampliar o alcance das redes de comunicações militares FM analógicas half-duplex4-5.
O sistema atua como um repetidor full-duplex de canal único, ampliando o alcance efetivo dos rádios half-duplex usados em toda a área de trabalho.
Tem havido interesse recente na supressão de auto-interferência, principalmente devido à tendência para comunicações de curto alcance (celular e Wi-Fi), o que torna o problema da supressão SI mais gerenciável devido à menor potência de transmissão e maior potência de recepção para uso do consumidor. . Aplicações de acesso sem fio e backhaul 6-8.
O iPhone da Apple (com a ajuda da Qualcomm) possui indiscutivelmente os melhores recursos sem fio e LTE do mundo, suportando 16 bandas LTE em um único chip. Isto significa que apenas dois SKUs precisam ser produzidos para cobrir os mercados GSM e CDMA.
Em aplicações duplex sem compartilhamento de interferência, a supressão de auto-interferência pode melhorar a eficiência do espectro, permitindo que o uplink e o downlink compartilhem os mesmos recursos do espectro9,10. Técnicas de supressão de autointerferência também podem ser usadas para criar duplexadores personalizados para FDD.
O cancelamento em si geralmente consiste em várias etapas. A rede direcional entre a antena e o transceptor fornece o primeiro nível de separação entre os sinais transmitidos e recebidos. Em segundo lugar, é utilizado processamento adicional de sinais analógicos e digitais para eliminar qualquer ruído intrínseco remanescente no sinal recebido. O primeiro estágio pode utilizar uma antena separada (como no SAFE), um transformador híbrido (descrito abaixo);
O problema das antenas desconectadas já foi descrito. Os circuladores são normalmente de banda estreita porque usam ressonância ferromagnética no cristal. Esta tecnologia híbrida, ou Isolamento Eletricamente Balanceado (EBI), é uma tecnologia promissora que pode ser de banda larga e potencialmente integrada em um chip.
Conforme mostrado na figura abaixo, o design frontal da antena inteligente usa duas antenas sintonizáveis de banda estreita, uma para transmissão e outra para recepção, e um par de filtros duplex sintonizáveis de baixo desempenho. Antenas individuais não apenas fornecem algum isolamento passivo ao custo da perda de propagação entre elas, mas também têm largura de banda instantânea limitada (mas ajustável).
A antena transmissora opera efetivamente apenas na banda de frequência de transmissão e a antena receptora opera efetivamente apenas na banda de frequência de recepção. Neste caso, a própria antena também atua como um filtro: as emissões Tx fora da banda são atenuadas pela antena transmissora e a autointerferência na banda Tx é atenuada pela antena receptora.
Portanto, a arquitetura exige que a antena seja sintonizável, o que é conseguido através do uso de uma rede de sintonia de antena. Existe alguma perda de inserção inevitável em uma rede de sintonia de antena. No entanto, avanços recentes nos capacitores sintonizáveis MEMS18 melhoraram significativamente a qualidade desses dispositivos, reduzindo assim as perdas. A perda de inserção Rx é de aproximadamente 3 dB, o que é comparável às perdas totais do duplexador e switch SAW.
O isolamento baseado na antena é então complementado por um filtro sintonizável, também baseado em capacitores sintonizáveis MEM3, para atingir 25 dB de isolamento da antena e 25 dB de isolamento do filtro. Os protótipos demonstraram que isso pode ser alcançado.
Vários grupos de investigação no meio académico e na indústria estão a explorar a utilização de híbridos para impressão duplex11–16. Esses esquemas eliminam passivamente o SI, permitindo transmissão e recepção simultâneas de uma única antena, mas isolando o transmissor e o receptor. Eles são de banda larga por natureza e podem ser implementados no chip, o que os torna uma opção atraente para duplexação de frequência em dispositivos móveis.
Avanços recentes mostraram que transceptores FDD usando EBI podem ser fabricados a partir de CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) com perda de inserção, figura de ruído, linearidade do receptor e características de supressão de bloqueio adequadas para aplicações celulares . No entanto, como demonstram numerosos exemplos na literatura acadêmica e científica, existe uma limitação fundamental que afeta o isolamento duplex.
A impedância de uma antena de rádio não é fixa, mas varia com a frequência de operação (devido à ressonância da antena) e com o tempo (devido à interação com um ambiente em mudança). Isso significa que a impedância de balanceamento deve se adaptar para acompanhar as alterações de impedância, e a largura de banda de desacoplamento é limitada devido a alterações no domínio da frequência (ver Figura 1).
Nosso trabalho na Universidade de Bristol está focado em investigar e abordar essas limitações de desempenho para demonstrar que o isolamento e a taxa de transferência de envio/recebimento necessários podem ser alcançados em casos de uso do mundo real.
Para superar as flutuações de impedância da antena (que impactam gravemente o isolamento), nosso algoritmo adaptativo rastreia a impedância da antena em tempo real, e os testes mostraram que o desempenho pode ser mantido em uma variedade de ambientes dinâmicos, incluindo interação manual do usuário e estradas e ferrovias de alta velocidade. viagem.
Além disso, para superar a correspondência limitada da antena no domínio da frequência, aumentando assim a largura de banda e o isolamento geral, combinamos um duplexador eletricamente balanceado com supressão SI ativa adicional, usando um segundo transmissor para gerar um sinal de supressão para suprimir ainda mais a auto-interferência. (ver Figura 2).
Os resultados do nosso teste são encorajadores: quando combinada com EBD, a tecnologia ativa pode melhorar significativamente o isolamento de transmissão e recepção, conforme mostrado na Figura 3.
Nossa configuração final de laboratório utiliza componentes de dispositivos móveis de baixo custo (amplificadores de potência e antenas de telefonia celular), tornando-a representativa de implementações de telefonia móvel. Além disso, nossas medições mostram que esse tipo de rejeição de autointerferência em dois estágios pode fornecer o isolamento duplex necessário nas bandas de frequência de uplink e downlink, mesmo quando se utiliza equipamento de nível comercial de baixo custo.
A intensidade do sinal que um dispositivo celular recebe em seu alcance máximo deve ser 12 ordens de grandeza menor que a intensidade do sinal que ele transmite. No Time Division Duplex (TDD), o circuito duplex é simplesmente um switch que conecta a antena ao transmissor ou receptor, portanto, o duplexador no TDD é um switch simples. No FDD, o transmissor e o receptor operam simultaneamente, e o duplexador usa filtros para isolar o receptor do sinal forte do transmissor.
O duplexador no front-end FDD celular fornece isolamento >~50 dB na banda de uplink para evitar sobrecarregar o receptor com sinais Tx, e isolamento >~50 dB na banda de downlink para evitar transmissão fora de banda. Sensibilidade reduzida do receptor. Na banda Rx, as perdas nos caminhos de transmissão e recepção são mínimas.
Esses requisitos de baixa perda e alto isolamento, onde as frequências são separadas por apenas alguns por cento, exigem filtragem de alto Q, que até agora só pode ser alcançada usando dispositivos de ondas acústicas de superfície (SAW) ou ondas acústicas corporais (BAW).
Embora a tecnologia continue a evoluir, com avanços em grande parte devido ao grande número de dispositivos necessários, a operação multibanda significa um filtro duplex off-chip separado para cada banda, conforme mostrado na Figura A. Todos os switches e roteadores também adicionam funcionalidade adicional com penalidades de desempenho e compensações.
Os telefones globais acessíveis baseados na tecnologia actual são demasiado difíceis de fabricar. A arquitetura de rádio resultante será muito grande, com perdas e cara. Os fabricantes precisam criar diversas variantes de produtos para diferentes combinações de bandas necessárias em diferentes regiões, dificultando o roaming LTE global ilimitado. As economias de escala que levaram ao domínio do GSM estão a tornar-se cada vez mais difíceis de alcançar.
A crescente procura por serviços móveis de alta velocidade de dados levou à implantação de redes móveis 4G em 50 bandas de frequência, com ainda mais bandas a chegar à medida que o 5G estiver totalmente definido e amplamente implantado. Devido à complexidade da interface de RF, não é possível cobrir tudo isso em um único dispositivo usando tecnologias atuais baseadas em filtros, portanto, são necessários circuitos de RF personalizáveis e reconfiguráveis.
Idealmente, é necessária uma nova abordagem para resolver o problema duplex, talvez baseada em filtros sintonizáveis ou supressão de auto-interferência, ou alguma combinação de ambos.
Embora ainda não tenhamos uma abordagem única que atenda às muitas demandas de custo, tamanho, desempenho e eficiência, talvez as peças do quebra-cabeça se juntem e estejam no seu bolso dentro de alguns anos.
Tecnologias como EBD com supressão SI podem abrir a possibilidade de usar a mesma frequência em ambas as direções simultaneamente, o que pode melhorar significativamente a eficiência espectral.
Horário da postagem: 24 de setembro de 2024