Il y a dix ans, les smartphones ne prenaient généralement en charge que quelques normes fonctionnant dans les quatre bandes de fréquences GSM, et peut-être quelques normes WCDMA ou CDMA2000. Avec si peu de bandes de fréquences parmi lesquelles choisir, un certain degré d'uniformité mondiale a été atteint avec les téléphones GSM « quadri-bandes », qui utilisent les bandes 850/900/1 800/1 900 MHz et peuvent être utilisés partout dans le monde (enfin, à peu près).
Il s’agit d’un énorme avantage pour les voyageurs et crée d’énormes économies d’échelle pour les fabricants d’appareils, qui n’ont besoin que de lancer quelques modèles (ou peut-être un seul) pour l’ensemble du marché mondial. Jusqu’à aujourd’hui, le GSM reste la seule technologie d’accès sans fil offrant une itinérance mondiale. À propos, si vous ne le saviez pas, le GSM est progressivement supprimé.
Tout smartphone digne de ce nom doit prendre en charge les accès 4G, 3G et 2G avec des exigences d'interface RF variables en termes de bande passante, de puissance d'émission, de sensibilité du récepteur et bien d'autres paramètres.
De plus, en raison de la disponibilité fragmentée du spectre mondial, les normes 4G couvrent un grand nombre de bandes de fréquences, de sorte que les opérateurs peuvent les utiliser sur toutes les fréquences disponibles dans une zone donnée – actuellement 50 bandes au total, comme c'est le cas avec les normes LTE1. Un véritable « téléphone mondial » doit fonctionner dans tous ces environnements.
Le problème clé que toute radio cellulaire doit résoudre est la « communication duplex ». Quand nous parlons, nous écoutons en même temps. Les premiers systèmes radio utilisaient le push-to-talk (certains le font encore), mais lorsque nous parlons au téléphone, nous nous attendons à ce que l'autre personne nous interrompe. Les appareils cellulaires (analogiques) de première génération utilisaient des « filtres duplex » (ou duplexeurs) pour recevoir la liaison descendante sans être « étourdis » en transmettant la liaison montante sur une fréquence différente.
Rendre ces filtres plus petits et moins chers était un défi majeur pour les premiers fabricants de téléphones. Lorsque le GSM a été introduit, le protocole a été conçu pour que les émetteurs-récepteurs puissent fonctionner en « mode semi-duplex ».
Il s’agissait d’un moyen très astucieux d’éliminer les duplexeurs et a joué un rôle majeur pour aider le GSM à devenir une technologie grand public à faible coût, capable de dominer l’industrie (et de changer la façon dont les gens communiquaient dans le processus).
Le téléphone Essential d'Andy Rubin, l'inventeur du système d'exploitation Android, est doté des dernières fonctionnalités de connectivité, notamment Bluetooth 5.0LE, divers GSM/LTE et une antenne Wi-Fi cachée dans un cadre en titane.
Malheureusement, les leçons tirées de la résolution de problèmes techniques ont été rapidement oubliées dans les guerres techno-politiques des débuts de la 3G, et la forme actuellement dominante de duplexage par répartition en fréquence (FDD) nécessite un duplexeur pour chaque bande FDD dans laquelle elle fonctionne. Il ne fait aucun doute que le boom du LTE s’accompagne d’une augmentation des coûts.
Bien que certaines bandes puissent utiliser le Time Division Duplex, ou TDD (où la radio bascule rapidement entre l'émission et la réception), il existe moins de ces bandes. La plupart des opérateurs (sauf principalement asiatiques) privilégient la gamme FDD, qui en compte plus de 30.
L’héritage des spectres TDD et FDD, la difficulté de libérer des bandes véritablement mondiales et l’avènement de la 5G avec davantage de bandes rendent le problème du duplex encore plus complexe. Les méthodes prometteuses à l’étude incluent de nouvelles conceptions basées sur des filtres et la capacité d’éliminer les auto-interférences.
Ce dernier apporte également la possibilité quelque peu prometteuse du duplex « sans fragmentation » (ou « duplex intégral intra-bande »). Dans l’avenir des communications mobiles 5G, nous devrons peut-être envisager non seulement le FDD et le TDD, mais également le duplex flexible basé sur ces nouvelles technologies.
Des chercheurs de l'Université d'Aalborg au Danemark ont développé une architecture « Smart Antenna Front End » (SAFE)2-3 qui utilise (voir illustration page 18) des antennes séparées pour l'émission et la réception et combine ces antennes avec (faibles performances) en combinaison avec des antennes personnalisables. Filtrage pour obtenir l'isolation de transmission et de réception souhaitée.
Bien que les performances soient impressionnantes, la nécessité de deux antennes constitue un gros inconvénient. À mesure que les téléphones deviennent de plus en plus fins et élégants, l’espace disponible pour les antennes devient de plus en plus petit.
Les appareils mobiles nécessitent également plusieurs antennes pour le multiplexage spatial (MIMO). Les téléphones mobiles dotés d'une architecture SAFE et prenant en charge 2 × 2 MIMO ne nécessitent que quatre antennes. De plus, la plage d'accord de ces filtres et antennes est limitée.
Les téléphones mobiles mondiaux devront donc également reproduire cette architecture d'interface pour couvrir toutes les bandes de fréquences LTE (450 MHz à 3 600 MHz), ce qui nécessitera plus d'antennes, plus de tuners d'antenne et plus de filtres, ce qui nous ramène aux questions fréquemment posées sur fonctionnement multibande en raison de la duplication de composants.
Bien que davantage d’antennes puissent être installées dans une tablette ou un ordinateur portable, des progrès supplémentaires en matière de personnalisation et/ou de miniaturisation sont nécessaires pour rendre cette technologie adaptée aux smartphones.
Le duplex électriquement équilibré est utilisé depuis les débuts de la téléphonie filaire17. Dans un système téléphonique, le microphone et l'écouteur doivent être connectés à la ligne téléphonique, mais isolés l'un de l'autre afin que la voix de l'utilisateur n'assourdisse pas le signal audio entrant le plus faible. Ceci a été réalisé grâce à des transformateurs hybrides avant l’avènement des téléphones électroniques.
Le circuit duplex illustré dans la figure ci-dessous utilise une résistance de même valeur pour correspondre à l'impédance de la ligne de transmission afin que le courant provenant du microphone se divise lorsqu'il entre dans le transformateur et circule dans des directions opposées à travers la bobine primaire. Les flux magnétiques sont effectivement annulés et aucun courant n'est induit dans la bobine secondaire, la bobine secondaire est donc isolée du microphone.
Cependant, le signal du microphone va toujours à la ligne téléphonique (bien qu'avec une certaine perte), et le signal entrant sur la ligne téléphonique va toujours au haut-parleur (également avec une certaine perte), permettant une communication bidirectionnelle sur la même ligne téléphonique. . . Fil métallique.
Un duplexeur radio symétrique est similaire à un duplexeur téléphonique, mais au lieu d'un microphone, d'un combiné et d'un fil téléphonique, un émetteur, un récepteur et une antenne sont utilisés respectivement, comme le montre la figure B.
Une troisième façon d'isoler l'émetteur du récepteur consiste à éliminer l'auto-interférence (SI), soustrayant ainsi le signal transmis du signal reçu. Les techniques de brouillage sont utilisées dans le domaine des radars et de la radiodiffusion depuis des décennies.
Par exemple, au début des années 1980, Plessy a développé et commercialisé un produit basé sur la compensation SI appelé « Groundsat » pour étendre la gamme des réseaux de communications militaires FM analogiques semi-duplex4-5.
Le système agit comme un répéteur monocanal full duplex, étendant la portée efficace des radios semi-duplex utilisées dans toute la zone de travail.
Il y a eu récemment un intérêt pour la suppression des auto-interférences, principalement en raison de la tendance vers les communications à courte portée (cellulaires et Wi-Fi), ce qui rend le problème de la suppression des SI plus gérable en raison d'une puissance d'émission plus faible et d'une puissance de réception plus élevée pour l'usage grand public. . Applications d'accès et de liaison sans fil 6-8.
L'iPhone d'Apple (avec l'aide de Qualcomm) possède sans doute les meilleures capacités sans fil et LTE au monde, prenant en charge 16 bandes LTE sur une seule puce. Cela signifie que seulement deux SKU doivent être produits pour couvrir les marchés GSM et CDMA.
Dans les applications duplex sans partage d'interférences, la suppression des auto-interférences peut améliorer l'efficacité du spectre en permettant aux liaisons montantes et descendantes de partager les mêmes ressources spectrales9,10. Des techniques de suppression d'auto-interférences peuvent également être utilisées pour créer des duplexeurs personnalisés pour FDD.
L'annulation elle-même comprend généralement plusieurs étapes. Le réseau directionnel entre l'antenne et l'émetteur-récepteur fournit le premier niveau de séparation entre les signaux transmis et reçus. Deuxièmement, un traitement supplémentaire du signal analogique et numérique est utilisé pour éliminer tout bruit intrinsèque restant dans le signal reçu. Le premier étage peut utiliser une antenne séparée (comme dans SAFE), un transformateur hybride (décrit ci-dessous) ;
Le problème des antennes détachées a déjà été décrit. Les circulateurs sont généralement à bande étroite car ils utilisent la résonance ferromagnétique dans le cristal. Cette technologie hybride, ou Electrically Balanced Isolation (EBI), est une technologie prometteuse qui peut être large bande et potentiellement intégrée sur une puce.
Comme le montre la figure ci-dessous, la conception frontale de l'antenne intelligente utilise deux antennes accordables à bande étroite, une pour l'émission et une pour la réception, ainsi qu'une paire de filtres duplex moins performants mais accordables. Les antennes individuelles fournissent non seulement une certaine isolation passive au prix d'une perte de propagation entre elles, mais ont également une bande passante instantanée limitée (mais réglable).
L'antenne d'émission fonctionne efficacement uniquement dans la bande de fréquences d'émission, et l'antenne de réception fonctionne efficacement uniquement dans la bande de fréquences de réception. Dans ce cas, l'antenne elle-même fait également office de filtre : les émissions Tx hors bande sont atténuées par l'antenne émettrice, et les auto-interférences dans la bande Tx sont atténuées par l'antenne réceptrice.
Par conséquent, l’architecture nécessite que l’antenne soit accordable, ce qui est obtenu en utilisant un réseau d’accord d’antenne. Il existe une perte d'insertion inévitable dans un réseau de réglage d'antenne. Cependant, les progrès récents dans les condensateurs accordables MEMS18 ont considérablement amélioré la qualité de ces dispositifs, réduisant ainsi les pertes. La perte d'insertion Rx est d'environ 3 dB, ce qui est comparable aux pertes totales du duplexeur et du commutateur SAW.
L'isolation basée sur l'antenne est ensuite complétée par un filtre accordable, également basé sur des condensateurs accordables MEM3, pour obtenir une isolation de 25 dB par rapport à l'antenne et de 25 dB par rapport au filtre. Des prototypes ont démontré que cela était possible.
Plusieurs groupes de recherche universitaires et industriels étudient l’utilisation d’hybrides pour l’impression recto verso11–16. Ces schémas éliminent passivement le SI en permettant l'émission et la réception simultanées à partir d'une seule antenne, mais en isolant l'émetteur et le récepteur. Ils sont de nature haut débit et peuvent être implémentés sur puce, ce qui en fait une option intéressante pour le duplexage de fréquences dans les appareils mobiles.
Des progrès récents ont montré que les émetteurs-récepteurs FDD utilisant EBI peuvent être fabriqués à partir de CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) avec des caractéristiques de perte d'insertion, de facteur de bruit, de linéarité du récepteur et de suppression de blocage adaptées aux applications cellulaires11,12,13. Cependant, comme le démontrent de nombreux exemples dans la littérature académique et scientifique, il existe une limitation fondamentale affectant l’isolation duplex.
L'impédance d'une antenne radio n'est pas fixe, mais varie en fonction de la fréquence de fonctionnement (en raison de la résonance de l'antenne) et du temps (en raison de l'interaction avec un environnement changeant). Cela signifie que l'impédance d'équilibrage doit s'adapter pour suivre les changements d'impédance et que la bande passante de découplage est limitée en raison des changements dans le domaine fréquentiel13 (voir Figure 1).
Nos travaux à l'Université de Bristol se concentrent sur l'étude et la résolution de ces limitations de performances afin de démontrer que l'isolation et le débit d'envoi/réception requis peuvent être obtenus dans des cas d'utilisation réels.
Pour surmonter les fluctuations d'impédance de l'antenne (qui ont un impact important sur l'isolation), notre algorithme adaptatif suit l'impédance de l'antenne en temps réel, et les tests ont montré que les performances peuvent être maintenues dans une variété d'environnements dynamiques, y compris l'interaction manuelle de l'utilisateur et les routes et chemins de fer à grande vitesse. voyage.
De plus, pour surmonter l'adaptation limitée de l'antenne dans le domaine fréquentiel, augmentant ainsi la bande passante et l'isolation globale, nous combinons un duplexeur électriquement équilibré avec une suppression SI active supplémentaire, en utilisant un deuxième émetteur pour générer un signal de suppression afin de supprimer davantage les auto-interférences. (voir Figure 2).
Les résultats de notre banc d'essai sont encourageants : lorsqu'elle est combinée à l'EBD, la technologie active peut améliorer considérablement l'isolation de transmission et de réception, comme le montre la figure 3.
Notre configuration finale de laboratoire utilise des composants d’appareils mobiles à faible coût (amplificateurs de puissance et antennes de téléphones portables), ce qui la rend représentative des implémentations de téléphones mobiles. De plus, nos mesures montrent que ce type de rejet d'auto-interférence en deux étapes peut fournir l'isolation duplex requise dans les bandes de fréquences de liaison montante et descendante, même en utilisant un équipement commercial à faible coût.
La force du signal qu'un appareil cellulaire reçoit à sa portée maximale doit être inférieure de 12 ordres de grandeur à la force du signal qu'il transmet. Dans Time Division Duplex (TDD), le circuit duplex est simplement un commutateur qui connecte l'antenne à l'émetteur ou au récepteur, donc le duplexeur dans TDD est un simple commutateur. En FDD, l'émetteur et le récepteur fonctionnent simultanément et le duplexeur utilise des filtres pour isoler le récepteur du signal fort de l'émetteur.
Le duplexeur dans le frontal FDD cellulaire fournit une isolation >~50 dB dans la bande de liaison montante pour éviter de surcharger le récepteur avec des signaux Tx, et une isolation >~50 dB dans la bande de liaison descendante pour empêcher la transmission hors bande. Sensibilité réduite du récepteur. Dans la bande Rx, les pertes sur les trajets de transmission et de réception sont minimes.
Ces exigences de faible perte et d'isolation élevée, où les fréquences ne sont séparées que de quelques pour cent, nécessitent un filtrage à Q élevé, qui jusqu'à présent ne peut être réalisé qu'à l'aide de dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW) ou à ondes acoustiques corporelles (BAW).
Alors que la technologie continue d'évoluer, les progrès étant largement dus au grand nombre de dispositifs requis, le fonctionnement multibande signifie un filtre duplex hors puce distinct pour chaque bande, comme le montre la figure A. Tous les commutateurs et routeurs ajoutent également des fonctionnalités supplémentaires avec pénalités de performance et compromis.
Les téléphones mondiaux abordables basés sur la technologie actuelle sont trop difficiles à fabriquer. L’architecture radio qui en résultera sera très volumineuse, avec pertes et coûteuse. Les fabricants doivent créer plusieurs variantes de produits pour différentes combinaisons de bandes nécessaires dans différentes régions, ce qui rend difficile l'itinérance LTE mondiale illimitée. Les économies d'échelle qui ont conduit à la domination du GSM deviennent de plus en plus difficiles à réaliser.
La demande croissante de services mobiles à haut débit de données a conduit au déploiement de réseaux mobiles 4G sur 50 bandes de fréquences, et encore plus de bandes seront à venir à mesure que la 5G sera entièrement définie et largement déployée. En raison de la complexité de l'interface RF, il n'est pas possible de couvrir tout cela dans un seul appareil utilisant les technologies actuelles basées sur les filtres, des circuits RF personnalisables et reconfigurables sont donc nécessaires.
Idéalement, une nouvelle approche pour résoudre le problème du duplex est nécessaire, peut-être basée sur des filtres réglables ou une suppression des auto-interférences, ou une combinaison des deux.
Bien que nous n'ayons pas encore d'approche unique répondant aux nombreuses exigences en matière de coût, de taille, de performance et d'efficacité, peut-être que les pièces du puzzle s'assembleront et seront dans votre poche dans quelques années.
Des technologies telles que l’EBD avec suppression SI peuvent ouvrir la possibilité d’utiliser simultanément la même fréquence dans les deux sens, ce qui peut améliorer considérablement l’efficacité spectrale.
Heure de publication : 24 septembre 2024