全雙工通信：技術(shù)原理、模式與系統(tǒng)分析

全雙工的基本定義

什么是全雙工通信？

全雙工通信（FDX）就像一場(chǎng)面對(duì)面的聊天——雙方都能邊說(shuō)邊聽(tīng)，完全不用等對(duì)方把話(huà)說(shuō)完。其實(shí)我們每天都在體驗(yàn)全雙工技術(shù)。最經(jīng)典的例子就是電話(huà)聊天——你可以隨時(shí)插話(huà)打斷，而不用像用對(duì)講機(jī)那樣必須說(shuō)“over”。現(xiàn)在的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、視頻會(huì)議軟件，甚至你玩的在線(xiàn)游戲，都依賴(lài)這項(xiàng)技術(shù)來(lái)保證流暢的實(shí)時(shí)互動(dòng)。說(shuō)它是現(xiàn)代通信的基石，一點(diǎn)都不為過(guò)。

 

為了更好地理解全雙工，我們來(lái)看看另外兩種通信方式：?jiǎn)喂ず桶腚p工。

 

全雙工、半雙工與單工的區(qū)別

你可以把全雙工、半雙工和單工想象成三種不同的聊天方式。

• 單工：就像聽(tīng)收音機(jī)或者看電視新聞。信號(hào)只能從電臺(tái)發(fā)到你這里，你沒(méi)法跟它對(duì)話(huà)。這條路是一條“單行道”。
• 半雙工：就好比用對(duì)講機(jī)。你們倆都能說(shuō)話(huà)，但不能同時(shí)說(shuō)。你得按住按鍵說(shuō)，說(shuō)完松手聽(tīng)對(duì)方說(shuō)。雖然能雙向溝通，但頻道是共用的，所以得輪流來(lái)。
• 全雙工：就像我們平時(shí)打電話(huà)，你可以邊說(shuō)邊聽(tīng)，對(duì)方也一樣。這樣一來(lái)，同一個(gè)頻道相當(dāng)于變成了兩條獨(dú)立的車(chē)道，數(shù)據(jù)能同時(shí)朝兩個(gè)方向跑，效率自然就翻倍了。所以這才是全雙工最厲害的地方。

 

決定用哪種方式“聊天”，是通信最底層（也就是物理層）定好的規(guī)矩。所以，設(shè)備一出廠(chǎng)，它能“同時(shí)聊天”還是“輪流聊天”的模式就已經(jīng)被固定下來(lái)了。

 

(單工、全雙工與半雙工數(shù)據(jù)流)

 

對(duì)比分析：?jiǎn)喂?vs. 半雙工 vs. 全雙工

特性	單工模式	半雙工模式	全雙工模式
數(shù)據(jù)方向	單向	雙向	雙向
同時(shí)性	不適用	非同時(shí)	同時(shí)
信道占用	一個(gè)設(shè)備發(fā)送	兩個(gè)設(shè)備共享，交替進(jìn)行	兩個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送
性能	信道利用率最低	中等利用率，涉及周轉(zhuǎn)時(shí)間	信道利用率最高，無(wú)周轉(zhuǎn)時(shí)間
典型示例	廣播電臺(tái)、尋呼機(jī)	對(duì)講機(jī)、基于集線(xiàn)器的以太網(wǎng)	電話(huà)通話(huà)、交換式以太網(wǎng)
核心限制	沒(méi)有返回路徑	信道競(jìng)爭(zhēng)、延遲	系統(tǒng)復(fù)雜性、自干擾

 

全雙工通信的工作原理

要實(shí)現(xiàn)全雙工（邊說(shuō)邊聽(tīng)），設(shè)備必須解決一個(gè)問(wèn)題：“自干擾”。

 

(全雙通信自干擾示意圖)

 

什么是自干擾？

這個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)單來(lái)講就是：你不能一邊“用喇叭大聲喊”（發(fā)送信號(hào)），一邊還指望能“聽(tīng)到遠(yuǎn)處針掉地上的聲音”（接收信號(hào)）。

• 問(wèn)題有多嚴(yán)重？設(shè)備自己“喊”的聲音（發(fā)送TX），可能比它想“聽(tīng)”的微弱信號(hào)（接收RX）要強(qiáng)上100億倍（技術(shù)上稱(chēng)為 100 dB）。
• 結(jié)果是什么？如果不加處理，這個(gè)巨大的“喊聲”會(huì)**嚴(yán)重“淹沒(méi)”**微弱的“聽(tīng)聲”，導(dǎo)致什么也聽(tīng)不見(jiàn)。

 

因此，解決方案就是必須把“喊”（TX）和“聽(tīng)”（RX）的信號(hào)高效地隔離開(kāi)。

 

為了解決它，工程師們主要用了兩種巧妙的方法來(lái)“隔離”信號(hào)，確保“說(shuō)”和“聽(tīng)”互不干擾：

1. 分“車(chē)道” (FDD - 頻分雙工)：就像給發(fā)送和接收各修了一條完全獨(dú)立的高架橋，它們?cè)诓煌念l率上通信。
2. 分“時(shí)段” (TDD - 時(shí)分雙工)：發(fā)送和接收共用同一條路，但嚴(yán)格遵守紅綠燈。系統(tǒng)以極快的速度（人根本感覺(jué)不到）在“說(shuō)”和“聽(tīng)”之間切換。

 

接下來(lái)的2.1和2.2節(jié)將詳細(xì)介紹這兩種技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的。

 

信道分離機(jī)制：頻分雙工 (FDD)

FDD 采用了最直接的辦法來(lái)避免自干擾：使用兩個(gè)獨(dú)立的頻率信道，一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于“說(shuō)”（發(fā)送），另一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于“聽(tīng)”（接收）。這兩個(gè)頻率信道之間還設(shè)有一條“保護(hù)帶”（Guard Band）——就像高速公路的中央隔離帶，確保信號(hào)互不干擾。

 

核心組件：雙工器 (Duplexer)

在早期的手機(jī)通常只有一個(gè)天線(xiàn)，需要同時(shí)處理“說(shuō)”和“聽(tīng)”兩種信號(hào)。“雙工器”就是解決這個(gè)問(wèn)題的核心組件，它通常連接在設(shè)備的公共天線(xiàn)端口上。

 

它是一個(gè)被動(dòng)的、基于頻率的濾波器組合，它智能之處在于能同時(shí)精準(zhǔn)地控制信號(hào)流向：

• 將強(qiáng)大的發(fā)送信號(hào)（來(lái)自“喇叭”）只導(dǎo)向天線(xiàn)。
• 將微弱的接收信號(hào)（來(lái)自“天線(xiàn)”）只導(dǎo)向接收器。

 

通過(guò)這種方式，它能確保發(fā)送信號(hào)（來(lái)自“喇叭”）不會(huì)“泄漏”并“淹沒(méi)”靈敏的接收器（“耳朵”）。

 

優(yōu)點(diǎn)

由于發(fā)送和接收各自擁有專(zhuān)屬、始終開(kāi)放的通道，數(shù)據(jù)傳輸延遲非常低且穩(wěn)定。非常適合打電話(huà)、視頻會(huì)議等需要即時(shí)反應(yīng)的應(yīng)用。

 

缺點(diǎn)

它需要占用兩段獨(dú)立的頻率，這在稀缺的頻譜資源上成本翻倍。其次，雙工器會(huì)增加設(shè)備的體積。

 

信道分離機(jī)制：時(shí)分雙工 (TDD)

TDD（時(shí)分雙工）采用了另一種方法。它讓“說(shuō)”（發(fā)送）和“聽(tīng)”（接收）共用同一個(gè)頻率信道，但在時(shí)間上嚴(yán)格交替。系統(tǒng)會(huì)以極快的速度在“發(fā)送時(shí)間片”和“接收時(shí)間片”之間切換，中間用一個(gè)簡(jiǎn)短的“保護(hù)間隔”隔開(kāi)。

 

TDD方法的核心組件是一個(gè)非?？焖俚纳漕l開(kāi)關(guān)和一個(gè)高度精確、同步的時(shí)鐘。這個(gè)開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)在發(fā)送（TX）和接收（RX）電路之間物理地切換天線(xiàn)的連接，就像一個(gè)響應(yīng)極快的紅綠燈。

 

TDD 的主要優(yōu)點(diǎn)是頻譜效率高，因?yàn)樗徽加靡粋€(gè)信道（FDD 需要兩個(gè)）。它還很靈活，可以根據(jù)需要動(dòng)態(tài)分配帶寬（例如，70%的時(shí)間用于下載，30%用于上傳）。然而，它的缺點(diǎn)也很明顯：持續(xù)的切換會(huì)引入少量延遲。更關(guān)鍵的是，TDD 需要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確的時(shí)間同步（通常通過(guò) GPS），以確保一個(gè)設(shè)備的“說(shuō)”不會(huì)與另一個(gè)設(shè)備的“聽(tīng)”發(fā)生沖突并產(chǎn)生干擾。

 

(全雙工通信原理：頻分雙工 (FDD) 與時(shí)分雙工 (TDD) 對(duì)比圖)

 

核心技術(shù)挑戰(zhàn)：自干擾抑制與回聲消除

FDD 和 TDD 還不足以實(shí)現(xiàn)真正的全雙工通信。因?yàn)樵O(shè)備自身的發(fā)送（TX）信號(hào)非常強(qiáng)大，即使有 FDD（雙工器）或 TDD（時(shí)間切換）的基礎(chǔ)隔離，仍然會(huì)有信號(hào)“泄漏”到靈敏的接收（RX）路徑中。殘留的自干擾信號(hào)依然足以“淹沒(méi)”真正需要接收的微弱信號(hào)。

 

因此，工程師們采用“降噪”技術(shù)，從三個(gè)方面把“泄漏”進(jìn)來(lái)的干擾進(jìn)行消除：

• 傳播域（物理隔離）：就像把“喇叭”（發(fā)送天線(xiàn)）和“麥克風(fēng)”（接收天線(xiàn)）分開(kāi)放，并讓它們朝向不同方向，先在物理上減少干擾。
• 射頻域（模擬消除）：這就像戴上“降噪耳機(jī)”。系統(tǒng)會(huì)復(fù)制一份自己的“喊聲”，然后制造一個(gè)相位完全相反的“反向聲波”，在信號(hào)進(jìn)入放大器之前就將其抵消掉。
• 基帶域（數(shù)字消除）：這相當(dāng)于“后期精修”。系統(tǒng)使用電腦算法，把前兩步之后還殘留的最后一點(diǎn)點(diǎn)“回音”（包括失真），用數(shù)學(xué)方法從接收到的數(shù)據(jù)中精確地“減去”。

 

一個(gè)先進(jìn)的全雙工系統(tǒng)會(huì)同時(shí)使用這三種技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)高效可靠的“邊說(shuō)邊聽(tīng)”。

 

全雙工系統(tǒng)的應(yīng)用與示例

全雙工技術(shù)幾乎是所有現(xiàn)代通信基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)。

 

經(jīng)典應(yīng)用領(lǐng)域

最經(jīng)典的例子就是電話(huà)，無(wú)論是老式座機(jī)還是現(xiàn)在的智能手機(jī)通話(huà)，都允許雙方同時(shí)說(shuō)話(huà)和傾聽(tīng)。

 

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(也稱(chēng)為以太網(wǎng))的發(fā)展也是一個(gè)重要的例子。早期的“共享”網(wǎng)絡(luò)(基于集線(xiàn)器)類(lèi)似于一個(gè)對(duì)講機(jī)，每個(gè)人都有一條信道，必須輪流發(fā)言（半雙工）。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)（基于交換機(jī)）為每個(gè)計(jì)算機(jī)提供了一條獨(dú)立的通道，類(lèi)似于私人電話(huà)，允許數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送和接收（全雙工）這使網(wǎng)速大大提高。

 

此外，4G 和 5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) 也會(huì)靈活地使用全雙工技術(shù)。它們會(huì)根據(jù)可用的頻譜資源和政策，智能地選擇使用 FDD 或 TDD 方案來(lái)實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。

 

在現(xiàn)代商業(yè)系統(tǒng)中的實(shí)施：無(wú)線(xiàn)模塊

專(zhuān)業(yè)的無(wú)線(xiàn)模塊，就是把全雙工通信、Mesh組網(wǎng)及降噪等核心技術(shù)，封裝成可以實(shí)際使用的硬件。

 

這些模塊的功能不只是一對(duì)一通話(huà)。例如，模塊 SA618F22 或 SA628F30 能夠同時(shí)處理 8 路對(duì)話(huà)，從而形成“網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)”（MESH）。在這種網(wǎng)絡(luò)里，每個(gè)設(shè)備都可以幫助其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，這擴(kuò)大了通信范圍。這背后需要非常精確的時(shí)間同步和智能的資源分配,以確保不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。

 

這些模塊提供不同的性能配置,以滿(mǎn)足各種用途。例如，有的功耗低（ SA618F22 的 160mW），有的功率可以達(dá)到 8W（如 SA628F39）以確保遠(yuǎn)距離通信。它們會(huì)在特定的頻率范圍（如 410-480 MHz）工作，并提供了不同類(lèi)型的連接方式，有的專(zhuān)門(mén)處理聲音（I2S 接口），有的則用來(lái)傳輸控制命令或傳感器數(shù)據(jù)（UART 接口），比如 SA618F30-FD 就是一個(gè)側(cè)重?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)睦印?/p>

 

這些硬件解決了 2.3 節(jié)中討論的問(wèn)題。它們內(nèi)置了算法來(lái)消除回聲，也集成了 AES128 加密（如 SA628F30 模塊）和 ESD 硬件保護(hù)。這些設(shè)計(jì)是制造專(zhuān)業(yè)無(wú)線(xiàn)對(duì)講機(jī)等產(chǎn)品的基礎(chǔ)，確保通信在嘈雜、惡劣的環(huán)境中依然清晰、安全和可靠。

 

(全雙工模塊)

 

全雙工的優(yōu)勢(shì)與技術(shù)局限性

全雙工通信能提供比半雙工更高的吞吐量和更低的延遲，但需要更復(fù)雜的算法和硬件才能實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)。

 

主要優(yōu)勢(shì)

理論吞吐量翻倍是全雙工通信的核心優(yōu)勢(shì)。由于它允許數(shù)據(jù)同時(shí)“一去一來(lái)”，在相同條件下，能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量自然是半雙工的兩倍。

消除“周轉(zhuǎn)時(shí)間”也是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。半雙工（像對(duì)講機(jī)）在“說(shuō)”和“聽(tīng)”之間切換時(shí)總得等一下，這個(gè)切換過(guò)程（可能幾十毫秒）會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，讓人感覺(jué)卡頓。全雙工通過(guò)確保信道雙向通暢,幾乎消除了這種延遲。

這種無(wú)延遲的特性改善了交互性，讓我們打電話(huà)、開(kāi)視頻會(huì)議和遠(yuǎn)程操作等應(yīng)用體驗(yàn)更流暢。

 

技術(shù)局限性與實(shí)施成本

然而，實(shí)現(xiàn)全雙工的成本會(huì)高些。硬件和軟件的復(fù)雜性是主要問(wèn)題，例如 FDD 需要高性能雙工器，而軟件需要處理復(fù)雜的回聲消除算法。

 

復(fù)雜的算法導(dǎo)致高功耗。運(yùn)行回聲消除算法需要強(qiáng)大的處理能力(如DSP或FPGA)，這對(duì)手機(jī)這類(lèi)移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，續(xù)航是個(gè)問(wèn)題。

此外，頻譜費(fèi)用也是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。FDD方案雖然延遲低，但它需要兩塊獨(dú)立的頻譜，這在昂貴的頻譜資源上開(kāi)銷(xiāo)不小。TDD方案雖然靈活些，但它帶來(lái)的延遲和同步開(kāi)銷(xiāo)也是一種成本。

 

所以，也必須考慮成本效益。全雙工并不總是最佳選擇。在很多簡(jiǎn)單場(chǎng)景下，比如遠(yuǎn)程傳感器只需要偶爾報(bào)個(gè)數(shù)，或者只是單向控制，用更簡(jiǎn)單、成本更低的半雙工系統(tǒng)就足夠了。全雙工更適合“同時(shí)聽(tīng)說(shuō)”的應(yīng)用，比如語(yǔ)音通話(huà)或?qū)崟r(shí)控制。

 

結(jié)論：全雙工通信的未來(lái)趨勢(shì)

現(xiàn)代通信系統(tǒng)越來(lái)越多地采用全雙工來(lái)支持實(shí)時(shí)雙向流量，而早期系統(tǒng)由于硬件或頻譜限制而使用單工或半雙工。主要的工程挑戰(zhàn)已經(jīng)從僅僅實(shí)現(xiàn)雙向通信（由半雙工解決）轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝医?jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)同步雙向通信。FDD 和 TDD 的原理已經(jīng)成熟，并構(gòu)成了我們當(dāng)前全球全雙工通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

 

不過(guò)，對(duì)更高頻譜效率的追求并未停止。目前業(yè)界的一個(gè)重要目標(biāo)是“帶內(nèi)全雙工”（In-Band Full Duplex, IBFD），也叫作“同頻全雙工”。這項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)是在“同一時(shí)間、同一頻率”上同時(shí)發(fā)送和接收，這在理論上能使頻譜效率比 TDD 或 FDD 提高一倍。

 

當(dāng)然，IBFD 面臨的自干擾挑戰(zhàn)極大（需要 110 dB+ 的消除能力，甚至要處理放大器自身的失真），但這正是 5G-Advanced 和 6G 等未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的研究焦點(diǎn)。一旦成功實(shí)施，IBFD 的好處將不只是吞吐量翻倍，它還能顯著降低延遲（因?yàn)樵O(shè)備可以立即收到確認(rèn)信息），甚至提高網(wǎng)絡(luò)安全性（因?yàn)樗苓叞l(fā)信號(hào)邊“監(jiān)聽(tīng)”干擾）。