date
Jan 17, 2025
slug
2025-01-17-the-comparison-of-duplexer-and-diplexer
status
Published
tags
无线通信
硬件
WiFi
summary
总结起来：
- Diplexer主要用于不同频段之间共享同一根天线或者传输链路来进行通信的应用，最典型的就是双频WiFi两个频段，以及LTE多个BAND之间。
- Duplexer则主要在用于同一个频段内，使用FDD模式下的不同上下行信道通信频点上，实现同时收发全双工通信的应用。最典型的应用就是LTE FDD模式的通信。
type
Post
category
无线通信
AI summary
之前在我的另外一篇描述2.4GHz和5GHz双频WiFi共用一根天线进行通信的笔记中，基于对于下图的理解：
简单的认为：对于双频wifi的天线复用问题，逻辑上其实跟WiFi与蓝牙之间复用天线的情况一致：无论如何复用，最后都是通过时分的机制来实现的，同一时刻，要么是2.4GHz频段在使用WiFi天线，要么是5GHz频段在使用WiFi频段。既然是分时的天线复用逻辑，那么就势必会对各个频段通信的吞吐率造成一定的影响。以最简单的等比分时复用的逻辑对SPDT开关进行切换，那么对于2.4GHz和5GHz频段而言，都只有一半的时间可以拥有天线的使用权，当然会对各个频段使用的通信吞吐率造成显著的影响。尤其是对于射频的接收而言，如果在接收信号到达天线端但是SPDT开关未能切换到与之匹配的工作频段时，这个数据包肯定就丢包了，接下来只能在开关切换过来以后通过重传来解决问题。所以这样的频繁切换对于射频收发吞吐率的影响是无法避免的。
但是实际上我以上的这个理解和总结是错误的。经过网友Seas Li的指正，在2.4GHz/5GHz双频WiFi对于天线的复用设计上，更合理的实现方式并不是采用以上的射频开关在两者之间分时复用切换，而是采用Diplexer来实现两者的并行工作，互不影响，不需要时分切换，也就不存在影响吞吐率的情况。
那么接下来的问题就是：
- Diplexer及其工作原理（即Diplexer如何实现不同频段对天线同时使用而互不影响）是什么？
- Diplexer与Duplexer等类似元件在应用上的差异是什么？
- 既然Diplexer对于双频WiFi的天线复用是更合理的设计，为什么前面的双频wifi的框图中明确表明使用SPDT射频开关进行切换？
本篇笔记的目的就是尝试对以上几个问题进行解释和分析。
RF Diplexer及其工作原理
在射频电路中使用的Diplexer，在有些资料里面被称为双工器，但是另外一个功能类似的器件Duplexer往往也被称为双工器，所有部分资料把Diplexer称为双讯器，把Duplexer称为双工器。本文为了避免混淆，统一使用英文Diplexer和Duplexer，不去纠结命名上的细节差异。
从作用上将，Diplexer的主要作用是可以将不同的频段的信号分离或者合并在一起，这样就可以用同一根天线或者传输通道，来实现对多路不同频段信号的同时接收和发送。 放在双频WiFi的角度来解释，就是Diplexer可以把双频WiFi的2.4GHz和5GHz频段的信号进行分离（用于接收）和合并（用于发送），然后两个频段的信号就可以同时共用同一根天线进行通信。与双频WiFi类似的，LTE手机上多个不同频段（band）的通信，也可以使用Diplexer来进行隔离。
从工作原理上讲，Diplexer内部包含了两个独立的带通滤波器，分别对应于其要进行隔离的不同频段：
- 对于信号的发射而言，不同频段的RF信号经过带通滤波器滤波以后，因为两个带通滤波的频段不同，所以可以叠加后同时使用一根天线进行发射。
- 而对于信号的接收而言，从天线上接收到的RF信号，经过带通滤波器过滤以后，只有自己频段范围之内的信号可以通过，这样天线就可以同时接收多种不同频率的RF信号，经过Diplexer的带通滤波处理后进入各个频段自己的解调电路。
通过以上带通滤波的方式，就可以使用多个不同频段的信号在同一时间通信过程中的分离和合并。
那么对于双频WiFi而言，使用Diplexer进行2.4GHz和5GHz频段同时并行工作的结构如下图所示：
Diplexer/Duplexer的应用差异分析
既然以上解释了Diplexer的工作原理和主要的应用场景，那么也就无法避开双工器的另外一种器件类型-Duplexer。双工是什么？所谓的双工就是通信的设备之间可以同时进行双向传输，也就是可以同时进行发射和接收。 Diplexer和Duplexer作为双工器，就是用来解决射频通信中的双工通信的，确保通信的两个设备之间可以同时相互通信。
对于Diplexer的理解已经比较清楚了，就是用于隔离和区分两个或者多个不同频段的信号，避免不同频段的信号在同时通信时产生相互的冲突。其起作用的基础本质上就是两个针对不同频段的带通滤波器，两个频段之间的间距一般都比较大。
很多资料上对于Duplexer的解释是：Duplexer用于隔离同一频段的发射信号和接收信号，允许同一频段的发射机和接收机共用一根天线，同时通信的过程中不会相互干扰。然后再搭配这样的示意图：
总体上给人的感觉就是：Diplexer可以用于支持两个不同频段的通信能够并行进行，相互不会影响；而Duplexer则用于支持同一个频段的发射和接收能够共享同一根天线，并且能够同时通信互不影响。
但是问题来了：
- 所有有关Duplexer的资料上都提到，Duplexer只会用于FDD系统。既然是FDD，那么收发信道所使用的频率就是不一样的，而Duplexer又用于解决同一个频段内的收发共享问题，这两者不是矛盾的吗？
- 在WiFi、BLE、TD LTE等时分机制通信中都会提到，RF模块在同一个频点上要么处于接收状态，要么处于发射状态，不可能在同一个频率上同时接收和发射（这种本质上也就是半双工），那么Duplexer如何能够做到相同频段发射和接收的全双工通信呢？
对于以上示意图以及两个问题，我的理解是：
- Duplexer确实是只用于FDD系统中，以LTE FDD通信为例，一个频段里面包含了多个通信频点，上行和下行通信（分别对应基站和手机的收发功能）分别使用不同的频点，也就是说收发信道处于同一频段的不同频点上，两个频点的间距比较小，但是能够通过Duplexer内部的带通滤波进行区分和隔离，从而使之能够同时通信并且不会相互干扰。
- WiFi BLE这类上行和下行通信使用相同频率、时分机制来实现的通信方式，只能实现同一时间要么发射要么接收的半双工通信状态；而对于FDD这类上下行通信使用不同频点的通信方式而言，因为两个频点之间本身就可以通过滤波器来进行区分和隔离，自然就可以做到全双工通信了。
两者的应用差异
总结起来：
- Diplexer主要用于不同频段之间共享同一根天线或者传输链路来进行通信的应用，最典型的就是双频WiFi两个频段，以及LTE多个BAND之间。
- Duplexer则主要在用于同一个频段内，使用FDD模式下的不同上下行信道通信频点上，实现同时收发全双工通信的应用。最典型的应用就是LTE FDD模式的通信。
那么对于2.4GHz的单频WiFi或者BLE的TX和RX的切换而言，究竟使用的是Diplexer还是Duplexer？ 答案是两者都不是。因为2.4GHz单频的情况下，不属于Diplexer要解决的不同频段的复用问题，使用Diplexer当然不合适；而WiFi和BLE使用的是时分机制通信，上下行通信使用相同频率的信道，也不是Duplexer要解决的FDD全双工通信的问题，所以使用Duplexer也不合适。这种情况下使用的是射频开关（或者天线开关），由射频开关来判断和决定应该是TX还是RX接入天线。
题头框图中为何使用SPDT射频开关而不是Diplexer？
那么问题来了，从Diplexer、Duplexer、开关等的工作原理的角度来看，对于双频WiFi不同频段之间共享同一根天线进行传输的实现而言，Diplexer确实是更为合理的技术选择，那么为什么题图中的双频WiFi架构图中采用了SPDT开关对两个频段使用天线进行切换呢？
针对这个问题，我专门咨询了这家供应商的FAE，从供应商得到的答复是，他们的WiFi模块从成本、典型应用场景等方面考虑，虽然能够支持双频WiFi的两个频段，但是5G和2.4GHz的部分RF电路是共用的，因此即使在天线的共用上采用了Diplexer，其后面的RF电路也没有办法支持两个频段独立工作，所以在这种情况下，采用SPDT天线开关从两个频段上二选一就是合理的设计选择了。
参考资料
- 《无线秘籍：射频电路设计入门》，第六章