Η κατανόηση αυτών των μη γραμμικών στοιχείων είναι απαραίτητη για το σχεδιασμό συστημάτων που προσεγγίζουν τις βέλτιστες επιδόσεις. Στη σύγχρονη ασύρματη και ενσύρματη επικοινωνία, η μη γραμμική παραμόρφωση δρα ως ένα εμπόδιο που εμποδίζει την επίτευξη της θεωρητικής ικανότητας Shannon, ειδικά καθώς αυξάνονται τα εύρος ζώνης σήματος και οι εντολές διαμόρφωσης. Αυτό το άρθρο επεκτείνεται στη φύση αυτών των μη γραμμικών, τις ειδικές επιπτώσεις τους στην ικανότητα, και τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την μετριασμό τους.

Θεμελιώδη της μη γραμμικότητας στις αλυσίδες επικοινωνίας

Η μη γραμμικότητα σε ένα κύκλωμα ή συστατικό σημαίνει ότι το σήμα εξόδου δεν είναι γραμμική συνάρτηση της εισόδου. Για ένα γραμμικό σύστημα, η αρχή της υπερθέσης κατέχει: η απόκριση σε ένα άθροισμα εισροών ισούται με το άθροισμα των μεμονωμένων αποκρίσεων. Τα μη γραμμικά συστήματα παραβιάζουν αυτή την αρχή, παράγοντας αρμονικές, προϊόντα διατροποποίησης και φασματική αναανάπτυξη. Αυτές οι στρεβλώσεις είναι ιδιαίτερα προβληματικές στη μετάδοση και λαμβάνουν αλυσίδες οποιουδήποτε ραδιοηλεκτρικού ή οπτικού συνδέσμου επικοινωνίας.

Οι μη γραμμικές λειτουργίες μπορούν να μοντελοποιηθούν με τη χρήση μιας πολυωνύμου (σειράς Taylor) επέκτασης: [[LFT:0]]. Οι ομοιόμορφοι όροι (a2, a4, ...) παράγουν κυρίως αντισταθμίσεις DC και δεύτερη αρμονική παραμόρφωση, ενώ οι μονότατοι όροι (a3, a5, ...) είναι υπεύθυνοι για τη στρέβλωση και τη διατροποποίηση της ζώνης που επηρεάζουν άμεσα την ποιότητα του σήματος. Το σημείο υποκλοπής τρίτης τάξης (IP3) και το σημείο συμπίεσης 1 dB είναι κοινά στοιχεία αξίας που χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της σοβαρότητας της μη γραμμικότητας σε ένα συστατικό.

Μη γραμμικές αλυσίδες σε αλυσίδες μεταδότη

Στρέβλωση ενισχυτή ισχύος

Ο ενισχυτής ισχύος (PA) είναι το κυρίαρχο μη γραμμικό στοιχείο στους περισσότερους πομπούς. Για την επίτευξη υψηλής απόδοσης, οι PA λειτουργούν συχνά κοντά στην περιοχή κορεσμού τους, η οποία εισάγει σημαντική μετατροπή AM-AM και AM-PM. Η παραμόρφωση AM-AM αναφέρεται στην διακύμανση του πλάτους εξόδου με εύρος εισόδου, ενώ οι AM-PM αναφέρονται στην ακούσια μετατόπιση φάσης λόγω αλλαγών πλάτους. Αυτές οι στρεβλώσεις προκαλούν φασματική ανακύπτυση ⁇ διάδοση της μεταδιδόμενης ισχύος σήματος σε παρακείμενες ζώνες συχνοτήτων ⁇ και προϊόντα διαστρέβλωσης διατροπών (IMD) που εμπίπτουν στο επιθυμητό κανάλι, μειώνοντας την αποτελεσματική σχέση σήματος-θορύβου (SNR).

Για παράδειγμα, ένα διαμορφωμένο σήμα 64-QAM που διέρχεται από ένα μη γραμμικό PA θα βιώσει παραμορφώσεις αστερισμού και αυξημένη διανυσματική ένταση σφάλματος (EVM). Πρότυπα όπως 3GPP καθορίζουν αυστηρές απαιτήσεις για τη διαρροή του EVM και του παρακείμενου λόγου διαύλων (ACLR) για τον περιορισμό της επίδρασης των μη γραμμικών μεταδόσεων σε άλλους χρήστες.

Μη γραμμικές λειτουργίες μεικτών και τοπικών ταλαντωτών

Σε αναμικτήρες μετατροπής, οι μη γραμμικές λειτουργίες οδηγούν σε παραμορφωμένα προϊόντα μείκτη (π.χ. 2LO ± IF, 3LO ± 2IF) που μπορούν να πέσουν μέσα στη ζώνη μετάδοσης. Επιπλέον, ο θόρυβος φάσης από τοπικούς ταλαντωτές αλληλεπιδρά με το σήμα και επιδεινώνει τη στρέβλωση, ιδιαίτερα υπό διαμόρφωση ευρείας ζώνης.

Άλλα εξαρτήματα μεταδότη

Οι ψηφιακοί προς αναλογικούς μετατροπείς (DACs) εισάγουν τον θόρυβο και τη μη γραμμικότητα σε μορφή διαφορικής μη γραμμικότητας (DNL) και την ολοκληρωμένη μη γραμμικότητα (IVL). Τα στάδια και τα φίλτρα προ οδήγησης συμβάλλουν επίσης στον συνολικό μη γραμμικό χαρακτήρα. Η καταμέτρηση αυτών των συστατικών καθιστά τη μη γραμμικότητα σε επίπεδο συστήματος ένα σύνθετο σύνθετο σύνθετο αποτέλεσμα που πρέπει να χαρακτηρίζεται και να αποζημιώνεται ως σύνολο.

Μη γραμμικότητα στις αλυσίδες λήψης

Ενισχυτής χαμηλού θορύβου (LNA) και εξαρτήματα εμπρός-τέλος

Στους δέκτες, το LNA είναι το πρώτο ενεργό συστατικό μετά την κεραία. Πρέπει να παρέχει επαρκές κέρδος προσθέτοντας ελάχιστο θόρυβο, αλλά εισάγει επίσης μη γραμμικότητα όταν το σήμα εισόδου είναι ισχυρό. Τα προϊόντα παρεμβολής που παράγονται στο LNA μπορούν να πέσουν πάνω σε ασθενή επιθυμητά σήματα, αυξάνοντας αποτελεσματικά το δάπεδο θορύβου. Αυτό είναι ιδιαίτερα κρίσιμο σε δέκτες ευρείας ζώνης που πρέπει να χειρίζονται πολλαπλούς φορείς ταυτόχρονα, όπως σε συστήματα μεταφοράς ή πλήρους πυκνότητας.

Παραμόρφωση αναλογικού προς ψηφιακού μετατροπέα (ADC)

Ο θόρυβος ποσοτικοποίησης είναι εγγενής, αλλά ο αποκόπτης συμβαίνει όταν το σήμα εισόδου υπερβαίνει την πλήρη κλίμακα. Το συνδυασμένο αποτέλεσμα της αποκόμισης και της ποσοτικοποίησης μειώνει το λόγο σήματος-θορύβων και παραμόρφωσης (SINAD). Για τις υψηλής ανάλυσης ADC, η ολοκληρωμένη μη γραμμικότητα (INL) μπορεί να προκαλέσει αρμονική παραμόρφωση που πέφτει στη ζώνη σήματος.

Απόρριψη εικόνας και I/Q Imbreance

Οι λήπτες που χρησιμοποιούν την άμεση μετατροπή (μηδενική-IF) αρχιτεκτονικές υποφέρουν από ανισορροπία I/Q ⁇ κέρδη και αναντιστοιχίες φάσης μεταξύ των υποκαταστημάτων της φάσης και τετραγωνικών ⁇ που εκδηλώνεται ως μη γραμμική επίδραση που δημιουργεί διασταυρούμενη συνομιλία μεταξύ των καναλιών I και Q. Αυτό μειώνει την εφικτή SNR και μπορεί να περιορίσει τη μέγιστη σειρά αστερισμών που μπορεί να αποδυναμωθεί αξιόπιστα.

Επίδραση στην ικανότητα Shannon

Το θεώρημα Shannon-Hartley δίνει τη δυνατότητα στο κανάλι ως , όπου το B είναι το εύρος ζώνης και το SNR είναι η αναλογία σήματος προς θόρυβο. Η μη γραμμική παραμόρφωση μειώνει αποτελεσματικά τη χρησιμοποιήσιμη SNR εισάγοντας έναν όρο παρεμβολής που δεν είναι Gaussian θόρυβος. Σε πολλές περιπτώσεις, η παραμόρφωση μπορεί να μοντελοποιηθεί ως ένα πρόσθετο δάπεδο θορύβου που κλιμακώνεται με την ισχύ σήματος, οδηγώντας σε κορεσμό της χωρητικότητας σε υψηλές δυνάμεις εισόδου. Αυτό είναι γνωστό ως το “μη γραμμικό όριο Shannon.”

Για έναν πομπό με δεδομένη μη γραμμικότητα, η αποτελεσματική SNR γίνεται [[LFT:2]], όπου P]dist[ περιλαμβάνει τη δύναμη των προϊόντων διατροποποίησης και αρμονικών. Επειδή η Pdist[ αυξάνεται ταχύτερα από την P[sig[] (συνήθως ως η τρίτη δύναμη του πλάτους εισόδου για παραμόρφωση τρίτης τάξης), αυξάνοντας την ισχύ μετάδοσης πέρα από ένα συγκεκριμένο σημείο στην πραγματικότητα μειώνει την αποτελεσματική SNR και συνεπώς την εφικτή ικανότητα.

Ερευνητές όπως Shammo et al. (2020)[[LFT:1] έχουν δείξει ότι για τις υψηλής τάξης διαφοροποιήσεις (π.χ., 256-QAM, 1024-QAM), η υποβάθμιση που οφείλεται στη μη γραμμικότητα LNA του δέκτη μπορεί να μειώσει την ικανότητα κατά 20% ή περισσότερο σε σύγκριση με το ιδανικό γραμμικό κανάλι. Ομοίως, σε τεράστια συστήματα MIMO, οι μη γραμμικές ιδιότητες των πολλών πομπών πρέπει να θεωρηθούν συλλογικά για να αποφευχθεί η αποδόμηση του κέρδους από τη διαμόρφωση δέσμης.

Στρατηγικές για την Mitigate Nonlinearities

Σχεδιασμός συστατικού-επιπέδου

Η επιλογή γραμμικών PA με υψηλότερη λειτουργία back-off μειώνει τη στρέβλωση αλλά μειώνει την αποδοτικότητα. Τεχνολογίες όπως η GaN και η LDMOS προσφέρουν βελτιωμένη γραμμικότητα σε υψηλές δυνάμεις σε σύγκριση με παλαιότερες συσκευές SiGe ή GaAs. Για δέκτες, χρησιμοποιώντας LNA με υψηλότερη IP3 και ADC με καλύτερη SFDR (απορρητο-Δυναμική σειρά) μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ικανότητα σε ισχυρά περιβάλλοντα παρεμβολών.

Ψηφιακή προδιαμόρφωση (DPD)

DPD είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική στη σύγχρονη ασύρματη υποδομή για να γραμμοποιήσει το PA. Με την προδιαμόρφωση του σήματος βάσης χρησιμοποιώντας ένα αντίστροφο μοντέλο της μη γραμμικής απόκρισης του PA, DPD μπορεί να μειώσει IMD κατά 20 ⁇ 30 dB. Μνήμη πολυωνύμων μοντέλα, κατά τμήματα γραμμικά μοντέλα, και προσεγγίσεις νευρωνικού δικτύου χρησιμοποιούνται για να συλλάβει τη δυναμική συμπεριφορά του PA. DPD είναι πρότυπο σε 4G και 5G σταθμούς βάσης και εμφανίζεται τώρα σε πομπούς ακουστικών, καθώς και.

Προχωρημένη διαμόρφωση και κωδικοποίηση

Τα συστήματα προσαρμογής που είναι εγγενέστερα πιο στιβαρά προς τη μη γραμμικότητα, όπως οι σταθερές διαμορφώσεις-περιβλήματα (π.χ. MSK, GMSK) ή οι χαμηλής ισχύος (λόγος αιχμής-μέσου ισχύος) κυματομορφές (π.χ., μονοφυλετικές FDMA), μπορούν να μειώσουν τη σοβαρότητα των μη γραμμικών επιπτώσεων. Η κωδικοποίηση του καναλιού με σωστή διείσδυση μπορεί επίσης να βοηθήσει στον μετριασμό των σφαλμάτων διάρρηξης που προκαλούνται από τις κορυφές παραμόρφωσης.

Γραμμοποίηση λήπτη

Οι τεχνικές γραμμογράφησης της αναλογικής γραμμής για LNAs (π.χ., υπερθέση παραγώγων, feed-forward) μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά το IP3 χωρίς να αυξήσουν το θόρυβο. Στην ψηφιακή πλευρά, επαναληπτικοί αλγόριθμοι όπως η εκτίμηση των κοινών καναλιών και η αντιστάθμιση της μη γραμμικότητας μπορούν να καθαρίσουν το λαμβανόμενο σήμα. Για τους ADCs, ο αυτόματος έλεγχος κέρδους (AGC) διατηρεί την είσοδο μέσα στο γραμμικό εύρος και αποφεύγει την αποκόμιση.

Βελτιστοποίηση επιπέδου συστήματος

Οι στρατηγικές κατανομής πόρων μπορούν επίσης να βοηθήσουν: μείωση της ισχύος μετάδοσης για τους κοντινούς χρήστες για να μειώσουν τη διατροποποίηση, χρησιμοποιώντας την ορθογώνια πολλαπλή πρόσβαση για να αποφευχθούν παρεμβολές, και χρησιμοποιώντας προσαρμοστική διαμόρφωση και κωδικοποίηση (AMC) που υποχωρεί από την τάξη αστερισμού όταν ανιχνεύεται μη γραμμικότητα. Στα συστήματα πολλαπλών αντιδραστήρων, ο σχηματισμός δέσμης μπορεί να βελτιστοποιηθεί για να μειωθεί ο λόγος ισχύος αιχμής προς μέσο όρο ανά αλυσίδα κεραίας.

Συμπέρασμα

Από τους ενισχυτές ισχύος έως τους ADC, κάθε συστατικό συμβάλλει στη στρέβλωση που υποβαθμίζει την αποτελεσματική SNR και περιορίζει το εφικτό ποσοστό δεδομένων. Κατανοώντας τις πηγές και τα μοντέλα αυτών των μη γραμμικών συστημάτων, οι μηχανικοί μπορούν να εφαρμόσουν έναν συνδυασμό επιλογής συστατικών, προδιαστροφής και βελτιστοποίησης σε επίπεδο συστήματος για να πιέσουν την απόδοση πιο κοντά στο όριο Σάνον. Καθώς τα ασύρματα συστήματα εξελίσσονται προς υψηλότερες συχνότητες (mmWave, sub-THz) και πιο σύνθετες κυματομορφές, οι προκλήσεις της μη γραμμικότητας θα συνεχίσουν να απαιτούν καινοτόμες λύσεις τόσο από ερευνητές όσο και από επαγγελματίες. Οι αναφορές και οι τεχνικές που περιγράφονται εδώ παρέχουν ένα στέρεο θεμέλιο για την αντιμετώπιση αυτών των μη γραμμικών περιορισμών χωρητικότητας στα δίκτυα επόμενης γενιάς.