Viestintäjärjestelmien kapasiteettia rajoittavat pohjimmiltaan eri tekijät, kuten lähetin- ja vastaanotinketjuissa esiintyvät epälineaarisuudet. Näiden epälineaarisuuden ymmärtäminen on olennaista optimaalista suorituskykyä edistävien järjestelmien suunnittelussa. Nykyaikaisessa langattomassa ja langallisessa viestinnässä epälineaarinen vääristymä toimii pullonkaulana, joka estää teoreettisen Shannon-kapasiteetin saavuttamisen, erityisesti signaalikaistanleveyden kasvaessa ja modulaatiotilausten kasvaessa. Tämä artikkeli laajentaa näiden epälineaaristen muotojen luonnetta, niiden erityisiä vaikutuksia kapasiteettiin ja niiden lieventämiseen käytettäviä teknisiä tekniikoita.

Ei-lineaarisuuden perusteet viestintäketjuissa

Ei-lineaarisuus piirissä tai osassa tarkoittaa sitä, että lähtösignaali ei ole syötteen lineaarinen toiminto. Lineaarisessa järjestelmässä superpositioperiaate pitää sisällään: vaste syötteiden summaan vastaa yksittäisten vastausten summaa. Ei-lineaariset järjestelmät rikkovat tätä periaatetta, synnyttäen harmonisia, intermodaatiotuotteita ja spektrin regeneraatiota. Nämä vääristymät ovat erityisen ongelmallisia minkä tahansa radio- tai optisen viestintäyhteyden lähetys- ja vastaanottoketjuissa.

Epälineaarisuus voidaan mallintaa käyttämällä polynomi (Taylor-sarja) laajennus: . Tasatilatermejä (a2, a4, ...) ensisijaisesti tuottaa DC offsets ja toisen harmoninen vääristymä, kun taas pariton-järjestys termejä (a3, a5, ...) ovat vastuussa taajuusvääristymästä ja intermodaatio, joka suoraan vaikuttaa signaalin laatuun. Kolmannen asteen sieppauspiste (IP3) ja 1 dB puristuspiste ovat yhteisiä lukuja ansioiden käytetään mittaamaan vakavuus epälineaarisuus osa.

Lähetinketjujen epälineaarisuus

Tehovahvistinten vääristymä

Tehovahvistin (PA) on hallitseva epälineaarinen elementti useimmissa lähettimissä. Korkean tehokkuuden saavuttamiseksi PA:ita käytetään usein lähellä kyllästysaluettaan, joka tuo mukanaan merkittäviä AM-AM- ja AM-PM-muunnoksia. AM-AM-vääristymä viittaa lähtöamplitumien vaihteluun tuloamplitudilla, kun taas AM-PM viittaa amplitudimuutoksista johtuvaan tahattomaan vaihesiirtymään. Nämä vääristymät aiheuttavat spektrisen uudelleenkasvun. Lähetetyn signaalivirran leviäminen viereisiin taajuuskaistoihin.

Esimerkiksi 64-QAM-moduloitu signaali, joka kulkee epälineaarisen PA:n kautta, kokee konstellaation vääntymisen ja virheenvektorin suurentumisen. Standardit [3GPP määrittelevät tiukat EVM- ja vierekkäisten kanavien vuotosuhteen (ACLR) vaatimukset, joilla rajoitetaan lähetin epälineaaristen vaikutusten rajoittamista muihin käyttäjiin.

Sekoitin ja paikallinen oskillatori Epälineaarisuus

Muuntosekoittimet eivät ole lineaarisia, mikä johtaa vääriin sekoitintuotteisiin (esim. 2LO ± IF, 3LO ± 2IF), jotka voivat joutua siirtokaistan sisäpuolelle. Lisäksi paikallisten oskillaattorien vaihemelu vaikuttaa signaaliin ja pahentaa vääristymiä, erityisesti laajakaistamodulaation alla. Nämä vaikutukset ovat usein mallinnettuja lisämeluksi, mutta niissä on vahva epälineaarinen komponentti.

Muut lähettimen komponentit

Digitaali-analogiset muuntimet (DAC) tuovat kvantitaation melua ja epälineaarisuutta differentiaalisuuden (DNL) ja integraalin epälineaarisuuden (INL) muodossa. Esiajurivaiheet ja suodattimet vaikuttavat myös yleiseen epälineaariseen luonteeseen. Näiden komponenttien kaskadi tekee järjestelmän tason epälineaarisuudesta monimutkaisen yhdistelmävaikutuksen, joka on määriteltävä ja kompensoitava kokonaisuutena.

Vastaanotinketjujen epälineaarisuus

Vähämeluinen vahvistin (LNA) ja etu-End komponentit

Vastaanotinten LNA on ensimmäinen aktiivinen komponentti antennin jälkeen. Sen on tuotettava riittävästi voittoa ja lisättävä minimaalinen melu, mutta se tuo myös epälineaarisuutta, kun tulosignaali on vahva. LNA:ssa syntyvät intermodaatiotuotteet voivat pudota heikkojen haluttujen signaalien päälle, mikä nostaa tehokkaasti melutasoa. Tämä on erityisen tärkeää laajakaistavastaanottimissa, joiden on käsiteltävä useita telineitä samanaikaisesti, kuten kantoaaltojen aggregaatissa tai täysduplex-järjestelmissä.

Analogisesta digitaaliaikaan muunnin (ADC)

ADC on toinen merkittävä ei-lineaarisuuslähde vastaanotinketjussa. Kvantitaation melu on luonnostaan, mutta klikkaus tapahtuu, kun tulosignaali ylittää täyden mittakaavan alueen. Leikkausten ja kvantitaation yhteisvaikutus vähentää signaalin-äänestä ja vääristymäsuhde (SINAD). Korkean resoluution ADC:t, integraali epälineaarisuus (INL) voi aiheuttaa harmonisen vääristymän, joka putoaa signaalikaistalle. Ditheringin kaltaiset tekniikat voivat vähentää joitakin näistä vaikutuksista, mutta eivät voi poistaa niitä kokonaan.

Kuvan hylkääminen ja I/Q-epätasapaino

Suoraa muuntaminen (nolla-IF) arkkitehtuuria käyttävät vastaanottajat kärsivät I/Q-tasapainosta.Takaisin- ja vaiheiden epäsuhtaisuuksista vaihe- ja haarojen välillä.Tämä ilmenee epälineaarisena vaikutuksena, joka luo ristikkäisen yhteyden I- ja Q-kanavien välille. Tämä vähentää saavutettavissa olevaa SNR:ää ja voi rajoittaa suurinta konstellaation järjestystä, joka voidaan luotettavasti demodoida.

Vaikutus Shannon-kapasiteettiin

Shannon-Hartley lause antaa kanavan kapasiteetti [, jossa B on kaistanleveys ja SNR on signaali-kohinasuhde. Epälineaarinen vääristymä vähentää tehokkaasti käytettävissä SNR ottamalla käyttöön interferenssi termi, joka ei ole Gaussialainen melu. Monissa tapauksissa, vääristymä voidaan mallintaa lisämelu lattia, joka asteikot signaaliteho, mikä johtaa kyllästyttää kapasiteetin suurilla syöttötehoilla. Tämä tunnetaan nimellä ...

Lähettimessä, jolla on tietty epälineaarisuus, on tehokas SNR:stä , jossa P[dist[ sisältää intermodaatiotuotteiden ja harmoniikka. Koska P[[]dist[]] kasvaa nopeammin kuin P[[]sig[]] (tyypillisesti kolmannen tehon syöttöamplitudin kolmannen asteen vääristymän vuoksi), siirtotehon lisääminen tietyn pisteen yli todella vähentää tehokasta SNR:ää ja näin ollen saavutettavissa olevaa kapasiteettia.

Tutkijat, kuten Shammo et al. (2020), ovat osoittaneet, että suurtilausten modulaatioiden (esim. 256-QAM, 1024-QAM) osalta vastaanottimen aiheuttama hajoaminen LNA:n epälineaarisuudesta voi vähentää kapasiteettia 20 prosenttia tai enemmän kuin ihanteellinen lineaarinen kanava. Samoin massiivisissa MIMO-järjestelmissä on tarkasteltava yhdessä monien lähettimien epälineaarisuutta, jotta vältetään säteenmuodostuksen lisääntyminen.

Ei-lineaarisuus ei ole mahdollista

Osa-tason suunnittelu

Lineaaristen maksupalvelujen valitseminen suuremmalla back-off-toiminnolla vähentää vääristymiä, mutta vähentää tehokkuutta. GAN:n ja LDMOS:n kaltaiset teknologiat tarjoavat paremman lineaarisuuden suurilla voimilla verrattuna vanhempiin SiGe- tai GaAs-laitteisiin. Vastaanottajille, joilla on korkeampi IP3 ja ADC, joilla on parempi SFDR (puhdas-vapaa dynaaminen toimintaalue) voivat parantaa merkittävästi kapasiteettia vahvoissa häiriöympäristöissä.

Digitaalinen vääristymä

DPD on yleisin tekniikka nykyaikaisessa langattomassa infrastruktuurissa, jolla PA voidaan lineaaristaa. Väärentämällä peruskaistasignaalia käyttäen käänteistä mallia PA:n epälineaarisesta vasteesta, DPD voi vähentää IMD:tä 20.30 dB:llä. Muistipolynomimalleja, palavaisia lineaarisia malleja ja hermoverkkoja käytetään PA:n dynaamisen käyttäytymisen kuvaamiseen. DPD on standardi 4G- ja 5G-tukiasemilla ja esiintyy nyt myös käsilähettimissä.

Edistynyt muokkaus ja koodaus

Muokkausjärjestelmät, jotka ovat luonnostaan vahvempia epälineaarisuuteen nähden, kuten vakiomuotoinen modulaatio (esim. MSK, GMSK) tai matalan PAPR-arvon (peake-to-termal power ratio) aaltomuodot (esim. yksikantainen FDMA) voivat vähentää epälineaaristen vaikutusten vakavuutta. Kanavakoodaus, jossa on asianmukainen interleaving, voi myös auttaa lieventämään vääristymishuippujen aiheuttamia murtumisvirheitä.

Vastaanottajan lineaarisuus

Analoginen lineaarization tekniikoita LNAs (esim., johdannaisen superpositio, syöttö-termiini) voi parantaa IP3 ilman lisätä melun luku merkittävästi. Digitaalisella puolella, iteratiivinen algoritmeja, kuten yhteinen kanavan estimointi ja epälineaarisuus kompensoimalla voi puhdistaa vastaanotetun signaalin. ADC, automaattinen get control (AGC) pitää syötteen lineaarisella alueella ja välttää leikkaamista.

Järjestelmän tason optimointi

Resurssien kohdentamisstrategiat voivat myös auttaa: alentamaan lähikäyttäjien lähetystehoa, vähentämään intermodaatiota, käyttämällä ortogonaalista monikäyttöisyyttä häiriöiden välttämiseksi, ja käyttämällä mukautuvaa modulointia ja koodausta (AMC), joka perääntyy tähtikuvion järjestyksestä, kun epälineaarisuus havaitaan. Moniantennijärjestelmissä säteenmuodostus voidaan optimoida pienentämään antenniketjun huippu-keskimääräistä tehosuhdetta.

Päätelmät

Lähetin- ja vastaanotinketjujen epälineaarisuus ovat keskeisiä esteitä viestintäjärjestelmien teoreettisen kapasiteetin saavuttamiselle. Tehovahvistimista ADC:ihin jokainen komponentti vaikuttaa vääristymään, joka heikentää tehokasta SNR:ää ja rajoittaa saavutettavissa olevaa datanopeutta. Ymmärtämällä näiden epälineaaristen muotojen lähteet ja mallit insinöörit voivat soveltaa yhdistelmänä komponenttien valintaa, esivääristymistä ja järjestelmätason optimointia, jotta suorituskyky saadaan lähemmäksi Shannonin rajaa. Langattomien järjestelmien kehittyessä kohti korkeampia taajuuksia (mmWave, sub-THz) ja monimutkaisempia aaltomuotoja, ei-lineaarisuuden haasteet vaativat jatkossakin innovatiivisia ratkaisuja sekä tutkijoilta että harjoittelijoilta. Tässä kuvatut referenssit ja tekniikat tarjoavat vankan perustan näiden epälineaaristen kapasiteettirajoitusten käsittelemiseksi seuraavan sukupolven verkoissa.