מבוא

מערכות תקשורת מודרניות - אורך 5G NR, קישורים לווייניים, ואפילו שליד אלחוטי גבוה - באופן עקבי על פורמטים מורכבים כגון 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM, ואפילו שלDM עם מהנדסים בעלי סדר גבוה מודולרציה תפעולית, תוכניות אלה Pack יותר סיביות לסמל, שיפור דרמטי של יעילות RF.עם זאת, הם דרישות קיצוניות על מקלט ליניארית ורמות קטנות יותר (אפילו לא יכולות להזיזוכות) להזיזוכות מורכבות יותר, אפילו דחיסות (לא יכולות להיות מורכבות יותר שגיאות).

מאמר זה מספק מבט מעמיק ומעשי כיצד לשפר את לינאריות המקלט בנוכחות של מודולציה מורכבת.אנו נבחן את הסיבות השורש של עיוות לא ליניארי, לחקור אתגרים ספציפיים שמציבים על ידי מודולים מסדר גבוה, ולאחר מכן להציג קבוצה מקיפה של אסטרטגיות החל מבחירה רכיב לתיקון דיגיטלי מתקדם.המטרה היא לתת לך תובנות ניתנות פעולה שניתן ליישם בעיצובים מקלט מודרני, בין אם אתה בונה קבוצה מקיפה של אסטרטגיות החלת או פתרון חד פעמי.

הבנה של Linearity

ליניאריות המקבלת מתארת כיצד נתיב האות נאמן – מאנטאנה לממיר אנלוגי אל-דיגיטלי (ADC) – מפיץ את גלפורציית הגלים הנכנסת. באופן אידיאלי, כל רכיב (LNA, ערבוב, בלוק, מסנן) צריך להיות פונקציה העברה ליניארית מושלמת: פלט = × קלט. במציאות, כל המכשירים הפעילים לא לינאריות, בדרך כלל מסטיות ונפיחות.

מדדים מרכזיים לכמת לינאריות המקלט:

  • (FLT:0) נקודת יירוט הזמנה (IIP3):FLT: 1) רמת הכוח קלט שבה מוצרים בין-מודולציה מסדר שלישי שווים את כוח התפוקה הבסיסית.
  • (ב) דחיסה של ה-DB1 (P1dB): 1:1 כוח קלט הגורם לרווח ליפול על ידי 1 dB. זה מציין את תחילת הדחיסה משמעותית.
  • (FLT:0) דינמיקה ללא טיהור (SFDR): 1 הטווח בין אות זיהוי מינימלי לבין האות הגדול ביותר שניתן לעבד ללא יצירת זריקה לזיהוי.הוא משלב רעש לינאריות.

עבור מודולציה מורכבת, מדדים אלה חייבים להיחשב יחד. מקלט עם IIP3 גבוה אבל חומר רעש גבוה עדיין יכול להיות לא מתאים כי EVM הוא גם מוזנח על ידי רעש תרמי. ולהיפך, מקלט נמוך מאוד כי דחיסה בקלות מעוות בקלות מעוות קבוצות QAM כוח גבוה. Achieving ביצועים מאוזנת לעתים קרובות דורש עסקאות זהירות בין רווח, רעש, לינארי.

אתגרים עם פורמטים מורכבים

סדר גבוה QAM וסימנים של DM מציג כמה מאפיינים כי לינאריות מקלט בדיקה בדרכים ייחודיות:

High Peak-to-Average Power Ratio (PAPR)

של DM, בשימוש נרחב ב 4G/5G ו- Wi-Fi, יש ברשות גדולה כי תת-קרירים רבים יכולים להוסיף בצורה קונסטרוקטיבית.פסגות האות המיידיות יכולות להיות 10-12 dB מעל הכוח הממוצע.אם הדחיסות הקדמיות של המקלט במהלך שיאים אלה, את הריצוף והשלבי המתקבל מעוות את כל הסמל של DM, המשפיעים על כל תת-קררים, בדומה ל-AM, ייתכן שיש צורך לטפל באופן משמעותי בסמלי, עם מעטפה, אשר דורש, באופן קבוע, עם סמלים, באופן משמעותי, עם סמלים, אשר עשוי להיות בעל השפעה מסוימת, עם סמל QMP-AM, אם יש צורך, אשר עשוי לטפל באופן משמעותי, באופן משמעותי, עם סמלים, עם ספירת-D.

רגישות S

קבוצות כוכבים גבוהות יותר (64-QAM, 256-QAM) ארזו את נקודות הסמל בצפיפות. המרחק המינימלי של אוקליידאן בין נקודות קרובות מתכווץ כמו ההזמנה עולה.אפילו כמות קטנה של רווח או עיוות שלב יכול לדחוף סמל מתקבל לאזור ההחלטה של סמל השכן. לדוגמה, עם 256-QAM, שגיאה 1B או 1 ° של שלב של שלב יכול לזהות סימנים דינמיים על פני מקומות מרשימים אלה.

ערוץ ההתערבות Adjacent Channel

בסביבות ספקטרום צפופה, אותות ערוצים חזקים יכולים לייצר אינטרמודציה מסדר שלישי (IM3) מוצרים נופלים ישירות לתוך הערוץ הרצוי. עבור מודולציה מורכבת, מוצרים IM3 אלה מופיעים כהפרעה דמוי רעש, דהגרד EVM ו BER. מקלט עם לינאריות מחוץ לפס יכול להיות בלתי ניתן אפילו אם הביצועים של פס הוא מצוין.

אסטרטגיות לשיפור קוarity

שיפור ליניאריות דורש גישה רב-פנים המשלבת עיצוב מעגלים, בחירת רכיב ועיבוד אותות דיגיטליים. להלן אנו מתווה את האסטרטגיות היעילות ביותר, כל אחת עם שיקולי יישום בעולם האמיתי.

1.שימוש ב-High-Linearity Components

הבסיס של מקלט ליניארי מתחיל עם בחירת מכשירים אשר שומרים על ניתוח ליניארי על טווח האות הצפוי amplitude.

מגבר נמוך (LNAs)

LNAs הם השלב הפעיל הראשון. עבור מודולציה מורכבת, GaAs pHEMT או SiGe HBT LNA עם IIP3 גבוה (למשל, > 0 dBm) הוא לעתים קרובות הכרחי. רבים מודרני LNAs מציעים הטיה הסתגלות שניתן לתכנן עבור לינאריות גבוהה יותר עלות של צריכת גבוהה יותר.עבור מקלט רב-bands רחב, LNAs רחב יותר, אבל צריך הרבה יותר, 000 קדמיון, 000.

Mixers

תערובת פעילה כפולה מאוזנת עם +10 dBm IIP3 הם נפוצים בעיצובים ביצועים גבוהים. פאסיבי (בסיס switch) מציעים לינאריות מעולה אבל דורש אוסטרטור מקומי חזק ויש להם אובדן המרה.ב המקלטים אפס-IF, תערובת ליניאריות ישירות השפעות במוצרים של פסים, אז באמצעות ערבוב עם IIP3 גבוה ונמוך 1 / F הוא פינה קריטית.

בסיס פס Amplifiers ו- ADCs

הגדלת היתרונות משתנה (VGAs) בשרשרת הבסיס יכול להציג אי-לינאריות אם הם לא נועדו לעיוות נמוך. בחירת VGAs עם פלט גבוה IIP3 ועיוות הרמוני נמוך (THD < -60 dBc) משמר שלמות קונסטנטיבות של ADC הוא לעתים קרובות מאופיין על ידי טווח דינמי ללא פאניקה (SF) עבור 64Q-AM גבוה יותר, או יותר של ASF הוא מומלץ.

(ב) [ה]: [ה]] [ה]] [ה]], [ה], [ה], [ה]], [ה], [ה]], [ה]]], [ה], [ה], [ה], [ה],], [ה], [ה]], [התחילה] את ה'] את ה'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''

אופטימיזציה של נקודות הפעלה (Back-Off and Biasing)

גם עם מרכיבים טובים, הפעלתם בהטיה הלא נכונה או ברמת הכוח יכולה לזלזל לינאריות.

כוח חוזר

הפחתת רמת הכוח של הקלט להישאר טוב מתחת ל-P1dB היא שיטה פשוטה אך יקרה.עבור כל 1 dB של חזרה-off, IIP3 משתפרת באופן יעיל על ידי בערך 2 dB (בתאוריה) עם זאת, back-off גם מקטין את SNR כי האות עכשיו יושב קרוב יותר לקומה הרעש.האופטימום נמצא על ידי איזון ליניאריות ורעש.

בקרה

רבים LNAs ומיקסרים מאפשרים התאמות הטיה.הגדלת אספן / זרם בדרך כלל מעלה IIP3, על חשבון של פיזור כוח גבוה יותר.מעגלים הטיה הסתגלות יכול לחוש מעטפה אותות ולהגביר את ההטיה במהלך שיאים, שיפור לינאריות ללא זרם ממוצע מוגזם.טכניקה זו נפוצה בעיצוב מגבר כוח ועכשיו הוא נודד למקבלי חזית.

3.התמדה דיגיטלית (DPD) ב-Getr

נטייה דיגיטלית קשורה בדרך כלל עם משדרים, אבל זה יכול גם להיות מיושם על נתיב אות המקלט.הרעיון הוא מודל של ההפוך של התגובה הלא ליניארית של המקלט וליישם אותו לאות דיגיטלי, ביעילות ביטול עיוות.

איך זה עובד

אות ידוע (טייס) או רצף אימון מוזרק לתוך המקלט.מאפיינים עיוותים -AM-AM ו AM-PM עקומות, אפקטים זיכרון - נתפסים.מודל לוחמת פולינומי או מראה נגזר במהלך פעולה נורמלית, התיקון מוחל על פלט ADC בזמן אמת.זה יכול להפחית את מוצרי IM3 על ידי 20B או יותר, ולהביא את הליניאליות יעילה מעבר לתפקוד הגלם.

המונחים

DPD דורש משאבים דיגיטליים משמעותיים (מטופרים, זיכרון) עבור מערכות פס צר, פולינומאלי פשוט ללא זיכרון עשוי מספיק.עבור אותות פס רחב (למשל, 100 MHz של 5G NR), אפקטים זיכרון הופכים חשובים וסדרת וולטירה או מודל רשת עצבית עשוי להיות נחוץ.

(ב) ניתן למצוא את סעיף 1 (ב) ל-[[1924]]: [[1924]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]

4. Feedback and Feedforward Linearization

שיטות לינאריזציה אנליג יכול להיות יעיל כמו טכניקות דיגיטליות ולעתים קרובות יש נטייה נמוכה יותר.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

בגישה זו, אותות הבסיס המתקבלים I / Q משווים את האות המסונן מטה-המסונן. a Error amplifier מניע תיקון תת-קרקעי.It יכול לספק 20-30 dB של דיכוי IM3, אבל רוחב הפס לולאת משוב מוגבל (בדרך אגב < 10 MHz) בשל מגבלות יציבות.זה מתאים ביותר עבור מודציות צרות כגון GSM או יחיד-car-car-car-per עם רמות בינוניות עם סמל.

המונחים: Linearization

מדגם של הקלט נלקח, ואת עיוות של המגבר הראשי מופק וממושך מהפלט. שיטה זו מונעת את מגבלות רוחב הפס של משוב ויכול לעבוד על מאות מגה-הרץ.עם זאת, היא דורשת שני נתיבים רווח, קו עיכוב, והיערכות מדויקת של אמפקט / היערכות.המרכיבים הנוספים עולים ושטח העלייה למטוס.

5.המסנן ו- Signal Conditioning

אי-לינאריות במקבלים לעתים קרובות מחמירים על ידי אותות חזקים מחוץ לפס.מסנן לפני LNA (מסנן מוקדם) מקטין את הכוח של חוסמים וערוצים סמוכים, להקל על הדרישה לינארית.

פילטרים Preselect Filter

גל אקוסטי משטח (SAW) או גל אקוסטי גדול (BAW) מסננים עם Q גבוה ואובדן הזנת נמוך יכול לדחות אותות של פס על ידי 50 dB או יותר. עבור מקלטים פסים, מסננים טוטליים (למשל, שימוש ב- MEMS או varactors) לאפשר בחירת להקה דינמי.

דוקטרינים ו- Triplexers

במערכות FDD, הדופלקסר חייב להעביר את הלהקה המתקבלת תוך כדי דחיית הלהקה המועברת.בידוד דופלקסר מסכן מאפשר שידור דליפה לתוך המקלט, אשר יכול לדחוס את LNA וליצור מוצרים IM. A גבוה פיזור דופלקסר (וגיל; 60 ד"ב בידוד) חיוני לשמירה על ליניאריות במערכות מסובכת מלאות.

המונחים:

לאחר הסגירה, מסננים של פס הבסיס (אנלוגי או פעיל RC) להסיר להפריע והגבלת רעש.הפילטר עצמו חייב להיות ליניארי - שימוש בדגמי דיסטורציה נמוכה (למשל, עם THD < -90 dBc) מבטיח כי האות המסנן אינו מזוההההה עם הרמוניות או IM מן השלבים המסננים.

טכניקות מתקדמות ומגמות מתפתחות

כהוראות מודולציה מטפסות ל 1024-QAM ומעבר לכך, הדרישות הופכות קיצוניות.כמה טכניקות מתקדמות צוברות דחיפות:

ביטול רעש וביטול לא ליניארי

ב המקלט עם שני נתיבי אות (למשל, דרך עיקרית ונתיב עזר), את העיוות של LNA הראשי ניתן להעריך ולהאריך.זה הבסיס של ארכיטקטורות "מקלט לינארי" (לדוגמא, נתיב עזר משתמש בהפניה LNA הרואה את אותו חוסם אבל לא אות רצויה.ה של העיוות מן ההתייחסות הוא מוקרן וקצר דיגיטלית מן הנתיב העיקרי של הפלט זה יכול לשפר באופן דרמטי מאוד.

Machine Learning- Based DPD

רשתות נילי נחקרות כדי מודל ותיקון אי-לינאריות של מקלט באופן הסתגלותי.הם יכולים להתמודד עם אפקטים מורכבים של זיכרון ועיוותים מודלקים בצורה גרועה ששיטות פולינומיות אינן יכולות.רשתות עצביות חוזרות (RNN) או מאיצים למידה עמוקים בזמן אמת בתערוכת FPGAs, למרות שצריכת החשמל נותרה מחסום למכשירים ניידים.

קבלנים מלאים עם High-Resolution ADCs

מגמה נוספת היא להציב את ה- ADC מוקדם מאוד בשרשרת (לאחר נספח מינימלי של חזית RF) על ידי שימוש בפס רחב, גבוה-SFDR ADC (למשל, ADC 16 סיביות ב 3 GSPS), מגבלות ליניאריות אנלוגיות משתנות לתחומים הדיגיטליים.כל הליניזציה נעשית דיגיטלית.

(ב) [ה]: [ה]] [ה]], [ה]], [ה], [ה], [ה]]], [ה]], [ה]]]]], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'[ה']'[ה']']'[ה']'[ה']'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']']']']']']']'[ב'[ב'[ה'[ה']']']']']'[ה'[ה']']'[ה'[ב'[ה']']']'[ה']']']'[ה'[ה'[ב'[ה']'[ה']']'[ב'[ב'[ה'[ה'[ה

שקיפות ורמת מערכת

שיפור לינאריות המקלט כרוך בהכרח במסחר- offs. מהנדסים חייבים לאזן את הביצועים נגד עלות, כוח, גודל ומורכבות.

  • (FLT:0) צריכת חשמל: המחשה: רכיבי לינאריות גבוהים לעתים קרובות לצייר יותר הטיה זרם.DPD להאכיל קדימה דורש מעגלים פעילים נוספים עיבוד דיגיטלי, הגדלת כוח הכולל. עבור מכשירים מופעלים סוללות (IoT, טלפונים חכמים), שיפור לינאריות אגרסיבי עשוי להיות אסרטיבי.
  • (FLT:0) Cost:BuildFLT:1; GaAs או GaN רכיבים יקרים יותר מסיליקון. פילטרים חד-פעמיים, קווי עיכוב וערוצי ADC נוספים מוסיפים חשבון-of-חומרים עלות המערכת, חייבים להחליט היכן צוואר הבקבוק הליניאלי הוא להשקיע בהתאם.
  • (FLT:0) מורכב: ההרחבה: DPD והזנת קדימה דורשים קיטוב זהיר וכוונון.במוצרים בעלי רמות גבוהות, קליברציה חייבת להיות אוטומטית ויציבה על פני טמפרטורה והזדקנות לעתים קרובות גישה פשוטה יותר (בחירה של רכיב טוב בתוספת מספיק חזרה) מניב ביצועים מקובלים עם סיכון נמוך יותר.
  • (FLT:0)Bandwidth:FLT:1רחב פס אותות דורשים טכניקות לינאריזציה עם רוחב פס רחב מאוד מיידי. Feedforward יכול להיות רחב, אבל משוב קרטסי הוא מוגבל.טכניקות דיגיטליות חייב לרוץ בקצב של דגימות גבוהות, הדורש חומרת חומרת DSP מהירה.

גישה פרגמטית היא לדמות את ה- IIP3 של שרשרת המקלט ואת דמות הרעש באמצעות כלים כמו Keysight ADS, ולאחר מכן להקצות תקציבים ליניאריים לכל שלב.עבור תרחישים טיפוסיים של 5G NR, IIP3 של +5 dBm ל +10 dBm הוא לעתים קרובות ממוקד, תוך שמירה על דמות רעש מתחת 3DB.

מסקנה

לינאריות מקבל הוא פרמטר קריטי עבור כל מערכת המעסיק פורמטים מורכבים מודולציה. עיוות לא ליניארי מתגלה כמו סטינג כוכבים, הגדלת EVM, ו BER גבוה - בעיות שהופכות להיות חמורות יותר כמו הוראות מודולציה להגדיל.האסטרטגיות דנו במאמר זה - מבחירת רכיבים לינאריות גבוהה וקידוד נקודות הטיה, אנלוגיה ודיגיטליזציה טכניקות - לספק כלי מקיף לשיפור ביצועים.

אף שיטה אחת אינה כדור כסף.העיצוב הטוב ביותר משלב בסיס אנלוגי מוצק (טוב לנאס, מיקסרים, מסננים) עם תיקון דיגיטלי המפצה על אי-לינאריות של החיים.כפי דרישות יעילות הספקטרום ממשיכות לדחוף לעבר 1024-QAM ומעבר לכך, אדניזציה תפריד בין מקלטים איכותיים מבינוניים.