ट्रांसमीटर और रिसीवर चेन में क्षमता सीमा पर गैर-रेखीयता का प्रभाव

संचार प्रणालियों की क्षमता मूल रूप से विभिन्न कारकों तक सीमित है, जिसमें ट्रांसमीटर और रिसीवर श्रृंखला में मौजूद गैर-रेखीयता शामिल है। इन गैर-रेखीयता को समझना उन प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए आवश्यक है जो इष्टतम प्रदर्शन का दृष्टिकोण रखते हैं। आधुनिक वायरलेस और वायर्ड संचार में, गैर-रेखीय विरूपण एक ऐसी बाधा के रूप में कार्य करता है जो सैद्धांतिक शैनॉन क्षमता को प्राप्त करने से रोकता है, विशेष रूप से संकेत बैंडविड्थ बढ़ाने और मॉडुलन आदेश बढ़ने के रूप में। यह लेख इन गैर-रेखीयता की प्रकृति पर विस्तार करता है, क्षमता पर उनके विशिष्ट प्रभाव और इंजीनियरिंग तकनीकों को उन्हें कम करने के लिए इस्तेमाल किया जाता है।

संचार श्रृंखला में गैर-रेखीयता के मूल

एक सर्किट या घटक में गैर-रेखीयता का मतलब है कि आउटपुट सिग्नल इनपुट का एक रैखिक कार्य नहीं है। एक रैखिक प्रणाली के लिए, सुपरपोजीशन सिद्धांत रखता है: इनपुट के योग की प्रतिक्रिया व्यक्तिगत प्रतिक्रियाओं के योग के बराबर होती है। गैर-रेखीय सिस्टम इस सिद्धांत का उल्लंघन करते हैं, हार्मोनिक्स, अंतर मॉड्यूलेशन उत्पाद और वर्णक्रमीय regrowth पैदा करते हैं। ये विरूपण विशेष रूप से संचारित में समस्याग्रस्त हैं और किसी भी रेडियो या ऑप्टिकल संचार लिंक की श्रृंखला प्राप्त करते हैं।

गैर-रेखीयता को एक बहुपद (Taylor series) विस्तार का उपयोग करके मॉडल किया जा सकता है: । समान-ऑर्डर शब्द (a2, a4, ...) मुख्य रूप से डीसी ऑफसेट और दूसरा-harmonic विरूपण उत्पन्न करते हैं, जबकि विषम-आदेश की शर्तें (a3, a5, ...) इन-बैंड विरूपण और अंतर मॉड्यूलेशन के लिए जिम्मेदार हैं जो सीधे सिग्नल की गुणवत्ता को प्रभावित करते हैं। तीसरे क्रम के अंतर बिंदु (IP3) और 1 डीबी संपीड़न बिंदु एक घटक में गैर-रेखीयता की गंभीरता को मापने के लिए इस्तेमाल की योग्यता के सामान्य आंकड़े हैं।

ट्रांसमीटर जंजीरों में गैर-रेखीयता

पावर एम्पलीफायर विरूपण

पावर एम्पलीफायर (पीए) अधिकांश ट्रांसमीटरों में प्रमुख गैर-रेखीय तत्व है। उच्च दक्षता हासिल करने के लिए, पीए अक्सर अपने संतृप्त क्षेत्र के पास संचालित होते हैं, जो महत्वपूर्ण AM-AM और AM-PM रूपांतरण को पेश करते हैं। AM-AM विरूपण इनपुट आयाम के साथ आउटपुट आयाम के रूप में संदर्भित करता है, जबकि AM-PM आयाम परिवर्तन के कारण अप्रयुक्त चरण बदलाव को संदर्भित करता है। ये विरूपण वर्णक्रमीय रेग्युथ-प्रेरण सिग्नल पावर को निकटवर्ती आवृत्ति बैंड में उत्पन्न करते हैं- और अंतर मॉड्यूलेशन विरूपण (आईएमडी) उत्पादों को संदर्भित करता है जो वांछित चैनल के भीतर गिरते हैं, प्रभावी सिग्नल-टू-शोषण अनुपात (SNR) को कम करते हैं।

उदाहरण के लिए, एक 64-QAM मॉडुलेटेड सिग्नल एक नॉनलाइनियर पीए के माध्यम से गुजरने से नक्षत्र वारिंग और त्रुटि वेक्टर परिमाण (EVM) बढ़ेगा। जैसे मानक 3GPP] अन्य उपयोगकर्ताओं पर ट्रांसमीटर गैर-रैखिकता के प्रभाव को सीमित करने के लिए सख्त EVM और आसन्न चैनल रिसाव अनुपात (ACLR) आवश्यकताओं को निर्दिष्ट करें।

मिक्सर और स्थानीय ऑसीलेटर नॉनलाइनैरिटी

अपघटन मिक्सर में, गैर-रेखीयताएं शानदार मिक्सर उत्पादों (जैसे, 2LO ± IF, 3LO ± 2IF) की ओर ले जाती हैं जो ट्रांसमिशन बैंड के अंदर गिर सकती हैं। इसके अतिरिक्त, स्थानीय ऑसीलेटर्स से चरण शोर संकेत के साथ बातचीत करता है और विरूपण को बढ़ाता है, विशेष रूप से ब्रॉडबैंड मॉडुलन के तहत। ये प्रभाव अक्सर additive शोर के रूप में मॉडल किए जाते हैं लेकिन एक मजबूत गैर-रेखीय घटक लेते हैं।

अन्य ट्रांसमीटर अवयव

डिजिटल-से-अनालॉग कन्वर्टर्स (DAC) ने अंतर गैर-रेखीयता (DNL) और अभिन्न गैर-रेखीयता (INL) के रूप में मात्रात्मक शोर और गैर-रेखीयता पेश की। पूर्व-चालक चरण और फ़िल्टर भी समग्र गैर-रेखीय चरित्र में योगदान करते हैं। इन घटकों का आवरण सिस्टम-स्तर की गैर-रेखीयता को एक जटिल समग्र प्रभाव बनाता है जिसे पूरे के रूप में विशेषता और क्षतिपूर्ति की जानी चाहिए।

रिसीवर चेन में गैर-रैखिकता

कम शोर एम्पलीफायर (LNA) और फ्रंट-एंड घटक

रिसीवर में, LNA एंटीना के बाद पहला सक्रिय घटक है। न्यूनतम शोर जोड़ने के दौरान इसे पर्याप्त लाभ प्रदान करना चाहिए, लेकिन यह इनपुट सिग्नल मजबूत होने पर गैर-रैखिकता भी लागू करता है। LNA में उत्पन्न अंतर मॉड्यूलेशन उत्पाद कमजोर वांछित संकेतों के शीर्ष पर पड़ सकते हैं, प्रभावी ढंग से शोर के फर्श को बढ़ा सकते हैं। यह व्यापक रूप से ब्रॉडबैंड रिसीवर में महत्वपूर्ण है जो एक साथ कई वाहकों को संभालना चाहिए, जैसे कि वाहक एकत्रीकरण या पूर्ण-डुप्लेक्स सिस्टम में।

एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (ADC) विरूपण

ADC रिसीवर श्रृंखला में गैर-रैखिकता का एक और प्रमुख स्रोत है। क्वांटाइजेशन शोर अंतर्निहित है, लेकिन क्लिपिंग तब होती है जब इनपुट सिग्नल पूर्ण पैमाने पर सीमा से अधिक हो जाता है। क्लिपिंग और क्वांटाइज़ेशन का संयुक्त प्रभाव सिग्नल-टू-नोइस और विरूपण अनुपात (SINAD) को कम कर देता है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन ADCs के लिए, अभिन्न गैर-रेखीयता (INL) हार्मोनिक विरूपण का कारण बन सकता है जो सिग्नल बैंड में गिर जाता है। डायथरिंग जैसी तकनीकें कुछ प्रभावों को कम कर सकती हैं लेकिन उन्हें पूरी तरह से समाप्त नहीं कर सकती हैं।

छवि अस्वीकृति और आई / क्यू असंतुलन

प्रत्यक्ष रूपांतरण (zero-IF) आर्किटेक्चर का उपयोग करने वाले प्राप्तकर्ता I/Q असंतुलन-गायन और चरण में इन-चरण और चौगुनी शाखाओं के बीच में गलतियां से पीड़ित हैं- जो एक गैर-रेखीय प्रभाव के रूप में प्रकट होता है जो I और Q चैनलों के बीच क्रॉसटॉक बनाता है। यह प्राप्त करने योग्य SNR को कम करता है और अधिकतम नक्षत्र आदेश को सीमित कर सकता है जिसे विश्वसनीय रूप से demodulated किया जा सकता है।

शैनन क्षमता पर प्रभाव

शैनन-हार्टले प्रमेय चैनल की क्षमता को के रूप में देता है, जहां B बैंडविड्थ है और SNR सिग्नल-टू-नोइस अनुपात है। गैर-रेखीय विरूपण प्रभावी रूप से एक हस्तक्षेप शब्द को पेश करके उपयोग करने योग्य SNR को कम करता है जो गौसियन शोर नहीं है। कई मामलों में, विरूपण को एक योजक शोर मंजिल के रूप में मॉडल किया जा सकता है जो सिग्नल पावर के साथ पैमाने पर होता है, जिससे उच्च इनपुट शक्तियों पर क्षमता का संतृप्ति होती है। इसे "nonlinear Shannon सीमा" के रूप में जाना जाता है।

एक दिए गए गैर-रेखीयता के साथ ट्रांसमीटर के लिए, प्रभावी SNR _{, जहां P]dist में अंतर मॉड्यूलेशन उत्पादों और हार्मोनिक्स की शक्ति शामिल है। क्योंकि P]dist]]]dist]]sig]] (आम तौर पर तीसरे क्रम विरूपण के लिए इनपुट आयाम की तीसरी शक्ति के रूप में), एक निश्चित बिंदु से परे संचारित शक्ति वास्तव में प्रभावी SNR को कम करती है और इस प्रकार प्राप्त करने योग्य क्षमता।}

जैसे शोधकर्ता Shammo एट अल. (2020) ने दिखाया है कि उच्च-आदेश मॉड्यूलेशन (जैसे 256-QAM, 1024-QAM), रिसीवर LNA की वजह से गिरावट आदर्श रैखिक चैनल की तुलना में 20% या उससे अधिक की क्षमता को कम कर सकती है। इसी तरह, बड़े पैमाने पर एमआईएमओ सिस्टम में, कई ट्रांसमीटरों की गैर-रैखिकता को सामूहिक रूप से बीमफॉर्मिंग लाभ गिरावट से बचने के लिए माना जाना चाहिए।

अनिलिनियरिटीज को मितिगेट करने के लिए रणनीतियाँ

घटक-स्तर डिजाइन

उच्च बैक-ऑफ ऑपरेशन के साथ रैखिक पीए का चयन विरूपण को कम करता है लेकिन दक्षता को कम करता है। GaN और LDMOS जैसी टेक्नोलॉजीज पुराने SiGe या GaAs उपकरणों की तुलना में उच्च शक्ति पर बेहतर रैखिकता प्रदान करती है। रिसीवर के लिए, बेहतर SFDR (spurious-free गतिशील रेंज) के साथ LNAs का उपयोग करके, मजबूत हस्तक्षेप वातावरण में क्षमता में काफी सुधार हो सकता है।

डिजिटल प्रिडिस्ट्रेशन (DPD)

DPD आधुनिक वायरलेस इन्फ्रास्ट्रक्चर में PA को रैखिक बनाने की सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक है। PA के गैर-रेखीय प्रतिक्रिया के एक विपरीत मॉडल का उपयोग करके बेसबैंड सिग्नल को पूर्वनिर्धारित करके, DPD 20-30 डीबी तक आईएमडी को कम कर सकता है। मेमोरी पॉलीनोमिक मॉडल, पीसवार रैखिक मॉडल और तंत्रिका नेटवर्क दृष्टिकोण का उपयोग पीए के गतिशील व्यवहार को कैप्चर करने के लिए किया जाता है। DPD 4G और 5G बेस स्टेशन में मानक है और अब हैंडसेट ट्रांसमीटर में भी दिखाई देता है।

उन्नत मॉडुलन और कोडिंग

मॉडुलन योजनाएं जो अंतर्निहित रूप से गैर-रेखीयता के लिए अधिक मजबूत हैं, जैसे कि निरंतर-लिखन मॉडुलन (जैसे, MSK, GMSK) या कम-PAPR (पीक-टू-एवरेज पावर अनुपात) तरंगफॉर्म (जैसे, एकल-कैरियर FDMA), गैर-रेखीय प्रभावों की गंभीरता को कम कर सकते हैं। उचित इंटरलीविंग के साथ चैनल कोडिंग विरूपण चोटियों के कारण फटने वाली त्रुटियों को कम करने में भी मदद कर सकता है।

रिसीवर रैखिककरण

LNAs (जैसे, व्युत्पन्न सुपरपोरेशन, फीड-फॉरवर्ड) के लिए एनालॉग रैखिककरण तकनीक IP3 को काफी हद तक बढ़ाए बिना बेहतर कर सकती है। डिजिटल पक्ष पर, संयुक्त चैनल अनुमान और गैर-रैखिकता मुआवजा जैसे iterative एल्गोरिदम प्राप्त संकेत को साफ कर सकते हैं। ADCs के लिए, स्वचालित लाभ नियंत्रण (AGC) रैखिक रेंज के भीतर इनपुट रखता है और क्लिपिंग से बचाता है।

सिस्टम-स्तर अनुकूलन

संसाधन आवंटन रणनीतियों में भी मदद कर सकते हैं: निकट उपयोगकर्ताओं के लिए संचारित शक्ति को कम करने के लिए अंतर मॉड्यूलेशन को कम करने, हस्तक्षेप से बचने के लिए ऑर्थोगोनल एकाधिक पहुंच का उपयोग करना, और अनुकूली मॉडुलन और कोडिंग (AMC) को नियोजित करना जो गैर-रैखिकता के पता होने पर नक्षत्र क्रम को बंद कर देता है। बहु-एंटेन प्रणालियों में, बीमफॉर्मिंग को प्रति एंटीना श्रृंखला के शिखर-से-औसत बिजली अनुपात को कम करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।

निष्कर्ष

ट्रांसमीटर और रिसीवर श्रृंखला में गैर-रेख संचार प्रणालियों की सैद्धांतिक क्षमता को प्राप्त करने के लिए मूलभूत बाधाएं हैं। पावर एम्पलीफायरों से एडीसी तक, हर घटक विरूपण में योगदान देता है जो प्रभावी एसएनआर को कम करता है और प्राप्त करने योग्य डेटा दर को सीमित करता है। इन गैर-रेखीयता के स्रोतों और मॉडल को समझने के द्वारा, इंजीनियर घटक चयन, पूर्वविज्ञापन और सिस्टम-स्तर अनुकूलन का संयोजन लागू कर सकते हैं ताकि वे शानॉन सीमा के करीब प्रदर्शन को धक्का दे सकें। चूंकि वायरलेस सिस्टम उच्च आवृत्तियों (mmWave, sub-THz) और अधिक जटिल तरंगों की ओर विकसित हो जाते हैं, इसलिए गैर-रेखीयता की चुनौतियों ने इन क्षमताओं को आगे बढ़ाया है।