La capacità dei sistemi di comunicazione è fondamentalmente limitata da vari fattori, tra cui le non linearità presenti nelle catene trasmettitori e ricevitori. Capire queste non linearità è essenziale per la progettazione di sistemi che si avvicinano alle prestazioni ottimali. In comunicazione wireless moderna e cablata, la distorsione non lineare agisce come un collo di bottiglia che impedisce il raggiungimento della capacità teorica di Shannon, soprattutto come aumentano le connessioni di segnale e gli ordini di modulazione.

Fondamenti di non linearità nelle catene di comunicazione

La nonlinearità in un circuito o componente significa che il segnale di uscita non à ̈ una funzione lineare dell'ingresso. Per un sistema lineare, il principio di sovrapposizione vale: la risposta ad una somma di input equivale alla somma delle risposte individuali. I sistemi non lineari violano questo principio, generando armoniche, prodotti di intermodulazione e ricrescita spettrale. Queste distorsioni sono particolarmente problematici nella trasmissione e ricezione di catene di qualsiasi collegamento di comunicazione radio o ottica.

Le condizioni di ordine uniforme (a2, a4, ...) generano principalmente gli offset DC e la distorsione secondaria armonica, mentre i termini di ordine dispari (a3, a5, ...) sono responsabili della distorsione in banda e dell'intermodulazione che influiscono direttamente sulla qualità del segnale.

Non linearità nelle catene trasmettitori

Distorsione dell'amplificatore di potenza

Per ottenere un'alta efficienza, i PA sono spesso operati vicino alla loro regione di saturazione, che introduce una significativa conversione AM-AM e AM-PM-PM. La distorsione AM-AM si riferisce alla variazione dell'ampiezza di uscita con ampiezza di ingresso, mentre AM-PM si riferisce al cambiamento di fase non previsto a causa di cambiamenti di ampiezza.

Ad esempio, un segnale modulato 64-QAM che passa attraverso un PA non lineare sperimenterà la costellazione di curvatura e l'aumento della magnitudine vettoriale di errore (EVM). Standard come [3GPP[[]]] specificano requisiti di EVM rigorosi e di perdita di canale adiacente (ACLR) per limitare l'impatto delle non linearità trasmettitori su altri utenti.

Mixer e locali Oscillatori

In miscelatori di upconversion, le non linearità portano a prodotti miscelatori spurious (ad esempio, 2LO ± IF, 3LO ± 2IF) che possono cadere all'interno della banda di trasmissione. Inoltre, il rumore di fase degli oscillatori locali interagisce con il segnale ed esacerba la distorsione, soprattutto sotto modulazione a banda larga.

Altri componenti del trasmettitore

I convertitori digitali-analogico (DAC) introducono il rumore di quantizzazione e la non linearità sotto forma di non linearità differenziale (DNL) e di non linearità integrale (INL). Le fasi e i filtri pre-driver contribuiscono anche al carattere non lineare generale. La cascata di questi componenti rende la non linearità di livello di sistema un complesso effetto composito che deve essere caratterizzato e compensato nel suo complesso.

Nonlineari in Catena Ricevitore

Amplificatore a basso rumore (LNA) e componenti anteriori

Nei ricevitori, l'LNA è il primo componente attivo dopo l'antenna. Deve fornire un guadagno sufficiente aggiungendo rumore minimo, ma introduce anche la non linearità quando il segnale di ingresso è forte. I prodotti di intermodulazione generati nell'LNA possono cadere sopra i segnali desiderati deboli, aumentando efficacemente il pavimento di rumore. Questo è particolarmente critico nei ricevitori a banda larga che devono gestire più vettori contemporaneamente, come nell'aggregazione di vettore o sistemi full-duplex.

Convertitore analogico-digitale (ADC) Distorsione

Il rumore di quantizzazione è inerente, ma si verifica quando il segnale di ingresso supera la gamma completa. L'effetto combinato di clipping e quantizzazione riduce il rapporto segnale-to-noise e distorsione (SINAD). Per gli ADC ad alta risoluzione, la non linearità integrale (INL) può causare distorsione armonica che cade nella banda del segnale.

Reiezione immagine e equilibranza I/Q

I ricevitori che utilizzano le architetture di conversione diretta (zero-IF) soffrono di squilibrio I/Q, disaccoppiamenti di guadagno e di fase tra i rami in-fase e quadrature, che si manifesta come effetto non lineare che crea la traversata tra i canali I e Q, riducendo così il SNR realizzabile e limitando l'ordine di costellazione massimo che può essere demodulato in modo affidabile.

Impatto sulla capacità di Shannon

Il teorema di Shannon-Hartley dà la capacità del canale come [, dove B è la larghezza di banda e SNR è il rapporto segnale-rumore. La distorsione non lineare riduce efficacemente il SNR usabile introducendo un termine di interferenza che non è il rumore gaussiano. In molti casi, la distorsione può essere modellata come un pavimento di rumore additivo che si ridimensiona con l'energia di segnale, che porta ad una satura ad alta.

Per un trasmettitore con una certa non linearità, l'efficace SNR diventa , dove Pdist[]] include la potenza di prodotti di intermodulazione e armoniche.

I ricercatori come Shammo et al. (2020)] hanno dimostrato che per modulazioni di ordine elevato (ad esempio, 256-QAM, 1024-QAM), il degrado dovuto al guadagno di LNA non linearità può ridurre la capacità del 20% o più rispetto al canale lineare ideale.

Strategie per le nonlineari

Progettazione di componenti

La scelta di PA lineari con un funzionamento più alto di back-off riduce la distorsione ma riduce l'efficienza. Le tecnologie come GaN e LDMOS offrono una migliore linearità ad alte potenze rispetto ai dispositivi SiGe o GaAs più vecchi. Per i ricevitori, utilizzando LNA con IP3 e ADC più elevati con una migliore gamma dinamica SFDR (spuriosa gamma dinamica) possono migliorare significativamente la capacità in ambienti di interferenza forti.

Predistorsione digitale (DPD)

DPD è la tecnica più utilizzata nella moderna infrastruttura wireless per linearizzare il PA. Promuovere il segnale della banda base utilizzando un modello inverso della risposta non lineare PA, DPD può ridurre IMD entro i 20-30 dB. Modelli di memoria polinomiale, modelli lineari a senso pezzo e approcci di rete neurali sono utilizzati per catturare il comportamento dinamico del PA. DPD è standard in 4G e 5G stazioni di base e ora appare come bene nelle mani trasmettitori.

Modulazione avanzata e Coding

I sistemi di modulazione che sono intrinsecamente più robusti a non linearità, come modulazioni a costante pendenza (ad esempio, MSK, GMSK) o forme a bassa pressione (peak-to-media) (ad esempio, FDMA a singolo vettore), possono ridurre la gravità degli effetti non lineari.

Linearizzazione del ricevitore

Le tecniche di linearizzazione analogica per LNA (ad esempio, sovrapposizione derivata, alimentazione-forward) possono migliorare l'IP3 senza aumentare significativamente la figura del rumore. Sul lato digitale, algoritmi iterativi come la stima dei canali congiunti e la compensazione della non linearità possono pulire il segnale ricevuto.

Ottimizzazione del sistema-Level

Le strategie di allocazione delle risorse possono anche aiutare: abbassare la potenza di trasmissione per gli utenti vicini a ridurre l'intermodulazione, utilizzando l'accesso multi-togonale per evitare interferenze, e impiegando modulazione e codifica adattiva (AMC) che si allontana dall'ordine di costellazione quando viene rilevata la non linearità.

Conclusioni

Le nonlinearità nelle catene trasmettitori e ricevitori sono ostacoli fondamentali per raggiungere la capacità teorica dei sistemi di comunicazione.Dagli amplificatori di potenza agli ADC, ogni componente contribuisce a distorsioni che degradano l'efficace SNR e limitano la velocità di dati raggiungibile.Consapendo le fonti e i modelli di queste non linearità, gli ingegneri possono applicare una combinazione di selezione dei componenti, predisposizione e ottimizzazione di livello di sistema per spingere le prestazioni piÃ1 vicine all'evoluzione delle soluzioni di riferimento wireless.