通信システムの容量は、送信機および受信機のチェーンに存在する非線形性を含むさまざまな要因によって基本的に限られます。これらの非線形性を理解することは、最適な性能に近づくシステムの設計にとって不可欠です。現代のワイヤレスおよび有線通信では、非線形歪みは、特に信号帯域幅の増加と変調の順序が成長するのを防ぐネックとして機能します。この記事は、これらの非線形性、能力上のそれらの特定の効果、およびそれらに使用した技術を習得するために、それらの技術を習得する。

コミュニケーションチェーンにおける非線形性の基礎

回路またはコンポーネント内の非線形性は、出力信号が入力の線形機能ではないことを意味します。 リニアシステムの場合、重ね合わせの原則は保持します。 入力の合計に対する応答は、個々の応答の合計を等しくします。 非線形システムは、この原則に違反し、調和を発生させ、製品とスペクトル再生を生成します。 これらの歪みは、任意のラジオまたは光通信リンクの送信および受信チェーンで特に問題があります。

非線形性は、多項式(Taylorシリーズ)の拡張を使用してモデル化することができます: []。 偶数条件(a2、a4、...)は、主にDCオフセットと第二回調和歪みを生成し、オッズ条件(a3、a5、...)は、直接信号品質に影響を与える、バンドの歪みとインターモーテーションを担当しています。 第三次インターセプットポイント(IP3)と1dBは、数値の数値を正規化するために使用される要素を検証します。

送信機チェーンにおける非線形性

パワーアンプの歪み

パワーアンプ(PA)は、ほとんどの送信機でドーミナント非線形要素です。高効率を達成するために、PAは、多くの場合、非常に重要なAM-AMおよびAM-PM変換を導入する飽和領域の近くで動作しています。 AM-AMディストーションは、出力振幅の変動と入力振幅の変動を指していますが、AM-PMは、増幅変化による未導入相シフトを指します。 これらの歪みは、スペクトル再成長を引き起こします。 信号伝達チャネル(S)は、信号を変化させる(S)、信号を変化させる)。

例えば、非線形PAを通る64-QAM変調信号は、星座の歪みと増加したエラーベクトルの大きさ(EVM)を経験します。 [3GPPのような標準は、厳密なEMMと隣接するチャネルのリーク比(ACLR)の要件を指定して、他のユーザーに対する送信機の非線形性の影響を制限します。

ミキサーとローカルオシレーターの非線形

逆転ミキサーでは、非線形性は、伝達バンド内で落下することができる、(例えば、2LO ± IF、3LO ± 2IF) の浄化されたミキサー プロダクトに導きます。さらに、局部の発振器からの相騒音は、特に広帯域変調の下で信号およびexacerbatesのゆがみと相互作用します。これらの効果は、多くの場合、添加ノイズとしてモデル化され、強力な非線形コンポーネントを運びます。

その他の送信機コンポーネント

デジタル・ツー・アナログ・コンバーター(DAC)は、差異非線形性(DNL)および統合非線形性(INL)の形で量子化ノイズと非線形性を導入しています。 事前駆動段階とフィルタは、全体的な非線形特性にも貢献します。 これらのコンポーネントのカスケードは、システムレベルの非線形性を全体として特徴的かつ補償する必要がある複雑な複合効果にします。

受信機チェーンの非直線性

低雑音のアンプ(LNA)およびフロントエンドの部品

受信機では、LNAはアンテナの後の最初の活動的なコンポーネントです。それは最低の騒音を加える間十分な利益を提供しなければなりませんが、入力信号が強いときまた非直線性を導入します。LNAで発生させるインターモジュレーション製品は、効果的に騒音床を上げます弱く目的の信号の上で落ちることができます。これは、キャリアの集計やフルデュープレックス システムのような複数のキャリアを同時に扱う必要がある広範囲の受信機で特に重要です。

アナログ・ツー・デジタル・コンバーター(ADC)の歪み

ADCは受信機チェーンの非直線性の別の主要な源です。量子化の騒音は本質的です、しかし入力信号がフルスケールの範囲を超えたとき切口は起こります。クリッピングおよび量子化の結合された効果は信号に騒音およびゆがみの比率(SINAD)を減らす。高解像ADCsのために、必要な非線形(INL)は信号バンドに落ちる調和的な歪みを引き起こします。これらの技術はそれらを完全に除去することができません。

画像の拒絶反応とI/Qの不均衡

直接変換(ゼロIF)アーキテクチャを使用して受信機は、I/Qの不均衡に苦しむ - 繰り返し、フェーズと四角形のブランチ間の相差が相まって、IとQチャネル間のクロストークを作成する非線形効果として現れます。 これは、達成可能なSNRを削減し、確実に復調できる最大の恒星注文を制限することができます。

シャンノン容量の影響

シャンノンハートレイテアムは、Bが帯域幅とSNRが信号対ノイズ比であるとしてチャネル容量を与えます。非線形歪みは、ガウスノイズではない干渉条件を導入することにより、使用可能なSNRを効果的に減らします。多くの場合、歪みは、信号力でスケールアップする添加ノイズフロアとしてモデル化され、高入力電力の容量の飽和につながることができます。この限界は、この「ノンストップ」として知られています。

特定の非線形性を持つ送信機のために、有効なSNRはになります、P]]]dist]は、インターモーテーション製品と調和の力を含みます。 P[]]dist[]]は、Pより速く成長します。)(通常、SeVFは、SeFの3分の電源が、実際にSeFLTを出力する場合には、SeFLTを増加させると、特定の点を増加させます。

Shammo et al. (2020) などの研究者は、高順序調節(例えば、256-QAM、1024-QAM)、受信機による劣化が理想的なリニアチャネルと比較して、容量を20%以上削減することができることを示しました。 同様に、大規模なMIMOシステムでは、多くの送信機の非線形性は、ビーム劣化を防止するために考慮する必要があります。

規制を緩和する

コンポーネントレベルの設計

より高い離脱操作でリニアPAを選択すると、歪みが低下しますが、効率が低下します。GaNやLDMOSなどの技術は、古いSiGeやGaAsデバイスと比較して、高出力でリニアリティが向上します。受信機では、より高いIP3とより良いSFDR(超高ダイナミックレンジ)を備えたACDを使用して、強力な干渉環境で容量を大幅に改善できます。

デジタルプレディストーション(DPD)

DPDは、PAをリニアライズする近代的なワイヤレスインフラで最も広く使用されている技術です。PAの非線形応答の逆モデルを使用してベースバンド信号をプレディストートすることにより、DPDは20〜30dBでIMDを減らすことができます。 記憶多項式モデル、部分的にリニアモデル、およびニューラルネットワークアプローチは、PAの動的動作をキャプチャするために使用されています。 DPDは4Gおよび5Gベースステーションで標準であり、今、ハンドセット送信機にも表示されます。

高度な変調とコーディング

定常封筒変調(例えば、MSK、GMSK)や低PAPR(ピークから平均電力比)波形(例えば、単キャリアFDMA)などの非線形性に堅牢な変調機構は、非線形効果の重症度を低下させることができる。適切なインターレーブとチャネルのコーディングは、歪みを起こさせるエラーを緩和するのに役立ちます。

受信機の線形化

LNAs(例えば、派生物的位置、フィードフォワード)のアナログリニアライゼーション技術は、ノイズを増加させることなくIP3を向上させることができます。デジタル側では、ジョイントチャネル推定や非線形性補償などの反復アルゴリズムが受信された信号をクリーンアップすることができます。ADCsの場合、自動ゲイン制御(AGC)は、リニア範囲内の入力を保ち、クリップを回避します。

システムレベルの最適化

リソース割り当て戦略も役立ちます: 間接的なユーザーのための送信電力を下げる, 干渉を回避するために、オーソゴンアル複数のアクセスを使用して, 非線形性が検出されるとき、コンステレーション順を離れた適応変調とコーディングを採用 (AMC). マルチアンテナシステムでは、, ビームフォーミングは、アンテナチェーンあたりのピークから平均電力比を減らすために最適化することができます.

コンテンツ

送信機および受信機のチェーンの非線形性はコミュニケーション システムの理論的な容量を達成する基本的な障害です。力増幅器からADCsまで、あらゆる部品は有効なSNRを分解し、達成可能なデータ レートを限る歪みに寄与します。これらの非線形の源そしてモデルを理解することによって、エンジニアは構成選択、プレディストレーションおよびシステムレベルの最適化の組合せを山の限界に近づけるために加えることができます。無線電信および方向の解決に進むように、これらの相続的な解決はおよび付加的な解決に続きます。