Kemampuan sistem komunikasi secara fundamental dibatasi oleh berbagai faktor, termasuk nonlinearitas yang ada dalam rantai pemancar dan penerima. Memahami nonlinearitas ini sangat penting untuk merancang sistem yang mendekati kinerja optimal. Dalam komunikasi nirkabel dan kabel modern, distorsi nonlinear bertindak sebagai bottenck yang mencegah mencapai kapasitas Shannon teoretis, terutama sebagai bandwidth sinyal meningkat dan perintah modulasi tumbuh. Artikel ini memperluas pada sifat nonlinearitas ini, efek spesifik mereka pada kapasitas, dan teknik teknik yang digunakan untuk mitigasi mereka.

Keunggulan yang Tidak Berlinear dalam Rantai Komunikasi

Ketiadaan nonlinearitas dalam suatu sirkuit atau komponen berarti bahwa sinyal output bukanlah fungsi linear dari input. Bagi sebuah sistem linear, prinsip superposisi memegang: respon terhadap sejumlah masukan sama dengan jumlah respon individu. Sistem nonlinear melanggar prinsip ini, menghasilkan harmonik, produk intermodulasi, dan pertumbuhan kembali spektral. Distorsi ini terutama bermasalah dalam transmisi dan menerima rantai dari setiap link komunikasi radio atau optik.

Nonlinearitas buatan-kolinieritas dapat dimodelkan menggunakan sebuah polinomial (Serial Taylor) ekspansi: . Istilah-istilah yang merata (a2, a4, ...) terutama menghasilkan ofset DC dan distorsi kedua-harmonik, sementara istilah-istilah urutan ganjil (a3, a5, ...) bertanggung jawab atas in-band distorsi dan intermodulasi yang secara langsung berdampak pada kualitas sinyal. Titik intersepsi urutan ketiga (IP3) dan titik kompresi 1 dB adalah angka umum dari merit yang digunakan untuk mengkuantifikasi tingkat keparahan dari nonlinearitas komponen dalam suatu komponen.

Keanekaragaman nonlinieritas dalam Rantai Transmitter

Distorsi Pemangku Daya Afier

GOVE: GAD penguat daya (PA) adalah elemen nonlinear dominan dalam kebanyakan pemancar. Untuk mencapai efisiensi tinggi, PA sering dioperasikan dekat wilayah kejenuhan mereka, yang memperkenalkan konversi AM-AM dan AM-PM yang signifikan. Distorsi AM-AM mengacu pada variasi amplitudo output dengan amplitudo input, sementara AM-PM mengacu pada pergeseran fase yang tidak diinginkan karena perubahan amplitudo. Distorsi ini menyebabkan pertumbuhan kembali spektral ⁇ menyebarkan daya sinyal yang dipancarkan ke dalam band frekuensi yang berdekatan ⁇ dan intermodulasi (IMD) produk yang jatuh di dalam saluran yang diinginkan, mengurangi rasio sinyal-ke-no-no-SN).

Sebagai contoh, sebuah sinyal modulat 64-QAM yang melewati sebuah PA nonlinier akan mengalami pelebaran rasi bintang dan peningkatan magnitudo vektor kesalahan (EVM). Standar seperti 3GPP[ menyatakan EVM yang ketat dan rasio kebocoran saluran yang berdekatan (ACLR) persyaratan untuk membatasi dampak nonlinearitas pemancar terhadap pengguna lain.

Pengadun dan Osilator Lokal Nonlinearitas

Pada pencampur upconversion, nonlinearitas menyebabkan produk mixer yang tidak tajam (misalnya, 2LO ± IF, 3LO x± 2IF) yang dapat jatuh di dalam band transmisi.Selain itu, kebisingan fase dari oscillator lokal berinteraksi dengan sinyal dan memperburuk distorsi, terutama di bawah modulasi wideband. Efek ini sering dimodelkan sebagai addicture noise tetapi membawa komponen nonlinear yang kuat.

Komponen Transmitter Lainnya

Digital-to-anolog penukar (DACs) memperkenalkan hingar kuantisasi dan nonlinearitas dalam bentuk diferensial nonlinearitas (DNL) dan nonlinearitas integral (INL). Tahap pra-driver dan filter juga berkontribusi pada karakter nonlinear secara keseluruhan.Kaskad komponen-komponen ini membuat nonlinearitas tingkat sistem menjadi efek komposit kompleks yang harus dicirikan dan dikompensasi secara keseluruhan.

Ketiadaan gonometri dalam Rantai Penerima

Penguat Bunyi Rendah (LNA) dan Komponen Akhir-Latar Depan

Di dalam penerima, LNA adalah komponen aktif pertama setelah antena. Ini harus memberikan keuntungan yang cukup sementara menambahkan kebisingan minimal, tetapi juga memperkenalkan nonlinearitas ketika sinyal input kuat. Intermodulasi produk yang dihasilkan di LNA dapat jatuh di atas sinyal lemah yang diinginkan, efektif menaikkan lantai kebisingan. Hal ini khususnya kritis dalam penerima pita lebar yang harus menangani multiple carrier secara bersamaan, seperti dalam aggregasi pembawa atau sistem full-duplex.

Distorsi Konversi Analog ke Digital (ADC)

ADC adalah sumber utama lain dari nonlinearitas dalam rantai penerima. Bunyi kuantisasi adalah inherent, tetapi kliping terjadi ketika sinyal input melebihi jangkauan skala penuh. Efek gabungan dari kliping dan kuantisasi mengurangi rasio signal-to-noise dan distorsi (SINAD). Untuk ADC resolusi tinggi, nonlinearitas integral (INL) dapat menyebabkan distorsi harmonik yang jatuh ke dalam band sinyal. Teknik seperti dithering dapat mengurangi beberapa efek ini tetapi tidak dapat menghilangkannya sepenuhnya.

Penolakan Gambar dan I/Q Ketidakseimbangan

Para penerima vicers menggunakan arsitektur konversi langsung (zero-IF) menderita ketidakseimbangan I/Q ⁇ gain dan fase tidak cocok antara cabang in-fase dan kuadratus ⁇ yang terwujud sebagai efek nonlinear yang menciptakan crosstalk antara saluran I dan Q. Hal ini mengurangi SNR yang dapat dicapai dan dapat membatasi susunan konstelasi maksimum yang dapat direlibrasi dideduksi.

Kekesanan atas Kekapitan Shannon

Teorem Shannon-Hartley memberikan kapasitas saluran sebagai , dimana B adalah bandwidth dan SNR adalah rasio signal-to-noise. Distorsi nonlinear secara efektif mengurangi SNR yang dapat digunakan dengan memperkenalkan istilah interferensi yang bukan suara Gaussian. Dalam banyak kasus, distorsi dapat dimodelkan sebagai lantai suara aditif yang sisik dengan kekuatan sinyal, mengarah ke saturasi kapasitas pada kekuatan input tinggi. Ini dikenal sebagai \"had nonlinear Shannon.\"

Untuk sebuah pemancar dengan nonlinearitas yang diberikan, SNR efektif menjadi , di mana Pdist[ termasuk kekuatan produk dan harmoni intermodulasi yang efektif. Karena Pdist[] tumbuh lebih cepat daripada P]sig[[FLT:]]5 (biasanya sebagai kekuatan ketiga dari amplitudo input untuk distorsi urutan ketiga), meningkatkan daya transmisi melampaui titik tertentu benar-benar mengurangi efektif dan dengan demikian mencapai kapasitas SNR.

Para peneliti adosenologi seperti Shammo et al. (2020) telah menunjukkan bahwa untuk modulasi order-tinggi (mis., 256-QAM, 1024-QAM), degradasi karena penerima LNA nonlinearitas dapat mengurangi kapasitas sebesar 20% atau lebih dibandingkan dengan saluran linear ideal. Demikian pula, dalam sistem MIMO besar, nonlinearitas dari banyak pemancar harus dipertimbangkan secara kolektif untuk menghindari beamerforming memperoleh degradasi.

Strategi Ahli untuk Mengabaikan Nonlinearitas

Desain Aras-Asosiasi Komponen

Keunggulan PA linear yang memiliki operasi back-off yang lebih tinggi mengurangi distorsi tetapi menurunkan efisiensi. Teknologi seperti GaN dan LDMOS menawarkan peningkatan linearitas pada kekuatan tinggi dibandingkan dengan perangkat SiGe atau GaAs yang lebih tua. Untuk penerima, menggunakan LNA dengan IP3 dan ADC yang lebih tinggi dengan SFDR yang lebih baik (spurious-free dynamic range) dapat meningkatkan kapasitas secara signifikan dalam lingkungan gangguan yang kuat.

Predistorsi Digital (DPD)

DPD madya merupakan teknik yang paling banyak digunakan dalam infrastruktur nirkabel modern untuk linierisasi PA. Dengan mempredistorsi sinyal baseband menggunakan model inverse respon nonlinear PA, DPD dapat mengurangi IMD sebesar 20 ⁇ 30 dB. Model polinomial memori, model linier sepebijak, dan pendekatan jaringan saraf digunakan untuk menangkap perilaku dinamis PA. DPD standar di 4G dan 5G base stasion dan sekarang muncul di pemancar handset juga.

Modulasi dan Pengerukan Lanjutan

Skema modulasi domulasi yang secara inheren lebih kuat terhadap nonlinearitas, seperti modulasi konstan-enverelope (mis., MSK, GMSK) atau rendah-PAPR (peak-to-average power ratio) waveform (mis., single-carrier FDMA), dapat mengurangi keparahan efek nonlinear. Pengkodean saluran dengan interleaving yang tepat juga dapat membantu mitigasi kesalahan ledakan yang disebabkan oleh distorsi.

Penerima Penerima Linearisasi

Teknik linearisasi analog untuk LNAs (mis., superposisi turunan, feed-forward) dapat meningkatkan IP3 tanpa meningkatkan angka kebisingan secara signifikan. Di sisi digital, algoritme iteratif seperti estimasi saluran bersama dan kompensasi nonlinearitas dapat membersihkan sinyal yang diterima. Bagi ADC, kontrol gain otomatis (AGC) menjaga masukan dalam jangkauan linear dan menghindari pengklipatan.

Optimasi Sistem-Aras

Strategi alokasi sumber daya gunford juga dapat membantu: menurunkan daya transmisi untuk pengguna dekat untuk mengurangi intermodulasi, menggunakan akses multi-otogonal untuk menghindari gangguan, dan mempekerjakan modulasi adaptif dan pengodean (AMC) yang mundur dari susunan konstelasi ketika nonlinearitas terdeteksi. Dalam sistem multi-antenna, beamforming dapat dioptimalkan untuk mengurangi rasio daya puncak-ke-rata per rantai antena.

Kekecualian Kesimpulan

Keunggulan nonlinearitas dalam rantai pemancar dan penerima merupakan hambatan mendasar untuk mencapai kapasitas teoretis dari sistem komunikasi.Dari penguat daya ke ADC, setiap komponen berkontribusi pada distorsi yang menurunkan SNR efektif dan membatasi tingkat data yang dapat dicapai. Dengan memahami sumber dan model nonlinearitas ini, insinyur dapat menerapkan kombinasi seleksi komponen, predistorsi, dan optimalisasi tingkat sistem untuk mendorong kinerja yang lebih dekat dengan batas Shannon. Seiring dengan berkembangnya sistem nirkabel menuju frekuensi yang lebih tinggi (mmWave, sub-THz) dan lebih kompleksnya bentuk gelombang, tantangan nonlinearitas akan terus menuntut solusi inovatif dan kedua peneliti. Teknik referensi dan menjelaskan bahwa ini adalah landasan yang solid untuk fasilitas yang tidak linear untuk jaringan yang tidak aktif.