Kommunikasjonssystemers kapasitet er i utgangspunktet begrenset av ulike faktorer, inkludert de ikke-lineære funksjonene som er tilstede i sender- og mottakerkjeder. Forståelse av disse ikke-lineære systemene er avgjørende for å designe optimal ytelse. I moderne trådløs og kabelkommunikasjon fungerer ikkelineær forvrengning som en flaskehals som hindrer å oppnå den teoretiske Shannon-kapasiteten, spesielt som signalbredder øker og modulasjonsordrer vokser. Denne artikkelen utvider på arten av disse ikke-lineariteter, deres spesifikke effekter på kapasitet, og teknikkene som brukes til å redusere dem.

Grunnleggende av ikke-linearitet i kommunikasjonskjeder

Ikke-linearitet i en krets eller komponent betyr at utgangssignalet ikke er en lineær funksjon av inngangen. For et lineært system, inneholder overstillingsprinsippet: responsen på en sum av innganger er lik summen av individuelle reaksjoner. Ikke-lineære systemer bryter dette prinsipp, genererer harmoniske produkter, intermodulasjonsprodukter og spektral revekst. Disse forvrengningene er spesielt problematiske i overføringen og mottar kjeder i enhver radio eller optisk kommunikasjonsforbindelse.

Ikke-lineariteter kan modelleres ved hjelp av en polynom (Taylor serie) utvidelse: . De jevne begrepene (a2, a4, ...) primært generere DC-forskyvninger og andreharmoniske forvrengninger, mens begrepene a3, a5, ...) er ansvarlige for for forvrengning i bånd og intermodulasjon som direkte påvirker signalkvaliteten. Den tredje rekkefølgen avslapping (IP3) og det 1 dB-kompresjonspunkt er vanlige figurer for for meritasjon som brukes til å kvantifisere alvorligheten av ikke-linearitet i en komponent.

Ikke-lineariteter i senderkjeder

Strømforsterkere forvrengning

Strømforsterkeren (PA) er det dominerende ikke-lineære element i de fleste sendere. For å oppnå høy effektivitet, er PAs ofte drevet nær deres metning region, som introduserer signifikant AM-AM og AM-PM konvertering. AM-AM forvrengning refererer til variasjonen av utgangsamplitude med inngangsamplitude, mens AM-PM refererer til det utilsiktede faseskiftet på grunn av amplitude endringer. Disse forvrengningene forårsaker spektral revekst-spreining av den overførte signaleffekt til til tilstøtende frekvensbånd-og intermodulasjonsforvrengninger (IMD) produkter som faller innenfor den ønskede kanalen, og reduserer det effektive signal-til-støyt-forholdet (SNR).

For eksempel vil et 64-QAM modulert signal som passerer gjennom en ikke-lineær PA oppleve stjernebildeforskyvning og økt feilvektorstørrelse (EVM). Standarder som 3GPP spesifisere strenge EVM- og tilstøtende kanallekkasjeforhold (ACLR) for å begrense virkningen av senderen ikke-lineariteter for andre brukere.

Blander og lokal oscillator ikke-lineær

I opp-konverteringsblandere fører ikke-lineære egenskaper til sporløse blanderprodukter (f.eks. 2LO ± IF, 3LO ± 2IF) som kan falle i overføringsbåndet. I tillegg samvirker fasestøy fra lokale oscillatorer med signalet og forverrer forvrengningen, spesielt under bredbåndsmodulasjon. Disse effektene er ofte modellert som tilsetningsstøy, men bærer en sterk ikke-lineær komponent.

Andre senderkomponenter

Digital-til-analog-omformere (DACs) introduser kvantiseringsstøy og ikke-linearitet i form av differensial nonlinearitet (DNL) og integrert ikke-linearitet (INL). Før-driver-stadier og filtre bidrar også til det totale ikke-lineære tegn. Caskaden av disse komponentene gjør systemnivå ikke-linearitet til en kompleks sammensatt effekt som må karakteriseres og kompenseres som helhet.

Ikke-lineariteter i mottakerkjeder

Lav støyforsterker (LNA) og front-end komponenter

I mottakere er LNA den første aktive komponent etter antennen. Den må gi tilstrekkelig forsterkning mens den tilfører minimal støy, men den introduserer også ikke-linearitet når inngangssignalet er sterkt. Intermodulasjonsprodukter som genereres i LNA kan falle på toppen av svake ønskede signaler, effektivt heve støygulvet. Dette er spesielt kritisk i bredbåndsmottakere som må håndtere flere bærere samtidig, slik som i bæreraggregation eller fullduplekse systemer.

Analog-til-Digital Converter (ADC) Forvrengning

ADC er en annen viktig kilde til ikke-linearitet i mottakerkjeden. Quantisasjonsstøy er iboende, men klipping oppstår når inngangssignalet overstiger det fulle skalaområdet. Den kombinerte effekten av clipping og kvantisering reduserer signal-til-støy og forvrengningsforhold (SINAD). For høyoppløselige ADC-er kan integrert ikke-linearitet (INL) forårsake harmonisk forvrengning som faller inn i signalbåndet. Teknikker som utjamning kan redusere noen av disse effektene, men kan ikke eliminere dem helt.

Bilde Avvisning og I/Q Imbalance

Mottakere som bruker direkte konvertering (null-IF) arkitekturer lider av I/Q ubalanse-gain og fase-mangel mellom in-fase- og kvadratur-grenene - som manifesterer seg som en ikke-lineær effekt som skaper tverrprat mellom I- og Q-kanalene. Dette reduserer den oppnåelige SNR og kan begrense den maksimale stjernebildeorden som kan demoduleres på en pålitelig måte.

Effekt på Shannons kapasitet

Shannon-Hartley-teoremet gir kanalkapasiteten som , hvor B er båndbredden og SNR er signal-til-støyt-forholdet. Nolineær forvrengning reduserer effektivt den brukbare SNR ved å innføre et interferensbegrep som ikke er gaussisk støy. I mange tilfeller kan forvrengningen modelleres som et additiv støygulv som skalerer med signaleffekten, noe som fører til en metning av kapasiteten ved høye inngangskrefter. Dette er kjent som den \"ikke-lineære Shannon-grensen\".

For en sender med en gitt ikke-linearitet, blir den effektive SNR , hvor P]dist inkluderer kraften til intermodulasjonsprodukter og harmoniske produkter. Fordi P]dist vokser raskere enn Psig (vanligvis som den tredje effekten av inngangsamplitude for tredje rekkevidde), øker overføringseffekten utover et bestemt punkt faktisk reduserer den effektive SNR og dermed den oppnåelige kapasiteten.

Forskere som Shammo et al. (2020) har vist at for høyordensmodulasjoner (f.eks. 256-QAM, 1024-QAM) kan nedbrytningen på grunn av mottakeren LNA ikke-linearitet redusere kapasiteten med 20% eller mer sammenlignet med den ideelle lineære kanalen. På samme måte i massive MIMO-systemer må de mange sendernes ikke-lineariteter anses som kollektivt for å unngå å gi gevinstnedbrytning.

Strategier for å gi ikke-lineære

Komponentnivådesign

Å velge lineære PAs med høyere back-off-operasjon reduserer forvrengning, men reduserer effektiviteten. Teknologier som GaN og LDMOS tilbyr forbedret linearitet ved høy kraft sammenlignet med eldre SiGe eller GaA-enheter. For mottakere, ved hjelp av LNAs med høyere IP3 og ADCs med bedre SFDR (rensfri dynamisk rekkevidde) kan betydelig forbedre kapasiteten i sterke forstyrrende miljøer.

Digital predisponering (DPD)

DPD er den mest brukte teknikken i moderne trådløs infrastruktur for å linearisere PA. Ved å forhåndsbehandle basisbåndsignalet ved hjelp av en invers modell av PAs ikke-lineære respons, kan DPD redusere IMD med 20 ⁇ 30 dB. Minne polynomielle modeller, stykkevis lineære modeller og nevrale nettverk tilnærminger brukes til å fange den dynamiske oppførselen til PA. DPD er standard i 4G og 5G-base stasjoner og vises nå i håndsettssendere også.

Avansert modulering og koding

Modulasjonssystemer som iboende er mer robuste til ikke-linearitet, som konstant-envelope modulasjoner (f.eks. MSK, GMSK) eller lav-PAPR (høyt-til-gjennomsnittlig effektforhold) bølgeformer (f.eks. enkelt-karriere FDMA), kan redusere alvorligheten av ikke-lineære effekter. Kanalkoder med riktig sammenstøt kan også bidra til å redusere sprengfeil forårsaket av forvrengningstopper.

Mottaker Linjärisering

Analog lineariseringsteknikker for LNAs (f.eks. derivatoverstilling, feed-forward) kan forbedre IP3 uten å øke støytall betydelig. På den digitale siden beholder iterative algoritmer som f.eks. sammenkanalberegning og ikke-linearitetskompensasjon det mottatte signalet. For ADCs holder automatisk gevinstkontroll (AGC) inngangen innenfor det lineære området og unngår klipping.

Systemnivåoptimering

Resursfordelingsstrategier kan også bidra til å redusere overføringseffekten for nærbrukere til å redusere intermodulasjon, ved hjelp av ortogonale multiple tilgang til å unngå interferens, og ved å benytte adaptiv modulasjon og kode (AMC) som backer fra stjernebildeorden når ikke-linearitet oppdages. I multi-antenna systemer kan stråleforming optimaliseres for å redusere topp-til-gjennomsnittlig effektforhold per antennekjede.

Konklusjon

Ikke-lineariteter i sender og mottakerkjeder er grunnleggende hindringer for å oppnå den teoretiske kapasiteten til kommunikasjonssystemer. Fra kraftforsterkere til ADC-er, hver komponent bidrar til forvrengning som nedbryter den effektive SNR og begrenser den oppnåelige dataraten. Ved å forstå kildene og modellene til disse ikke-lineære, kan ingeniører anvende en kombinasjon av komponentvalg, preregulasjon og systemnivåoptimering for å presse ytelsen nærmere Shannon-grensen. Som trådløse systemer utvikler seg mot høyere frekvenser (mmWave, sub-THz) og mer komplekse bølgeformer, vil utfordringene med ikke-lineæritet fortsette å kreve innovative løsninger fra både forskere og utøvere. Referansene og teknikkene som er beskrevet her gi et solid grunnlag for å håndtere disse ikke-lineære kapasitetsbegrensningene i neste generasjonsnettverk.