Capacitatea sistemelor de comunicaţii este în esenţă limitată de diferiţi factori, inclusiv nonliniarităţile prezente în lanţurile de transmiţător şi receptor. Înţelegerea acestor neliniarităţi este esenţială pentru proiectarea sistemelor care abordează performanţa optimă. În comunicarea modernă fără fir şi cu fir, distorsiunea neliniară acţionează ca un blocaj care împiedică atingerea capacităţii teoretice de Shannon, mai ales pe măsură ce lărgimea de bandă a semnalului şi comenzile de modulare cresc. Acest articol se extinde asupra naturii acestor neliniarităţi, asupra efectelor lor specifice asupra capacităţii şi asupra tehnicilor de inginerie utilizate pentru a le atenua.

Fundamentele neliniarității în lanțurile de comunicare

Nelinearitatea într-un circuit sau componentă înseamnă că semnalul de ieșire nu este o funcție liniară a intrării. Pentru un sistem liniar, principiul suprapoziției deține: răspunsul la o sumă de intrări este egal cu suma răspunsurilor individuale. Sistemele neliniare încalcă acest principiu, generând armonici, produse de intermodulare și recreștere spectrala. Aceste denaturări sunt deosebit de problematice în transmiterea și primesc lanțuri ale oricărei legături de comunicare radio sau optice.

Nelinearitățile pot fi modelate folosind o expansiune polinomială (seria Taylor): . Termenii de ordine egală (a2, a4, ...) generează în primul rând compensare DC și distorsiune a doua amonică, în timp ce termenii odd-order (a3, a5, ...) sunt responsabili pentru denaturarea în bandă și intermodularea care afectează direct calitatea semnalului. Punctul de interceptare de ordinul al treilea (IP3) și punctul de compresie de 1 dB sunt figuri comune de merit utilizate pentru cuantificarea severității nonliniarității într-o componentă.

Nelinearități în lanțurile de transmițători

Ameliorator de putere [58]

Amplificatorul de putere (PA) este elementul neliniar dominant în majoritatea transmiţătorilor. Pentru a obţine eficienţă ridicată, PA sunt adesea operate în apropierea regiunii lor de saturare, care introduce conversia semnificativă AM-AM şi AM-PM. Distorsiunea AM-AM se referă la variaţia amplitudinii de ieşire cu amplitudinea de intrare, în timp ce AM-PM se referă la schimbarea de fază neintenţionată din cauza schimbărilor de amplitudine. Aceste distorsiuni determină redeversarea spectrale a puterii semnalului transmis în benzile de frecvenţă adiacente şi la distorsiunea intermodulării (IMD) produse care se încadrează în canalul dorit, reducând raportul de semnal-zor (SNR).

De exemplu, un semnal modulat 64-QAM care trece printr-un PA neliniar va experimenta deformarea constelației și creșterea magnitudinii vectorului de eroare (EVM). Standarde precum 3GPP specifică cerințe stricte privind EVM și raportul de scurgere a canalelor adiacente (ACLR) pentru a limita impactul neliniarităților transmițătorilor asupra altor utilizatori.

Oscilator Oscilator Neliniarități locale și mixer

În mixere de upconversie, neliniaritățile duc la produse mixer false (de exemplu, 2LO ± IF, 3LO ± 2IF) care pot cădea în interiorul benzii de transmisie. În plus, zgomotul de fază al oscilatorilor locali interacționează cu semnalul și exacerbează distorsionarea, în special sub modularea de bandă largă. Aceste efecte sunt adesea modelate ca zgomot aditiv, dar poartă o componentă neliniară puternică.

Alte componente ale transmițătorului

Convertoarele digitale-analog (DAC) introduc zgomotul de cuantizare și neliniaritatea sub forma neliniarității diferențiale (DNL) și nonliniaritatea integrală (INL). Stadiul și filtrele pre-șofer contribuie, de asemenea, la caracterul nonliniar global. Cascada acestor componente face nonlinearitatea nivelului de sistem un efect complex compus care trebuie caracterizat și compensat ca un întreg.

Neliniarități în lanțurile receptoare

Amplificator de zgomot scăzut (LNA) și componente frontale

În receptoare, LNA este prima componentă activă după antenă. Ea trebuie să ofere un câștig suficient în timp ce adaugă zgomot minim, dar introduce, de asemenea, neliniaritate atunci când semnalul de intrare este puternic. Produsele de intermodulare generate în LNA pot cădea pe partea de sus a semnalelor slabe dorite, ridicarea eficientă a nivelului de zgomot. Acest lucru este deosebit de critic în receptoarele de bandă largă care trebuie să se ocupe simultan de mai multe transportatori, cum ar fi în agregarea transportatorului sau sisteme full-duplex.

Convertor analog-digital (ADC) [58]

ADC este o altă sursă majoră de nonliniaritate în lanțul receptorului. Zgomotul de cuantificare este inerent, dar decupaj apare atunci când semnalul de intrare depășește gama completă. Efectul combinat de tăiere și cuantizare reduce raportul de semnal-to-zgomot și de denaturare (SINAD). Pentru ADC-uri de înaltă rezoluție, nonlinearitatea integrală (INL) poate provoca distorsiune armonică care cade în banda de semnal. Tehnici precum dithering poate reduce unele dintre aceste efecte, dar nu le poate elimina în întregime.

Respingerea imaginii și dezechilibrul I/Q

Primitorii care folosesc arhitecturi de conversie directă (zero-IF) suferă de dezechilibrul I/Q și de nepotrivire a fazelor între ramurile în fază și cvadratură care se manifestă ca un efect neliniar care creează intersecție între canalele I și Q. Aceasta reduce SNR realizabil și poate limita ordinea maximă a constelației care poate fi demodulată în mod fiabil.

Impactul asupra capacității Shannon

Teorema Shannon-Hartley oferă capacitatea canalului ca , unde B este banda de bandă și SNR este raportul semnal-zgomot. Distorsiunea neliniară reduce efectiv SNR utilizabil prin introducerea unui termen de interferență care nu este zgomot gaussian. În multe cazuri, distorsiunea poate fi modelată ca un nivel de zgomot aditiv care se balansează cu puterea semnalului, ducând la o saturare a capacității la puteri de intrare ridicate. Aceasta este cunoscută sub numele de limita

Pentru un transmiţător cu o anumită nonliniaritate, SNR eficient devine , unde P[dist[ include puterea produselor de intermodulare şi armonici. Deoarece Pdist crește mai repede decât Psig (de obicei ca a treia putere a a amplitudinii de intrare pentru denaturarea de ordinul al treilea), crescând puterea de transmisie dincolo de un anumit punct reduce efectiv SNR eficient şi astfel capacitatea realizabilă.

Cercetătorii precum Shammo et al. (2020) au arătat că, pentru modulările de mare ordin (de exemplu 256-QAM, 1024-QAM), degradarea datorată nonlinearității LNA a receptorului poate reduce capacitatea cu 20% sau mai mult comparativ cu canalul liniar ideal. În mod similar, în sistemele MIMO masive, nonlinearitățile multor transmițători trebuie luate în considerare în mod colectiv pentru a evita degradarea câștigului de fascicul.

Strategii de a mitui neliniaritățile

Proiectarea nivelului componentelor

Alegerea AP liniare cu o operare de rezervă mai mare reduce denaturarea, dar reduce eficiența. Tehnologii precum GaN și LDMOS oferă o liniaritate îmbunătățită la puteri mari în comparație cu dispozitivele mai vechi SiGe sau GaAs. Pentru receptoare, folosind LNA cu IP3 mai mare și ADC-uri cu o mai bună SFDR (interval dinamic fără primejdii) poate îmbunătăți semnificativ capacitatea în mediile de interferență puternice.

Digital Pre distorsion (DPD)

DPD este tehnica cea mai utilizată în infrastructura wireless modernă pentru a liniariza PA. Prin predensarea semnalului de bază utilizând un model invers al răspunsului neliniar al PA, DPD poate reduce IMD cu 20

Modificare avansată și codificare

Schemele de modulare care sunt mai robuste la neliniaritate, cum ar fi modulaţiile de tip continuu-învelitoare (de exemplu, MSK, GMSK) sau undele cu frecvenţă redusă (raportul putere-vârf-medie) (de exemplu, FDMA cu un singur carrier) pot reduce severitatea efectelor neliniare. Codificarea canalelor cu interleaving adecvat poate contribui, de asemenea, la atenuarea erorilor de spargere cauzate de vârfurile de denaturare.

Liniarizarea receptorului

Tehnicile analogice de linearizare pentru LNA (de exemplu, superpoziţia derivată, alimentarea înainte) pot îmbunătăţi IP3 fără a creşte semnificativ cifra de zgomot. Pe partea digitală, algoritmii iterativi, cum ar fi estimarea canalului comun şi compensarea nonlinearitate pot curăţa semnalul primit. Pentru ADC-uri, controlul automat al câştigului (AGC) păstrează intrarea în gama liniară şi evită tăierea.

Optimizarea nivelului de sistem

Strategiile de alocare a resurselor pot ajuta, de asemenea: reducerea puterii de transmisie pentru utilizatorii din apropiere pentru a reduce intermodularea, folosind acces multiplu ortogonal pentru a evita interferența, și utilizarea modulării adaptive și codării (AMC) care se retrage din ordinea constelației atunci când este detectat nonliniaritatea. În sistemele multi-antena, fasciculul poate fi optimizat pentru a reduce raportul de putere de vârf-la-media pe lanț de antene.

Concluzie

Nelinearitățile în lanțurile de transmițători și receptoare sunt obstacole fundamentale în realizarea capacității teoretice a sistemelor de comunicații. De la amplificatoarele de putere la ADC, fiecare componentă contribuie la denaturarea care degradează SNR-ul eficient și limitează rata de date realizabilă. Prin înțelegerea surselor și modelelor acestor neliniarități, inginerii pot aplica o combinație de selecție de componente, predensificare și optimizare la nivel de sistem pentru a împinge performanța mai aproape de limita Shannon. Pe măsură ce sistemele wireless evoluează către frecvențe mai mari (mmWave, sub-THz) și forme de undă mai complexe, provocările nonliniarității vor continua să solicite soluții inovatoare atât de la cercetători, cât și de la practicieni. Referințele și tehnicile descrise aici oferă o bază solidă pentru abordarea acestor constrângeri de capacitate neliniare în rețelele de generație următoare.