Влияние нелинейного искажения на качество сигнала усилителя Rf в системах 4g и 5g

В современных системах беспроводной связи, таких как 4G и 5G, качество передаваемых сигналов имеет первостепенное значение для надежной связи и высоких скоростей передачи данных. Одной из ключевых проблем, с которой сталкиваются инженеры радиочастотного оборудования, является управление эффектами нелинейного искажения в усилителях радиочастот (RF). Нелинейное искажение ухудшает качество сигнала путем введения ложных выбросов, сжатия оболочки сигнала и создания продуктов интермодуляции, которые мешают как внутри-, так и вне-диапазонным каналам. Поскольку сетевые операторы стремятся к более высокой спектральной эффективности и снижению энергопотребления, понимание и смягчение нелинейного искажения становится необходимым для оптимизации производительности системы, снижения частоты битовых ошибок (BER) и максимизации пропускной способности сети. Эта статья обеспечивает глубокое техническое исследование нелинейного искажения, его влияния на качество сигнала 4G и 5G и передовые методы, используемые для борьбы с ним.

Что такое нелинейное искажение?

Нелинейное искажение возникает, когда РЧ-усилитель не реагирует пропорционально входному сигналу. Вместо этого характеристика переноса усилителя отклоняется от линейности, генерируя нежелательные частотные компоненты, такие как гармоники и продукты интермодуляции (IMPs). В идеале усилитель должен выводить масштабированную реплику входа; однако практические устройства демонстрируют сжатие усиления, фазовое искажение (преобразование AM / PM) и эффекты памяти, которые повреждают сигнал.

Коренная причина кроется в присущем нелинейному поведению активных компонентов — транзисторов (LDMOS, GaN, GaAs) и смещающихся сетей, используемых в конструкции усилителя. Когда входной сигнал приводит усилитель в состояние, близкое к его области насыщения, выходная форма волны становится обрезанной или асимметрично искаженной. Для узкополосных сигналов это может проявляться как гармоническое содержание в целых кратных несущей частоте. Для широкополосных модулированных сигналов (типичных в 4G и 5G) взаимодействие множества несущих и поднесущих генерирует продукты интермодуляции, которые попадают в пределах или вблизи рабочей полосы пропускания, непосредственно ухудшая целостность сигнала.

Математика нелинейных систем

Общий способ моделирования нелинейного усилителя - расширение силовой серии. Если входное напряжение v in, выходное напряжение может быть выражено как:

v out = a 1v in + a]2v in2 +a 3v in3 +...

Первый термин (a 1) представляет линейный коэффициент усиления. Второй термин (a 2) вводит искажение второго порядка, генерируя вторую гармонику и частоты сумы/разницы.a 3) является более проблематичным в системах связи, поскольку он производит продукты интермодуляции третьего порядка (IM3), которые близки к фундаментальным тонам и трудно фильтруются. Например, в тесте с двумя тонами продукты третьего порядка появляются на 2ff 2 и 2fff 1, часто непосредственно в полосе сигнала для близко расположенных носителей.

В современных мультинесущих волнах типа OFDM (используется в 4G LTE) и особенно QAM-модуляции более высокого порядка в 5G, отношение пиковой мощности к средней (PAPR) высокое. Мгновенные пики чаще приводят усилитель в его нелинейную область, усугубляя искажение. Результатом является явление, известное как спектральный рост, где передаваемый спектр расширяется за пределы своего предполагаемого распределения, повышая уровни помех в соседних каналах.

Источники нелинейного искажения в усилителях РФ

Нелинейное искажение возникает из-за множества внутренних механизмов внутри усилителя.Понимание этих источников имеет решающее значение для выбора соответствующих стратегий смягчения.

Получить сжатие и насыщение

Каждый усилитель имеет максимальный предел выходной мощности, известный как точка P1dB (1 точка сжатия dB). За этой точкой коэффициент усиления падает по мере насыщения устройства. Работа за пределами P1dB приводит к обрезанию сигнальной оболочки, введению серьезных гармонических и интермодуляционных искажений. В базовых станциях 4G и 5G усилители часто отключаются несколькими dB для поддержания линейности, но это происходит за счет эффективности — компромисс, который инженеры постоянно балансируют.

Конверсия AM/PM

Нелинейные усилители также вызывают фазовое искажение в качестве функции амплитуды ввода. Это преобразование AM/PM вращает точки созвездия сигналов QAM, затрудняя их правильную демодулирование. В высокопорядковых QAM (например, 256-QAM в LTE и 1024-QAM в 5G) даже небольшие фазовые ошибки могут перемещать символ через границы принятия решений, увеличивая величину вектора ошибок (EVM).

Эффекты памяти

Усилители проявляют долгосрочные и краткосрочные эффекты памяти. Они вызваны тепловой динамикой (изменения температуры влияют на поведение транзисторов) и электрической памятью (предвзятость сетевых импедансов и паразитных емкостей). Эффекты памяти вызывают асимметричное искажение - производительность на левой и правой сторонах полосы модуляции может отличаться - что усложняет усилия по предварительному искажению и линеаризации.

Кросс-модуляция

Когда несколько носителей или сигналов от разных пользователей проходят через общий усилитель, они перекрестно модулируют друг друга. Это особенно проблематично в массивных системах MIMO 5G, где несколько путей антенны могут совместно использовать один PA или где цифровое формирование луча требует высоколинейных PA для предотвращения межантенновых помех. Кросс-модулирование непосредственно ухудшает отношение сигнал-шум-и-искажение (SINAD).

Количественное нелинейное искажение: ключевые метрики

Инженеры используют несколько стандартизированных метрик для измерения и конкретизации нелинейных искажений. Выбор метрики зависит от архитектуры системы и вида наблюдаемых искажений.

Соотношение мощности смежного канала (ACPR)

ACPR — это отношение мощности в соседних каналах (продукты искажения) к мощности в основном канале. Это общая спецификация для усилителей мощности в сотовой инфраструктуре. Низкий ACPR (обычно −45 дБк или лучше для базовых станций 4G/5G) гарантирует, что передача не мешает соседним частотным диапазонам. Регулирующие органы, такие как FCC и 3GPP, устанавливают строгие ограничения ACPR для поддержания чистоты спектра.

Векторная величина ошибки (EVM)

EVM измеряет отклонение демодулированной сигнальной группировки от идеальных опорных точек. Для 4G LTE с 64-QAM требования EVM составляют около 8%. Для 5G NR с 256-QAM EVM должна быть ниже 3,5%, а для предстоящих 1024-QAM она может опуститься ниже 2%. Нелинейное искажение напрямую увеличивает EVM за счет сжатия и вращения созвездия. Высокий EVM приводит к более высоким показателям ошибок блоков (BLER) и снижает пропускную способность.

Коэффициент шума (NPR)

NPR используется для оценки искажений в системах с несколькими несущими. Он измеряет отношение мощности в выемке (тихий канал) к мощности в соседнем занятом канале. Высокий NPR указывает, что усилитель достаточно линейный, чтобы предотвратить утечку нежелательной энергии в пустые поднесущие - критический для схем доступа OFDMA.

Искажение интермодуляции (IMD)

IMD часто характеризуется с помощью двухтонного теста. Точка перехвата третьего порядка (IP3) является показателем заслуги, которая предсказывает уровень продуктов IM3. Более высокий IP3 указывает на лучшую линейность. Для 5G PA достижение высокого IP3 при сохранении эффективности является значительной проблемой проектирования.

Влияние на качество сигнала 4G и 5G

Эффекты нелинейного искажения неодинаковы в разных поколениях. 4G LTE в значительной степени опирается на циклический префикс OFDM (CP-OFDM), который относительно устойчив к нелинейностям из-за его длительного периода символов и фиксированного интервала поднесущей. Однако по мере увеличения порядков модуляции (64-QAM, 256-QAM) чувствительность к искажению росла. В 5G NR ситуация более требовательна из-за:

В 4G и 5G нелинейные искажения проявляются следующим образом:

Пример из реального мира: 4G LTE

Рассмотрим типичную базовую станцию 4G LTE макросот с PA 40 Вт. Если PA работает в точке сжатия 1 дБ, ACPR может ухудшаться до -35 дБк, вызывая помехи для соседней несущей LTE. Это заставляет операторов сети либо уменьшать выходную мощность (что приводит к потере покрытия), либо добавлять внешние фильтры полости (потеря затрат и вставки). При цифровом искажении (DPD) ACPR может быть улучшен до -50 дБк, что позволяет полностью номинальное покрытие мощности при встрече со спектральными масками.

Пример из реального мира: 5G NR mmWave

В 5G mmWave (n260, n261) с формированием луча используются фазовые ПА. Каждый элемент в массиве имеет свой ПА. Нелинейное искажение в одном элементе может вызвать амплитуду и фазовые ошибки по всему лучу, создавая боковые лепестки, которые излучают в непреднамеренные направления. Это не только тратит энергию, но и увеличивает помехи для других пользователей. Продвинутая линеаризация должна учитывать взаимную связь между элементами - сложная многовходная многовыходная нелинейная проблема.

Передовые методы смягчения

Инженеры разработали набор методик для уменьшения нелинейных искажений. Выбор зависит от стоимости, энергобюджета и сложности системы.

Цифровое искажение (DPD)

DPD — наиболее широко развёрнутый метод линеаризации. Передатчик включает в себя цифровой блок, который пре-искажает сигнал базовой полосы с помощью обратной модели нелинейного поведения PA. Предискатель применяет амплитуду и фазовые коррекции, которые отменяют искажение PA. Современные системы DPD используют модели серии Volterra, полиномиальные модели памяти или подходы на основе нейронной сети для захвата как статических, так и динамических нелинейностей. В 5G DPD должен обрабатывать очень широкие мгновенные полосы пропускания (100 МГц в FR1, до 2 ГГц в FR2) и множественные лучи, требующие высокоскоростных цифровых процессоров и широкополосных DAC.

Отслеживание контуров (ET) и ликвидация и восстановление конвертов (EER)

ET динамически регулирует напряжение питания PA на основе оболочки модулированного сигнала. Отслеживая конверт, PA всегда работает близко к своей области пиковой эффективности без насыщения. Это снижает сжатие усиления и улучшает ACPR. EER (техника Кана) отделяет оболочку и фазовые компоненты, позволяя PA работать в насыщении (высокая эффективность), в то время как оболочка восстанавливается после переключения - техника, используемая в некоторых мобильных телефонах и специализированных базовых станциях.

Усилители Doherty Power

Архитектура Доэрти является основой современных мощных базовых станций PAs. Она использует основной усилитель (класс AB) параллельно с пиковым усилителем (класс C). При малой мощности работает только основной PA; при высокой мощности пиковый PA включается для обеспечения дополнительного усиления и линейности. При правильной конструкции Doherty PAs достигают >55% эффективности при сохранении приемлемой линейности. Однако они по своей сути узкополосные и требуют тщательного согласования и коррекции DPD для достижения целей полосы пропускания 400 МГц в 5G.

Линейная обработка кормов

Feedforward — аналоговый метод, который отбирает выход PA, вычитает сигнал искажения, а затем повторно вставляет исправленную версию. Он может достигать очень высокой линейности (ACPR лучше −55 дБк), но страдает от неэффективности и сложности. Он редко используется в новых конструкциях из-за доминирования цифровых технологий, но он остается в некоторых устаревших системах 4G и широковещательных передатчиках.

Системные подходы

Балансировка линейности и эффективности

Ни одно обсуждение нелинейных искажений не является полным без решения компромисса между линейностью и энергоэффективностью. Базовые станции потребляют значительную энергию, а операторы стремятся минимизировать общую стоимость владения за счет максимизации эффективности PA. К сожалению, самая линейная область (операция глубокого класса A) дает очень низкую эффективность (< 10%). Современные конструкции достигают эффективности PA 50-70% через схемы класса AB, Doherty и ET, но эти конфигурации по своей сути производят больше искажений. DPD закрывает разрыв: он позволяет PA работать при более высоком сжатии (более высокая эффективность) при одновременном выполнении требований EVM и ACPR. В 5G эволюция DPD для поддержки очень широких полос пропускания (500 МГц +) при потреблении низкой мощности в реализациях FPGA или ASIC является ключевой областью исследований.

Будущие тренды: 6G и другие

По мере того, как отрасль начнет определять 6G (ожидается к 2030 году), проблемы нелинейных искажений будут усиливаться. 6G, вероятно, будет использовать суб-THz частоты (100 ГГц - 300 ГГц), где нелинейности устройств более серьезны из-за материальных ограничений. Кроме того, интеграция датчиков и связи (ISAC) потребует линейности, которая поддерживает как модуляцию с высокой скоростью передачи данных, так и целостность импульса, подобную радару. Новые материалы, такие как Ga2O3 и алмазы, могут предложить лучшую линейность. DPD на основе машинного обучения с адаптацией в реальном времени станет стандартом. Кроме того, распределенная MIMO (D-MIMO) и реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) сместят некоторую сложность линеаризации от PA к сетевому слою. Понимание и смягчение нелинейных искажений остается основополагающей дисциплиной в беспроводной инженерии, развивающейся с каждым поколением.

Заключение

Нелинейное искажение в усилителях RF является основным фактором, который ухудшает качество сигнала в системах 4G и 5G, проявляясь как спектральный рост, повышенная EVM, продукты интермодуляции и уменьшенная емкость. Понимая источники - сжатие, преобразование AM / PM и эффекты памяти - инженеры могут применять комбинацию DPD, архитектур AM / PM, отслеживание оболочек и сокращение PAPR для достижения целей линейности системного уровня. Неустанный спрос на более высокие скорости передачи данных и спектральную эффективность гарантирует, что исследования в области методов линеаризации будут продолжаться. Для более глубокого погружения обратитесь к спецификациям [FLT: 0] 3GPP для пределов выбросов, проверьте примечание приложения [FLT: 2] Keysight на DPD [[FLT: 3]] или просмотрите техническую статью [[FLT: 4]] Аналоговые устройства на DPD [[FLT: 5]]. С тщательным дизайном можно управлять воздействием нелинейных искажений, что позволяет высокопроизводительные беспроводные сети, от которых зависит современное общество.