Kapaciteten för kommunikationssystem är i grunden begränsad av olika faktorer, inklusive de icke-linjäriteter som finns i sändare och mottagare kedjor. Förstå dessa olinjäriteter är avgörande för att utforma system som närmar sig optimal prestanda. I modern trådlös och trådbunden kommunikation fungerar icke-linjär snedvridning som en flaskhals som förhindrar att uppnå den teoretiska Shanon kapaciteten, särskilt som signalbandbredd ökar och moduleringsorder växer. Denna artikel expanderar på arten av dessa olinjärheter, deras specifika effekter på kapacitet och tekniker som används för att mildra dem.

Grundläggande av icke-linjäritet i kommunikationskedjor

Nonlinearitet i en krets eller komponent innebär att utgångssignalen inte är en linjär funktion av ingången. För ett linjärt system håller överpositionsprincipen: svaret på en summa ingångar motsvarar summan av enskilda svar. Nonlinear system bryter mot denna princip, genererar harmoniska, intermodulering produkter och spektral återväxt. Dessa snedvridningar är särskilt problematiska i överföringen och får kedjor av någon radio eller optisk kommunikationslänk.

Nonlinearities kan modelleras med en polynomial (Taylor-serien) expansion: . Even-order termerna (a2, a4, ...) genererar främst DC-kompensationer och andra-harmonisk distorsion, medan udda ordningsvillkor (a3, a5, ...) är ansvariga för för snedvridning och intermodulering som direkt påverkar signalkvaliteten. Den tredje ordningen avlyssspunkten (IP3) och 1 dB-kompressionspunkten är vanliga siffror för merit som används för att kvantifiera graden av nonlinearitet.

Nonlinearities in Transmitter Chains

Power Amplifier Distortion

Strömförstärkaren (PA) är det dominerande icke-linjära elementet i de flesta sändare. För att uppnå hög effektivitet drivs PA ofta nära deras mättnadsregion, vilket introducerar betydande AM-AM och AM-PM-omvandling. AM-AM-distorsion hänvisar till variationen av utgångsförstärkning med ingångsamplitud, medan AM-PM hänvisar till den oavsiktliga fasförändringen på grund av amplitude förändringar.

Till exempel kommer en 64-QAM-modulerad signal som passerar genom en icke-linjär PA att uppleva konstellationskrigping och ökad felvektorstorlek (EVM). Standarder som ]]] 3GPP ]] anger strikta EVM och intilliggande kanalläckageförhållande (ACLR) krav för att begränsa effekterna av sändare icke-linjäriteter på andra användare.

Mixer och lokala oscillatorn olinjäriteter

I uppkonverteringsmixare leder icke-linjäriteter till falska blandarprodukter (t.ex. 2LO ± IF, 3LO ± 2IF) som kan falla inuti överföringsbandet. Dessutom fasbuller från lokala oscillatorer interagerar med signalen och förvärrar distorsion, särskilt under bredbandsmodulering. Dessa effekter modelleras ofta som tillsatsbuller men bär en stark icke-linjär komponent.

Andra sändarekomponenter

Digital-till-analog-omvandlare (DAC) introducerar kvantiseringsbuller och icke-linjäritet i form av differential nonlinearity (DNL) och integrerad icke-linjäritet (INL). Pre-driver-steg och filter bidrar också till den övergripande icke-linjära karaktären. Kaskaden av dessa komponenter gör systemnivån icke-linjäritet en komplex kompositeffekt som måste karakteriseras och kompenseras som helhet.

Nonlinearities in Receiver Chains

Lågt bullerförstärkare (LNA) och Front-End Components

I mottagare är LNA den första aktiva komponenten efter antennen. Det måste ge tillräcklig vinst samtidigt som man lägger till minimalt buller, men det introducerar också olinjäritet när ingångssignalen är stark. Intermoduleringsprodukter som genereras i LNA kan falla på toppen av svaga önskade signaler, vilket effektivt höjer ljudgolvet. Detta är särskilt viktigt i bredbandsmottagare som måste hantera flera bärare samtidigt, till exempel i bärare aggregation eller fullduplex system.

Analog-till-Digital Converter (ADC) Distortion

ADC är en annan viktig källa till icke-linjäritet i mottagarens kedja. Kvantiseringsbuller är inneboende, men klippning uppstår när ingångssignalen överstiger fullskalig intervall. Den kombinerade effekten av klippning och kvantisering minskar signal-till-buller och distorsion kvot (SINAD). För högupplösta ADCs, integrerad nonlinearitet (INL) kan orsaka harmonisk distorsion som faller i signalbandet.

Bildavslag och I/Q Imbalance

Mottagare som använder direktkonvertering (noll-IF) arkitekturer lider av I/Q obalans - få och fasa missmatchningar mellan in-fas och kvadratur grenar - som manifesterar sig som en icke-linjär effekt som skapar tvärstalj mellan I och Q-kanaler. Detta minskar den uppnåeliga SNR och kan begränsa den maximala konstellationsordning som kan på ett tillförlitligt sätt demoduleras.

Påverkan på Shannon Capacity

Shannon-Hartley-teorem ger kanalkapaciteten som , där B är bandbredd och SNR är signal-till-buller-förhållandet. Nonlinear distorsion effektivt minskar den användbara SNR genom att införa en störningsperiod som inte är Gaussian-buller. I många fall kan distorsionen modelleras som ett additivt ljudgolv som skalas med signalkraften, vilket leder till en mättning av kapaciteten vid hög ingångskrafter.

För en sändare med en given icke-linaritet, den effektiva SNR blir , där P ]]]]]]]] omfattar kraften i intermoduleringsprodukter och harmonier. Eftersom P[]]]]]]] stiger den sända makten bortom en viss effekt, och därmed minskar en viss effekt än P (typiskt som den tredje kraften av ingångsamplitud för tredje ordningens snedvridning), vilket ökar överföringen överföringen överföringen och

Forskare som ]Shammo et al. (2020)] har visat att för högklassiga moduler (t.ex. 256-QAM, 1024-QAM), kan nedbrytningen på grund av mottagaren LNA-nolinearitet minska kapaciteten med 20% eller mer jämfört med den ideala linjära kanalen. På samma sätt måste i massiva MIMO-system, de icke-linjära sändare anses kollektivt för att undvika att stråla förnedring.

Strategier för att mildra icke-linjäriteter

Komponent-nivå design

Att välja linjära PA med högre back-off-operation minskar snedvridningen men sänker effektiviteten. Teknologier som GaN och LDMOS erbjuder förbättrad linjäritet vid höga krafter jämfört med äldre SiGe eller GaAs-enheter. För mottagare, med hjälp av LNA med högre IP3 och ADC med bättre SFDR (spurious-free dynamiskt intervall) kan avsevärt förbättra kapaciteten i starka störningsmiljöer.

Digital förvandling (DPD)

DPD är den mest använda tekniken i modern trådlös infrastruktur för att linjärisera PA. Genom att förvränga basbandssignalen med en omvänd modell av PA: s nonlinear svar, DPD kan minska IMD med 20-30 dB. Minnes polynommodeller, bitvisa linjära modeller, och neurala nätverksmetoder används för att fånga dynamiskt beteende PA. DPD är standard i 4G och 5G basstationer och visas nu i handen sändare också.

Avancerad modulering och kodning

Moduleringssystem som är i sig mer robusta mot icke-linaritet, såsom konstant-kuvertmoduleringar (t.ex. MSK, GMSK) eller låg-PAPR (peak-to-average power ratio) vågformer (t.ex. enbärare FDMA), kan minska svårighetsgraden av icke-linjära effekter. Kanalkodning med korrekt mellankoppling kan också bidra till att mildra bristfällen orsakade av distortion toppar.

Mottagare Linearization

Analoga linjäriseringstekniker för LNA (t.ex. derivatöverföring, foderframått) kan förbättra IP3 utan att öka bullersiffran signifikant. På den digitala sidan kan iterativa algoritmer som gemensam kanaluppskattning och icke-linjäritetskompensation rensa upp den mottagna signalen. För ADCs håller automatisk vinstkontroll (AGC) ingången inom linjärområdet och undviker klippning.

System-nivå optimering

Resursallokeringsstrategier kan också hjälpa: sänka sändningsströmmen för nära användare att minska intermodulering, med hjälp av ortogonal multipel åtkomst för att undvika störningar och använda adaptiv modulering och kodning (AMC) som backar upp konstellationsordningen när icke-linjäritet upptäcks. I multiantennasystem kan strålbildning optimeras för att minska topp-till-genomsnittet effektförhållandet per antennkedja.

Slutsats

Nonlinearities in transmitter and receiver chains are fundamental hindcles to achieving the the the theoretical quality of communication systems. From power amplifiers to ADCs, every comporment bidrar till distorsion that degrades the effective SNR and limits the achievable data rate. Genom att förstå källorna och modellerna för dessa icke-linjäriteter, kan ingenjörer tillämpa en kombination av komponentval, predistortion och system-level optimization för att driva prestanda närmare Shanon gränsen.