Ємність комунікаційних систем є фундаментально обмежена різними факторами, включаючи нелінійності, присутніми в передавачі і ресивери ланцюгів. Розуміння цих нелінійних можливостей є важливим для проектування систем, які підходять оптимальної продуктивності. У сучасному бездротовому і дротовому зв'язку нелінійне спотворення виступає як пляшк, що запобігає досягненню теоретичної потужності Шаньон, особливо як смуги сигналу збільшують і модуляції замовлень. Ця стаття розширюється на характері цих нелінійних властивостей, їх специфічні ефекти на потужності, а інженерні техніки, що використовуються для пом'якшення їх.

Основи нелінійності в комунікативних мережах

Нелінійність в контурі або компоненті означає, що вихідний сигнал не є лінійною функцією введення. Для лінійної системи принцип суперпозиції тримається: відповідь на суму вводів дорівнює сумі окремих відповідей. Нелінійні системи порушують цей принцип, генеруючи гармоніки, міжмодуляційні продукти, спектральні перевороти. Ці спотворення особливо проблемні в передачі і отримують ланцюжки будь-якого радіо або оптичного зв'язку.

Нелінійності можна моделювати за допомогою поліномного (серійного циклу) розширення: . Умови парі-замовлення (a2, a4, ...) в першу чергу генерують DC offsets і другий армічний спотворення, при цьому непарних умов (a3, a5, ...) відповідають за внутрішньосмуговий спотворення і перемоделювання, що безпосередньо впливає на якість сигналу. Точка перехоплення третього порядку (IP3) і точка стиснення 1 dB є загальними показниками подразника, що використовуються для кількісного визначення тяжкості нелінійності в компоненті.

Нелінійності в передавачних ланцюгах

Відхилення від підсилювача потужності

Підсилювач потужності (ПА) є домінуючим нелінійним елементом в більшості передавачів. Для досягнення високої ефективності ПА часто керуються біля їх насиченої області, що вводить значний AM-AM і AM-PM перетворення. Спотворення AM-AM відноситься до варіації виходу амплітуди з вхідною амплітудою, а AM-PM відноситься до неінтенсивного перепаду фази через амплітуди змін. Ці спотворення викликають спектральні регуляції — перевизначення переданої сигналу в сусідні частотні смуги — і перемоделювання спотворення (ІМД) продуктів, які потрапляють в потрібний канал, зменшуючи ефективний коефіцієнт сигналу

Наприклад, модульований сигнал 64-QAM, що проходить через нелінійну ПА, буде відчувати конструювання та збільшення величини вектора помилки (EVM). Стандарти, такі як 3GPP]], уточнюйте суворі EVM та суміжні співвідношення каналу (ACLR) вимоги до обмеження впливу нелінійності передавача на інших користувачів.

Змішувач і локальні осцилятори Нелінійності

У змішувачах, нелінійності призводять до розчужливих продуктів змішувача (наприклад, 2LO ± IF, 3LO ± 2IF), які можуть западати всередині смуги передачі. Крім того, фази шуму від місцевих коливань взаємодіє з сигналом і посилює спотворення, особливо під широкосмуговим модуляції. Ці ефекти часто моделюються як добавка шум, але несуть сильний нелінійний компонент.

Інші компоненти передавача

Цифрово-аналізові перетворювачі (DAC) вводять кварцальний шум і нелінійність у вигляді диференціальної нелінійності (DNL) і нелінійності (INL). Передпосівні етапи і фільтри також сприяють загальному нелінійному характері. Каскад цих компонентів робить нелінійність рівня системного рівня складного композитного ефекту, який повинен бути характеризується і компенсується в цілому.

Нелінійності в ланцюгах ресивера

Низький шумоізолятор (LNA) і передні компоненти

У ресиверів LNA є першим активним компонентом після антени. Він повинен забезпечити достатню кількість при наданні мінімального шуму, але він також представляє нелінійність при сильному вхідному сигналі. Міжмодуляційні продукти, що створюються в LNA, можуть знизитися на вершині слабких бажаних сигналів, ефективно піднімаючи шум підлогу. Це особливо критично в широкосмугових ресиверів, які повинні одночасно обробляти багаторазові носії, такі як в авіаперевізнику або повнофункціональних систем.

Analog-to-Digital Converter (ADC) Роз'яснення

ADC є ще одним основним джерелом нелінійності в приймачі мережі. Квантизаційне шум властивий, але кліпування відбувається, коли вхідний сигнал перевищує повнорозмірний діапазон. Поєднаний ефект затискання і квантизації зменшує співвідношення сигналу і спотворення (SINAD). Для високопорозу ADCs, інтегральної нелінійності (INL) може викликати гармонічне спотворення, яке потрапляє в сигнальну смугу. Методики, як дитерінг, можуть зменшити деякі з цих ефектів, але не можуть повністю їх усунути.

Імбалансування зображень та I / Q

Отримувачі, використовуючи прямі перетворення (нуль-ІФ) архітектури, страждають від I / Q-балансу - гаїну і фази невідповідних між фасонними і чотирикутними гілками - які проявляються як нелінійний ефект, який створює кросталк між I і Q-каналами. Це зменшує очікуваний SNR і може обмежити максимальний порядок сузір'я, який може бути надійно демозолований.

Вплив на ємність тінону

теорема Шаннон-Хартлі дає каналом місткість, як , де Б є пропускною здатністю і SNR є співвідношенням сигналу. Нелінійне спотворення ефективно знижує проникний SNR, шляхом введення термін втручання, який не має шуму Гауссіан. У багатьох випадках спотворення може бути моделюваним як добавка шуму, яка масштабує з сигнальною потужністю, що веде до насиченості потужності при високих входових джерелах. Це відомий як «нелінійний обмеження Shannon."

Для передавача з даної нелінійності, ефективний SNR стає , де Pdist включає в себе потужність міжмодуляційних продуктів і гармонік. Оскільки Pdist] зростає швидше, ніж Psig (типово як третя потужність введення амплітуду для стороннього спотворення), збільшення потужності передачі за певною точкою фактично знижує ефективний SNR і таким чином, що є можливим.

Дослідники, такі як Shammo та ін. (2020) показали, що для модуляцій високого порядку (наприклад, 256-QAM, 1024-QAM), деградація через ресивера LNA нелінійність може зменшити потужність на 20% або більше у порівнянні з ідеальним лінійним каналом. Аналогічно, в масивних системах MIMO, нелінійності багатьох передавачів повинні бути розглянуті колективно, щоб уникнути деградації збільшувача балонного набору.

Стратегії для нелінійності Mitigate

КОМПЛЕКСНИЙ КОМПЛЕКС

Вибір лінійних ПА з більш високою потужністю спини дозволяє зменшити спотворення, але знижує ефективність. Технології, такі як GaN і LDMOS, дозволяють підвищити лінійність при високих потужністьх порівняно з старшими SiGe або GaAs пристроями. Для приймачів, використовуючи LNAs з більш високою IP3 і ADC з кращим SFDR (розумний безпровідний динамічний діапазон) може значно підвищити продуктивність в міцних перешкодних середовищах.

Цифрова схильність (DPD)

DPD є найбільш широко використовуваною технікою в сучасному бездротовій інфраструктурі для лінійизації ПА. За допомогою предисторування базових сигналів за допомогою зворотної моделі нелінійної відповіді ПА, DPD може зменшити IMD на 20–30 дБ. Пом'ять номіналівних моделей, лінійних моделей, а також підходів нейромереж використовуються для захоплення динамічної поведінки ПА. DPD є стандартом в 4G і 5G базових станціях і тепер з'являються в ручних передавачах і.

Розширена модуляція та кодування

Модуляція схем, які властиво більш надійні для нелінійності, таких як постійні модуляції на основі конвенвуопляу (наприклад, MSK, GMSK) або низького ПАПР (повідношення потужності до перевічного живлення) хвильових форм (наприклад, однокамерний FDMA), може зменшити вираженість нелінійних ефектів. Канал-кодування з відповідним переплетенням може також допомогти пом'якшити помилки лопу, викликані спотвореннями піків.

Лінаризація ресивера

Технології лінійизації аналогових для ЛНАС (наприклад, похідне суперпозиції, кормопередачі) можуть поліпшити IP3 без збільшення шуму помітно. На цифровій стороні ітеративні алгоритми, такі як оцінка каналу та нелінійність, можуть очистити отриманий сигнал. Для ADCs автоматичний контроль за поглинання (АГК) зберігає вхід в лінійному діапазоні і уникає затискання.

Оптимізація системи-виставок

Стратегія розподілу ресурсів також може допомогти: зниження передачі повноважень для користувачів, щоб зменшити міжмодулювання, використовуючи ортогональний багаторазовий доступ, щоб уникнути перешкод, і використання адаптивної модуляції та кодування (AMC), яка вимикає порядок консолідації при виявленні нелінійності. У багатоантинних системах, променформування може бути оптимізовано для зменшення коефіцієнта пікової маси на антени.

Висновок

Нелінійності в передавачі і ресивери ланцюгів є фундаментальними перешкодами для досягнення теоретичної здатності комунікаційних систем. Від підсилювачів потужності до ADCs кожен компонент сприяє спотворенню, що деградує ефективний SNR і обмежує різку даних. Розуміння джерел і моделей цих нелінійності інженери можуть застосовувати поєднання вибору компонентів, предисторації та оптимізації системного рівня для натискання продуктивності ближче до обмеження Shannon. Як бездротові системи розвиваються на більш високих частотах (ммВтау, суб-тц) і більш складних хвильових форм, виклики нелінійності будуть продовжувати вимагати інноваційні рішення як з дослідників, так і практикуючих.