通信系统的能力从根本上受到各种因素的限制,包括发射机和接收机链中存在的非线性,理解这些非线性对于设计接近最佳性能的系统至关重要,在现代无线和有线通信中,非线性扭曲起到阻碍实现理论香农能力的瓶颈作用,特别是随着信号带宽的增加和调制令的增多,本条扩展了这些非线性的性质,它们对能力的具体影响,以及用来减轻这些影响的工程技术.

通信链中非线性的基本原理

电路或组件中的非线性意味着输出信号不是输入的线性函数。对于线性系统来说,叠加态原则持有:对输入总和的反应等于单个响应的总和。非线性系统违反这一原则,产生谐振,调制产品,以及光谱再生长。这些扭曲在任何无线电或光学通信链的传输和接收链中尤其成问题。

非线性可以使用多号(Taylor 系列)扩展模型:]. 偶序词(a2, a4,...)主要产生DC偏移和二和调错,而奇序词(a3, a5,...)则负责直接影响信号质量的波段内扭曲和调错. 第三序截取点(IP3)和1 dB压缩点是用来量化一个组件中非线性严重性的常见功绩数字.

传输链的非线性

电源放大器扭曲

电源放大器(PA)是大多数发射机中最主要的非线性元件. 为了实现高效率,PA经常在它们的饱和区附近运行,这引入了重大的AM-AM和AM-PM转换. AM-AM扭曲是指输出振幅随输入振幅的变化而变化,而AM-PM则是指由于振幅变化而意外发生的相位转移,这些扭曲导致光谱重增——将传输信号功率扩展到相邻频段——以及介质扭曲(IMD)产品,这些产品属于理想的信道,降低了有效的信号对噪声比(SNR).

例如,一个64-QAM调制信号通过非线性PA会经历星座扭曲和增加误差矢量(EVM)等. 标准如[3GPP[] 具体规定严格的EVM和相邻通道渗漏比(ACLR)要求,以限制发射机非线性对其他用户的影响.

混合器和局部振荡器 非线性

在向上转换混音器中,非线性会导致假的混音器产品(如2LO ± IF,3LO ± 2IF),这些产品可以落入传输带内. 此外,局部振荡器的相位噪声与信号相互作用,并加剧扭曲,特别是在宽带调制下. 这些效果往往被模拟为添加噪声,但带有强烈的非线性成分.

其他传送部件

数字到等离子转换器(DAC)以差分非线性(DNL)和整体非线性(INL)的形式引入了定量噪声和非线性. 河流前阶段和滤波器也促进了整体非线性特征,这些组件的级联使得系统级非线性成为复杂的复合效应,必须整体地加以特征化和补偿.

接收链中的非线性

低噪声放大器(LNA)和前端组件

在接收器中,LNA是天线之后的第一个活动部件,它必须同时增加最小噪声,但当输入信号强烈时,它也引入非线性. LNA中产生的调值产品可以掉在弱的预期信号之上,有效提升噪音底部,这对于必须同时处理多个载体的宽带接收器来说尤其重要,如载体聚合或全复式系统.

模拟到数字转换器( ADC) 扭曲

ADC是接收器链中另一个非线性的主要来源. 定量噪声是固有的,但当输入信号超过全范围时会发生剪切. 剪切和定量的综合效应降低了信号对噪声和扭曲比(SINAD). 对于高分辨率的ADC,整体非线性(INL)会导致落入信号带的口腔扭曲. 抖动等技术可以降低一些这些效果,但不能完全消除.

图像拒绝和 I/Q 偏差

使用直接转换(0-IF)架构的接收者会遭遇I/Q的不平衡——相加和相配在相位和四位分支之间的不匹配——这表现为非线性效应,在I和Q通道之间产生交叉对讲。这可以减少可实现的SNR,并可以限制可以可靠降级的最大星座顺序。

对香农能力的影响

香农-哈特利定理赋予了信道容量为[],其中B是带宽,SNR是信号对噪比。非线性扭曲通过引入一个不是高斯噪音的干扰词,有效地减少了可用的SNR。 在许多情况下,这种扭曲可以被建模为具有信号功率的添加噪音底,从而导致在高输入功率下容量的饱和。 这被称为“非线性香农极限 ” 。

对于具有给定非线性性的发射机,有效的SNR变为,其中Pdist包括了调制产品和谐振的功率. 因为Pdistsigsig](典型的作为输入振幅第三的三序扭曲功率),使传输功率超过一定点实际上会降低有效的SNR,从而降低可实现的能力.

研究人员,如Shammo等人(2020年) 已经表明,对于高序调制(如256-QAM,1024-QAM),由于接收器LNA非线性导致的降解,与理想的线性通道相比,容量可降低20%或更高. 同样,在大型MIMO系统中,必须集体考虑许多发射机的非线性,以避免束状增益降解.

减轻非线性影响的战略

组件级设计

选择具有较高反向操作的线性PA可以减少扭曲但降低效率. GAN和LDMOS等技术在高功率上比旧的SiGe或GaAs设备提供更好的线性. 对于接收器来说,使用IP3更高和SFDR(纯空动态范围)更好的LNA可以显著提高在强干扰环境中的能力.

数字预览( DPD)

DPD是现代无线基础设施中最广泛使用的将PA线化的技术. 通过使用PA非线性反应的反向模型预先扭曲基带信号,DPD可以将IMD减少20–30 dB. 记忆多诺模型,片形线性模型,神经网络方法用于捕捉PA的动态行为. DPD在4G和5G基站中是标准,现在也在手提发射机中出现.

高级模块和编码

具有内在强力到非线性性的调制方案,如恒信封调制(如MSK,GMSK)或低PAPRE(峰值对平均功率比)波形(如单载FDMA),可以降低非线性效应的严重程度. 带适当互换的通道编码也有助于减轻扭曲峰造成的突发错误.

接收者线性化

类似LNAs的线性化技术(如衍生物叠加,feed-forward)可以改善IP3,而不会显著增加噪音数字. 在数字方面,联合通道估计和非线性补偿等迭代算法可以清理收到的信号. 对于ADCs来说,自动增益控制(AGC)将输入保留在线性范围内,避免剪切.

系统级优化

资源分配策略还可以帮助:降低近用户的传输功率以减少间调,使用正交多通道以避免干扰,以及使用在检测到非线性时会背弃星座顺序的适应性调制和编码(AMC). 在多安特纳系统中,光束可以优化,降低每条天线链的峰值与平均功率比.

结论

发射机和接收机链的非线性是实现通信系统理论能力的根本障碍。从电源放大器到ADC,每个组件都会导致扭曲,从而降低有效的SNR,限制可实现的数据率。通过了解这些非线性的来源和模型,工程师可以应用组件选择、预演和系统一级优化相结合,将性能推向香农极限。 随着无线系统向更高的频率(mmWave, sub-THz)和更加复杂的波形发展,非线性的挑战将继续要求研究人员和从业人员提出创新解决方案。 这里描述的参考和技术为解决下一代网络中这些非线性能力限制提供了坚实的基础。