toplogo
Sign In

Leistungssteigerung in MIMO-Systemen mit wenigen Bit-ADCs durch den Einsatz nichtlinearer analoger Schaltungen


Core Concepts
Der Einsatz nichtlinearer analoger Operatoren wie Hüllkurvendetektoren und Polynomoperatoren vor der Abtastung und Quantisierung kann den Leistungsverlust aufgrund grober Quantisierung verringern und die Kanalkapazität von MIMO-Systemen mit wenigen Bit-ADCs erhöhen.
Abstract
In dieser Arbeit wird der Einsatz praktisch umsetzbarer nichtlinearer analoger Operatoren wie Hüllkurvendetektoren und Polynomoperatoren vor der Abtastung und Quantisierung in MIMO-Empfängerarchitekturen untersucht, um den Leistungsverlust aufgrund grober Quantisierung zu verringern. Es werden folgende Beiträge geleistet: Charakterisierung der Kanalkapazität unter Analogbeamforming bei Verwendung von Hüllkurvendetektoren für die analoge Signalverarbeitung Charakterisierung der Hochfrequenz-Kapazität unter Analogbeamforming bei Verwendung von Polynomoperatoren für die analoge Signalverarbeitung Vorschlag einer Hybridbeamforming-Empfängerarchitektur unter Verwendung von Hüllkurvendetektoren für Hochgeschwindigkeitskommunikation mit QAM-Demodulation Numerische Analyse der erreichbaren Raten für die vorgeschlagenen Analogbeamforming- und Hybridbeamforming-Architekturen Schaltungsentwürfe und zugehörige Leistungssimulationen für die Implementierung von Polynomen bis zum Grad vier und verketteten Hüllkurvendetektorsequenzen
Stats
Die Leistungsaufnahme von aktuellen kommerziellen hochgeschwindigen (≥ 20 GSample/s), hochauflösenden (z.B. 8-12 Bit) ADCs beträgt etwa 500 mW pro ADC.
Quotes
"Der Einsatz nichtlinearer analoger Operatoren - wie Hüllkurvendetektoren und Polynomoperatoren - vor der Abtastung und Quantisierung kann den Leistungsverlust aufgrund grober Quantisierung verringern und die Kanalkapazität von MIMO-Systemen mit wenigen Bit-ADCs erhöhen." "Die Leistungsaufnahme von ADCs wächst linear mit der Bandbreite, und der Anstieg ist in der Praxis aufgrund der übermäßigen Verluste der passiven Komponenten bei höheren Frequenzen sogar noch stärker, was zu einem abrupten Abfall der ADC-Energieeffizienz führt, wenn die Bandbreite über 100 MHz hinaus gesteigert wird."

Deeper Inquiries

Wie können die vorgeschlagenen nichtlinearen analogen Verarbeitungstechniken auf andere Anwendungsszenarien wie verteilte MIMO-Systeme oder Mehrnutzer-MIMO-Systeme erweitert werden?

Die vorgeschlagenen nichtlinearen analogen Verarbeitungstechniken, insbesondere die Verwendung von Envelopedetektoren und Polynomoperatoren vor der Quantisierung, können auf verschiedene Anwendungsszenarien erweitert werden. Für verteilte MIMO-Systeme, bei denen mehrere Basisstationen und Benutzergeräte beteiligt sind, können diese Techniken verwendet werden, um die Effizienz der Kanalnutzung zu verbessern. Durch die Anwendung nichtlinearer Analogverarbeitung können die Übertragungsraten optimiert und die Interferenz zwischen den verschiedenen Übertragungen reduziert werden. Dies kann zu einer insgesamt höheren Kapazität und besseren Leistung des Systems führen. Im Fall von Mehrnutzer-MIMO-Systemen, in denen mehrere Benutzer gleichzeitig auf denselben Frequenzbändern kommunizieren, können nichtlineare Analogverarbeitungstechniken dazu beitragen, die Interferenz zwischen den Benutzern zu minimieren und die Gesamtkapazität des Systems zu erhöhen. Durch die gezielte Anwendung von Envelopedetektoren und Polynomoperatoren können die Signale effizienter verarbeitet und die Übertragungsraten optimiert werden.

Welche zusätzlichen Herausforderungen ergeben sich bei der praktischen Umsetzung der nichtlinearen analogen Operatoren in Bezug auf Synchronisation, Rauschen und Nichtlinearitäten?

Bei der praktischen Umsetzung nichtlinearer analoger Operatoren können verschiedene Herausforderungen auftreten, die sorgfältig berücksichtigt werden müssen: Synchronisation: Die Synchronisation der nichtlinearen analogen Schaltungen kann eine Herausforderung darstellen, insbesondere wenn mehrere Schaltungen oder Komponenten miteinander interagieren müssen. Eine präzise Synchronisation ist entscheidend, um eine korrekte Signalverarbeitung und -quantisierung sicherzustellen. Rauschen: Nichtlineare analoge Schaltungen sind anfälliger für Rauschen, da sie komplexe Signalverarbeitungsfunktionen ausführen. Das Rauschen kann die Genauigkeit der Signalverarbeitung beeinträchtigen und die Leistung des Systems insgesamt beeinträchtigen. Maßnahmen zur Rauschunterdrückung und Signalverstärkung sind erforderlich. Nichtlinearitäten: Nichtlineare analoge Operatoren können zu unerwünschten Nichtlinearitäten führen, die die Signalintegrität beeinträchtigen und zu Verzerrungen führen können. Die Modellierung und Kompensation dieser Nichtlinearitäten ist entscheidend, um eine zuverlässige Signalverarbeitung zu gewährleisten. Daher ist es wichtig, bei der praktischen Implementierung nichtlinearer analoger Operatoren diese Herausforderungen zu berücksichtigen und geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um eine effiziente und zuverlässige Signalverarbeitung zu gewährleisten.

Wie können die Erkenntnisse aus dieser Arbeit genutzt werden, um die Energieeffizienz von Empfängerarchitekturen für zukünftige Mobilfunkstandards wie 6G weiter zu verbessern?

Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit bieten wertvolle Einblicke in die Verwendung nichtlinearer analoger Verarbeitungstechniken zur Verbesserung der Energieeffizienz von Empfängerarchitekturen in zukünftigen Mobilfunkstandards wie 6G. Hier sind einige Möglichkeiten, wie diese Erkenntnisse genutzt werden können: Optimierung der Signalverarbeitung: Durch die gezielte Anwendung von nichtlinearen analogen Operatoren wie Envelopedetektoren und Polynomoperatoren können die Signalverarbeitungseffizienz und -genauigkeit verbessert werden. Dies kann zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs führen, da die Signalverarbeitung effizienter erfolgt. Reduzierung der Quantisierungsfehler: Die Verwendung nichtlinearer Analogverarbeitungstechniken kann dazu beitragen, die Auswirkungen von Quantisierungsfehlern zu minimieren, was insgesamt zu einer höheren Übertragungseffizienz und Energieeinsparungen führt. Entwicklung energieeffizienter Schaltungen: Basierend auf den Schaltungsdesigns und Simulationen aus dieser Arbeit können energieeffiziente Empfängerarchitekturen für zukünftige Mobilfunkstandards entwickelt werden. Durch die Implementierung von nichtlinearen analogen Operatoren können die Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz dieser Architekturen weiter verbessert werden. Durch die Anwendung der Erkenntnisse aus dieser Arbeit können zukünftige Mobilfunkstandards wie 6G von fortschrittlichen nichtlinearen analogen Verarbeitungstechniken profitieren, um energieeffiziente und leistungsstarke Empfängerarchitekturen zu entwickeln.
0