接收器射频前端线性度, 对灵敏度之影响.pdf

Introduction 在[1]当中，探讨了热噪声, Noise Figure, 带宽, 以及信噪比对接收器灵敏度的影响在此文件中，我们接着讨论射频前端电路，其线性度对于灵敏度之影响 在一些无线技术的测试规范中，会看到Receiver Maximum Input Level的测项，例如WiFi[2]，例如WCDMA[3]，有别于灵敏度，是在测试BER能接受情况下，所能接收的最小输入讯号[1]，Maximum Input Level，顾名思义，则是在测试BER能接受情况下，所能接收的最大输入讯号若以动态范围来解释，灵敏度是在测动态范围的下限，而Maximum Input Level则是在测动态范围的上限，如下图[4] : 1LNA 下图是零中频接收机的架构[1]，可看到射频前端第一个区块是LNA，故我们先探讨LNA的线性度影响 由下图可知，当LNA的输入讯号过于强大时，其LNA的Gain会下降，而由Noise Figure公式可知，若LNA的Gain下降，其灵敏度会变差[1] 2若LNA的Gain降为零，即输入讯号经过LNA时，完全不会被放大，则有可能被Noise Floor淹没，此时信噪比完全为零，亦即讯号完全无法解调，称该接收讯号被阻塞(Blocked)。

另外，由[5]可知，当输入讯号过于强大时，会产生非线性效应，例如DC Offset, IMD, Harmonics……等，如下图 : 3而由[6]可知，零中频架构的接收机，便是直接将射频讯号，降频为基频的直流讯号， 而DC Offset之所以成为零中频架构的难题，在于它们会座落在频谱上为零之处，或其附近，很难滤除，因此会直接干扰到主频，如下图[8] 4而解调时，会以EVM来衡量相位误差的程度，如下图左而DC Offset会使星座图整体有所偏移，如下图右，换言之，DC Offset会使接收机的EVM变大[6] 若EVM变大，则SNR会下降[7]， 亦即同样的SNR，对应到的BER会升高，其解调结果会变差[1] 因此可知，非线性效应的DC Offset，会使灵敏度变差 5再来谈IMD，由于IMD为两个输入讯号所产生的产物，当该两输入讯号，其频率极为接近时，假设f1为干扰源，f2为讯号，若f1=f2，那么 IMD3 : 2f1-f2 = f2 => 主频附近， 亦即IMD3，会在主频附近，滤不掉，一路跟随着讯号降频，SNR变差，灵敏度当然不好[8] 6另外，同样假设该两输入讯号，其频率极为接近，假设f1为干扰源，f2为讯号，若f1=f2，那么 IMD2 : f1-f2 = 0 => DC Offset， 亦即IMD2，会等同于DC Offset，座落在频谱上为零之处，或其附近，很难滤除，因此会直接干扰到主频，SNR变差，灵敏度当然不好[8]。

而倘若该两输入讯号，其频率相差甚远，假设f1为干扰源，f2为讯号，若f1=2f2，那么 IMD2= f1-f2 = f2 => 主频附近 IMD3 =2f2-f1 => DC Offset 其分析如上述，对于灵敏度，同样会有危害 而除了非线性效应，会产生DC Offset，其Self-Mixing也会产生DC Offset，详情可参照[6]，在此就不赘述 7Mixer 接着探讨Mixer，由于Mixer所输入的，是LNA放大后的讯号，故其线性度需比LNA大， 由[1]的Noise Figure公式可知，LNA的Gain越大，其接收机整体的Noise Figure可以压得越低，亦即灵敏度可以越好但如上图[6]，若LNA的Gain太大，会导致Mixer输入讯号过强，有可能会使Mixer饱和，其Noise Floor上升，SNR下降，其接收机整体的Noise Figure反而上升，使得灵敏度劣化 8同样以零中频接收机架构来做分析前述已知，当输入讯号过于强大时，会产生DC Offset, IMD……等非线性效应，因此即便LNA的线性度很好，不会产生非线性效应，但若Mixer的线性度不够，一样会因过强的输入讯号，而产生DC Offset，使灵敏度劣化，如下图[1,6] : 同理的IMD分析，假设该两输入讯号，其频率极为接近，假设f1为干扰源，f2为讯号，若f1=f2，那么 IMD2 : f1-f2 = 0 => DC Offset， 9虽然以前述的IMD分析，该两输入讯号，其频率极为接近，假设f1为干扰源，f2为讯号，若f1=f2，那么 IMD3 : 2f1-f2 = f2 => 主频附近， 但由于零中频接收机，在Mixer之后，其讯号频率会降频为零，故此时频率为f2(主频附近)的IMD3，对于讯号的危害不大。

而倘若该两输入讯号，其频率相差甚远，假设f1为干扰源，f2为讯号，若f1=2f2，那么 IMD3 =2f2-f1 => DC Offset 其分析如上述，对于灵敏度，同样会有危害 10Reference [1] GSM射频接收机灵敏度之解析与研究, 百度文库 [2] WLAN Tests According to Standard 802.11a/b/g, Rohde & Schwarz [3] WCDMA之零中频接收机原理剖析大全, 百度文库 [4] Understanding and Enhancing Sensitivity in Receivers for Wireless Applications, TEXAS INSTRUMENTS [5] 射频微波通讯之量测及仪器介绍 [6] 直流偏移对于零中频接收机之危害, 百度文库 [7] PA下方不铺地 对RF性能之危害, 百度文库 [8] SAW Filter在零中频接收机中之角色, 百度文库 11。