WCDMA是FDD (Frequency Division Duplex)， 因此发射端与接收端会同时运作， 故需要 Duplexer，将发射与接收的讯号路径作隔离，如下图1 : 1 因此， Duplexer的isolation， 就扮演了相当重要的角色1， 若Duplexer的isolation 不够，加上 WCDMA 之发射端与接收端会同时运作的特性，便会产生 Tx- Leakage1。 当 Tx Leakage 很大时，若 LNA 的 P1dB 不够大，则会使 LNA 饱和，此时 LNA 的 Gain 不再固定，而是会变小，该现象称之为 Desense。 2 若接收讯号的 Gain 降为零，即接收讯号经过 LNA 时，完全不会被放大，则有可 能被 Noise Floor 淹没，此时称该 Rx 讯号被阻塞(Blocked)。 另外，由于具备了低成本，低复杂度，以及高整合度，这使得零中频架构的接收 器，在手持装置，越来越受欢迎2。而零中频接收器中，RF 信号频率与 LO 信 号频率相同，因此最后降频待解调的讯号，为直流讯号，会座落在频域上频率点 为零之处。 3 而由于 DC Offset，也是非线性效应之一，因此若 LNA 的 P1dB 不够大，则 Tx Leakage 可能会使 LNA 饱和，产生 DC Offset，进而干扰降频后待解调的讯号， 导致 BER 升高。 而由3可知，因为 Mixer 处理的讯号，是经过 LNA 放大后的讯号，因此其 P1dB 必须比 LNA 更大，否则即便 LNA 的线性度够，但若 Mixer 的线性度不够，一样 会有 DC Offset1。 因此在 WCDMA 的接收测项中，有一项为 Maximum input level，便是在测接收 端的最大承受输入功率(且 BER 不得大于 0.1%)，藉此以衡量接收电路的 P1dB。 4 若 LO 与 LNA 以及 Mixer 的隔离度不够大，会产生 Self Mixing，而 Tx Leakage 可能会透过 Self Mixing 的方式，导致 DC Offset，干扰降频后待解调的讯号1。 另外， 若 LNA 的 IIP2 不够， 则会有 IMD2， 座落在直流附近， 最后再经过 Mixer， 干扰已降频为直流的讯号，导致解调失败1。 5 而如前述所言，Mixer 的线性度必须比 LNA 更大，因此即便 LNA 的 IIP2 够大， 但若 Mixer 的 IIP2 不够，依旧会有 IMD2 的问题。 虽然 Tx Leakage 与接收讯号的频率不相等，基本上 IMD2 不会正好座落在直流 处，但由1可知，其 IMD2 的带宽，是讯号的两倍，因此一样会干扰降频为直 流的讯号。 6 DC Offset 与 IMD2 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， 因此若要抑制， 只能靠后端的基频电路， 以及校准， 将其 DC Offset 与 IMD2 抑制下来。如5的设计中，其接收器的基频电路，便导 入了抑制 DC Offset 与 IIP2 校正的电路。 7 而高通的 RTR6285A，也针对了 WCDMA 的接收端，作 DC Offset 的校正， 以及 IIP2 的校正4。 8 由于 DC Offset 会使后端电路的线性度下降，因此理论上，若能抑制 DC Offset， 便能有效提升线性度，如下图6 : 而实际上，透过校正，也确实能提升 IIP2，如下图6: 9 而高通的 RTR6285A，其 WCDMA 的接收器，在校正后，其 IIP2 可以达到 55 dBm4。 虽然同样都是零中频架构， 但相较于 WCDMA， 高通的 RTR6285A， 并没有对 GSM 做 IIP2 的校正，我们以下式做说明1 : C 是校正常数。理论上，输入讯号指的是接收讯号，但前述提到，Tx Leakage 在 LNA 的输入端，会比接收讯号大得多，尤其是当手机离基地台极远，却又尚未归 属另一个基地台的管辖范围时，如下图6 : 10 为了与基地台有正常通讯质量，便会将发射功率打到最大，但由于离基地台极远 ，所以接收讯号很微弱，此时便形成 Tx Leakage 在 LNA 的输入端的功率很大， 但接收讯号很小的情况。而 Tx Leakage 在 LNA 的输入端，最大可达-24 dBm1 ，而灵敏度最小可以到-117 dBm，若处于上述的极端情况，则两者差了将近 100 dB。因此其 IMD2 的大小，主要是由 Tx Leakage 在 LNA 的输入讯号所主宰。而 因为 WCDMA 之 Tx Leakage 在 LNA 的输入功率， 比 GSM 的接收输入讯号大得多 ， 这表示 WCDMA 的 IMD2， 会远比 GSM 的 IMD2 来的大， 亦即 WCDMA 对于 IIP2 的要求，远比 GSM 来的高，因此虽然同样零中频架构，同样都会有 IMD2 的问 题，但 WCDMA 须额外靠校正来提升线性度1。 11 由7可知，LO 在频谱上，会有所谓的 Phase Noise，如下图 : 因此Tx Leakage在LNA的输入讯号， 可能会与LO的Phase Noise， 产生reciprocal Mixing，干扰降频为直流的讯号1。 12 另外，当有其他用户的发射讯号，被接收路径接收时，便会形成 Jammer，如下 图1: 而 Jammer 除了会在接收路径产生 Self Mixing，导致 DC Offset 外， 也会和 Tx Leakage 产生 Cross Modulation，以下将介绍何谓 Cross Modulation。 13 Tx Leakage 与 Jammer，除了会因为非线性效应，产生 IMD3 之外8，另外还会 产生 Cross Modulation9-11，如下图 : 上图是 Cross Modulation 示意图，可以看到其实 Tx Leakage 与 Jammer，在频谱 上离接收讯号还有一段距离，但是这两者所产生的 Cross Modulation，会使接收 讯号的 Noise Floor 上涨，SNR 变小，以至于灵敏度变差。 14 而 Cross Modulation 的强度，可用下式表示9 : 前三项总合即 IMD3 强度，而 C 是校正常数，因此由上式我们可知，Cross Modulation 的强度，会比 IMD3 来的大，如下图10 : 由1,2可知，ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio)是衡量发射端整体 IIP3 好 坏， 而 ACS(Adjacent Channel Selectivity)是衡量接收端整体 IIP3 好坏， 因此 Cross Modulation 与 IMD3，会使 ACS 劣化，亦即接收端会较易受邻近信道干扰讯号的 影响。 15 而由前述式子可知，Cross Modulation 的强度，与 Tx Leakage，以及 Jammer 强 度有关，但 Tx Leakage 的贡献较大，因为若其增加 1dB，则 Cross Modulation 会增加 2dB。因此若 Tx Leakage 降低，便有助于 Cross Modulation 的下降，如 下图1 : 上图是 Tx on/off 时，LNA 输入端的 Cross Modulation，可以看到当 Tx off，即完 全没有 Tx Leakage 时，其 Noise Floor 明显下降许多。 16 另外由3可知，虽然接收端电路整体的 IIP3，取决于 Mixer 的 IIP3，然而相较 于 Mixer， LNA 的 IIP3， 对于 Cross Modulation， 有着更大的影响， 如下图9,11 : 由上图可知，虽然提升 LNA 与 Mixer 的 IIP3，都有助于 Cross Modulation 的下 降，但同样的 IIP3，其 LNA 造成的 Cross Modulation，比 Mixer 所造成的，大了 将近 30 dB，因此以电路观点，其 Cross Modulation 大小，主要是取决于 LNA 的 IIP3。 17 由于有些 LNA 为了降低耗电流，因此会牺牲一点线性度，这使得 IIP3 下降，连 带使得 Cross Modulation 变大，因此若提高 LNA 的线性度，可有助于 Cross Modulation 的下降，如下图1 : 当然如前述所言，Tx Leakage 降低，有助于 Cross Modulation 的下降。而提升 Duplexer的isolation， 便可有助于Tx Leakage的降低， 进而降低Cross Modulation， 因此在挑选 Duplexer 时，其 isolation 越大越好，至少要 50 dB1，以 AVAGO 的 ACMD-7614 为例，其 isolation，几乎都有 55 dB，如下图12 : 18 而在 Layout 时，也要靠 GND 来加强 Tx，Rx，Ant 三个端口之间的 isolation，避 免 Blocking，ACS，以及灵敏度的劣化1。 当然最好是 Duplexer 下方，除了讯号走线外，其他地方全都铺 GND，并密集地 打 Via 连到 Main GND，以获得最佳的 isolation12。 19 而发射与接收讯号走线，也要彼此远离，否则其 PA 输出讯号，一样可以靠寄生 电容，耦合到接收讯号，使其产生 Desense 甚至 Blocking 的问题13-15。 20 Reference 1 WCDMA 之零中频接收机原理剖析大全, 百度文库 2 WCDMA 零中频发射机(TX)之调校指南与原理剖析, 百度文库 3 MODERN RECEIVER FRONT-ENDS 4 RTR6285A RF Transceiver IC Device Specification, Qualcomm 5 A SingleChip 10-Band WCDMA/HSDPA 4-Band GSM/EDGE SAW-less CMOS Receiver With DigRF 3G Interface and 90 dBm IIP2, IEEE 6 Analysis and Cancellation Methods of Second Order Intermodulation Distortion in RFIC Downconversion Mixers 7 Jitter in Phase-Locked Loops 8 RF Microelectronics, Razavi 9 A NIGHTMARE FOR CDMA RF RECEIVER: THE CROSS MODULATION, IEEE 10 Characterization of Cross Modulation in Multichannel Amplifiers Using a Statistically Based Behavioral Modeling Technique, IEEE 11 Presentation on Cross Modulation in a Full Duplex Transceiver, Agilent 12 ACMD-7614 UMTS Band 1 Duplexer, AVAGO 13 上集_磁珠_电感_电阻_电容 于噪声抑制上之剖析与探讨, 百度文库 14 中集_磁珠_电感_电阻_电容 于噪声抑制上之剖析与探讨, 百度文库 15 下集_磁珠_电感_电阻_电容 于噪声抑制上之剖析与探讨, 百度文库 21