RFIC设计的基本概念
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y ( t ) ( 1 3 2
3 A 2 ) A1 c o s 1 t
2
其增益将随A2的增加而降低，使放大器对x1(t)信号减敏 (Desensitization)。当A2足够大使，增益接近为0，称信号 被阻塞（blocking）
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交叉调制
华侨大学IC设计中心
Ch.5: 3 of 61
华侨大学IC设计中心
对于50W的系统
Ch.5: 4 of 61
华侨大学IC设计中心
无线传播衰减
接收天线
发送Baidu Nhomakorabea线
接收端 PRX 射频接收机 ( 放大，降频) 基带 处理
发送端 PTX (上变频)
d
PL o ss 2 0 lo g 1 0 ( c
Nin
S/N
4 f G d
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华侨大学IC设计中心 谐波失真
谐波失真（Harmonic Distortion） 当输入信号为 x(t) = Acos(t) 时，输出信号为
直流偏移
基波
二次谐波失真
三次谐波失真
Ch.5: 11 of 61
谐波失真
华侨大学IC设计中心
Ch.5: 12 of 61
F S N R in S N R out
噪声系数（Noise Figure）:噪声因子的dB形式：
N F 1 0 lo g 1 0 ( F ) 1 0 lo g 1 0 ( S N R in ) 1 0 lo g 1 0 ( S N R o u t ) S N R in (d B ) S N R o u t (d B )
1 0 lo g (
PO U T PIN
)
dBm：功率单位
1 0 lo g (
P 1m W
)
1mW为0dBm，1W为30dBm 50W的情况下，0dBm对应的电压幅值约为316mV dBc：表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一 样。一般来说，dBc 是相对于载波或基波功率而言。用 来度量干扰、杂散等的相对量值。
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互调
华侨大学IC设计中心
Ch.5: 18 of 61
互调
， 例：f1=7M, f2=8M
华侨大学IC设计中心
IM2：1M、15M
IM3：6M、9M
通常，需要重点考虑的是IM3 (2f1− f2 和2f2−f1 )这两项， 因为它们就在基波分量附近，造成信道间干扰
互调项
交叉调制
类似于阻塞的分析，如果干扰信号含有调幅成分 A2(1 + mcosmt) ，那么调幅信号会通过非线性转移到有 用信号上：
2 2 3 m m 2 y ( t ) 1 A1 3 A1 A 2 (1 co s 2 m t 2 m co s m t ) co s 1t 2 2 2
接收机对信号放大的同时，也对噪声放大，并且本身 还贡献一定的噪声，为了保证正确解调,必须有
S N R in (d B ) N F S N R o u t (d B )
PR X (d B m ) N in (d B m ) N F (d B ) S N R o u t (d B )
华侨大学IC设计中心
用功率衡量：当输出功率偏离线性达到1dB 时，增 益下降1dB，此时的输入信号功率称为1-dB 增益压 缩点(1-dB Gain Compression Point)
2 0 lo g 1 0 1 3 4
3 A1 -d B
2
2 0 lo g 1 0 1 1d B
)
fG
f L fU
为几何平均频率，fL ：信号的最 低频率，fU ：信号的最高频率
c为光速
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华侨大学IC设计中心 信噪比、噪声因子、噪声系数
信噪比：信号功率与噪声功率之比
灵敏度：保证一定误码率，接收机天线处所能处理 的最小信号功率 噪声因子（Noise Factor），衡量接收机放大信号的 同时附加的噪声，定义：
PR X S N R o u t (d B ) N in (d B m ) N F (d B )
S m in (d B m ) S N R o u t (d B ) N in (d B m ) N F (d B )
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华侨大学IC设计中心 电路系统中的非线性
华侨大学IC设计中心
谐波失真（Harmonics） 输入正弦信号，输出中包含输入频率的整数倍的分量 增益压缩（Gain Compression） 电路增益随输入信号幅度增加而降低 减敏和阻塞（Desensitization and blocking） 微弱小信号分量与大的干扰同时存在时，大信号使电路增 益降低，从而失去对小信号的放大能力 交叉调制（Cross Modulation） 干扰中的包络加载到需要的信号上 互调（Intermodulation）， 输入两种不同频率成分的信号，除了输出谐波外，还产生 其它频率分量。RFIC设计中最常用的非线性衡量方式
A1 -d B
0 .1 4 5
1 3
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减敏和阻塞
华侨大学IC设计中心
减敏和阻塞
输入为一个有用信号x1(t) = A1cos(1t)和一个干扰信号x2(t) = A2cos(2t)，即x(t) = A1cos(1t) + A2cos(2t)，
当1 和 3 的符号相反，且A2>>A1，则有：
增益压缩
华侨大学IC设计中心
增益压缩（Gain Compression）和1dB压缩点（P1-dB） 系统输入Acos(t), 时输出基波分量幅值为
1A
3 4
3A
3
G 1
3 4
3A
2
1和3 的符号相反，增益随幅值的增加而降低
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增益压缩
OIP3 POUT 基波 IM3 SFDR Nfloor
DP
IIP 3 N 3
flo o r
S F D R ( IIP 3 D P ) N
IIP3 PIN 线性增益
IIP 3 N 3
flo o r
P1 DP
IIP 3
flo o r
N
flo o r
Nout NIN
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华侨大学IC设计中心 灵敏度与噪声系数的关系
发射机发送的功率PTX（dBm） 接收机接收的功率（dBm）：PR X PT X - PL O S S 接收机天线处的噪声Nin(dBm) 接收机中基带电路要求的信噪比为SNRout（dB）
不同的调制方式要求的信噪比各不相同，参阅数字通信
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三阶互调点
华侨大学IC设计中心
当用 dBm形式的功率表示输入输出信号时，基波和IM3 分量随 输入信号增加而上升的斜率分别为1和3，这个特点可以用于一些 简单的估算
Ch.5: 23 of 61
三阶互调点
华侨大学IC设计中心
IIP3与1dB压缩点P1-dB的关系 1-dB电压幅值点为：
2 3
IIP 3 N
flo o r
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华侨大学IC设计中心
系统总的IIP3小于任何一个组成部分的IIP3， Ch.5: 26 of 61 在系统中的位置越靠后，要求的IIP3越大
S N R o u t (d B ) S N R in (d B ) N F (d B )
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灵敏度
华侨大学IC设计中心
射频无线接收机系统接收到的信号质量 是很差的，常常需要检测微弱的信号。 灵敏度就是用来衡量接收机系统检测微 弱信号的能力的。灵敏度定义为射频无 线接收机系统在保证一定误码率时能够 检测的最小信号功率Pmin，通常以dBm 来表示。
华侨大学IC设计中心
衡量互调非线性的指标：三阶互调点（3rd-order Intercept Point： IP3） 基波分量
1A
IM3分量
3 4
3A
3
若只考虑基波中的线性部分，则基波分量与IM3 分量 在理论上会在某一点处达到相同的幅度，这一点称为 三阶互调点IP3，对应的输入信号幅度或功率值称为输 入三阶互调点IIP3，而输出点则称为OIP3
A1 -d B 0 .1 4 5
1 3
IIP3的电压幅值为：
A IIP 3
A IIP 3 A1 -d B 3 .0 3 9 .6 d B
4 1 3 3
所以输入三阶交调点比1-dB 压缩点高10 dB 左右
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华侨大学IC设计中心
无杂散动态范围SFDR (Spurious Free Dynamic Range) 输入信号小，受噪声限制；信号大，受非线性限制 当输出端的IM3与噪声底相等时的输入信号与噪声底 之间的范围称为SFDR
非线性 接收机
频率 fC 有用信号频谱
干扰信号
2f1－f2 f1 f2
2f2－f1 fC 频率
f1
f2
Ch.5: 19 of 61
华侨大学IC设计中心
Ch.5: 20 of 61
互调
华侨大学IC设计中心
当A1=A2=A时，3阶非线性系统输出的各分量的幅值：
Ch.5: 21 of 61
三阶互调点
非线性模型 我们所使用的晶体管都是非线性的 双极晶体管： MOSFET：
由非线性器件搭建的系统是非线性的，泰勒展开后：
如果输入信号幅度很小，那么上式中2 次及以上的项就 可以忽略，而成为小信号的情况。在许多情况下我们可以 忽略3 次以上的项
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非线性带来的各种非理想效应
也就是在有用信号中产生了m和2m的幅度调制，也即产生 了交叉调制，使有用信号失真
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互调
华侨大学IC设计中心
互调（Intermodulation） 系统输入为两个幅度相近、频率间隔很小的正弦波x(t) = A1cos(1t) + A2cos(2t) 输出除了基波分量1和2 外和谐波分量外，还包含了它们 的各种组合频率， = |m1+n2|，m, n = -,·, -1, 0, 1, ·, · · · · 称这些频率分量为互调项（IM）
华侨大学IC设计中心
射频微电子学
第三章 RFIC 设计的几个基本概念
本章内容
华侨大学IC设计中心
常用单位 功率、功率增益 无线收发系统 噪声和噪声系数 电路中的非线性
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华侨大学IC设计中心 常用单位
dB ：比值（无量纲），用来衡量增益、衰减、信噪比等
2 0 lo g ( VOUT V IN )
3 A 2 ) A1 c o s 1 t
2
其增益将随A2的增加而降低，使放大器对x1(t)信号减敏 (Desensitization)。当A2足够大使，增益接近为0，称信号 被阻塞（blocking）
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交叉调制
华侨大学IC设计中心
Ch.5: 3 of 61
华侨大学IC设计中心
对于50W的系统
Ch.5: 4 of 61
华侨大学IC设计中心
无线传播衰减
接收天线
发送Baidu Nhomakorabea线
接收端 PRX 射频接收机 ( 放大，降频) 基带 处理
发送端 PTX (上变频)
d
PL o ss 2 0 lo g 1 0 ( c
Nin
S/N
4 f G d
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华侨大学IC设计中心 谐波失真
谐波失真（Harmonic Distortion） 当输入信号为 x(t) = Acos(t) 时，输出信号为
直流偏移
基波
二次谐波失真
三次谐波失真
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谐波失真
华侨大学IC设计中心
Ch.5: 12 of 61
F S N R in S N R out
噪声系数（Noise Figure）:噪声因子的dB形式：
N F 1 0 lo g 1 0 ( F ) 1 0 lo g 1 0 ( S N R in ) 1 0 lo g 1 0 ( S N R o u t ) S N R in (d B ) S N R o u t (d B )
1 0 lo g (
PO U T PIN
)
dBm：功率单位
1 0 lo g (
P 1m W
)
1mW为0dBm，1W为30dBm 50W的情况下，0dBm对应的电压幅值约为316mV dBc：表示功率相对值的单位，与dB的计算方法完全一 样。一般来说，dBc 是相对于载波或基波功率而言。用 来度量干扰、杂散等的相对量值。
Ch.5: 17 of 61
互调
华侨大学IC设计中心
Ch.5: 18 of 61
互调
， 例：f1=7M, f2=8M
华侨大学IC设计中心
IM2：1M、15M
IM3：6M、9M
通常，需要重点考虑的是IM3 (2f1− f2 和2f2−f1 )这两项， 因为它们就在基波分量附近，造成信道间干扰
互调项
交叉调制
类似于阻塞的分析，如果干扰信号含有调幅成分 A2(1 + mcosmt) ，那么调幅信号会通过非线性转移到有 用信号上：
2 2 3 m m 2 y ( t ) 1 A1 3 A1 A 2 (1 co s 2 m t 2 m co s m t ) co s 1t 2 2 2
接收机对信号放大的同时，也对噪声放大，并且本身 还贡献一定的噪声，为了保证正确解调,必须有
S N R in (d B ) N F S N R o u t (d B )
PR X (d B m ) N in (d B m ) N F (d B ) S N R o u t (d B )
华侨大学IC设计中心
用功率衡量：当输出功率偏离线性达到1dB 时，增 益下降1dB，此时的输入信号功率称为1-dB 增益压 缩点(1-dB Gain Compression Point)
2 0 lo g 1 0 1 3 4
3 A1 -d B
2
2 0 lo g 1 0 1 1d B
)
fG
f L fU
为几何平均频率，fL ：信号的最 低频率，fU ：信号的最高频率
c为光速
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华侨大学IC设计中心 信噪比、噪声因子、噪声系数
信噪比：信号功率与噪声功率之比
灵敏度：保证一定误码率，接收机天线处所能处理 的最小信号功率 噪声因子（Noise Factor），衡量接收机放大信号的 同时附加的噪声，定义：
PR X S N R o u t (d B ) N in (d B m ) N F (d B )
S m in (d B m ) S N R o u t (d B ) N in (d B m ) N F (d B )
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华侨大学IC设计中心 电路系统中的非线性
华侨大学IC设计中心
谐波失真（Harmonics） 输入正弦信号，输出中包含输入频率的整数倍的分量 增益压缩（Gain Compression） 电路增益随输入信号幅度增加而降低 减敏和阻塞（Desensitization and blocking） 微弱小信号分量与大的干扰同时存在时，大信号使电路增 益降低，从而失去对小信号的放大能力 交叉调制（Cross Modulation） 干扰中的包络加载到需要的信号上 互调（Intermodulation）， 输入两种不同频率成分的信号，除了输出谐波外，还产生 其它频率分量。RFIC设计中最常用的非线性衡量方式
A1 -d B
0 .1 4 5
1 3
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减敏和阻塞
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减敏和阻塞
输入为一个有用信号x1(t) = A1cos(1t)和一个干扰信号x2(t) = A2cos(2t)，即x(t) = A1cos(1t) + A2cos(2t)，
当1 和 3 的符号相反，且A2>>A1，则有：
增益压缩
华侨大学IC设计中心
增益压缩（Gain Compression）和1dB压缩点（P1-dB） 系统输入Acos(t), 时输出基波分量幅值为
1A
3 4
3A
3
G 1
3 4
3A
2
1和3 的符号相反，增益随幅值的增加而降低
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增益压缩
OIP3 POUT 基波 IM3 SFDR Nfloor
DP
IIP 3 N 3
flo o r
S F D R ( IIP 3 D P ) N
IIP3 PIN 线性增益
IIP 3 N 3
flo o r
P1 DP
IIP 3
flo o r
N
flo o r
Nout NIN
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华侨大学IC设计中心 灵敏度与噪声系数的关系
发射机发送的功率PTX（dBm） 接收机接收的功率（dBm）：PR X PT X - PL O S S 接收机天线处的噪声Nin(dBm) 接收机中基带电路要求的信噪比为SNRout（dB）
不同的调制方式要求的信噪比各不相同，参阅数字通信
Ch.5: 22 of 61
三阶互调点
华侨大学IC设计中心
当用 dBm形式的功率表示输入输出信号时，基波和IM3 分量随 输入信号增加而上升的斜率分别为1和3，这个特点可以用于一些 简单的估算
Ch.5: 23 of 61
三阶互调点
华侨大学IC设计中心
IIP3与1dB压缩点P1-dB的关系 1-dB电压幅值点为：
2 3
IIP 3 N
flo o r
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华侨大学IC设计中心
系统总的IIP3小于任何一个组成部分的IIP3， Ch.5: 26 of 61 在系统中的位置越靠后，要求的IIP3越大
S N R o u t (d B ) S N R in (d B ) N F (d B )
Ch.5: 6 of 61
灵敏度
华侨大学IC设计中心
射频无线接收机系统接收到的信号质量 是很差的，常常需要检测微弱的信号。 灵敏度就是用来衡量接收机系统检测微 弱信号的能力的。灵敏度定义为射频无 线接收机系统在保证一定误码率时能够 检测的最小信号功率Pmin，通常以dBm 来表示。
华侨大学IC设计中心
衡量互调非线性的指标：三阶互调点（3rd-order Intercept Point： IP3） 基波分量
1A
IM3分量
3 4
3A
3
若只考虑基波中的线性部分，则基波分量与IM3 分量 在理论上会在某一点处达到相同的幅度，这一点称为 三阶互调点IP3，对应的输入信号幅度或功率值称为输 入三阶互调点IIP3，而输出点则称为OIP3
A1 -d B 0 .1 4 5
1 3
IIP3的电压幅值为：
A IIP 3
A IIP 3 A1 -d B 3 .0 3 9 .6 d B
4 1 3 3
所以输入三阶交调点比1-dB 压缩点高10 dB 左右
Ch.5: 24 of 61
华侨大学IC设计中心
无杂散动态范围SFDR (Spurious Free Dynamic Range) 输入信号小，受噪声限制；信号大，受非线性限制 当输出端的IM3与噪声底相等时的输入信号与噪声底 之间的范围称为SFDR
非线性 接收机
频率 fC 有用信号频谱
干扰信号
2f1－f2 f1 f2
2f2－f1 fC 频率
f1
f2
Ch.5: 19 of 61
华侨大学IC设计中心
Ch.5: 20 of 61
互调
华侨大学IC设计中心
当A1=A2=A时，3阶非线性系统输出的各分量的幅值：
Ch.5: 21 of 61
三阶互调点
非线性模型 我们所使用的晶体管都是非线性的 双极晶体管： MOSFET：
由非线性器件搭建的系统是非线性的，泰勒展开后：
如果输入信号幅度很小，那么上式中2 次及以上的项就 可以忽略，而成为小信号的情况。在许多情况下我们可以 忽略3 次以上的项
Ch.5: 9 of 61
非线性带来的各种非理想效应
也就是在有用信号中产生了m和2m的幅度调制，也即产生 了交叉调制，使有用信号失真
Ch.5: 16 of 61
互调
华侨大学IC设计中心
互调（Intermodulation） 系统输入为两个幅度相近、频率间隔很小的正弦波x(t) = A1cos(1t) + A2cos(2t) 输出除了基波分量1和2 外和谐波分量外，还包含了它们 的各种组合频率， = |m1+n2|，m, n = -,·, -1, 0, 1, ·, · · · · 称这些频率分量为互调项（IM）
华侨大学IC设计中心
射频微电子学
第三章 RFIC 设计的几个基本概念
本章内容
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常用单位 功率、功率增益 无线收发系统 噪声和噪声系数 电路中的非线性
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华侨大学IC设计中心 常用单位
dB ：比值（无量纲），用来衡量增益、衰减、信噪比等
2 0 lo g ( VOUT V IN )