直流偏移对于手机零中频接收机之危害

Introduction

由于现今智能手机要求的RF功能越来越多，这连带使得零件数目越来越多，且越来越要求轻薄短小[1,4]，

下图是零中频架构的接收机[4]，由于零中频架构，去除掉了中频的零件，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收发器，在手持装置，越来越受欢迎。但连带也有一些缺失，典型的缺失之一，便是DC Offset[2-3]。

由[5]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，且其强度甚至有可能大过讯号本身[3]。

由[9]可知，DC Offset会造成相位误差。

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[10-11] 。

而由[12]可知，若EVM变大，则同样的SNR，对应到的BER会升高，其解调结果会变差，亦即DC Offset会使灵敏度变差。

由[13]可知，接收机的LNA，其Gain皆非单一固定值，即VGA(Variable gain amplifier) 架构，如下图:

以灵敏度的角度而言，之所以希望透过AGC机制，以及VGA，来缩减LNA输出讯号的动态范围，主要便是希望ADC的输入讯号，其强度大小能适中，使讯号在解调时，不会因讯号过小而导致SNR下降，也不会因讯号过大，使后端电路饱和，Noise Floor上升，而导致SNR下降[4]。

而高通的RTR6285A，GSM四个频带的LNA，都采用Gain-stepped架构，有五种Gain Mode，其Gain Range示意图如下[14]:

Gain Mode 0 Gain Mode 1 Gain Mode 2 Gain Mode 3 Gain Mode 4

72.5 dB 58.5 dB 41 dB 29 dB 11.5 dB

五种Gain Mode，皆有其Gain Range，分别应用于不同强度范围的接收讯号。当接收讯号较大时，LNA会采用Low Gain Mode，一方面节省耗电流，另一方面避免后端电路饱和。而接收讯号较小时，会采用High Gain Mode，确保有足够的能力去驱动ADC[13]。

前述可知，DC Offset强度甚至有可能大过讯号本身，尤其是当接收讯号很微弱时，加上此时LNA会采用High Gain Mode，换言之，以高通的RTR6285A为例，此时DC Offset可能会被放大72.5 dB，这样的强度会使ADC饱和，Noise Floor 上升，而导致SNR下降，以至于灵敏度下降[2,16-17]。

Nonlinearity

而由[6]可知，如同谐波一般，DC Offset也是非线性效应之一，如下式:

亦即若射频前端的P1dB不够大，或输入讯号过大，便会产生DC Offset。因此以WCDMA为例，其接收测项有一项为Maximum input level，便是在衡量接收端的最大承受输入功率(且BER不得大于0.1%)[5]。

原则上，接收讯号的强度，是不至于会使射频前端饱和，换言之，会使射频前端饱和的，多半是外来噪声，以GSM为例，其Blocking的测试中，其带外噪声的强度，甚至高达0 dBm[4]。

而WCDMA的Blocking测试，其带外噪声的强度，虽然没有GSM来得强，但最大也有–15 dBm，更重要的是，因为WCDMA的发射跟接收会同时运作，会有所谓的Tx Leakage，其PA输出，最大可达28 dBm[5,8]。

因此，倘若LNA的线性度不够，则Tx Leakage与外来噪声会使其产生DC Offset，干扰降频后的讯号，影响解调结果，如上图。然而因为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，一样会因饱和而产生DC Offset，如下图[4,5,8,13]。

Self-Mixing

理论上LO端要与LNA以及Mixer有着无限大的隔离度，若LO与LNA以及Mixer 的隔离度不够大，会产生LO Leakage，即LO会由天线辐射出去，成为其他接收机的外来噪声，或是泄漏至LNA与Mixer的输入端，导致LO与LO混波，称之为Self Mixing，产生DC Offset，干扰降频后待解调的讯号[2-3,5]。

而前述提到，由于WCDMA会有Tx Leakage，因此Tx Leakage也可能产生Self- Mixing，产生DC Offset，干扰降频后待解调的讯号[8]。

而外来噪声也可能产生Self- Mixing，产生DC Offset，干扰降频后待解调的讯号[5]。

LNA Gain

接收机整体的Noise Figure，公式如下[18]:

由上式可知，越前面的阶级，对于Noise Figure的影响就越大，因此，从天线到LNA，包含ASM、SAW Filter、以及接收路径走线，这三者的Loss总和，对于接收机整体的Noise Figure，有最大影响。因此原则上须在LNA输入端，添加SAW Filter，避免带外噪声劣化接收机整体性能。但有些接收机，其SAW Filter会摆放在LNA与Mixer之间，如下图[4]:

上图的PCS与WCDMA，之所以将SAW Filter摆放在LNA之后，主要也是为了Noise Figure考虑，假设SAW Filter的Insertion Loss为1 dB，LNA的Gain为10 dB，若将SAW Filter摆放在LNA之前，则接收机整体的Noise Figure，便是直

接增加1 dB，但若放在LNA之后，则接收机整体的Noise Figure，只增加了1/10 = 0.1 dB[18]。

虽然此时LNA前端并无SAW Filter，故带外噪声可能会使LNA饱和产生DC Offset，但其DC Offset会被LNA后端的SAW Filter滤除。

另外由Noise Figure公式可知，若LNA的Gain增加，可使Noise Figure下降，有助于灵敏度的提升[4]。然而由前述可知，Mixer处理的讯号，是经过LNA放

大后的讯号，亦即其线性度需更为要求。