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 472.5 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。

如上图[19]，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，一样会使Noise Figure上升。

而由于讯号经过Mixer后，会降频为基频的直流讯号，前述已知，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。

所以LNA的Gain不宜过大，否则会使Mixer饱和，产生DC Offset，如下图[7] :Cancellation前述已知DC Offset对零中的作法，便是在Mixer后方然而由下图可知，不论是若想滤除DC Offset，则其但由[20-22]可知，电容值合度的需求。

而对于GSM 收模式的切换速度变慢[23的EVM增大，使其灵敏度讯号都一并被滤除掉，因此或是用电路方式来滤除，前述提到Self Mixing也会造成DC Offset，因此有些接收机，会将LO的频率与射频频率，设计成不一样，如下式[7] :亦即将LO频率，设计成射频频率的整数倍，或是将射频频率，设计成LO频率的整数倍，如此便可避免Self Mixing造成的DC Offset，同时也可避免VCO Pulling[4,25]。

然而最常见的方式，还是靠后端的DSP，透过校准算法，在后端DSP单位，将DC Offset有效抑制下来。

以高通的RTR6285A为例，其接收机后端，便内建了DC Offset的校正机制[14]。

由[26]可知，校正完后，其DC Offset确实下降许多。

由于DC Offset会使后端电路的线性度下降，因此透过DC Offset的抑制，连带也提升了线性度，如下图[8] :另外，为了得到良好的频谱利用率，到了数字通讯时代，多半会利用IQ讯号，来达到SSB (Single-Sideband) 的调变方式，因此接收讯号在降频前，会开始分成两路径，I讯号跟Q讯号。

又因为IQ讯号会影响到调变与解调的精确度，因此不管是发射还接收电路，其IQ讯号都会走差分形式，避免调变与解调精确度，因噪声干扰而下降[27]。

因此其DC Offset，会个别载在I+、I-、Q+、Q-四个路径上[25]。

当然由[27]可知，使用差分讯号的好处，就是具错误更正效果，因此若I+、I-、Q+、Q-四个讯号的DC Offset，大小都相等，原则上最后会相消。

但可能会由于Layout未能遵守差分讯号要求，导致其DC Offset无法相消，因此其IQ差分讯号的走线，要尽量遵守等长的原则[16, 27]。

Reference[1] WCDMA零中频发射机(TX)之调校指南与原理剖析, 百度文库[2] Design considerations for direct-conversion receivers, IEEE[3] Direct-Conversion Radio Transceivers for Digital Communications, IEEE[4] GSM射频接收机灵敏度之解析与研究, 百度文库[5] WCDMA之零中频接收机原理剖析大全, 百度文库[6] Rf Microelectronics, razavi[7] DC Offsets in Direct-Conversion Receivers: Characterization and Implications[8] WCDMA之Tx Leakage对于零中频接收机之危害, 百度文库[9] EFFECTS OF IMBALANCES AND. DC OFFSETS ON VQ DEMODULATION[10] IQ讯号与信噪比对手机灵敏度之影响, 百度文库[11] IQ讯号简介, , 百度文库[12] SIGNAL CONSTELLATION DISTORTION AND BER DEGRADATION DUE TOHARDWARE IMPAIRMENTS IN SIX-PORT RECEIVERS WITH ANALOG I/Q GENERATION[13] 增益(Gain)对手机射频接收机灵敏度之影响, 百度文库[14] RTR6285A RF Transceiver IC, Qualcomm[15] 高通平台之GSM Rx校准原理_简中, 百度文库[16] A CMOS DB-LINEAR VGA WITH DC OFFSET CANCELLATION FORDIRECT-CONVERSION RECEIVER[17] 应用于5.8GHz 频段之低电压,高线性度CMOS 降频混频器及应用于Ka频段之对称式次谐波混频器[18] 噪声系数(Noise Figure)对手机射频接收机灵敏度之影响, 百度文库[19] 30MHz to 1.4GHz IQ Demodulator with IIP2 and DC Offset Control[20] 上集_磁珠_电感_电阻_电容于噪声抑制, 百度文库[21] 中集_磁珠_电感_电阻_电容于噪声抑制, 百度文库[22] 下集_磁珠_电感_电阻_电容于噪声抑制, 百度文库[23] DC Offset Auto-Calibration of TRF371x, Texas Instruments[24] 零中频接收机中的直流偏移抑制技术[25] GSM之调制与开关频谱(ORFS)解析与调校大全,百度文库[26] Digitally Removing a DC Offset: DSP Without Mathematics[27] 差分信号之剖析与探讨, 百度文库。