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手機(jī)射頻接收機(jī)之靈敏度剖析與探討/Analysis on sensitivity of receiver for handset

發(fā)布時(shí)間:2023-04-18作者來(lái)源:金航標(biāo)瀏覽:4224


Thermal Noise

所謂靈敏度,指的是在 SNR 能接受的情況下,其接收機(jī)能接收到的最小訊號(hào)[1-2],其公式如下 :

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第一項(xiàng)是所謂的熱噪聲,亦即靈敏度會(huì)與溫度有關(guān),-174dBm/Hz是指在常溫 25 ℃時(shí)的熱噪聲。高溫時(shí)熱噪聲會(huì)加大,導(dǎo)致靈敏度變差。反之,低溫時(shí)熱噪聲會(huì)減小,導(dǎo)致靈敏度變好,如下圖[18] :

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Noise Figure
第二項(xiàng)是所謂的 Noise Figure,理想上 SNR 當(dāng)然是越大越好,最好是無(wú)限大(表示都沒(méi)有噪聲),但實(shí)際上不可能沒(méi)有噪聲,因此,由[3-4]可知,所謂 Noise Figure,衡量的是當(dāng)一個(gè)訊號(hào)進(jìn)入一個(gè)系統(tǒng)時(shí),其輸出訊號(hào)的 SNR 下降多寡,亦即其噪聲對(duì)系統(tǒng)的危害程度,示意圖與定義如下 :

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而接收機(jī)整體的 Noise Figure,公式如下 :

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由上式可知,越前面的階級(jí),對(duì)于 Noise Figure 的影響就越大,而一般接收機(jī)的方塊圖如下[1] :

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因此,從天線到 LNA,包含 ASMSAW Filter、以及接收路徑走線,這三者的 Loss 總和,對(duì)于接收機(jī)整體的 Noise Figure,有最大影響,因?yàn)橛?/span>[5]可知,若這邊的 Loss  1 dB,則接收機(jī)整體的 Noise Figure,就是直接增加 1 dB,因此挑選 ASM 時(shí),要盡量挑選 Insertion Loss 較小的[8]
而由[2]可知,SAW Filter 可以抑制帶外噪聲,因此原則上須在 LNA 輸入端,添加 SAW Filter,避免帶外噪聲劣化接收機(jī)整體性能。但有些接收機(jī),其 SAW Filter 會(huì)擺放在 LNA  Mixer 之間,如下圖[7] :

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前述說(shuō)過(guò),LNA 輸入端的 Loss,對(duì)于接收機(jī)整體的 Noise Figure,有最大影響,因此上圖的 PCS  WCDMA,之所以將 SAW Filter 擺放在 LNA 之后,主要也是為了 Noise Figure 考慮,假設(shè) SAW Filter  Insertion Loss  1 dBLNA  Gain
 10 dB,若將 SAW Filter 擺放在 LNA 之前,則接收機(jī)整體的 Noise Figure,便是直接增加 1 dB,但若放在 LNA 之后,則接收機(jī)整體的 Noise Figure,只增加了 1/10 = 0.1 dB。而在 Layout 時(shí),其接收路徑走線要盡可能短,線寬盡可能寬,這樣才能將其 Insertion Loss 降低,甚至必要時(shí),可以將走線下層的 GND 挖空,如此便可以在阻抗不變的情況下,進(jìn)一步拓展線寬,使其 Insertion Loss 更為降低[10]
另外,LNA 輸入端的 Loss,除了 Insertion Loss,也包含了 Mismatch Loss,因此之所以做接收路徑的匹配,主要也是為了降低 Mismatch Loss,以便進(jìn)一步降 Noise Figure,達(dá)到提升靈敏度之效[13-14]。至于匹配方法,可參照[11],在此就不贅述。

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相較于內(nèi)層走線,其表層走線可以有較短的走線長(zhǎng)度,也可避免因穿層而產(chǎn)生的阻抗不連續(xù)效應(yīng),也較容易將阻抗控制在 50 奧姆(單端) 100 奧姆(差分),同時(shí)也可擁有較寬的線寬,換句話說(shuō),表層走線可以有較小的 Mismatch Loss  Insertion Loss,這對(duì) Noise Figure 的降低,靈敏度的改善,自然是有幫助[10]。然而由[9]可知,表層走線較容易被噪聲干擾,若接收訊號(hào)有噪聲干擾,那么即便 LNA 輸入端的 Loss 再怎么小,很有可能某些 Channel 的靈敏度會(huì)非常差。因此當(dāng)接收路徑在表層走線時(shí),與周遭走線的距離要拉大,且GND 務(wù)必要包好[9]尤其是單端走線,因?yàn)閱味俗呔€的抗干擾能力,不如差分訊號(hào)[12]

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再來(lái)談?wù)?/span> GPS,由[1,5]可知,當(dāng)輸入訊號(hào)在 LNA 的線性區(qū)時(shí),其 Gain 為一定值,但當(dāng)輸入訊號(hào)過(guò)大時(shí),會(huì)使 LNA 飽和,導(dǎo)致 Gain 下降,亦即靈敏度變差,稱之 Desense

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 LNA  Gain 降為零,即輸入訊號(hào)經(jīng)過(guò) LNA 時(shí),完全不會(huì)被放大,則有可能被 Noise Floor 淹沒(méi),此時(shí)稱該接收訊號(hào)被阻塞(Blocked)

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由于 GPS 接收的是太空衛(wèi)星發(fā)射的訊號(hào),其接收訊號(hào)極微弱,約-150 dBm

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因此其接收訊號(hào)強(qiáng)度并不會(huì)大到足以使其 LNA 飽和,加上 GPS 只有單一Channel[13],換言之,會(huì)使 LNA 飽和的,皆為帶外噪聲。以手機(jī)而言,因?yàn)槔?/span>面會(huì)有許多射頻功能,彼此間可能會(huì)有所干擾,如下圖[13]:

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尤其是 WCDMA,會(huì)有所謂 Tx Leakage 的問(wèn)題[5],再加上以手機(jī)而言,GPS WCDMA 都是用同一個(gè)接收機(jī),例如高通的 WTR1625L,所以若接收訊號(hào)太過(guò)靠近,很有可能 WCDMA  Tx Leakage 會(huì)先流到 WCDMA 的接收路徑,再耦合到GPS LNA 輸入端,由[1]可知,其Tx Leakage LNA 輸入端,最大可到-24 dBm遠(yuǎn)比 GPS 接收的-150 dBm 來(lái)的大,會(huì)讓 LNA 飽和,

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因此一般而言,會(huì)先在LNA 輸入端,放上一顆SAW Filter,來(lái)抑制Tx Leakage[15],避免 GPS LNA 飽和,而因?yàn)?/span> LNA 輸入端的 Loss 對(duì)于 Noise Figure 影響最大,因此該 SAW Filter 的重點(diǎn)是 Insertion Loss 要小。

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然而除了靠 LNA 前端的 SAW Filter 來(lái)抑制 Tx Leakage 的危害,也可以靠 Layout 來(lái)抑制,亦即 GPS 的接收路徑,盡可能遠(yuǎn)離 WCDMA 的發(fā)射路徑,由[16]可知, GPS  WCDMA 的隔離度有 40 dB 以上,那么 Tx Leakage 便幾乎不會(huì)使 GPS LNA 飽和,導(dǎo)致 Gain 下降,如下圖 :

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因此若隔離度足夠,原則上便可不需要在 LNA 前端擺放 SAW Filter,這樣可進(jìn)一步降低 Noise Figure,提升靈敏度[16]然而除了 Tx Leakage 之外,手機(jī)中仍有許多帶外噪聲會(huì)干擾 GPS,例如 GSM Bluetooth 產(chǎn)生的 IMD(Inter Modulation),或是 PCS  WLAN 產(chǎn)生的 IMD,如下[13] :

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因?yàn)?/span> GPS 不如 GSM  WCDMA,有嚴(yán)格的 Blocking 測(cè)試,故原本對(duì)于 GPS 的線性度要求不高,反倒是對(duì)于靈敏度要求較高。但因手機(jī)會(huì)有 Coexistence 的問(wèn)題,如上圖的 IMD,這表示 GPS 接收器必須要有更高的抵抗帶外噪聲能力,因此不得不重視其線性度的要求。原則上可以將 LNA  Gain 降低,避免后端飽和,以確保線性度,但如此一來(lái),其 Noise Figure 又會(huì)因 Gain 的下降而提升,導(dǎo)致靈敏度變差[13]而由[2]可知,接收機(jī)的線性度,主要是取決于 Mixer 的線性度,因此若提高 Mixer線性度,便可提高接收機(jī)的線性度,進(jìn)而加強(qiáng)抵抗帶外噪聲能力。但一般而言,GPS  Mixer,其線性度很難做到足以徹底抵抗帶外噪聲,因此不得不在 Mixer之前,擺放 SAW Filter 來(lái)抑制帶外噪聲,避免帶外噪聲被 LNA 放大后,進(jìn)而使后端電路飽和[16]。因此一般而言,即便 LNA 前端可以不擺放 SAW Filter,但LNA 后端,仍舊會(huì)擺放 SAW Filter 來(lái)抑制帶外噪聲,例如 AVAGO  ALM-1412如下圖[17] :

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然而由上圖可知,縱使 LNA 模塊內(nèi)部已有內(nèi)建的匹配電路,但在外部的 PCB 走線,仍會(huì)作匹配(如上圖的 L3  L4),來(lái)降低 Mismatch Loss。但是匹配組件皆為被動(dòng)組件,會(huì)有 Insertion Loss,這對(duì) Noise Figure 當(dāng)然不利,尤其 GPS 對(duì)于靈敏度又是相當(dāng)要求,因此,若是將匹配組件拿掉,進(jìn)而降低 Insertion Loss Mismatch Loss 的問(wèn)題就單靠阻抗控制來(lái)解決,如此便可同時(shí)降低 Insertion Loss  Mismatch Loss,這種方案可行嗎?
原則上是可行,但在走線方面要非常注意,首先,天線到 LNA 的走線要非常短,因?yàn)樽呔€一長(zhǎng),阻抗就很難控制得好,同時(shí)也會(huì)增加 Insertion Loss。其次,由[9-10]可知,表層走線具有最短走線距離,以及阻抗容易控制在 50 奧姆/100 奧姆的優(yōu)點(diǎn),因此天線到 LNA 的走線要走表層。再者,天線到 LNA 的走線,其線寬不宜過(guò)細(xì),由[10]可知,其阻抗誤差如下式 :

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因?yàn)?/span> PCB 廠的制程能力,一般來(lái)說(shuō)會(huì)有正負(fù) 0.5mil 的線寬誤差,因此,若線寬過(guò)細(xì),則可能會(huì)阻抗誤差過(guò)大,如此阻抗便很難控制得好,同時(shí) Insertion Loss 也會(huì)因線寬過(guò)細(xì)而加大,因此該段走線的線寬不宜過(guò)細(xì),必要時(shí)甚至可靠下層挖空的方式,在阻抗不變的情況下,來(lái)拓展線寬[10]

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Gain
消費(fèi)者在使用手機(jī)時(shí),很可能會(huì)因?yàn)樘幱谝苿?dòng)狀態(tài),導(dǎo)致與基地臺(tái)間的Path loss 一直更動(dòng),加上附近周遭環(huán)境的Shadowing effect,導(dǎo)致手機(jī)所接收的訊號(hào)強(qiáng)弱不一。也就是LNA的輸入訊號(hào)強(qiáng)度,會(huì)有很大范圍的變動(dòng)[19]

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由上式知當(dāng) LNA 的輸入訊號(hào)不固定時(shí),若 Gain 為單一固定值,則輸出訊號(hào)也會(huì)不固定。很可能當(dāng)輸入訊號(hào)過(guò)大時(shí),后端電路飽和,線性度下降。或輸入訊號(hào)過(guò)小時(shí),后端電路 SNR 下降,Noise Figure 上升。因此要有 AGC ( Automatic gain control )的機(jī)制,如此即便輸入訊號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍過(guò)大,也能盡可能縮減輸出訊號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍,使整體電路的 Noise Figure 與線性度優(yōu)化。因此 GSM  LNA,多半采用 Gain-stepped 架構(gòu),其 Gain 皆非單一固定值,即 VGA(Variable gain amplifier) 架構(gòu),如下圖 :

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以高通的 RTR6285A 為例[20],因?yàn)椴捎昧阒蓄l架構(gòu),會(huì)直接將接收的射頻訊號(hào),透過(guò)ADC (Analog Digital Converter) 轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號(hào)。射頻前端要有足夠的Gain才有足夠能力去驅(qū)動(dòng) ADC[21],否則會(huì)無(wú)法解調(diào),導(dǎo)致 SNR 下降。但若 Gain 過(guò)大,會(huì)使后端電路飽和,導(dǎo)致 Noise Floor 上升,一樣會(huì)使 SNR 下降。因此以靈敏度的角度而言,之所以希望透過(guò) AGC 機(jī)制,以及 VGA,來(lái)縮減 LNA 輸出訊號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍,主要便是希望 ADC 的輸入訊號(hào),其強(qiáng)度大小能適中,使訊號(hào)在解調(diào)時(shí),不會(huì)因訊號(hào)過(guò)小而導(dǎo)致 SNR 下降,也不會(huì)因訊號(hào)過(guò)大,使后端電路飽和,Noise Floor 上升,而導(dǎo)致 SNR 下降[19]

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而高通的 RTR6285AGSM 四個(gè)頻帶的 LNA,都采用 Gain-stepped 架構(gòu),有五 Gain Mode,其 Gain Range 示意圖如下[20]:

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五種 Gain Mode,皆有其 Gain Range,分別應(yīng)用于不同強(qiáng)度范圍的接收訊號(hào)。當(dāng)接收訊號(hào)較大時(shí),LNA 會(huì)采用 Low Gain Mode,一方面節(jié)省耗電流,另一方面避免后端電路飽和。而接收訊號(hào)較小時(shí),會(huì)采用 High Gain Mode,確保有足夠的能力去驅(qū)動(dòng) ADC[19]
當(dāng)然,不同 Gain Mode,其 Noise Figure 也不同,如下圖[22] :

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  由 Noise Figure 公式可知,Gain 越大,其 Noise Figure 越小,因此理所當(dāng)然 的,其High Gain Mode Noise Figure,比Low Gain Mode 來(lái)得低。同時(shí)由前述已知,所謂靈敏度,指的是在 SNR 能接受的情況下,其接收機(jī)能接收到的最小訊號(hào),因此當(dāng)接收訊號(hào)微弱時(shí),其 Noise Figure 便顯得很重要,故需要啟動(dòng) High Gain Mode,來(lái)將 Noise Figure 壓低,以便獲得較佳的靈敏度。
由前述可知,當(dāng) Gain 大時(shí),Noise Figure 就低,但線性度可能會(huì)因飽和而降低。當(dāng) Gain 小時(shí),可確保線性度,但 Noise Figure 會(huì)升高。因此 Noise Figure 與線性度,是一種折衷考慮,尤其是 SAW-less 的接收器,因?yàn)闆](méi)有 SAW Filter 可以抵擋帶外噪聲,此時(shí)對(duì)于 LNA  Mixer 的線性度便更為要求,這樣接收機(jī)才有足夠能力抵擋帶外噪聲[23]。雖然在要求線性度的情況下,其 Gain 不宜過(guò)大,然而不代表 Gain 較小時(shí),其靈敏度就一定變差,以高通的 RTR6285A WTR1605L 為例,我們發(fā)現(xiàn) WTR1605L  Gain 比較低,但其 Noise Figure 并未比較高,如下圖[20,24] :

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而量測(cè)結(jié)果也顯示,Gain 較低的 WTR1605L,其靈敏度比 Gain 較高的 RTR6285A 更好,這表示若 LNA  Mixer 本身的 Noise Figure 能降低,即使 Gain 較小,其Noise Figure 一樣能壓低,進(jìn)而擁有較佳的靈敏度。

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Bandwidth
由前述靈敏度公式可知,其靈敏度與帶寬有關(guān),帶寬越寬,其靈敏度就越差。WCDMA 的帶寬為 5 MHzGSM 的帶寬為 200 KHz,因此理論上,WCDMA的靈敏度會(huì)較差,但實(shí)際上在量測(cè)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn),WCDMA 的靈敏度普遍都比GSM 來(lái)得好,而對(duì)于 WCDMA 靈敏度的規(guī)范,也比 GSM -102 dBm 來(lái)的嚴(yán)格,如下圖[1] :

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這主要與 WCDMA 的展頻機(jī)制有關(guān),由[1]可知,WCDMA 為了使訊號(hào)不易被干擾與擷取,因此采用了展頻技術(shù),同時(shí)也由 Shannon theorem 得知,

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當(dāng)帶寬拓展后,其信道容量也提升了,連帶提高了 Data Rate。另外,由于原始數(shù)據(jù)的 Chip Rate,會(huì)在展頻后大大提升,使得訊號(hào)會(huì)額外獲得增益,進(jìn)而再提 SNR,該增益稱為處理增益,Processing GainGp

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R是原始資料的 Chip RateRc是展頻后的 Chip Rate,由[1]可知, Rc分別為 12.2Kbps  3.84Mcps,帶入上式,

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由上圖可知,當(dāng) WCDMA 的接收訊號(hào)展頻后,會(huì)額外再獲得 25 dB  Gain,提 SNR,進(jìn)而提高靈敏度,因此雖然 WCDMA 的帶寬較寬,但實(shí)際上在量測(cè)時(shí),其靈敏度普遍都比 GSM 來(lái)得好。而制訂國(guó)際規(guī)范的單位,也知道這一點(diǎn),故其WCDMA 的靈敏度,會(huì)制定得比 GSM 來(lái)的嚴(yán)格[25]
SNR
在講 SNR 之前,先講 CNR。所謂 CNR  Carrier Noise Ratio,指的是在解調(diào)(進(jìn)入解調(diào)器的)前的射頻信號(hào)功率與噪聲功率的比值,如下圖 [27-28] :

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 SNR  Signal Noise Ratio,指的是接收機(jī)接收解調(diào)后,基帶信號(hào)中有用信號(hào)功率與噪聲功率的比值,如下圖 [27-28] :

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因此以整個(gè)接收機(jī)架構(gòu)的角度而言,其 CNR  SNR 的關(guān)系如下 :

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雖然 SNR  CNR 一個(gè)反映的是基帶信號(hào)質(zhì)量,而另一個(gè)反映的是射頻信號(hào)質(zhì)量,但是在本質(zhì)上兩者是一樣的,亦即原則上,兩者應(yīng)該相等[27]
由前述已知,靈敏度指的是在 SNR 能接受的情況下,其接收機(jī)所能接收到的最小訊號(hào),以 GSM 要求的靈敏度 -102 dBm 為例,其 SNR 至少需 9 dBBER 不得超過(guò)2.44%[21],然而現(xiàn)今GSM 接收器,如前述高通的RTR6285A WTR1605L Cell Power  -102 dBm 時(shí),其 SNR 都大于[敏感詞]要求的 9 dB,換句話說(shuō),當(dāng)SNR 為[敏感詞]要求的 9 dB 時(shí),其靈敏度至少都能有 -108 dBm 的水平,如下圖 :

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而也由[21]可知,當(dāng) Cell Power  -102 dBm 時(shí),此時(shí)推算出來(lái)的 Noise Figure,不得超過(guò) 10 dB,當(dāng)然由于現(xiàn)今 GSM 接收器,其 Noise Figure 都可做到比 10 dB 小,故靈敏度都不只 -102 dBm,至少都能有 -108 dBm 的水平,如下圖 :

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由此可知,Noise Figure 越低,SNR 越大,其靈敏度就越好。而 Noise Figure 已討論過(guò),故接下來(lái)將探討 SNR 與靈敏度的關(guān)聯(lián)。
先談射頻前端的 CNR,理想上 CNR 當(dāng)然是越大越好,最好是無(wú)限大(表示都沒(méi)有噪聲),但實(shí)際上不可能沒(méi)有噪聲,因此訊號(hào)要盡可能地高,噪聲要盡可能地低,這樣 CNR 才會(huì)大。反過(guò)來(lái)講,若訊號(hào)降低,噪聲升高,則 CNR 變小,其靈敏度便劣化,如前述,當(dāng) LNA 輸入訊號(hào)過(guò)強(qiáng)時(shí),其 Gain 會(huì)下降,同時(shí)會(huì)因 LNA 飽和,導(dǎo)致 Noise Floor 上升,CNR 變小,此即為 Desense

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而由[1]可知,其發(fā)射端的 LO,若其 Phase Noise 過(guò)大,雖然不會(huì)使接收訊號(hào)變小,但會(huì)導(dǎo)致 Noise Floor 上升,CNR 一樣會(huì)變小,以至于靈敏度變差。

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或是解調(diào)時(shí),外來(lái)噪聲會(huì)與接收端的 LO 產(chǎn)生交互混波,導(dǎo)致 CNR 變小,靈敏度變差[1,5.26]

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前述提到,原則上,CNR  SNR 兩者應(yīng)該相等。但實(shí)際上,兩者的關(guān)系如下 :

CNR  SNR

由前述已知,SNR 越大,其靈敏度就越好,但有可能訊號(hào)在解調(diào)過(guò)程中,以及在基帶數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中,引入額外噪聲,導(dǎo)致 SNR 變小,以至于靈敏度變差[27],換言之,CNR 大,不代表靈敏度就會(huì)好,其中原因之一,便是來(lái)自于 IQ 訊號(hào)。

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[12]可知,差分訊號(hào)具有良好的抗干擾特性,因此IQ訊號(hào),多半為差分型式。而IQ訊號(hào)彼此相位差為90度,而差分訊號(hào)之相位差為180度,因此IQ訊號(hào)全部四條訊號(hào)線的相位差如下圖[29-30] :

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然而,若 IQ 訊號(hào)振幅不相等,則稱為 IQ Gain Imbalance。若 IQ 訊號(hào)相位差不為90 度,則稱為IQ phase Imbalance,而多半會(huì)將這兩種現(xiàn)象,統(tǒng)稱為IQ Imbalance。引起 IQ Imbalance 的因素有許多,例如 Layout 好壞也會(huì)影響 IQ Imbalance ,由于 IQ 訊號(hào)會(huì)走差分訊號(hào)型式,而差分訊號(hào)需符合等長(zhǎng),間距固定,以及間距不宜過(guò)大的要求[12],但實(shí)際 Layout 很難完全符合這些需求,因此會(huì)有 IQ Imbalance[29]。而在解調(diào)時(shí),會(huì)以所謂的 EVM(Error Vector Magnitude),來(lái)衡 IQ Imbalance 的程度,如下圖[28] :

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而由[31]可知,EVM  SNR 成反比,如下式 :

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亦即若 EVM 過(guò)大,則SNR 就低,那么靈敏度就會(huì)劣化。
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