以IIP3與EVM揭示性能優化路徑　射頻接收器之線性度與雜訊權衡

本文探討射頻(RF)接收器中雜訊係數(Noise Figure, NF)與輸入三階交調截取點(Input Third-Order Intercept Point, IIP3)之間的權衡關係；說明增益在改善NF的同時如何降低線性度，以及誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)和無雜散動態範圍(Spurious-Free Dynamic Range, SFDR)視覺化不同訊號條件下的性能表現。

接收器的線性度在整體系統性能中扮演關鍵角色，影響鏈路預算和接收器靈敏度等系統級參數。設計高性能射頻接收器必須在NF與IIP3兩項關鍵指標間取得平衡：較低NF可提高靈敏度，卻需仰賴更高的增益；相對地，較高IIP3能夠提升受干擾能力，但必須以犧牲增益為代價。

本文除探討這些指標之間的相互作用，以及接收器的線性度表現對整個系統性能的關鍵作用，也將介紹交調失真的關鍵概念、發射器與接收器在線性度優化方面的差異，以及誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)等工具如何簡化整體系統的平衡。

線性度概述
線性度是指放大器產生與輸入訊號呈線性關係的輸出訊號的能力。良好的線性度有助於保持訊號完整性；非線性則會導致失真、交調產物和頻譜再生——進而導致系統中的訊號品質下降。線性度是在中等訊號水準下測量的，即系統未被驅動至壓縮狀態，但會產生交調失真。

二、三階交調截取點與失真產物
二階和三階交調截取點(IP2和IP3)產物被廣泛用於評估RF系統的線性性能。IIP3是指三階交調失真產物(IMD)的功率等於基波輸出訊號功率時的假設輸入功率水準。理解IP3的關鍵，在於如何區分輸入IP3(IIP3)和輸出IP3(OIP3)的不同。

IIP3是截取點處進入設備的訊號功率，而OIP3是同一截取點處從設備輸出的訊號功率。這兩個值有助於瞭解RF設備在處理不同輸入訊號水準時的性能。釐清輸入IP3(IIP3)和輸出IP3(OIP3)之間的關係，可以為理解RF設備及系統的行為提供寶貴的見解。其中，OIP3可使用以下公式計算：
OIP3(dBm)＝增益(dB)＋IIP3(dBm)
實際上，設備通常在達到IP3點之前，就已進入飽和狀態。這意味著無論如何提高輸入功率，設備都無法再以線性方式提升輸出功率；結果便是訊號壓縮和失真，參見圖1。

圖2所示的雙音測試可用於測量IP2和IP3。對被測設備輸入兩個頻率分別為f1和f2、輸入功率(pin)相等且頻率相近的正弦訊號，然後觀察隨著Pin增加，在頻率|f2-f1|、2f1和2f2處的二階IMD(IM2)水準。對於三階交調失真產物，雙音訊率的間距應設定在使三階交調產物(IM3)落入接收訊號頻帶內。對於IP3，隨著Pin增加，觀察在|2f1-f2|和|2f2-f1|處的IM3分量。

IP3是由三階IMD，即上述的|2f1-f2|和|2f2-f1|所決定的。三階截取點是衡量RF接收器在所需通帶內受到多個RF訊號作用時耐受能力的一個性能指標。這些IMD產物在RF系統的發射端和接收端都會出現；但優化系統兩端的方法略有不同。

如圖3所示，圖中以兩條不同斜率的曲線，展示了放大器的不同工作區域。在初始的線性區域，輸出功率隨輸入功率按1:1的比例增加，這反映了設備在無失真理想狀態下的運行情況，此時基波訊號占主導地位。該區域表明放大器在其線性動態範圍內工作，能夠保持訊號完整性。

然而，隨著輸入功率持續上升，設備過渡至非線性區域；交調失真產物，特別是三階交調失真產物(IMD3)開始出現。在該區域，這些失真分量的成長速度遠快於基波訊號，呈現3:1的特徵斜率。這意味著輸入功率每增加1dB，IMD3分量就會成長3dB，很快就會超過所需訊號，並導致整體性能下降。準確理解這兩個區域及其各自的斜率，對於準確表徵RF元件的線性度以及預測其在真實訊號條件下的性能至關重要。

IIP3導向的接收器優化
在設計RF接收器時，若只關注輸出線性度，可能會產生誤導，因為這種做法往往偏重於增益，可能導致接收器的性能受損。

雖然更高的輸出增益有助於提升輸出線性度(如在發射器中常見的做法)，但同時會降低輸入線性度，使系統更容易因較小的輸入訊號而進入壓縮狀態，如圖4所示。實驗數據顯示，若要達到最佳的接收器性能，必須能夠在輸入線性度和NF之間取得平衡。提高前端增益可以降低NF，但會犧牲輸入線性度。反之，追求更高的輸入線性度則需要降低整體增益，這又會導致NF升高。因此，有效的接收器設計需要在這些參數之間進行權衡，避免過度犧牲任何一個參數。設計人員必須摒棄以發射器端為導向的「增益越高就是越好」的觀念，而應針對預期應用，選擇一個能夠在NF與IIP3之間達到最優平衡的增益配置。

接收器線性度IIP3為何如此重要？這是因為接收器線性度IIP3直接影響接收器處理多訊號以及防止IMD產生的能力。在接收器設計中，較高的IIP3意味著接收器線性度更好，因此能更有效地將設計訊號與不需要的IMD區分開來。

對系統設計者而言，理解增益、NF、OIP3和IIP3等關鍵參數之間的相互影響十分重要。平衡這些參數之間的取捨關係，是實現系統整體優化的關鍵所在。

EVM與浴缸曲線解析
誤差向量幅度(EVM)用以衡量數位通信系統中，理想訊號與實際接收訊號間差異；其表現形式可能源於多種不同因素。EVM性能指標通常是雜訊和失真的綜合體現。如圖5所示，在較低功率水準下，雜訊往往占主導地位；隨著功率降低，EVM會增大。在較高功率水準下，失真通常占主導地位；隨著功率增加，可觀察到EVM增加。而在中間功率水準，則能看到EVM達到最小值，因此整體形狀呈類似浴缸的曲線形狀。所以，EVM「浴缸曲線」便成為系統級優化的重要視覺化工具，能夠全面展示不同干擾因素如何共同影響整體性能。

當然，當下也有新一波技術浪潮值得關注：AI雷達、UWB機器視覺，以及更小、更快、更智慧的BAW與SAW濾波器，皆展現強勁的發展潛力。

雖然大多數頻率器件在2GHz以下具有較低的相位雜訊，但在更高頻率和更寬訊號頻寬下，這一優勢會被減弱，整合相位雜訊會大幅增加，進而降低系統性能。這一挑戰在20GHz以上的毫米波(mmWave)系統中尤為突出，因為較高的相位雜訊會直接導致EVM升高。

為解決這一問題，系統級設計通常從級聯分析入手，利用單個元件的低層級性能指標來估算整個系統的行為。在這種情況下，EVM成為一種非常實用的系統級性能指標，使工程人員能夠將雜訊、非線性、相位雜訊等多種缺陷因素的影響整合為單一優化目標。相比於分別調整多個獨立參數，設計人員也可以專注於最小化EVM值，以實現高效且有效的設計流程，而EVM浴缸曲線可在視覺上輔助這一過程。

接收器線性度優化的系統效益
在面對強訊號或密集訊號環境時，RF接收器的高線性度對於保持系統穩健性能舉足輕重。高接收器線性度的主要優勢之一，是擴大無雜散動態範圍(Spurious-free Dynamic Range, SFDR)；該指標量化了在交調失真產物超過底噪之前的可用訊號範圍。SFDR與IIP3成正比，與底噪(No)成反比；其關係由以下公式定義：
SFDR＝(2/3)×(IIP3－No)
IIP3越高，表明對干擾的耐受能力越好，IIP3每增加1dB，三階交調(IM3)雜散訊號約可降低2dB。然而，實現高線性度往往以較高的NF為代價，這是眾所周知的設計權衡問題。能夠根據即時輸入訊號強度動態調節接收器輸入線性度的系統，具有最大的靈活性。在干擾較小的RF環境中，也可以利用較高的接收器增益來最小化NF，儘管這會降低輸入線性度。相反，在干擾較大的場景中，降低增益可提高輸入線性度，使接收器能夠提升耐受強干擾訊號。對於接收器而言，關注輸入線性度比關注像OIP3這樣的輸出指標更為重要，因為較高的OIP3會誤導性地顯示接收器性能良好，而實際上其輸入訊號處理能力可能較差。

綜上所述，優化RF接收器性能需要在輸入線性度和NF之間進行精心權衡，因為這兩個參數對系統靈敏度、干擾耐受能力和整體訊號保真度都有著至關重要的影響。雖然傳統設計方法可能優先考慮OIP3等輸出指標，或者默認最大化增益，但這可能會帶來不太理想的性能折衷，特別是在動態RF環境中。透過EVM分析和級聯建模等工具，聚焦於IIP3參數，可更準確地預測接收器系統行為，並輔助設計決策。無論是在有利於採用高增益、低NF的低干擾條件下運行，還是在需要透過降低增益來提高線性度的高干擾場景中，能夠根據訊號環境動態調整的自我調整接收器架構都能提供最大的設計靈活性。從系統級觀點出發，綜合考慮交調失真、壓縮、雜訊和相位失真等因素，工程師即可於多種應用場景中實現兼具穩健與高效的接收器設計。
(本文作者David Corman為Qorvo首席系統架構師、David Schnaufer為Qorvo技術市場經理)