输入线性度对优化射频接收器设计的重要性

接收器的线性度在整个系统的性能中起着至关重要的作用。它会影响系统级参数，如链路预算和接收器灵敏度。设计高性能射频（RF）接收器需要在两个关键指标之间进行权衡：噪声系数（NF）和输入线性度（通常以输入三阶交调截取点，即IIP3表示）。较低的NF可提高灵敏度，但通常需要更高的增益。相反，较高的IIP3能够更好地耐受干扰，但通常以牺牲增益为代价。

本文探讨了这些指标之间的相互作用，以及接收器线性度性能对整个系统性能的关键作用。我们还将介绍交调失真的关键概念、发射器与接收器在线性度优化方面的差异，以及误差矢量幅度（EVM）等工具如何简化整体系统级的权衡。

线性度简述

线性度是指放大器产生与输入信号呈线性关系的输出信号的能力。良好的线性信号有助于保持信号完整性；非线性则会导致失真、交调产物和频谱再生——所有这些都会造成系统中的信号质量下降。线性度性能是在中等信号水平下测量的，即系统未被驱动至压缩状态，但会产生交调失真。

二阶和三阶交调截取点及交调失真产物

二阶和三阶交调截取点（IP2和IP3）产物被广泛用于评估RF系统的线性性能。IIP3是指三阶交调失真产物（IMD）的功率等于基波输出信号功率时的假设输入功率水平。要充分理解IP3，关键是要了解输入IP3（IIP3）和输出IP3（OIP3）之间的区别。

IIP3是截取点处进入设备的信号功率，而OIP3是同一截取点处从设备输出的信号功率。这两个值有助于我们了解RF设备在处理不同输入信号水平时的性能。厘清输入IP3（IIP3）和输出IP3（OIP3）之间的关系，可以为理解RF设备及系统的行为提供宝贵的见解。其中，OIP3可使用以下公式计算：

OIP3(dBm) = 增益(dB) + IIP3(dBm)

在达到IP3点之前，设备通常会达到饱和状态。这意味着无论你如何提高输入功率，设备都无法再以线性方式提升输出功率；结果是信号压缩和失真，参见图1。

图1，IP2、IP3和P1dB

如图2所示的双音测试可用于测量IP2和IP3。施加两个频率分别为f1和f2、功率水平（输入功率Pin）相等且频率相近的正弦信号（基波信号），然后观察随着Pin增加，在频率|f2 - f1|、2f1和2f2处的二阶IMD（IM2）水平。对于三阶交调失真产物，双音频率的选择应确保IM产物落在接收信号频带内。对于IP3，随着Pin增加，观察在|2f1 - f2|和|2f2 - f1|处的IM3分量。

图2，基波信号与交调失真产物

IP3是由三阶IMD，即上述的|2f1 - f2|和|2f2 - f1|所决定的。三阶截取点是衡量RF接收器在所需通带内受到多个RF信号作用时耐受能力的一个性能指标。这些IMD产物在RF系统的发射端和接收端都会出现；但优化系统两端的方法略有不同。

如图3所示，该图展示了代表放大器不同工作区域的两条不同斜率的曲线。在初始的线性区域，输出功率随输入功率按1:1的比例增加，这反映了设备在无失真理想状态下的运行情况，此时基波信号占主导地位。该区域表明放大器在其线性动态范围内工作，能够保持信号完整性。

然而，随着输入功率持续上升，设备过渡至非线性区域；交调失真产物，特别是三阶交调失真产物（IMD3）开始出现。在该区域，这些失真分量的增长速度远快于基波信号，呈现3:1的特征斜率。这意味着输入功率每增加1dB，IMD3分量就会增长3dB，很快就会超过所需信号，并导致整体性能下降。准确理解这两个区域及其各自的斜率，对于准确表征RF元件的线性度以及预测其在真实信号条件下的性能至关重要。

图3，IP3与输入功率和输出功率的斜率关系

通过IIP3优化接收器

在设计RF接收器时，若只关注输出线性度，可能会产生误导，因为这种做法往往侧重于增益，而最终会损害接收器的性能。

虽然更高的输出增益有助于提升输出线性度（如在发射器中常见的做法），但同时会降低输入线性度，使系统更容易因较小的输入信号而进入压缩状态，如图4所示。数据表明，要获得最佳的接收器性能，需要在输入参考线性度和NF之间进行仔细权衡。提高前端增益可以降低NF，但会牺牲输入线性度。反之，追求更高的输入线性度则需要降低整体增益，这又会导致NF升高。因此，有效的接收器设计需要在这些参数之间进行权衡，避免过度牺牲任何一个参数。设计人员必须摒弃“增益越高越好”这种以发射器端为导向的思维模式，而应针对预期应用选择一个能够在NF与IIP3之间达到最优平衡的增益配置。

图4，级联RF接收器参数数据对比

接收器线性度IIP3为何如此重要？这是因为接收器线性度IIP3直接影响接收器处理多信号以及防止IMD产生的能力。在接收器设计中，较高的IIP3意味着接收器线性度更好，因此能更有效地将设计信号与不需要的IMD区分开来。

对于系统设计者而言，理解增益、NF、OIP3和IIP3等关键参数之间的相互影响十分重要。平衡这些参数之间的取舍关系，是实现系统整体优化的关键所在。

EVM与浴缸曲线解析

误差矢量幅度（EVM）是衡量数字通信系统中理想信号与实际接收信号间差异的指标；其表现形式可能源于多种不同因素。EVM性能指标通常是噪声和失真的综合体现。如图5所示，在较低功率水平下，噪声往往占主导地位；随着功率降低，EVM会增大。在较高功率水平下，失真通常占主导地位；随着功率增加，我们会观察到EVM增大。而在中间功率水平，我们常常能看到EVM达到最小值，因此整体形状呈类似“浴缸”的曲线形状。所以，EVM“浴缸曲线”成为系统级优化的重要可视化工具，能够全面展示不同干扰因素如何共同影响整体性能。

当然，我们也在密切关注下一波技术浪潮：AI雷达？UWB机器视觉？比所服务的系统更小、更快、更智能的BAW和SAW滤波器？这些都是我们的优势领域。

图5，EVM浴缸曲线（EVM vs 工作功率）

虽然大多数频率器件在2GHz以下具有较低的相位噪声，但在更高频率和更宽信号带宽下，这一优势会减弱，集成相位噪声会大幅增加，进而降低系统性能。这一挑战在20GHz以上的毫米波（mmWave）系统中尤为突出，因为较高的相位噪声会直接导致EVM升高。

为解决这一问题，系统级设计通常从级联分析入手，利用单个组件的低层级性能指标来估算整个系统的行为。在这种情况下，EVM成为一种非常实用的系统级性能指标，使工程人员能够将噪声、非线性、相位噪声等多种缺陷因素的影响整合为单一优化目标。相比于分别调整多个独立参数，设计人员也可以专注于最小化均方根（rms）EVM值，以实现高效且有效的设计流程。EVM浴缸曲线可在视觉上辅助这一优化过程。

优化接收器线性度所带来的系统优势

在面对强信号或密集信号环境时，RF接收器的高线性度对于保持系统稳健性能举足轻重。高接收器线性度的主要优势之一是扩大了无杂散动态范围（SFDR）；该指标量化了在交调失真产物超过底噪之前的可用信号范围。SFDR与IIP3成正比，与底噪（No）成反比；其关系由以下公式定义：

SFDR = (2/3) × (IIP3 − No)

IIP3越高，表明对干扰的耐受能力越好，因为每增加1dB的IIP3，三阶交调（3IM）杂散信号大约会降低2dB。然而，实现高线性度往往以较高的NF为代价，这是众所周知的设计权衡问题。能够根据实时输入信号强度动态调节接收器输入线性度的系统，具有最大的灵活性。在干扰较小的RF环境中，也可以利用较高的接收器增益来最小化NF，尽管这会降低输入线性度。相反，在干扰较大的场景中，降低增益可提高输入线性度，使接收器能够更好地耐受强干扰信号。对于接收器而言，关注输入线性度比关注像OIP3这样的输出指标更为重要，因为较高的OIP3会误导性地显示接收器性能良好，而实际上其输入信号处理能力可能较差。

结论

综上所述，优化RF接收器性能需要在输入线性度和NF之间进行精心权衡，因为这两个参数对系统灵敏度、干扰耐受能力和整体信号保真度都有着至关重要的影响。虽然传统设计方法可能优先考虑OIP3等输出指标，或者默认最大化增益，但这可能会带来不太理想的性能折中，特别是在动态RF环境中。借助EVM分析和级联建模等工具，重点关注IIP3，能够更准确地预测接收器系统行为，并做出更明智的设计决策。无论是在有利于采用高增益、低NF的低干扰条件下运行，还是在需要通过降低增益来提高线性度的高干扰场景中，能够根据信号环境动态调整的自适应接收器架构都能提供最大的设计灵活性。在系统级视角，综合考虑交调失真、压缩、噪声和相位失真等所有系统缺陷，工程人员可以在各种应用场景中实现既稳健又高效的接收器设计。

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关于作者

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感谢参与本文撰写的主要贡献者：David Corman（首席系统架构师）和David Schnaufer（技术市场经理）；他们的宝贵支持为我们的读者带来专业知识和反映行业趋势的最新信息。