Tx/Rx系统中的非线性失真

卖萌娃

1、非线性失真

在双端口网络或传输线上，输入与输出之间为非线性关系时出现的信号失真。非线性失真分为非线性幅度失真和非线性相位失真。

衡量非线性失真(非线性幅度失真)主要技术指标有：Pin-1(Pout-1)、IMD2、IMD3、IIP2(OIP2)、IIP3(OIP3)等，非线性失真主要由放大器、混频器等有源器件引入。

2、非线性失真主要技术指标

大多数文献中，为了描述简洁，通常用英文缩写来描述非线性失真的主要技术指标。如果初次接受这么多概念，难免会弄糊涂了。下面用完整的英文来解释这些概念，一目了然。

Pin：Input power；

Pout：Output power；

P-1dB：1dB compression point；

IM3：3rd order two tone intermodulation product；

IMD3：The differences between output power and IM3；

IM2：2rd order two tone intermodulation product；

IMD2：The differences between output power and IM2；

IP3：3rd order intercept point；

IIP3：Input two tone 3rd order intercept point；

OIP3：Output two tone 3rd order intercept point；

IIP2：Input two tone 2rd order intercept point；

OIP2：Output two tone 2rd order intercept point；

具体概念的定义，如下图所示，可以很明晰的看到二阶、三阶截断点、1dB压缩点之间的关系。






​3、非线性器件的分析

非线性器件有多种分析方法(幂级数分析法、指数函数分析法等)，下面采用幂级数分析法分析非线性器件的特性。

设某一非线性器件的输入信号为v，输出信号为y=f(v)，如果f(v)的各阶倒数存在，则该函数可以展开成以下幂级数。


实际应用中我们取幂级数的前三项，即


设输入信号为： ，则非线性器件的输出信号为：

上式说明了输出信号中所包含的全部频谱成份，并有如下规律：

1.输出信号中产生了输入信号中没有的新的频率成份(谐波及各种组合频率)；

2.输出信号中最高谐波次数及各种组合频率的系数之和不超过‘非线性的幂多项式最高次数’

3.输出信号中的直流成分、偶次谐波以及系数之和为偶数的各种组合频率成分，其振幅只与幂级数的偶次项系数(包括常数项)有关，而与奇次项系数无关；类似的，奇次谐波以及系数之和为奇数的各种组合频率成分，其振幅只与幂级数的奇次项系数有关；

4.m次谐波(直流成分可视作零次，基波可视作一次)以及系数之和等于m的各组合频率成分，其振幅只与幂级数中等于及高于m的各项系数有关；

5.所有组合频率都是成对出现的。

实际测试中，我们通常输入等幅双音信号，即



则非线性器件的输出为：

从而可以得出各分量之间的关系：


表(1)

各分量之间有如下关系：


​4、三阶交调

第三部分对所有非线性分量 进行了定量分析，这部分主要讨论三阶交调。

我们通过解决这几个疑问来学习这方面的知识：

1）什么是交调？


2）什么是三阶？


3）为什么在几乎所有的情况下，只提三阶交调(2w2-w1、2w2-w1)，而不是四阶、五阶？

因为2w2-w1、2w2-w1位于输入信号附近，因此不容易从放大器的通带内滤除。

4）什么是三阶截断点？

一阶和三阶功率相等的点(虚拟的1个点)

5）  Pin-1dB与IIP3的关系？


通常，实际PA的IIP3比其大10～15dB。

6）三阶交调的应用？

无寄生动态范围等。

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