非線性不是「波形變醜」而已，而是：頻譜上長出不存在的新訊號，直接打爆 ACLR / EVM / Sensitivity / Blocking。
🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
- 用工程語言定義非線性：AM-AM、AM-PM、壓縮、增益隨輸入改變
- 看懂互調（IMD）怎麼生成：IM2、IM3 為何最致命
- 了解 IIP3、P1dB、SFDR、Blocking 的關係
- 把互調失真連到系統後果：ACLR、EVM、鄰道干擾、接收靈敏度崩盤
- 具備實務驗證流程：兩音測試、blocker 掃描、量頻譜外溢與基頻品質
🧭 一句話總結（超核心）
👉 非線性會把外部強訊號「變出」新的頻率分量；而這些分量可能剛好落在你的通帶內，所以你不是被干擾打死，而是被 自己電路生成的互調產物 打死。
🧑🎓 0｜給初學者：你為什麼要在意非線性？
你可能以為 RF 電路的工作是：
- LNA：把弱訊號放大
- Mixer：把 RF 變成 IF/BB
- PA：把訊號送大功率出去
但現實是：
✅ 你遇到的不是只有「想要的訊號」，還有一堆強的 blocker（鄰道、帶外、基地台、Wi-Fi、其他系統）。
而非線性會把這些強訊號「加工」成新頻率垃圾，垃圾如果掉進你的通帶，你就完了。
直覺比喻：
👉 非線性就像「音響開太大會破音」，破音不是不好聽而已，它會長出很多不該有的頻率成分。
🧠 1｜非線性到底是什麼
1.1 線性理想（你希望的）
輸入 x → 輸出 y
y = a₁x
直覺：比例放大，輸入變 2 倍，輸出也變 2 倍。
1.2 真實世界（非線性）
y = a₁x + a₂x² + a₃x³ + …
初學者直覺：
- 多出來的 x²、x³ 項，會把「原本沒有的頻率」生出來。
- a₂ 造成偶次失真（IM2），a₃ 造成奇次失真（IM3）。
✅ 工程重點：
👉 在多訊號/強干擾環境下，IM3 通常最致命。
🧠 2｜AM-AM / AM-PM / 壓縮：非線性的三種「長相」
2.1 AM-AM（幅度轉移不再比例）
- 輸入幅度增加，輸出幅度不再線性增加
- 你會看到增益開始掉（壓縮）
2.2 AM-PM（幅度影響相位）
- 輸入幅度變大，輸出相位開始漂
- 直接傷星座圖 → EVM 上升
2.3 壓縮（Compression）
- 從某點開始，放大器不再像放大器
- 之後頻譜外溢更嚴重、EVM 更快爆
初學者一句話：
👉 AM-AM 讓你「拉不動」，AM-PM 讓你「方向歪掉」，壓縮是兩者同步惡化的門檻。
🧠 3｜互調（IMD）怎麼生成：兩音是最小代表案例
給兩個強訊號：f1、f2
非線性會生出很多組合頻率，其中最常用的是：
- IM2：f1+f2、|f1−f2|
- IM3：2f1−f2、2f2−f1
3.1 為什麼 IM3 最致命？
因為 IM3 會長在 f1、f2 附近，非常「貼身」，容易落入通帶/鄰道。
ASCII 頻譜直覺：
頻率軸 → IM3 f1 f2 IM3 | | | | 2f1−f2 2f2−f1
工程結論：
👉 IM3 不是遠方雜波，是最容易「剛好掉進你要的頻帶」的殺手。
3.2 IM2 什麼時候會特別痛？
IM2 會產生差頻 |f1−f2|。
在 零 IF / direct conversion，baseband 很低頻，差頻很容易直接落在 BB → 形成低頻垃圾或 DC 汙染。
直覺一句話：
👉 IM2 會把 RF 干擾「下變頻」成低頻垃圾，零 IF 特別怕。
🧠 4｜三個最常用非線性指標：P1dB、IIP3、SFDR
4.1 P1dB（1 dB 壓縮點）
定義：輸出相對理想線性外推少 1 dB 的點。
直覺： 👉 從這點開始，你不再能當「比例放大器」。
ASCII：
理想：一直直線 實際：後段彎下去 彎下去 1 dB 的點 = P1dB
4.2 IIP3（Input-referred 3rd-order intercept point）
兩音測試中：
- fundamental 隨 Pin 增加：斜率 ≈ 1
- IM3 隨 Pin 增加：斜率 ≈ 3
把兩條線外推的交點 = IIP3（外推點，不是實際運作點）
直覺：
👉 IIP3 越高，你越抗強 blocker（IM3 不容易冒出來）。
4.3 SFDR（Spurious-Free Dynamic Range）
定義：在噪聲底與互調/雜散之間可用的乾淨動態範圍。
直覺： 👉 你既要噪聲小，也要失真小；SFDR 是「可用範圍總成績」。
🧠 5｜系統級災難：非線性怎麼把規格打爆？
5.1 接收端：Blocking / Desense（靈敏度崩盤）
情境：有一個強 blocker 進來。
你以為只要濾掉 blocker 就好，但實際：
- blocker 在 LNA/mixer 非線性生成 IM3
- IM3 掉進你的目標通道
- 結果：你聽不到弱訊號（desense）
一句話：
👉 你不是被 blocker 本身打死，是被自己電路造出的 IM3 假訊號打死。
5.2 發射端：ACLR / 頻譜遮罩超標
非線性會把調變訊號的頻譜「拉寬」到鄰道：
→ ACLR 變差 → 不符規範 → 干擾別人
5.3 調變品質：EVM 上升
AM-AM / AM-PM 會讓星座點散開、旋轉、拉伸：
- 16QAM 可能還撐住
- 256QAM 很容易爆
ASCII 星座直覺：
理想：點集中 非線性：點散開 + 偏移 + 旋轉 → EVM 變差 → BER 上升 → 吞吐下降
5.4 系統代價：你被迫 back-off / DPD
為了滿足 ACLR/EVM：
- PA 必須 back-off（效率掉）
- 或做 DPD（複雜度、功耗、延遲上升）
🧠 6｜工程師如何對付非線性
常用手段（由元件到系統）：
- 用功耗買線性：更大電流、器件、更高 headroom（IIP3↑）
- 退化/回授：源退化 Rs/Ls、emitter degeneration（線性↑但增益↓）
- 差動：抵消偶次、降低耦合
- 前端濾波：SAW/BAW/RF filter 先擋 blocker
- AGC：避免前端飽和
- DPD（TX）：用數位補回線性（代價：功耗/延遲/複雜）
- 系統線性化架構：Doherty、Envelope Tracking（以效率+線性兼顧）
🧾 一句話記住本單元
👉 互調會在頻譜上自動生出靠近通帶的新分量（尤其 IM3），造成 RX desense/blocking、TX ACLR 超標、EVM 惡化，迫使系統 back-off/DPD。工程就是用功耗、退化/回授、濾波與控制把互調壓到規格外。
🔬 電子學實驗題（76/120）
實驗名稱
兩音互調 → 系統後果實務驗證：IIP3、P1dB、Blocking/Desense、ACLR/EVM
🎯 實驗目的
- 兩音測試建立 IM3 直覺，估 IIP3
- 量測 P1dB，找壓縮開始點
- blocker 掃描觀察 RX desense（靈敏度下降）
- 調變訊號觀察 ACLR/EVM 如何被非線性打爆（偏 TX/PA）
🧰 器材 / 軟體
- 頻譜分析儀（或 RF 模擬工具）
- 兩音訊號源（f1、f2）
- DUT（LNA / mixer / PA 任一級）
- 若做 ACLR/EVM：向量訊號產生器 + 向量分析（或模擬）
- 可調衰減器 / AGC（若做 blocking）
🔧 量測架構
Two-tone：
Two-tone source -> [DUT] -> Spectrum Analyzer (f1,f2) (觀察 f1,f2 與 IM3)
Blocking/Desense 概念：
Wanted small signal + Strong blocker -> [RX front-end DUT] -> IF/BB detector (觀察 SNR/BER/EVM 的惡化)
✅ 實驗步驟（業界 checklist）＋答案式說明
A) 兩音 IM3：估 IIP3
步驟
- 設兩音：f1=f0−Δf，f2=f0+Δf（Δf 例 1 MHz）
- DUT 正常偏壓/匹配
- Pin 從小到大掃（例 -40→0 dBm）
- 每點記錄：Pfund、PIM3
- 外推估 IIP3
你應該看到什麼（答案）
- fundamental 每增加 1 dB，輸出約增加 1 dB（斜率≈1）
- IM3 每增加 1 dB，輸出約增加 3 dB（斜率≈3）
- IM3 在 f1、f2 兩側「貼身」冒出
怎麼判讀（答案）
- Pfund 與 PIM3 對 Pin 作圖：一條 1x、一條 3x
- 外推交點為 IIP3（指標點，不是可運作點）
常見錯誤與補救
- IM3 跳動大：RBW 太寬/平均不足 → 減 RBW、開 average
- IM3 太小量不到：Pin 太低 → 提高 Pin 或縮小 Δf（但避免互相干擾）
- IM3 異常大：可能輸入源失真或 DUT 已壓縮 → 先檢查訊號源純度、降低 Pin
B) P1dB：找壓縮點
步驟
- 單音 f0，Pin 由小到大掃
- 記錄 Pout
- 找 Pout 相對理想外推壓縮 1 dB 的點
你應該看到什麼（答案）
- 低 Pin：Pout 隨 Pin 呈直線（固定增益）
- 高 Pin：Pout 彎下去（增益掉）
- 彎下 1 dB 的點就是 P1dB
怎麼判讀（答案）
- P1dB 是「開始快速惡化」的門檻，常用來決定 back-off 起點
常見錯誤與補救
- 壓縮太早：偏壓不足/匹配不對/供電 headroom 不夠
- 看起來超線性：可能儀器飽和或設定不對 → 檢查 analyzer 線性範圍
C) Blocking / Desense（RX）
步驟
- wanted 設在接近靈敏度門檻
- 加 strong blocker（鄰近或帶外）
- 掃 blocker 功率，觀察 SNR/BER/EVM
- 記錄 desense：wanted 需增加多少才回到同品質
你應該看到什麼（答案）
- blocker 變強後：wanted 品質下降
- 即使 blocker 不在通帶，也可能出現雜訊底抬升或互調凸起
- 最後 BER/EVM 爆掉，等效靈敏度下降
怎麼判讀（答案）
- desense 的核心：有效動態範圍被互調或壓縮吃掉
- 常見根因：前端壓縮 + IM3 掉入通帶
常見錯誤與補救
- 一加 blocker 就飽和：測到的是飽和不是互調 → 降 blocker 或先加 RF filter
- wanted 不夠小：看不出 desense → 把 wanted 調到「臨界可用」
- BB 濾波太寬：自己放進噪聲 → 收窄確認趨勢
D) ACLR/EVM（TX/PA）
步驟
- 用 OFDM 或 QAM 驅動 PA
- 掃輸出功率或 back-off
- 量 ACLR 與 EVM
- 比較偏壓/退化/DPD 模型
你應該看到什麼（答案）
- 越接近壓縮：ACLR 變差、EVM 上升
- back-off：ACLR/EVM 改善，但效率下降
- DPD：可把 ACLR/EVM 拉回，但代價是複雜度/功耗/延遲
怎麼判讀（答案）
- ACLR = 頻域合規；EVM = 調變品質
- 兩者一起看可回推：AM-AM 主導或 AM-PM 主導
常見錯誤與補救
- ACLR 好但 EVM 爛：多半相位雜訊或 AM-PM 主導
- EVM 好但 ACLR 爆：多半 AM-AM 壓縮造成頻譜再生
- 測不到 ACLR：RBW/通道量測模式設定不對 → 用正確 ACPR/ACLR 功能
✅ 結果整理
- 兩音測試顯示 IM3 具貼身生成特性，且 IM3 對 Pin 呈 3 倍斜率增長，因此可外推估 IIP3。
- P1dB 量到放大器開始偏離比例放大的門檻，亦是 ACLR/EVM 開始快速惡化的常見起點。
- Blocking/desense 顯示：帶外/鄰道強 blocker 會透過前端非線性生成互調或引發壓縮，使有效噪聲底抬升，弱訊號門檻上移。
- ACLR/EVM 驗證：接近壓縮時頻譜再生與星座失真同步加劇；back-off 可改善但效率下降，DPD/線性化則以複雜度換回性能。
🧠 工程結論
互調失真是 RF 系統最常見的隱形殺手：
你以為在對抗外部干擾，其實是在對抗 自己電路生成的假訊號。
因此工程上必須用 IIP3/P1dB 量化，用 濾波/退化/架構/AGC/DPD 控制，最後用 兩音、blocking、ACLR/EVM 實測 把它鎖住。
