【導(dǎo)讀】系統(tǒng)設(shè)計人員一直都在為復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計尋求簡單的解決方案。我們不妨看看國防、航天和 5G 無線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的 RF 前端接收器解決方案。本博客文章是一個實用指南，有助于降低設(shè)計復(fù)雜性，同時滿足 5G 基礎(chǔ)設(shè)施、國防和航天應(yīng)用的嚴格噪聲系數(shù)要求。
接收器噪聲系數(shù)概述
許多 RF 前端 (RFFE) 系統(tǒng)都是獨一無二的，但接收器在許多方面都比較相似。一般來說，RF 靈敏度是所有無線電接收器的關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)。RF 接收器能夠接收所需無線電信號，同時忽略不必要的信號，因此能夠在其應(yīng)用中更高效地運行。
測量接收器 RF 靈敏度有以下幾種方法：
噪聲系數(shù)(NF) – 系統(tǒng)的 NF 是噪聲因數(shù)的對數(shù)形式。它規(guī)定了接收器、系統(tǒng)各個組件以及整個系統(tǒng)的噪聲性能。
信噪比 (SNR) - 這是給定信號功率水平與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲之間的比率。
誤碼率 (BER) – 這是一種數(shù)字系統(tǒng)中采用的衡量方式。當(dāng)信號電平下降或鏈路質(zhì)量下降時，傳輸中的錯誤數(shù)或誤碼增加。測量 BER 可反映 SNR，但其格式通常對數(shù)字域更有用。
誤差矢量幅度 (EVM) – EVM 是一種用來量化數(shù)字無線電發(fā)射器和接收器性能的指標(biāo)。由理想發(fā)射器發(fā)送或接收器接收的信號將會使所有 EVM 星座點精確地位于理想位置。然而，噪聲、失真、相位噪聲等缺陷會導(dǎo)致實際星座點偏離理想位置。理想情況下，發(fā)射器應(yīng)生成盡可能靠近這些點的數(shù)字數(shù)據(jù)。EVM 用于衡量實際接收的數(shù)據(jù)元素與理想位置之間的距離。此外，放大器的線性度越高，EVM 就越好。
功率放大器 (PA) 和低噪聲放大器 (LNA) 技術(shù)通常在放大接收器內(nèi)的信號方面沒有什么問題。相反，限制因素往往在于限噪方面，因為噪音會掩蓋所需信號。對于無線通信、雷達、儀器儀表、衛(wèi)星等應(yīng)用，兩個關(guān)鍵的性能考慮因素是接收器靈敏度和 SNR。
就接收器噪聲而言，這是第一級或 LNA 以及隨后會出現(xiàn)的任何損耗，這對于確定整個無線電接收器的整體性能至關(guān)重要。通過優(yōu)化 LNA 的 SNR 和 NF，可提高接收器的整體性能。此外，必須針對整個系統(tǒng)帶寬對該性能進行優(yōu)化。
在 5G、國防和航天領(lǐng)域，LNA 和其他系統(tǒng)組件的帶寬在不斷增加，以實現(xiàn)處理當(dāng)今應(yīng)用所需的更高數(shù)據(jù)容量。帶寬增加意味著噪聲水平優(yōu)化必須適應(yīng)相同的帶寬區(qū)域。這顯然比較困難，但卻必須實現(xiàn)，以滿足當(dāng)今的容量和吞吐量要求，以及實現(xiàn)高水平的接收器靈敏度。
5G RF 接收器
網(wǎng)絡(luò)密集化是有效實施 5G 的必要條件。通過增加每個區(qū)域的接入點數(shù)量，并在每個接入點部署更多的發(fā)射器和接收器，從而提高密集化程度。這種密度提升可提高無線網(wǎng)絡(luò)的整體容量和吞吐量，通過使用靈敏度更高的高動態(tài)范圍收發(fā)器，這些系統(tǒng)還可實現(xiàn) 5G。增加每個區(qū)域的基站和接入點數(shù)量也可以改變射頻前端要求 (RFFE)。由于從用戶設(shè)備 (UE) 到基站的平均距離更短，因此它可降低所需的發(fā)射功率。此外，這些接入點將添加更多的天線，以幫助增加空間流，從而提高容量和信號可靠性。
而且增加了多輸入多輸出 (MIMO)，以進一步提高信號可靠性，從而提高上行系統(tǒng)容量。利用多天線和 MIMO 增加空間流可提高 SNR，而且效果很好，因為像 5G 這樣先進的無線電系統(tǒng)需要更高的 SNR 來支持更高的數(shù)據(jù)速率。
許多 4G LTE 系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)向 5G。這些系統(tǒng)具有大規(guī)模 MIMO 能力，這是對傳統(tǒng) MIMO 的擴展，可在基站天線系統(tǒng)上提供更多的天線（如 32、64、128 根）和更多的天線陣列。這些大規(guī)模 MIMO 天線有助于集中能量，以便提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和效率。這些 5G 網(wǎng)絡(luò)還具有非常高的帶寬能力。例如：頻率范圍 FR1 (410 MHz – 7125 MHz) 可實現(xiàn)高達 100 MHz 的傳輸帶寬。因此，LNA 設(shè)計人員正在創(chuàng)建超寬帶 LNA，以支持多個 5G 頻段 RF 鏈，從而簡化產(chǎn)品設(shè)計。為實現(xiàn)這些寬帶能力，LNA 必須在整個帶寬范圍內(nèi)具備出色的噪聲系數(shù)和 EVM 特性。此外，它們需要具有小尺寸，因為這些 RFFE 組件現(xiàn)在都位于塔頂?shù)奶炀€上。
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圖 1：RF 前端的組件
因為這些組件通常位于基站塔頂，所以它們需要高功率處理能力。它們必須能夠承受高輸入功率沖擊，如果受到?jīng)_擊，還必須能夠非常迅速地恢復(fù)并再次開始運行。因此，LNA 等組件作為鏈路中位于接收器輸入開關(guān)之后的第一個組件，需要具備 20 dBm 或更高的輸入功率處理能力，以滿足該任務(wù)需求。
國防和航天接收器
國防和航天 RFFE 領(lǐng)域也發(fā)生了許多變化。特別是在軍事雷達、衛(wèi)星通信、電子戰(zhàn)通信和數(shù)字接收器領(lǐng)域。下面是一些基本框圖。正如您從眾多嵌入式模塊設(shè)計中所看到的，這會明顯推動采用小尺寸、輕量級、高集成度的產(chǎn)品，將接收和發(fā)射鏈集成在一個封裝（如 5G 應(yīng)用）中。而且不出大家所料，這些特性對國防和航天領(lǐng)域同樣具有吸引力，并與 SWaP 的（尺寸、重量和功率）目標(biāo)一致。
圖 2：RFFE 在國防和航天領(lǐng)域的用例
國防和航天 (D&A) 領(lǐng)域的接收器產(chǎn)品不僅需要高功率功能以實現(xiàn)出色的放大性能，而且還要求能夠在諸如基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的極端條件下正常運行。但在更高輸入電平（數(shù)千瓦范圍）下，此類接收器產(chǎn)品通常需要具備耐受力和抗干擾能力。這主要用于軍事、航天雷達和軍事通信應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，電子對抗 (ECM) 可能被用作一種防御戰(zhàn)略來壓制接收器。
因此，具有耐受力和抗電子干擾（如無線電干擾）能力的接收器需要能夠承受高功率沖擊。如果在輸入端受到高功率沖擊，它們應(yīng)能夠承受沖擊，并迅速恢復(fù)通信。這些設(shè)備還必須能夠在比以往更大的帶寬范圍內(nèi)運行。
過去，由于技術(shù)限制，D&A 數(shù)字接收器一直都是窄帶型。但現(xiàn)在情況已有所改變，因為砷化鎵、氮化鎵和硅等新技術(shù)的進步允許使用更大的可持續(xù)帶寬。這可實現(xiàn)許多全新的國防和航天應(yīng)用，并為現(xiàn)有產(chǎn)品帶來一些全新功能。
許多軍事應(yīng)用都需要這種具有較低截獲/雷達探測概率的寬帶和多頻段通信。通過增加跳頻以減少信號檢測，可采用寬帶寬和頻譜進行傳輸和接收。這些方面可能會增加接收器上的噪聲，并降低保護能力。如果接收器長時間暴露在高功率水平下，組件性能可能會迅速下降，從而出現(xiàn)性能問題或?qū)е陆M件報廢。因此，設(shè)計人員必須采取必要措施，以確保可靠性和接收器靈敏度。
優(yōu)化噪聲性能
最終，上述領(lǐng)域中的每個單獨應(yīng)用都會推動系統(tǒng)設(shè)計和需求發(fā)展。但是，在較高電平下，一些 RF 前端要求保持不變。
接收器的噪聲性能通常是從 RFFE 的第一級開始考慮。RFFE 的信號電平最低，如果信號中存在噪聲，則很難確定哪些是噪聲，哪些是傳入信號。當(dāng)越過開關(guān)、LNA，然后進入驅(qū)動器級，所有信號都會被放大。確定傳入信號將變得更加困難。因此，在 LNA 之前和 LNA 處，必須確保組件中的噪聲最低。在 LNA 中，盡早分離首選信號與輸入噪聲至關(guān)重要，因為該性能會影響整個接收鏈。
最優(yōu)參數(shù)權(quán)衡可以實現(xiàn)優(yōu)化的性能
設(shè)計人員必須在增益、增益平坦度、輸入/輸出匹配、線性度、功耗和尺寸等參數(shù)之間做出至關(guān)重要的權(quán)衡，同時確保 LNA 具有內(nèi)在的穩(wěn)定性。設(shè)計人員必須確保這些參數(shù)之間的平衡，同時保持系統(tǒng)穩(wěn)定，并檢查系統(tǒng)在整個操作條件范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。
較低的接收器噪聲系數(shù)確實可以提高性能和覆蓋范圍，但系統(tǒng)設(shè)計人員必須做出權(quán)衡，因為更優(yōu)的 NF 可能會導(dǎo)致接收器性能收益減少。因此，在一個應(yīng)用中進行的標(biāo)稱改進可能并不值得在另一個應(yīng)用中實施。Qorvo 的級聯(lián)分析計算器可為系統(tǒng)級設(shè)計權(quán)衡提供一個起點。
圖 3：Qorvo 設(shè)計中心的級聯(lián)計算器
在圖 3 所示應(yīng)用中，一個重要的考慮因素就是 LNA 與其后面的插入損耗（在上述示例中為濾波器）之間的比率。如果 LNA 后的濾波器會產(chǎn)生損耗，則 NF 就會增加。例如，在上述場景中，如果 LNA 的第 1 級增益為 15 dB，而不是 19 dB，那么 NF 將為 0.47 dB，而不是如圖所示的 0.37 dB。此外，如果 LNA 的增益為 19 dB，且第二級濾波器的插入損耗為 -4.0 dB，那么 NF 將為 0.39 dB，也就是說 NF 再次增加。
接收器應(yīng)用和溫度
降低輸入噪聲的一個顯而易見的方法就是選用具有最佳 NF 參數(shù)的 LNA。接收器 LNA 的另一個重要考慮因素就是其隨溫度變化的性能。溫度對整個頻率范圍內(nèi)的增益平坦度和 LNA 的穩(wěn)定性具有重要影響。這兩個參數(shù)都可能會影響 NF 的變化。通過散熱器或散熱技術(shù)冷卻 LNA 或前端，可以改善熱噪聲。匹配的設(shè)計也有助于降低前端的溫度和熱噪聲。射電天文學(xué)中的一些應(yīng)用采用低溫冷卻的方式來保持較低的 NF。此外，LNA 的穩(wěn)定性至關(guān)重要，因為如果 LNA 不穩(wěn)定，系統(tǒng) NF 就會增加。
噪聲溫度
每個噪聲源都有一個相當(dāng)?shù)脑肼暅囟取Ｔ肼暅囟扔糜诿枋鲈O(shè)備的噪聲性能，而不是 NF，且主要用作為系統(tǒng)參數(shù)。這使得輸入噪聲溫度的概念更有意義，使用更方便。它出現(xiàn)在接收器的輸入端，那里的信號電平較低，而且是任何電路在給定溫度下所能達到的極限最低噪聲。它還均勻地分布在整個系統(tǒng)頻譜中。熱噪聲也是系統(tǒng)帶寬的函數(shù)。將帶寬與頻率響應(yīng)和輸入信號匹配，可以降低熱噪聲。為了幫助您計算 NF 和 NF 溫度，Qorvo 了提供一個在線計算器，如下所示。
圖 4：Qorvo 設(shè)計中心的噪聲系數(shù)溫度計算器
一些額外的降噪設(shè)計策略
● 在設(shè)計中使用噪聲最小的一流 LNA。
● 進行系統(tǒng)設(shè)計時，需考慮應(yīng)用的真正標(biāo)稱溫度。
● 通過屏蔽或消除噪聲源，隔離外部噪聲或防止其影響接收器的性能或輸入。
● 降低直流配電電路的特性阻抗，以減少噪聲耦合。
● 避免沿信號路徑直至 LNA 輸入端使用產(chǎn)生損耗的元件。
● 保持 LNA 輸入和輸出的射頻阻抗，并將具有噪聲的走線或電路與 LNA 或接收器路徑隔離。
● 此外，使用 GaN 而不是限幅器也有助于降低噪聲，因為限幅器會給系統(tǒng)增加噪聲。GaN 還可以提高接收器的耐用性。
● 限幅器和循環(huán)器對 D&A 接收器的影響
如前所述，LNA 的高輸入功率性能至關(guān)重要。在輸入端增加一個限幅器或循環(huán)器可以降低高輸入功率對接收器可能產(chǎn)生的影響。這確實有助于保護接收器，但會增加 LNA 處的噪聲。此方法也會降低接收器的靈敏度，從而縮小信號覆蓋范圍，降低吞吐量和性能。因此，如果您選擇輸入功率非常高的 LNA，則不需要使用限幅器或循環(huán)器，從而有助于提高接收器的整體性能。
最后，噪聲系數(shù)和系統(tǒng)線性度也會影響接收器靈敏度。為了獲得最佳的接收器靈敏度性能，必須在幾個關(guān)鍵參數(shù)（如增益、匹配、線性度和帶寬）之間進行權(quán)衡，同時密切關(guān)注干擾、溫度以及維持接收器抗沖擊的能力。
來源：Qorvo
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