摘? 要：基于LTE設(shè)備的廣泛使用和用戶需求的增長(zhǎng)，提出了一種提升LTE分集接收靈敏度的方案，通過(guò)使用極低噪聲系數(shù)、較高增益的放大器并采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，降低了整機(jī)的噪聲系數(shù)，從而提升了接收機(jī)的靈敏度。對(duì)接收機(jī)的理論分析和測(cè)試對(duì)比表明，該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高指標(biāo)等特點(diǎn)，可以推廣到各種無(wú)線接收機(jī)產(chǎn)品中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：LTE;低噪聲放大器;噪聲系數(shù);接收靈敏度

中圖分類(lèi)號(hào)：TN851;TN722.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）07-0055-03

A Design for Increasing the Receiving Sensitivity of LTE Diversity

XUE Sunxi

（Shenzhen Gongjin Electronics Co.，Ltd.，Shenzhen? 518118，China）

Abstract：Based on the widespread use of LTE devices and the growing needs of users，a scheme is proposed to improve the sensitivity of LTE diversity reception. By using an amplifier with extremely low noise coefficient and high gain，and adopting a two-stage cascade，the noise coefficient of the whole machine is reduced，thus improving the sensitivity of the receiver. The theoretical analysis and test of the receiver show that the scheme has the characteristics of simple structure and high index，and can be extended to all kinds of wireless receiver products.

Keywords：LTE;LNA;noise figure;receiving sensitivity

0? 引? 言

隨著LTE設(shè)備在全球范圍內(nèi)的廣泛使用，用戶對(duì)高性能的移動(dòng)接入的需求與日俱增，作為直接影響移動(dòng)設(shè)備接入范圍的核心指標(biāo)，接收靈敏度一般會(huì)被制造商作為區(qū)別于競(jìng)品的關(guān)鍵參數(shù)。

根據(jù)3GPP 36.521-1的標(biāo)準(zhǔn)要求，LTE無(wú)線接收終端設(shè)備在信號(hào)帶寬為20 MHz、頻段為Band40、調(diào)制方式為QPSK時(shí)，所要求的參考接收靈敏度為-94.00 dBm[1]，同時(shí)要滿足吞吐量≥95%，這將要求LTE無(wú)線接收終端的接收靈敏度高于-167.00 dBm/Hz[2]，而理論上，自然界的熱噪聲功率為-174.00 dBm/Hz，考慮到LTE無(wú)線接收終端本身還會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲，因此，如何提高接收靈敏度成為L(zhǎng)TE無(wú)線接收終端的一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)。

為了大幅提升數(shù)據(jù)吞吐量，LTE還引入了MIMO（多入多出）技術(shù)，MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，它與傳統(tǒng)的信號(hào)處理方式的不同之處在于其同時(shí)從時(shí)間和空間兩個(gè)方面研究信號(hào)的處理問(wèn)題，從而能夠在不增加帶寬與發(fā)射功率的前提下，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率，減少誤比特率，改善無(wú)線信號(hào)的傳送質(zhì)量。就LTE無(wú)線接收終端而言，在接收端，根據(jù)3GPP的定義[1]，一般至少會(huì)有兩根接收天線，即主集天線和分集天線，其中，分集天線的接收靈敏度對(duì)下行速率起著重要的支撐作用，特別是在弱信號(hào)區(qū)域。本文針對(duì)4G LTE模塊的分集接收通道，以Band40為例，提出性能穩(wěn)定、優(yōu)異的解決方案，通過(guò)在4G LTE模塊外部增加一級(jí)低噪聲放大器，令其和4G LTE模塊內(nèi)部的分集接收通道的低噪聲放大器形成了兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大的框架，從而提高了LTE無(wú)線接收終端的分集接收通道的靈敏度。

1? 理論分析

1.1? 接收靈敏度

對(duì)于一個(gè)無(wú)線接收機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其最小輸入可接收信號(hào)如下：

Pin（dBm）=-174.00 dBm+10log10B+NF（dB）+SNRmin

（1）

式中，Pin是系統(tǒng)的接收靈敏度，B是接收信號(hào)的3.00 dB帶寬，近似于噪聲帶寬，NF是系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，SNRmin是接收系統(tǒng)的基帶處理器的解調(diào)門(mén)限，-174.00 dBm是對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度為290 K、在單位帶寬（B=1 Hz）內(nèi)的熱噪聲功率，即噪聲基底，熱噪聲功率的詳細(xì)定義為：

n0=10log10（kTB）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，n0為熱噪聲功率，k為玻爾茲曼常量（1.38×10-23），T為開(kāi)爾文溫度，B為噪聲帶寬，在室溫下（T=290 K）、單位帶寬內(nèi)（B=1 Hz），熱噪聲功率n0=-174.00 dBm，通常標(biāo)記為-174.00 dBm/Hz。對(duì)于20 MHz噪聲帶寬，室溫下的熱噪聲功率為-101.00 dBm。

由式（1）（2）可知，在選定基帶處理器、調(diào)制方式和信號(hào)帶寬的前提下，影響接收靈敏度的主要變量為噪聲系數(shù)NF，所以，要想改善接收靈敏度，就必須降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，使用噪聲系數(shù)更低的低噪聲放大器作為前級(jí)是一種比較方便的做法。

1.2? 兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)

兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)公式如下：

Fcascade=F1+? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，F(xiàn)cascade是兩級(jí)級(jí)聯(lián)后的噪聲系數(shù)，F(xiàn)1是第一級(jí)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，G1是第一級(jí)低噪聲放大器的增益，F(xiàn)2是第二級(jí)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，由式（3）可知，第一級(jí)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和增益對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能有著極大的影響。從提高系統(tǒng)接收靈敏度的角度來(lái)講，如果第一級(jí)低噪聲放大器具有較低的噪聲系數(shù)、較高的功率增益，就能夠顯著降低系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)。

2? 系統(tǒng)組成及分析

2.1? 系統(tǒng)框圖

如圖1所示，分集天線的輸入信號(hào)為L(zhǎng)TE Band40頻段（2 300～2 400 MHz），信號(hào)通過(guò)適用于LTE Band40頻段的SAW濾波器以抑制帶外和鏡像信號(hào)，避免干擾信號(hào)進(jìn)入第一級(jí)低噪聲放大器，導(dǎo)致第一級(jí)低噪聲放大器飽和。經(jīng)過(guò)第一級(jí)低噪聲放大器放大后的信號(hào)進(jìn)入4G LTE模塊做接收使用。

2.2? 兩級(jí)級(jí)聯(lián)后的分集接收靈敏度分析

通過(guò)查詢4G LTE模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，本文所述的4G LTE模塊在Band40頻段支持SIMO（1TX、2RX），即有兩個(gè)接收端口：主集通道和分集通道。當(dāng)信號(hào)帶寬為20 MHz時(shí)，采用QPSK調(diào)制，分集通道的接收靈敏度為-95.90 dBm，該4G LTE模塊的基帶處理器選用高通公司的芯片，其SNRmin=-1.00 dB（當(dāng)QPSK調(diào)制時(shí)），根據(jù)式（1）可推得4G LTE模塊的分集通道的噪聲系數(shù)NF2：

-95.90 dBm=-174.00 dBm+73.00 dB+NF2+（-1.00 dB）

NF2=6.10 dB（F2=4.07）

為了提高LTE無(wú)線接收終端的分集通道的接收靈敏度，我們?cè)?G LTE模塊的分集通道外再增加一級(jí)低噪聲放大器，該低噪聲放大器的型號(hào)為英飛凌公司的BGA7H1N6，對(duì)于Band40，其本身的噪聲系數(shù)NF1為0.60 dB（F1=1.15），增益為12.40 dB（G1=17.38）。

根據(jù)式（3），兩級(jí)級(jí)聯(lián)后的噪聲系數(shù)為：

Fcascade=1.15+=1.33;

NFcascade=1.24 dB

另外，第一級(jí)低噪聲放大器的前端的SAW濾波器的插入損耗（IL=1.60 dB）也需要計(jì)入噪聲系數(shù)，所以，兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大后的分集通道的總噪聲系數(shù)NFtotal為2.84 dB，對(duì)比NF2=6.10 dB，理論上可以使接收靈敏度提升3.26 dB。

考慮到4G LTE模塊在組裝到LTE無(wú)線接收終端上后，會(huì)受到LTE無(wú)線接收終端上的其他單元電路產(chǎn)生的噪聲的影響，且第一級(jí)低噪聲放大器和分集接收天線之間的PCB走線也存在損耗，這些因素都會(huì)導(dǎo)致分集通道的總噪聲系數(shù)惡化，所以，需要留出2.00 dB左右的余量來(lái)分配額外的系統(tǒng)噪聲，由此，根據(jù)式（1），增加一級(jí)低噪聲放大器后，當(dāng)信號(hào)帶寬為20 MHz時(shí)，采用QPSK調(diào)制，預(yù)估LTE Band40的分集通道可能的接收靈敏度為：

Pin=-174.00 dBm+73.00 dB+2.84 dB+（-1.00 dB）+2.00 dB

=-97.16 dBm

3? 第一級(jí)低噪聲放大器的電路設(shè)計(jì)

3.1? 選擇偏置電壓

偏置電壓決定了放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，關(guān)系到噪聲系數(shù)和增益等指標(biāo)。通過(guò)查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)，為了獲得低噪聲特性，選擇1.8 V的偏置電壓。

3.2? 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

放大器的穩(wěn)定性決定了其能否正常工作，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件[3]：

|Δ|=|S11S22-S12S21|<1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

K=? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

K為穩(wěn)定判別系數(shù)。對(duì)于一個(gè)單向放大管，S12=0，則K=∞>1，式（4）可以簡(jiǎn)化為：

|Δ|=|S11S22|<1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

由于K>1的條件已經(jīng)滿足，欲使放大管絕對(duì)穩(wěn)定，則需要滿足條件：

|S11|<1;|S22|<1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，VCC=1.8 V時(shí)，在整個(gè)工作頻段內(nèi)，BGA7H1N6滿足K>1的條件，輸入回波損耗為11.00 dB，輸出回波損耗為20.00 dB。采用解析法，根據(jù)回波損耗的公式：

RLin=-20log|S11|? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

RLout=-20log|S22|? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

可知，S11和S22能夠滿足式（7）的要求，即BGA7H1N6在整個(gè)工作頻段內(nèi)是滿足絕對(duì)穩(wěn)定的條件的。

3.3? 匹配設(shè)計(jì)

匹配設(shè)計(jì)主要考慮放大器的噪聲系數(shù)、增益及回波損耗等參數(shù)，為了在整個(gè)工作頻段內(nèi)具有良好的匹配效果，一般先在選定頻段的中心頻點(diǎn)進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)，然后再對(duì)整個(gè)頻段內(nèi)的電路進(jìn)行優(yōu)化、微調(diào)。級(jí)聯(lián)放大器的匹配電路包括輸入匹配、級(jí)間匹配和輸出匹配，在設(shè)計(jì)低噪聲放大器電路時(shí)，為求得低噪聲特性，輸入匹配通常按最小噪聲匹配來(lái)設(shè)計(jì)，級(jí)間匹配應(yīng)使后級(jí)放大器的輸入阻抗和前級(jí)放大器的輸出阻抗相匹配，以使后級(jí)放大器能夠獲得最大的輸入功率，為求得最大輸出功率，輸出匹配通常采用共軛匹配[4]。

在芯片設(shè)計(jì)之初，BGA7H1N6的AO引腳已經(jīng)在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了50 Ω的輸出匹配，且4G LTE模塊的分集通道也做好了50 Ω的輸入匹配，所以第一級(jí)的低噪聲放大器的電路設(shè)計(jì)只需考慮好輸入匹配即可，根據(jù)英飛凌的參考設(shè)計(jì)，工作頻段為Band40時(shí)，輸入匹配只需要在BGA7H1N6的輸入端串聯(lián)一個(gè)4.1 nH的射頻電感即可滿足最佳噪聲的匹配要求。

3.4? 抗干擾設(shè)計(jì)

考慮到Band40的頻段鄰近Wi-Fi使用的2.4G頻段，且Wi-Fi信號(hào)的發(fā)射功率一般較大，為了克服鄰頻干擾，需要在BGA7H1N6的輸入端額外插入一個(gè)支持Band40的SAW濾波器，由于4G LTE模塊內(nèi)部已預(yù)置了SAW濾波器，所以BGA7H1N6的輸出端無(wú)需再使用SAW濾波器。本設(shè)計(jì)選用帶外抑制性能優(yōu)異的SAFFB2G35AB0F0A，在Band40頻段的插入損耗約1.60 dB，對(duì)Wi-Fi的抑制度達(dá)到30.00 dB以上，能夠很好地避免鄰頻噪聲進(jìn)入低噪聲放大器，極大地提高了第一級(jí)低噪聲放大器對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性。

3.5? 第一級(jí)低噪聲放大器的電路

第一級(jí)低噪聲放大器的電路如圖2所示。

4? 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

如表1所示，選取三塊樣機(jī)進(jìn)行有/無(wú)第一級(jí)低噪聲放大器的對(duì)比測(cè)試，LTE的工作頻段為Band40、信號(hào)帶寬為20 MHz、調(diào)制方式為QPSK，如2.2所述，前后對(duì)比均需考慮2.00 dB的系統(tǒng)噪聲，依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，以±1.00 dB的測(cè)量誤差來(lái)看，接收靈敏度基本達(dá)到理論推算的預(yù)期。

5? 結(jié)? 論

本文來(lái)自于筆者在深圳市共進(jìn)電子股份有限公司所從事的研發(fā)項(xiàng)目，結(jié)合LTE無(wú)線接收終端分集通道接收靈敏度的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大的設(shè)計(jì)方案，選擇具有較低的噪聲系數(shù)、較高增益的低噪聲放大器作為第一級(jí)放大器，有效地提高了LTE無(wú)線接收終端的分集接收靈敏度，經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證和海外運(yùn)營(yíng)商的入網(wǎng)測(cè)試，驗(yàn)證了方案的可行性。采用本文的設(shè)計(jì)思路，可設(shè)計(jì)出噪聲低、抗干擾能力強(qiáng)的LTE無(wú)線接收終端，該設(shè)計(jì)方案已成功應(yīng)用于由深圳市共進(jìn)電子股份有限公司開(kāi)發(fā)的LTE無(wú)線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。

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[4] 梁晶晶，沈福貴，逯貴禎.低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與靈敏度分析 [J].中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，19（2）：64-69.

作者簡(jiǎn)介：薛孫曦（1981.12—），男，漢族，江蘇無(wú)錫人，研發(fā)主任，本科，研究方向：無(wú)線通信終端產(chǎn)品的硬件開(kāi)發(fā)、射頻設(shè)計(jì)。