【導(dǎo)讀】系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直都在為復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)尋求簡(jiǎn)單的解決方案。我們不妨看看國(guó)防、航天和 5G 無(wú)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(gè)實(shí)用指南，有助于降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，同時(shí)滿足 5G 基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)防和航天應(yīng)用的嚴(yán)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(dú)一無(wú)二的，但接收器在許多方面都比較相似。一般來(lái)說(shuō)，RF 靈敏度是所有無(wú)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(wú)線電信號(hào)，同時(shí)忽略不必要的信號(hào)，因此能夠在其應(yīng)用中更高效地運(yùn)行。
測(cè)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(duì)數(shù)形式。它規(guī)定了接收器、系統(tǒng)各個(gè)組件以及整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能。
信噪比 (SNR) - 這是給定信號(hào)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(hào)電平下降或鏈路質(zhì)量下降時(shí)，傳輸中的錯(cuò)誤數(shù)或誤碼增加。測(cè)量 BER 可反映 SNR，但其格式通常對(duì)數(shù)字域更有用。
誤差矢量幅度 (EVM) – EVM 是一種用來(lái)量化數(shù)字無(wú)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(hào)將會(huì)使所有 EVM 星座點(diǎn)精確地位于理想位置。然而，噪聲、失真、相位噪聲等缺陷會(huì)導(dǎo)致實(shí)際星座點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。EVM 用于衡量實(shí)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(hào)方面沒(méi)有什么問(wèn)題。相反，限制因素往往在于限噪方面，因?yàn)樵胍魰?huì)掩蓋所需信號(hào)。對(duì)于無(wú)線通信、雷達(dá)、儀器儀表、衛(wèi)星等應(yīng)用，兩個(gè)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(jí)或 LNA 以及隨后會(huì)出現(xiàn)的任何損耗，這對(duì)于確定整個(gè)無(wú)線電接收器的整體性能至關(guān)重要。通過(guò)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶寬對(duì)該性能進(jìn)行優(yōu)化。
在 5G、國(guó)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(shí)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(shí)現(xiàn)，以滿足當(dāng)今的容量和吞吐量要求，以及實(shí)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(shí)施 5G 的必要條件。通過(guò)增加每個(gè)區(qū)域的接入點(diǎn)數(shù)量，并在每個(gè)接入點(diǎn)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的整體容量和吞吐量，通過(guò)使用靈敏度更高的高動(dòng)態(tài)范圍收發(fā)器，這些系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn) 5G。增加每個(gè)區(qū)域的基站和接入點(diǎn)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(diǎn)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(hào)可靠性。
而且增加了多輸入多輸出 (MIMO)，以進(jìn)一步提高信號(hào)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?yàn)橄?5G 這樣先進(jìn)的無(wú)線電系統(tǒng)需要更高的 SNR 來(lái)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(duì)傳統(tǒng) MIMO 的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)高達(dá) 100 MHz 的傳輸帶寬。因此，LNA 設(shè)計(jì)人員正在創(chuàng)建超寬帶 LNA，以支持多個(gè) 5G 頻段 RF 鏈，從而簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)這些寬帶能力，LNA 必須在整個(gè)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?yàn)檫@些 RFFE 組件現(xiàn)在都位于塔頂?shù)奶炀€上。
深入了解：
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應(yīng)對(duì)雷達(dá)和通信系統(tǒng)中的相位噪聲挑戰(zhàn)：Part 1
應(yīng)對(duì)雷達(dá)和通信系統(tǒng)中的相位噪聲挑戰(zhàn)：第 2 部分
圖 1：RF 前端的組件
因?yàn)檫@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(yùn)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(gè)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(guó)防和航天接收器
國(guó)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(dá)、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(jì)中所看到的，這會(huì)明顯推動(dòng)采用小尺寸、輕量級(jí)、高集成度的產(chǎn)品，將接收和發(fā)射鏈集成在一個(gè)封裝（如 5G 應(yīng)用）中。而且不出大家所料，這些特性對(duì)國(guó)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(guó)防和航天領(lǐng)域的用例
國(guó)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(shí)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(yùn)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(dá)和軍事通信應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，電子對(duì)抗 (ECM) 可能被用作一種防御戰(zhàn)略來(lái)壓制接收器。
因此，具有耐受力和抗電子干擾（如無(wú)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(yùn)行。
過(guò)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?yàn)樯榛?、氮化鎵和硅等新技術(shù)的進(jìn)步允許使用更大的可持續(xù)帶寬。這可實(shí)現(xiàn)許多全新的國(guó)防和航天應(yīng)用，并為現(xiàn)有產(chǎn)品帶來(lái)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(dá)探測(cè)概率的寬帶和多頻段通信。通過(guò)增加跳頻以減少信號(hào)檢測(cè)，可采用寬帶寬和頻譜進(jìn)行傳輸和接收。這些方面可能會(huì)增加接收器上的噪聲，并降低保護(hù)能力。如果接收器長(zhǎng)時(shí)間暴露在高功率水平下，組件性能可能會(huì)迅速下降，從而出現(xiàn)性能問(wèn)題或?qū)е陆M件報(bào)廢。因此，設(shè)計(jì)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(gè)單獨(dú)應(yīng)用都會(huì)推動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jí)開始考慮。RFFE 的信號(hào)電平最低，如果信號(hào)中存在噪聲，則很難確定哪些是噪聲，哪些是傳入信號(hào)。當(dāng)越過(guò)開關(guān)、LNA，然后進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器級(jí)，所有信號(hào)都會(huì)被放大。確定傳入信號(hào)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(hào)與輸入噪聲至關(guān)重要，因?yàn)樵撔阅軙?huì)影響整個(gè)接收鏈。
最優(yōu)參數(shù)權(quán)衡可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的性能
設(shè)計(jì)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(shí)確保 LNA 具有內(nèi)在的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)人員必須確保這些參數(shù)之間的平衡，同時(shí)保持系統(tǒng)穩(wěn)定，并檢查系統(tǒng)在整個(gè)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(shí)可以提高性能和覆蓋范圍，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須做出權(quán)衡，因?yàn)楦鼉?yōu)的 NF 可能會(huì)導(dǎo)致接收器性能收益減少。因此，在一個(gè)應(yīng)用中進(jìn)行的標(biāo)稱改進(jìn)可能并不值得在另一個(gè)應(yīng)用中實(shí)施。Qorvo 的級(jí)聯(lián)分析計(jì)算器可為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)權(quán)衡提供一個(gè)起點(diǎn)。
圖 3：Qorvo 設(shè)計(jì)中心的級(jí)聯(lián)計(jì)算器
在圖 3 所示應(yīng)用中，一個(gè)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(huì)產(chǎn)生損耗，則 NF 就會(huì)增加。例如，在上述場(chǎng)景中，如果 LNA 的第 1 級(jí)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(jí)濾波器的插入損耗為 -4.0 dB，那么 NF 將為 0.39 dB，也就是說(shuō) NF 再次增加。
接收器應(yīng)用和溫度
降低輸入噪聲的一個(gè)顯而易見(jiàn)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(gè)重要考慮因素就是其隨溫度變化的性能。溫度對(duì)整個(gè)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(gè)參數(shù)都可能會(huì)影響 NF 的變化。通過(guò)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(jì)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(lái)保持較低的 NF。此外，LNA 的穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)槿绻?LNA 不穩(wěn)定，系統(tǒng) NF 就會(huì)增加。
噪聲溫度
每個(gè)噪聲源都有一個(gè)相當(dāng)?shù)脑肼暅囟?。噪聲溫度用于描述設(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(hào)電平較低，而且是任何電路在給定溫度下所能達(dá)到的極限最低噪聲。它還均勻地分布在整個(gè)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(hào)匹配，可以降低熱噪聲。為了幫助您計(jì)算 NF 和 NF 溫度，Qorvo 了提供一個(gè)在線計(jì)算器，如下所示。
圖 4：Qorvo 設(shè)計(jì)中心的噪聲系數(shù)溫度計(jì)算器
一些額外的降噪設(shè)計(jì)策略
● 在設(shè)計(jì)中使用噪聲最小的一流 LNA。
● 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮應(yīng)用的真正標(biāo)稱溫度。
● 通過(guò)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(hào)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?yàn)橄薹鲿?huì)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(duì) 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(gè)限幅器或循環(huán)器可以降低高輸入功率對(duì)接收器可能產(chǎn)生的影響。這確實(shí)有助于保護(hù)接收器，但會(huì)增加 LNA 處的噪聲。此方法也會(huì)降低接收器的靈敏度，從而縮小信號(hào)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(huì)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)（如增益、匹配、線性度和帶寬）之間進(jìn)行權(quán)衡，同時(shí)密切關(guān)注干擾、溫度以及維持接收器抗沖擊的能力。
來(lái)源：Qorvo
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