【導讀】系統設計人員一直都在為復雜的系統設計尋求簡(jiǎn)單的解決方案。我們不妨看看國防、航天和 5G 無(wú)線(xiàn)基礎設施領(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，有助于降低設計復雜性，同時(shí)滿(mǎn)足 5G 基礎設施、國防和航天應用的嚴格噪聲系數要求。
接收器噪聲系數概述
許多 RF 前端 (RFFE) 系統都是獨一無(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(xiàn)電接收器的關(guān)鍵規格參數。RF 接收器能夠接收所需無(wú)線(xiàn)電信號，同時(shí)忽略不必要的信號，因此能夠在其應用中更高效地運行。
測量接收器 RF 靈敏度有以下幾種方法：
噪聲系數(NF) – 系統的 NF 是噪聲因數的對數形式。它規定了接收器、系統各個(gè)組件以及整個(gè)系統的噪聲性能。
信噪比 (SNR) - 這是給定信號功率水平與系統內部噪聲之間的比率。
誤碼率 (BER) – 這是一種數字系統中采用的衡量方式。當信號電平下降或鏈路質(zhì)量下降時(shí)，傳輸中的錯誤數或誤碼增加。測量 BER 可反映 SNR，但其格式通常對數字域更有用。
誤差矢量幅度 (EVM) – EVM 是一種用來(lái)量化數字無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器和接收器性能的指標。由理想發(fā)射器發(fā)送或接收器接收的信號將會(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 )導致實(shí)際星座點(diǎn)偏離理想位置。理想情況下，發(fā)射器應生成盡可能靠近這些點(diǎn)的數字數據。EVM 用于衡量實(shí)際接收的數據元素與理想位置之間的距離。此外，放大器的線(xiàn)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的信號方面沒(méi)有什么問(wèn)題。相反，限制因素往往在于限噪方面，因為噪音會(huì )掩蓋所需信號。對于無(wú)線(xiàn)通信、雷達、儀器儀表、衛星等應用，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，這是第一級或 LNA 以及隨后會(huì )出現的任何損耗，這對于確定整個(gè)無(wú)線(xiàn)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，必須針對整個(gè)系統帶寬對該性能進(jìn)行優(yōu)化。
在 5G、國防和航天領(lǐng)域，LNA 和其他系統組件的帶寬在不斷增加，以實(shí)現處理當今應用所需的更高數據容量。帶寬增加意味著(zhù)噪聲水平優(yōu)化必須適應相同的帶寬區域。這顯然比較困難，但卻必須實(shí)現，以滿(mǎn)足當今的容量和吞吐量要求，以及實(shí)現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)區域的接入點(diǎn)數量，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(xiàn)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，這些系統還可實(shí)現 5G。增加每個(gè)區域的基站和接入點(diǎn)數量也可以改變射頻前端要求 (RFFE)。由于從用戶(hù)設備 (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(xiàn)，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(jìn)一步提高信號可靠性，從而提高上行系統容量。利用多天線(xiàn)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(jìn)的無(wú)線(xiàn)電系統需要更高的 SNR 來(lái)支持更高的數據速率。
許多 4G LTE 系統已經(jīng)轉向 5G。這些系統具有大規模 MIMO 能力，這是對傳統 MIMO 的擴展，可在基站天線(xiàn)系統上提供更多的天線(xiàn)（如 32、64、128 根）和更多的天線(xiàn)陣列。這些大規模 MIMO 天線(xiàn)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)現高達 100 MHz 的傳輸帶寬。因此，LNA 設計人員正在創(chuàng )建超寬帶 LNA，以支持多個(gè) 5G 頻段 RF 鏈，從而簡(jiǎn)化產(chǎn)品設計。為實(shí)現這些寬帶能力，LNA 必須在整個(gè)帶寬范圍內具備出色的噪聲系數和 EVM 特性。此外，它們需要具有小尺寸，因為這些 RFFE 組件現在都位于塔頂的天線(xiàn)上。
深入了解：
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并再次開(kāi)始運行。因此，LNA 等組件作為鏈路中位于接收器輸入開(kāi)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(mǎn)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、衛星通信、電子戰通信和數字接收器領(lǐng)域。下面是一些基本框圖。正如您從眾多嵌入式模塊設計中所看到的，這會(huì )明顯推動(dòng)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(gè)封裝（如 5G 應用）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(shí)現出色的放大性能，而且還要求能夠在諸如基礎設施領(lǐng)域的極端條件下正常運行。但在更高輸入電平（數千瓦范圍）下，此類(lèi)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用，在這些應用中，電子對抗 (ECM) 可能被用作一種防御戰略來(lái)壓制接收器。
因此，具有耐受力和抗電子干擾（如無(wú)線(xiàn)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，它們應能夠承受沖擊，并迅速恢復通信。這些設備還必須能夠在比以往更大的帶寬范圍內運行。
過(guò)去，由于技術(shù)限制，D&A 數字接收器一直都是窄帶型。但現在情況已有所改變，因為砷化鎵、氮化鎵和硅等新技術(shù)的進(jìn)步允許使用更大的可持續帶寬。這可實(shí)現許多全新的國防和航天應用，并為現有產(chǎn)品帶來(lái)一些全新功能。
許多軍事應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(guò)增加跳頻以減少信號檢測，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，并降低保護能力。如果接收器長(cháng)時(shí)間暴露在高功率水平下，組件性能可能會(huì )迅速下降，從而出現性能問(wèn)題或導致組件報廢。因此，設計人員必須采取必要措施，以確?？煽啃院徒邮掌黛`敏度。
優(yōu)化噪聲性能
最終，上述領(lǐng)域中的每個(gè)單獨應用都會(huì )推動(dòng)系統設計和需求發(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(kāi)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。當越過(guò)開(kāi)關(guān)、LNA，然后進(jìn)入驅動(dòng)器級，所有信號都會(huì )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(huì )影響整個(gè)接收鏈。
最優(yōu)參數權衡可以實(shí)現優(yōu)化的性能
設計人員必須在增益、增益平坦度、輸入/輸出匹配、線(xiàn)性度、功耗和尺寸等參數之間做出至關(guān)重要的權衡，同時(shí)確保 LNA 具有內在的穩定性。設計人員必須確保這些參數之間的平衡，同時(shí)保持系統穩定，并檢查系統在整個(gè)操作條件范圍內的穩定性。
較低的接收器噪聲系數確實(shí)可以提高性能和覆蓋范圍，但系統設計人員必須做出權衡，因為更優(yōu)的 NF 可能會(huì )導致接收器性能收益減少。因此，在一個(gè)應用中進(jìn)行的標稱(chēng)改進(jìn)可能并不值得在另一個(gè)應用中實(shí)施。Qorvo 的級聯(lián)分析計算器可為系統級設計權衡提供一個(gè)起點(diǎn)。
圖 3：Qorvo 設計中心的級聯(lián)計算器
在圖 3 所示應用中，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(shuō) NF 再次增加。
接收器應用和溫度
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。溫度對整個(gè)頻率范圍內的增益平坦度和 LNA 的穩定性具有重要影響。這兩個(gè)參數都可能會(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)中的一些應用采用低溫冷卻的方式來(lái)保持較低的 NF。此外，LNA 的穩定性至關(guān)重要，因為如果 LNA 不穩定，系統 NF 就會(huì )增加。
噪聲溫度
每個(gè)噪聲源都有一個(gè)相當的噪聲溫度。噪聲溫度用于描述設備的噪聲性能，而不是 NF，且主要用作為系統參數。這使得輸入噪聲溫度的概念更有意義，使用更方便。它出現在接收器的輸入端，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(gè)系統頻譜中。熱噪聲也是系統帶寬的函數。將帶寬與頻率響應和輸入信號匹配，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(gè)在線(xiàn)計算器，如下所示。
圖 4：Qorvo 設計中心的噪聲系數溫度計算器
一些額外的降噪設計策略
● 在設計中使用噪聲最小的一流 LNA。
● 進(jìn)行系統設計時(shí)，需考慮應用的真正標稱(chēng)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(xiàn)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(huì )給系統增加噪聲。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(gè)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(shí)有助于保護接收器，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，噪聲系數和系統線(xiàn)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（如增益、匹配、線(xiàn)性度和帶寬）之間進(jìn)行權衡，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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