【引言】本文詳細闡述了英飛凌低噪聲放大器BGA7x1N6如何有效地降低系統(tǒng)噪聲系數(shù),提升信道容量,并分析了低噪放性能和電路仿真以及實測結(jié)果,結(jié)果表明,使用LTE LNA可提高接收靈敏度約3dB,提高數(shù)據(jù)速率約最高可到96%。
2014年6月,工信部向聯(lián)通和電信頒發(fā)4G FD-LTE牌照,加上在此之前發(fā)放給移動、聯(lián)通、電信的4G TD-LTE牌照,這意味著國內(nèi)三大運營商全面進入4G商用化時代,同時各大手機制造商紛紛推出多模、多頻的LTE手機和終端,目前國內(nèi)LTE用戶規(guī)模已經(jīng)達到5,000萬。
相對于3G而言,4G LTE能夠提供更大的信道容量,手機用戶可以享用更高的數(shù)據(jù)下載速率,在FD-LTE 20MHz帶寬,64QAM,2×2 MIMO下,編碼率為1的情況下,
LTE 下行峰值速率為:
100*12*14*(1-2/21-4/21-0.1714%-0.3929%)*2*6*1000= 142.86Mbps.
100——100個RB;
12——每個RB12個子載波;
14——Normal CP情況下,每個子幀14個符號;
2——采用2×2 MIMO復用模式情況下,速率加倍;
6——64QAM每個符號對應6個bit;
上面只是一個簡單的估算,實際中用戶少的時候,PDCCH占用的符號數(shù)可以減小,此時單用戶峰值速率可以提高,協(xié)議規(guī)定的理論峰值速率在150.75Mbps,是3G WCDMA理論峰值速率的7倍。
在實際使用中,由于手機用戶位置是移動的,距離基站臺的距離遠近變化,導致實際的接收信號電平也一直處于強弱變化中,理論上的最高數(shù)據(jù)速率只能在接收強信號下存在,此時輸入信噪比大于40dB。如果接收弱信號下,數(shù)據(jù)速率會有所下降,實際使用的數(shù)據(jù)速率由香農(nóng)公式推導出:
C = BW ˙log2 (1+SNRoutput)
C——信道容量
BW——信道帶寬
SNRoutput——輸出信噪比
信道容量即是手機用戶實際使用的數(shù)據(jù)速率,信道帶寬對通信運營商來講也是固定的,F(xiàn)D-LTE通常是20MHz,唯一有變化的是SNRoutput:
F = SNRinput/ SNRoutput SNRoutput =SNRinput/F
C = BW˙ log2(1+ SNRinput/F)
由此可見,在輸入信噪比一定時,降低手機接收機噪聲系數(shù),是提高信道容量的有效辦法,特別是在輸入信噪比比較低時,即通常講信號電平比較弱時,改善更為明顯。
在當前的4G LTE手機中,為了取得空間分集收益,主分集天線分處手機兩端,射頻收發(fā)信機芯片只能選擇靠一端放置,或者居中放置,這樣會導致分集接收機或者主、分集接收機和對應天線的距離較遠,對射頻信號帶來不小的路徑損失,尤其是在2.6GHz以上的高頻尤為明顯。
為了降低4G LTE接收機的射頻前端噪聲系數(shù),提高實際使用中,特別是在弱信號下的無線數(shù)據(jù)下載速率,英飛凌推出BGA7X1N6系列低噪聲放大器,高、中、低頻段的三顆LNA,可以覆蓋從700MHz~2.7GHz的所有4G通信頻段;采用自有專利的SiGe半導體工藝, 可以獲得0.6dB的業(yè)界最小噪聲系數(shù),以及3dBm的IP-1和5dBm的IIP3,這樣可以保證很低的接收機噪聲和卓越的射頻通道線性,13dB的放大器增益可以有效放大弱信號,當信號較強時可以通過拉低Pon管腳關閉放大器;芯片的匹配僅需一個電感,有效減少外圍器件和PCB布板面積,憑借先進的芯片封裝技術,低噪放具有業(yè)界最小的封裝尺寸1.1×0.7mm,可以靈活方便地放置在電路板上,該封裝同時具有自屏蔽效應,可以有效減少外來干擾信號的對射頻前端的影響;芯片內(nèi)置ESD防護電路,高達2KV HBM防護,保證了芯片在調(diào)試,貼片過程的健壯性;整個芯片的功耗小于5mA,待機時小于3μA,走在綠色節(jié)能的時代前列。
圖1:英飛凌BGA7X1N6系列低噪聲放大器
在已經(jīng)上市的某型號LTE手機上,使用BGA7X1N6后,接收機噪聲系數(shù)從原來的6.1dB,降低為3.2dB,改善2.9dB。下面是使用casecade的仿真結(jié)果對比,實測數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果完全吻合。
圖2:英飛凌BGA7X1N6改善接收機噪聲仿真對比
圖3:使用和未使用英飛凌BGA7X1N6的RFFE模擬板噪聲系數(shù)和增益實測結(jié)果
我們知道,電磁波在自由空間傳播的損耗公式:
Lbs =32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km)
F為頻率,單位:MHz;D為距離,單位:km;
所以在頻率一定的情況下,基站臺的覆蓋距離和接收機收到的信號電平是20lgD的關系,如果接收機噪聲降低3dB,基站臺覆蓋距離可以增大到原來的1.41倍,覆蓋面積增大到原來的2倍,使用低噪聲放大器的手機將具有更遠的移動距離和更大的接入面積。
在數(shù)據(jù)下載速率上,使用英飛凌低噪放后,通過香農(nóng)公式,可以推算出在不同的輸入信號噪聲比下,同一個接收機在相同信道帶寬下,信道容量獲得的改善??梢钥闯?,信號越弱時,輸入信噪比越低,信道容量的提升越明顯,最高可以獲得96%的信道容量提升,這就意味著用戶的下載數(shù)據(jù)速率提升接近一倍。
圖4:英飛凌BGA7X1N6在不同的SNRInput下改善信道容量
在BGA7x1N6的基礎上,英飛凌還推出了BGM15XA12系列模塊,其內(nèi)部集成SP5T的射頻開關和低噪聲放大器,減少了使用多個低噪放的射頻走線,降低了BOM成本和PCB面積,另外使用MIPI接口,配置更為方便。系列模塊也包含高、中、低三個器件,其中從1.7~2.7GHz,僅使用一顆BGM15MA12就可以實現(xiàn)高達1GHz的寬帶覆蓋,特別適合國內(nèi)的LTE band39、band40、band41頻段。
圖5:射頻前端中的BGM15XA12模塊
英飛凌BGM15XA12系列模塊,其內(nèi)部集成的SP5T射頻開關,具有直接映射功能,也就是說每一個通道的打開或者關閉狀態(tài),直接對應MIPI接口寄存器的一個比特,配置異常靈活,而且可以同時打開兩個通道,兩個band的信號可以同時進入低噪放放大,而后再進入接收機,實現(xiàn)LTE系統(tǒng)載波聚合功能。
圖6:英飛凌BGM15XA12模塊框圖
圖7:英飛凌BGM15XA12模塊通道模式真值表
英飛凌BGA7x1N6和BGM15XA12系列低噪聲放大器和模塊,在2014年初已量產(chǎn),在海內(nèi)外的主流手機制造商得到廣泛應用,確實帶來了LTE系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)下載速率的提升,用戶體驗極佳。英飛凌自有專利的SiGe工藝,極高的性價比、良好的質(zhì)量控制,以及穩(wěn)定的產(chǎn)能為使用該產(chǎn)品的手機制造商注入了更多的市場競爭力!