英飛凌低噪聲放大器在無(wú)線數(shù)據(jù)接收中的應(yīng)用

 【引言】本文詳細(xì)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(shí)測(cè)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(dòng)、聯(lián)通、電信的4G TD-LTE牌照，這意味著國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商全面進(jìn)入4G商用化時(shí)代，同時(shí)各大手機(jī)制造商紛紛推出多模、多頻的LTE手機(jī)和終端，目前國(guó)內(nèi)LTE用戶規(guī)模已經(jīng)達(dá)到5,000萬(wàn)。

相對(duì)于3G而言，4G LTE能夠提供更大的信道容量，手機(jī)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(gè)RB;

12——每個(gè)RB12個(gè)子載波;

14——Normal CP情況下，每個(gè)子幀14個(gè)符號(hào);

2——采用2×2 MIMO復(fù)用模式情況下，速率加倍;

6——64QAM每個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)6個(gè)bit;

上面只是一個(gè)簡(jiǎn)單的估算，實(shí)際中用戶少的時(shí)候，PDCCH占用的符號(hào)數(shù)可以減小，此時(shí)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(shí)際使用中，由于手機(jī)用戶位置是移動(dòng)的，距離基站臺(tái)的距離遠(yuǎn)近變化，導(dǎo)致實(shí)際的接收信號(hào)電平也一直處于強(qiáng)弱變化中，理論上的最高數(shù)據(jù)速率只能在接收強(qiáng)信號(hào)下存在，此時(shí)輸入信噪比大于40dB。如果接收弱信號(hào)下，數(shù)據(jù)速率會(huì)有所下降，實(shí)際使用的數(shù)據(jù)速率由香農(nóng)公式推導(dǎo)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(jī)用戶實(shí)際使用的數(shù)據(jù)速率，信道帶寬對(duì)通信運(yùn)營(yíng)商來(lái)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(shí)，降低手機(jī)接收機(jī)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(shí)，即通常講信號(hào)電平比較弱時(shí)，改善更為明顯。

在當(dāng)前的4G LTE手機(jī)中，為了取得空間分集收益，主分集天線分處手機(jī)兩端，射頻收發(fā)信機(jī)芯片只能選擇靠一端放置，或者居中放置，這樣會(huì)導(dǎo)致分集接收機(jī)或者主、分集接收機(jī)和對(duì)應(yīng)天線的距離較遠(yuǎn)，對(duì)射頻信號(hào)帶來(lái)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(jī)的射頻前端噪聲系數(shù)，提高實(shí)際使用中，特別是在弱信號(hào)下的無(wú)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(dǎo)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(jī)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(hào)，當(dāng)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)可以通過(guò)拉低Pon管腳關(guān)閉放大器;芯片的匹配僅需一個(gè)電感，有效減少外圍器件和PCB布板面積，憑借先進(jìn)的芯片封裝技術(shù)，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(shí)具有自屏蔽效應(yīng)，可以有效減少外來(lái)干擾信號(hào)的對(duì)射頻前端的影響;芯片內(nèi)置ESD防護(hù)電路，高達(dá)2KV HBM防護(hù)，保證了芯片在調(diào)試，貼片過(guò)程的健壯性;整個(gè)芯片的功耗小于5mA，待機(jī)時(shí)小于3μA，走在綠色節(jié)能的時(shí)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(hào)LTE手機(jī)上，使用BGA7X1N6后，接收機(jī)噪聲系數(shù)從原來(lái)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(duì)比，實(shí)測(cè)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(jī)噪聲仿真對(duì)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(shí)測(cè)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(tái)的覆蓋距離和接收機(jī)收到的信號(hào)電平是20lgD的關(guān)系，如果接收機(jī)噪聲降低3dB，基站臺(tái)覆蓋距離可以增大到原來(lái)的1.41倍，覆蓋面積增大到原來(lái)的2倍，使用低噪聲放大器的手機(jī)將具有更遠(yuǎn)的移動(dòng)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(guò)香農(nóng)公式，可以推算出在不同的輸入信號(hào)噪聲比下，同一個(gè)接收機(jī)在相同信道帶寬下，信道容量獲得的改善?？梢钥闯觯盘?hào)越弱時(shí)，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(chǔ)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(guān)和低噪聲放大器，減少了使用多個(gè)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(gè)器件，其中從1.7～2.7GHz，僅使用一顆BGM15MA12就可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1GHz的寬帶覆蓋，特別適合國(guó)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(guān)，具有直接映射功能，也就是說(shuō)每一個(gè)通道的打開或者關(guān)閉狀態(tài)，直接對(duì)應(yīng)MIPI接口寄存器的一個(gè)比特，配置異常靈活，而且可以同時(shí)打開兩個(gè)通道，兩個(gè)band的信號(hào)可以同時(shí)進(jìn)入低噪放放大，而后再進(jìn)入接收機(jī)，實(shí)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(jī)制造商得到廣泛應(yīng)用，確實(shí)帶來(lái)了LTE系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)下載速率的提升，用戶體驗(yàn)極佳。英飛凌自有專利的SiGe工藝，極高的性價(jià)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(jī)制造商注入了更多的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力!