一種提升LTE分集接收靈敏度的設(shè)計方案

摘? 要：基于LTE設(shè)備的廣泛使用和用戶需求的增長，提出了一種提升LTE分集接收靈敏度的方案，通過使用極低噪聲系數(shù)、較高增益的放大器并采用兩級級聯(lián)的方式，降低了整機的噪聲系數(shù)，從而提升了接收機的靈敏度。對接收機的理論分析和測試對比表明，該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、高指標等特點，可以推廣到各種無線接收機產(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

中圖分類號：TN851;TN722.3? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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，用戶對高性能的移動接入的需求與日俱增，作為直接影響移動設(shè)備接入范圍的核心指標，接收靈敏度一般會被制造商作為區(qū)別于競品的關(guān)鍵參數(shù)。

根據(jù)3GPP 36.521-1的標準要求，LTE無線接收終端設(shè)備在信號帶寬為20 MHz、頻段為Band40、調(diào)制方式為QPSK時，所要求的參考接收靈敏度為-94.00 dBm[1]，同時要滿足吞吐量≥95%，這將要求LTE無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無線接收終端本身還會產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲，因此，如何提高接收靈敏度成為LTE無線接收終端的一個設(shè)計關(guān)注點。

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發(fā)射天線和接收天線，它與傳統(tǒng)的信號處理方式的不同之處在于其同時從時間和空間兩個方面研究信號的處理問題，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，改善無線信號的傳送質(zhì)量。就LTE無線接收終端而言，在接收端，根據(jù)3GPP的定義[1]，一般至少會有兩根接收天線，即主集天線和分集天線，其中，分集天線的接收靈敏度對下行速率起著重要的支撐作用，特別是在弱信號區(qū)域。本文針對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，通過在4G LTE模塊外部增加一級低噪聲放大器，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級聯(lián)放大的框架，從而提高了LTE無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

對于一個無線接收機系統(tǒng)來說，其最小輸入可接收信號如下：

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)門限，-174.00 dBm是對應(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，通常標記為-174.00 dBm/Hz。對于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是一種比較方便的做法。

1.2? 兩級級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)

兩級級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)公式如下：

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

式中，F(xiàn)cascade是兩級級聯(lián)后的噪聲系數(shù)，F(xiàn)1是第一級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，G1是第一級低噪聲放大器的增益，F(xiàn)2是第二級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，由式（3）可知，第一級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和增益對整個系統(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講，如果第一級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為LTE Band40頻段（2 300～2 400 MHz），信號通過適用于LTE Band40頻段的SAW濾波器以抑制帶外和鏡像信號，避免干擾信號進入第一級低噪聲放大器，導(dǎo)致第一級低噪聲放大器飽和。經(jīng)過第一級低噪聲放大器放大后的信號進入4G LTE模塊做接收使用。

2.2? 兩級級聯(lián)后的分集接收靈敏度分析

通過查詢4G LTE模塊的數(shù)據(jù)手冊可知，本文所述的4G LTE模塊在Band40頻段支持SIMO（1TX、2RX），即有兩個接收端口：主集通道和分集通道。當信號帶寬為20 MHz時，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QPSK調(diào)制時），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無線接收終端的分集通道的接收靈敏度，我們在4G LTE模塊的分集通道外再增加一級低噪聲放大器，該低噪聲放大器的型號為英飛凌公司的BGA7H1N6，對于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），兩級級聯(lián)后的噪聲系數(shù)為：

Fcascade=1.15+=1.33;

NFcascade=1.24 dB

另外，第一級低噪聲放大器的前端的SAW濾波器的插入損耗（IL=1.60 dB）也需要計入噪聲系數(shù)，所以，兩級級聯(lián)放大后的分集通道的總噪聲系數(shù)NFtotal為2.84 dB，對比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無線接收終端上后，會受到LTE無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左右的余量來分配額外的系統(tǒng)噪聲，由此，根據(jù)式（1），增加一級低噪聲放大器后，當信號帶寬為20 MHz時，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? 第一級低噪聲放大器的電路設(shè)計

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，關(guān)系到噪聲系數(shù)和增益等指標。通過查詢數(shù)據(jù)手冊，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

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

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

K=? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

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

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

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

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

查詢數(shù)據(jù)手冊可知，VCC=1.8 V時，在整個工作頻段內(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在整個工作頻段內(nèi)是滿足絕對穩(wěn)定的條件的。

3.3? 匹配設(shè)計

匹配設(shè)計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進行匹配電路設(shè)計，然后再對整個頻段內(nèi)的電路進行優(yōu)化、微調(diào)。級聯(lián)放大器的匹配電路包括輸入匹配、級間匹配和輸出匹配，在設(shè)計低噪聲放大器電路時，為求得低噪聲特性，輸入匹配通常按最小噪聲匹配來設(shè)計，級間匹配應(yīng)使后級放大器的輸入阻抗和前級放大器的輸出阻抗相匹配，以使后級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)計之初，BGA7H1N6的AO引腳已經(jīng)在內(nèi)部實現(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，所以第一級的低噪聲放大器的電路設(shè)計只需考慮好輸入匹配即可，根據(jù)英飛凌的參考設(shè)計，工作頻段為Band40時，輸入匹配只需要在BGA7H1N6的輸入端串聯(lián)一個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

考慮到Band40的頻段鄰近Wi-Fi使用的2.4G頻段，且Wi-Fi信號的發(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的輸出端無需再使用SAW濾波器。本設(shè)計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Wi-Fi的抑制度達到30.00 dB以上，能夠很好地避免鄰頻噪聲進入低噪聲放大器，極大地提高了第一級低噪聲放大器對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性。

3.5? 第一級低噪聲放大器的電路

第一級低噪聲放大器的電路如圖2所示。

4? 實際測試結(jié)果

如表1所示，選取三塊樣機進行有/無第一級低噪聲放大器的對比測試，LTE的工作頻段為Band40、信號帶寬為20 MHz、調(diào)制方式為QPSK，如2.2所述，前后對比均需考慮2.00 dB的系統(tǒng)噪聲，依據(jù)實測結(jié)果，以±1.00 dB的測量誤差來看，接收靈敏度基本達到理論推算的預(yù)期。

5? 結(jié)? 論

本文來自于筆者在深圳市共進電子股份有限公司所從事的研發(fā)項目，結(jié)合LTE無線接收終端分集通道接收靈敏度的業(yè)界標準，通過采用兩級級聯(lián)放大的設(shè)計方案，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放大器，有效地提高了LTE無線接收終端的分集接收靈敏度，經(jīng)過測試驗證和海外運營商的入網(wǎng)測試，驗證了方案的可行性。采用本文的設(shè)計思路，可設(shè)計出噪聲低、抗干擾能力強的LTE無線接收終端，該設(shè)計方案已成功應(yīng)用于由深圳市共進電子股份有限公司開發(fā)的LTE無線網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。

參考文獻：

[1] 3GPP.3GPP 36.521-1 V16.4.0 [EB/OL].（2020-03-30）.https：//www.3gpp.org/ftp/Specs/archive.

[2] 凌云志.一種高靈敏度TD-LTE通信接收機設(shè)計 [J].微波學(xué)報，2012，28（6）：84-88.

[3] M.M.拉德馬內(nèi)斯.射頻與微波電子學(xué) [M].顧繼慧，李鳴，譯.北京：科學(xué)出版社，2006：373-470.

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

作者簡介：薛孫曦（1981.12—），男，漢族，江蘇無錫人，研發(fā)主任，本科，研究方向：無線通信終端產(chǎn)品的硬件開發(fā)、射頻設(shè)計。