【導讀】系統設計人員一直都在為復雜的系統設計尋求簡單的解決方案。我們不妨看看國防、航天和 5G 無線基礎設施領域的 RF 前端接收器解決方案。本博客文章是一個實用指南，有助于降低設計復雜性，同時滿足 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) 系統都是獨一無二的，但接收器在許多方面都比較相似。一般來說，RF 靈敏度是所有無線電接收器的關鍵規格參數。RF 接收器能夠接收所需無線電信號，同時忽略不必要的信號，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、系統各個組件以及整個系統的噪聲性能。
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量下降時，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 是一種用來量化數字無線電發射器和接收器性能的指標。由理想發射器發送或接收器接收的信號將會使所有 EVM 星座點精確地位于理想位置。然而，噪聲、失真、相位噪聲等缺陷會導致實際星座點偏離理想位置。理想情況下，發射器應生成盡可能靠近這些點的數字數據。EVM 用于衡量實際接收的數據元素與理想位置之間的距離。此外，放大器的線性度越高，EVM 就越好。
功率放大器 (PA) 和低噪聲放大器 (LNA) 技術通常在放大接收器內的信號方面沒有什么問題。相反，限制因素往往在于限噪方面，因為噪音會掩蓋所需信號。對于無線通信、雷達、儀器儀表、衛星等應用，兩個關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 以及隨后會出現的任何損耗，這對于確定整個無線電接收器的整體性能至關重要。通過優化 LNA 的 SNR 和 NF，可提高接收器的整體性能。此外，必須針對整個系統帶寬對該性能進行優化。
在 5G、國防和航天領域，LNA 和其他系統組件的帶寬在不斷增加，以實現處理當今應用所需的更高數據容量。帶寬增加意味著噪聲水平優化必須適應相同的帶寬區域。這顯然比較困難，但卻必須實現，以滿足當今的容量和吞吐量要求，以及實現高水平的接收器靈敏度。
5G RF 接收器
網絡密集化是有效實施 5G 的必要條件。通過增加每個區域的接入點數量，并在每個接入點部署更多的發射器和接收器，從而提高密集化程度。這種密度提升可提高無線網絡的整體容量和吞吐量，通過使用靈敏度更高的高動態范圍收發器，這些系統還可實現 5G。增加每個區域的基站和接入點數量也可以改變射頻前端要求 (RFFE)。由于從用戶設備 (UE) 到基站的平均距離更短，因此它可降低所需的發射功率。此外，這些接入點將添加更多的天線，以幫助增加空間流，從而提高容量和信號可靠性。
而且增加了多輸入多輸出 (MIMO)，以進一步提高信號可靠性，從而提高上行系統容量。利用多天線和 MIMO 增加空間流可提高 SNR，而且效果很好，因為像 5G 這樣先進的無線電系統需要更高的 SNR 來支持更高的數據速率。
許多 4G LTE 系統已經轉向 5G。這些系統具有大規模 MIMO 能力，這是對傳統 MIMO 的擴展，可在基站天線系統上提供更多的天線（如 32、64、128 根）和更多的天線陣列。這些大規模 MIMO 天線有助于集中能量，以便提高網絡的吞吐量和效率。這些 5G 網絡還具有非常高的帶寬能力。例如：頻率范圍 FR1 (410 MHz – 7125 MHz) 可實現高達 100 MHz 的傳輸帶寬。因此，LNA 設計人員正在創建超寬帶 LNA，以支持多個 5G 頻段 RF 鏈，從而簡化產品設計。為實現這些寬帶能力，LNA 必須在整個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，如果受到沖擊，還必須能夠非常迅速地恢復并再次開始運行。因此，LNA 等組件作為鏈路中位于接收器輸入開關之后的第一個組件，需要具備 20 dBm 或更高的輸入功率處理能力，以滿足該任務需求。
國防和航天接收器
國防和航天 RFFE 領域也發生了許多變化。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，這會明顯推動采用小尺寸、輕量級、高集成度的產品，將接收和發射鏈集成在一個封裝（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 在國防和航天領域的用例
國防和航天 (D&A) 領域的接收器產品不僅需要高功率功能以實現出色的放大性能，而且還要求能夠在諸如基礎設施領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，此類接收器產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壓制接收器。
因此，具有耐受力和抗電子干擾（如無線電干擾）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。
過去，由于技術限制，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的進步允許使用更大的可持續帶寬。這可實現許多全新的國防和航天應用，并為現有產品帶來一些全新功能。
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。通過增加跳頻以減少信號檢測，可采用寬帶寬和頻譜進行傳輸和接收。這些方面可能會增加接收器上的噪聲，并降低保護能力。如果接收器長時間暴露在高功率水平下，組件性能可能會迅速下降，從而出現性能問題或導致組件報廢。因此，設計人員必須采取必要措施，以確保可靠性和接收器靈敏度。
優化噪聲性能
最終，上述領域中的每個單獨應用都會推動系統設計和需求發展。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。當越過開關、LNA，然后進入驅動器級，所有信號都會被放大。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重要，因為該性能會影響整個接收鏈。
最優參數權衡可以實現優化的性能
設計人員必須在增益、增益平坦度、輸入/輸出匹配、線性度、功耗和尺寸等參數之間做出至關重要的權衡，同時確保 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，同時保持系統穩定，并檢查系統在整個操作條件范圍內的穩定性。
較低的接收器噪聲系數確實可以提高性能和覆蓋范圍，但系統設計人員必須做出權衡，因為更優的 NF 可能會導致接收器性能收益減少。因此，在一個應用中進行的標稱改進可能并不值得在另一個應用中實施。Qorvo 的級聯分析計算器可為系統級設計權衡提供一個起點。
圖 3：Qorvo 設計中心的級聯計算器
在圖 3 所示應用中，一個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 后的濾波器會產生損耗，則 NF 就會增加。例如，在上述場景中，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 NF 再次增加。
接收器應用和溫度
降低輸入噪聲的一個顯而易見的方法就是選用具有最佳 NF 參數的 LNA。接收器 LNA 的另一個重要考慮因素就是其隨溫度變化的性能。溫度對整個頻率范圍內的增益平坦度和 LNA 的穩定性具有重要影響。這兩個參數都可能會影響 NF 的變化。通過散熱器或散熱技術冷卻 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。射電天文學中的一些應用采用低溫冷卻的方式來保持較低的 NF。此外，LNA 的穩定性至關重要，因為如果 LNA 不穩定，系統 NF 就會增加。
噪聲溫度
每個噪聲源都有一個相當的噪聲溫度。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 了提供一個在線計算器，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。
● 進行系統設計時，需考慮應用的真正標稱溫度。
● 通過屏蔽或消除噪聲源，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，因為限幅器會給系統增加噪聲。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重要。在輸入端增加一個限幅器或循環器可以降低高輸入功率對接收器可能產生的影響。這確實有助于保護接收器，但會增加 LNA 處的噪聲。此方法也會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，噪聲系數和系統線性度也會影響接收器靈敏度。為了獲得最佳的接收器靈敏度性能，必須在幾個關鍵參數（如增益、匹配、線性度和帶寬）之間進行權衡，同時密切關注干擾、溫度以及維持接收器抗沖擊的能力。
來源：Qorvo
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