英飞凌低噪声放大器在无线数据接收中的应用

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2014年6月，工信部向联通和电信颁发4G FD-LTE牌照，加上在此之前发放给移动、联通、电信的4G TD-LTE牌照，这意味着国内三大运营商全面进入4G商用化时代，同时各大手机制造商纷纷推出多模、多频的LTE手机和终端，目前国内LTE用户规模已 经达到5,000万。
           
          相对于3G而言，4G LTE能够提供更大的信道容量，手机用户可以享用更高的数据下载速率，在FD-LTE 20MHz带宽，64QAM，2×2 MIMO下，编码率为1的情况下，
          LTE 下行峰值速率为：
          100*12*14*(1-2/21-4/21-0.1714%-0.3929%)*2*6*1000= 142.86Mbps.
          100——100个RB；
          12——每个RB12个子载波；
          14——Normal CP情况下，每个子帧14个符号；
          2——采用2×2 MIMO复用模式情况下，速率加倍；
          6——64QAM每个符号对应6个bit；
           
          上面只是一个简单的估算，实际中用户少的时候，PDCCH占用的符号数可以减小，此时单用户峰值速率可以提高，协议规定的理论峰值速率在150.75Mbps，是3G WCDMA理论峰值速率的7倍。
           
          在实际使用中，由于手机用户位置是移动的，距离基站台的距离远近变化，导致实际的接收信号电平也一直处于强弱变化中，理论上的最高数据速率只能在接收强信号下存在，此时输入信噪比大于40dB。如果接收弱信号下，数据速率会有所下降，实际使用的数据速率由香农公式推导出：
          C = BW ˙log2 (1+SNRoutput)
          C——信道容量
          BW——信道带宽
          SNRoutput——输出信噪比
           
          信道容量即是手机用户实际使用的数据速率，信道带宽对通信运营商来讲也是固定的，FD-LTE通常是20MHz，唯一有变化的是SNRoutput：
          F = SNRinput/ SNRoutput SNRoutput =SNRinput/F
          C = BW˙ log2(1+ SNRinput/F)
           
          由此可见，在输入信噪比一定时，降低手机接收机噪声系数，是提高信道容量的有效办法，特别是在输入信噪比比较低时，即通常讲信号电平比较弱时，改善更为明显。
           
          在当前的4G LTE手机中，为了取得空间分集收益，主分集天线分处手机两端，射频收发信机芯片只能选择靠一端放置，或者居中放置，这样会导致分集接收机或者主、分集接收机和对应天线的距离较远，对射频信号带来不小的路径损失，尤其是在2.6GHz以上的高频尤为明显。
           
          为了降低4G LTE接收机的射频前端噪 声系数，提高实际使用中，特别是在弱信号下的无线数据下载速率，英飞凌推出BGA7X1N6系列低噪声放大器，高、中、低频段的三颗LNA，可以覆盖从 700MHz～2.7GHz的所有4G通信频段；采用自有专利的SiGe半导体工艺， 可以获得0.6dB的业界最小噪声系数，以及3dBm的IP-1和5dBm的IIP3，这样可以保证很低的接收机噪声和卓越的射频通道线性，13dB的放 大器增益可以有效放大弱信号，当信号较强时可以通过拉低Pon管脚关闭放大器；芯片的匹配仅需一个电感，有效减少外围器件和PCB布板面积，凭借先进的芯 片封装技术，低噪放具有业界最小的封装尺寸1.1×0.7mm，可以灵活方便地放置在电路板上，该封装同时具有自屏蔽效应，可以有效减少外来干扰信号的对 射频前端的影响；芯片内置ESD防护电路，高达2KV HBM防护，保证了芯片在调试，贴片过程的健壮性；整个芯片的功耗小于5mA，待机时小于3μA，走在绿色节能的时代前列。
           

       
        图1:英飞凌BGA7X1N6系列低噪声放大器

         

          在已经上市的某型号LTE手机上，使用BGA7X1N6后，接收机噪声系数从原来的6.1dB，降低为3.2dB，改善2.9dB。下面是使用casecade的仿真结果对比，实测数据和仿真结果完全吻合。
           

       
        图2:英飞凌BGA7X1N6改善接收机噪声仿真对比

       
        图3:使用和未使用英飞凌BGA7X1N6的RFFE模拟板噪声系数和增益实测结果

         

          我们知道，电磁波在自由空间传播的损耗公式:
          Lbs =32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km)
          F为频率，单位：MHz；D为距离，单位：km；
        所以在频率一定的情况下，基站台的覆盖距离和接收机收到的信号电平是20lgD的关系，如果接收机噪声降低3dB，基站台覆盖距离可以增大到原来的1.41倍，覆盖面积增大到原来的2倍，使用低噪声放大器的手机将具有更远的移动距离和更大的接入面积。
           
          在数据下载速率上，使用英飞凌低噪放后，通过香农公式，可以推算出在不同的输入信号噪声比下，同一个接收机在相同信道带宽下，信道容量获得的改善。 可以看出，信号越弱时，输入信噪比越低，信道容量的提升越明显，最高可以获得96%的信道容量提升，这就意味着用户的下载数据速率提升接近一倍。
           

       
        图4:英飞凌BGA7X1N6在不同的SNRInput下改善信道容量

         

          在BGA7x1N6的基础上，英飞凌还推出了BGM15XA12系列模块，其内部集成SP5T的射频开关和低噪声放大器，减少了使用多个低噪放的射频走线， 降低了BOM成本和PCB面积，另外使用MIPI接口，配置更为方便。系列模块也包含高、中、低三个器件，其中从1.7～2.7GHz，仅使用一颗 BGM15MA12就可以实现高达1GHz的宽带覆盖，特别适合国内的LTE band39、band40、band41频段。
           

       
        图5:射频前端中的BGM15XA12模块

         

          英飞凌BGM15XA12系列模块，其内部集成的SP5T射频开关，具有直接映射功能，也就是说每一个通道的打开或者关闭状态，直接对应MIPI接口寄存器 的一个比特，配置异常灵活，而且可以同时打开两个通道，两个band的信号可以同时进入低噪放放大，而后再进入接收机，实现LTE系统载波聚合功能。

       
        图6:英飞凌BGM15XA12模块框图

         

       
        图7:英飞凌BGM15XA12模块通道模式真值表

         

          英飞凌BGA7x1N6和BGM15XA12系列低噪声放大器和模块，在2014年初已量产，在海内外的主流手机制造商得到广泛应用，确实带来了LTE系统 性能和数据下载速率的提升，用户体验极佳。英飞凌自有专利的SiGe工艺，极高的性价比、良好的质量控制，以及稳定的产能为使用该产品的手机制造商注入了 更多的市场竞争力！