一種提升LTE分集接收靈敏度的設計方案

摘? 要：基于LTE設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、較高增益的放大器并采用兩級級聯的方式，降低了整機的噪聲系數，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，該方案具有結構簡單、高指標等特點，可以推廣到各種無線接收機產品中，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：LTE;低噪聲放大器;噪聲系數;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設備在全球范圍內的廣泛使用，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別于競品的關鍵參數。

根據3GPP 36.521-1的標準要求，LTE無線接收終端設備在信號帶寬為20 MHz、頻段為Band40、調制方式為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生系統噪聲，因此，如何提高接收靈敏度成為LTE無線接收終端的一個設計關注點。

為了大幅提升數據吞吐量，LTE還引入了MIMO（多入多出）技術，MIMO是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，它與傳統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射功率的前提下，提高系統的數據速率，減少誤比特率，改善無線信號的傳送質量。就LTE無線接收終端而言，在接收端，根據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，提出性能穩定、優異的解決方案，通過在4G LTE模塊外部增加一級低噪聲放大器，令其和4G LTE模塊內部的分集接收通道的低噪聲放大器形成了兩級級聯放大的框架，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是系統的噪聲系數，SNRmin是接收系統的基帶處理器的解調門限，-174.00 dBm是對應環境溫度為290 K、在單位帶寬（B=1 Hz）內的熱噪聲功率，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（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NF，所以，要想改善接收靈敏度，就必須降低系統的噪聲系數，使用噪聲系數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? 兩級級聯放大器的噪聲系數

兩級級聯放大器的噪聲系數公式如下：

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

式中，Fcascade是兩級級聯后的噪聲系數，F1是第一級低噪聲放大器的噪聲系數，G1是第一級低噪聲放大器的增益，F2是第二級低噪聲放大器的噪聲系數，由式（3）可知，第一級低噪聲放大器的噪聲系數和增益對整個系統的噪聲性能有著極大的影響。從提高系統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、較高的功率增益，就能夠顯著降低系統的總噪聲系數。

2? 系統組成及分析

2.1? 系統框圖

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，導致第一級低噪聲放大器飽和。經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? 兩級級聯后的分集接收靈敏度分析

通過查詢4G LTE模塊的數據手冊可知，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調制時），根據式（1）可推得4G LTE模塊的分集通道的噪聲系數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NF1為0.60 dB（F1=1.15），增益為12.40 dB（G1=17.38）。

根據式（3），兩級級聯后的噪聲系數為：

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，所以，兩級級聯放大后的分集通道的總噪聲系數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，這些因素都會導致分集通道的總噪聲系數惡化，所以，需要留出2.00 dB左右的余量來分配額外的系統噪聲，由此，根據式（1），增加一級低噪聲放大器后，當信號帶寬為20 MHz時，采用QPSK調制，預估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計

3.1? 選擇偏置電壓

偏置電壓決定了放大器的靜態工作點，關系到噪聲系數和增益等指標。通過查詢數據手冊，為了獲得低噪聲特性，選擇1.8 V的偏置電壓。

3.2? 穩定性設計

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

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

K=? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

K為穩定判別系數。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的條件已經滿足，欲使放大管絕對穩定，則需要滿足條件：

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

查詢數據手冊可知，VCC=1.8 V時，在整個工作頻段內，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在整個工作頻段內是滿足絕對穩定的條件的。

3.3? 匹配設計

匹配設計主要考慮放大器的噪聲系數、增益及回波損耗等參數，為了在整個工作頻段內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計，然后再對整個頻段內的電路進行優化、微調。級聯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計，級間匹配應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]。

在芯片設計之初，BGA7H1N6的AO引腳已經在內部實現了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計只需考慮好輸入匹配即可，根據英飛凌的參考設計，工作頻段為Band40時，輸入匹配只需要在BGA7H1N6的輸入端串聯一個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模塊內部已預置了SAW濾波器，所以BGA7H1N6的輸出端無需再使用SAW濾波器。本設計選用帶外抑制性能優異的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雜電磁環境的適應性。

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、調制方式為QPSK，如2.2所述，前后對比均需考慮2.00 dB的系統噪聲，依據實測結果，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期。

5? 結? 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項目，結合LTE無線接收終端分集通道接收靈敏度的業界標準，通過采用兩級級聯放大的設計方案，選擇具有較低的噪聲系數、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，經過測試驗證和海外運營商的入網測試，驗證了方案的可行性。采用本文的設計思路，可設計出噪聲低、抗干擾能力強的LTE無線接收終端，該設計方案已成功應用于由深圳市共進電子股份有限公司開發的LTE無線網關產品。

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通信接收機設計 [J].微波學報，2012，28（6）：84-88.

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

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

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