【導讀】係統設計人員一直都在為複雜的係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，有助於降低設計複雜性，同時滿足 5G 基礎設施、國防和航天應用的嚴格噪聲係數要求。

接收器噪聲係數概述

許多 RF 前端 (RFFE) 係統都是獨一無二的，但接收器在許多方麵都比較相似。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：

噪聲係數(NF) – 係統的 NF 是噪聲因數的對數形式。它規定了接收器、係統各個組件以及整個係統的噪聲性能。

信噪比 (SNR) - 這是給定信號功率水平與係統內部噪聲之間的比率。

誤碼率 (BER) – 這是一種數字係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 星座點精確地位於理想位置。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 用於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麵沒有什麼問題。相反，限製因素往往在於限噪方麵，因為噪音會掩蓋所需信號。對於無線通信、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 以及隨後會出現的任何損耗，這對於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
，必須針對整個係統帶寬對該性能進行優化。

在 5G、國防和航天領域，LNA 和he其qi他ta係xi統tong組zu件jian的de帶dai寬kuan在zai不bu斷duan增zeng加jia
，以yi實shi現xian處chu理li當dang今jin應ying用yong所suo需xu的de更geng高gao數shu據ju容rong量liang。帶dai寬kuan增zeng加jia意yi味wei著zhe噪zao聲sheng水shui平ping優you化hua必bi須xu適shi應ying相xiang同tong的de帶dai寬kuan區qu域yu。這zhe顯xian然ran比bi較jiao困kun難nan，但dan卻que必bi須xu實shi現xian，以yi滿man足zu當dang今jin的de容rong量liang和he吞tun吐tu量liang要yao求qiu，以yi及ji實shi現xian高gao水shui平ping的de接jie收shou器qi靈ling敏min度du。

5G RF 接收器

網絡密集化是有效實施 5G 的(de)必(bi)要(yao)條(tiao)件(jian)。通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)每(mei)個(ge)區(qu)域(yu)的(de)接(jie)入(ru)點(dian)數(shu)量(liang)，並(bing)在(zai)每(mei)個(ge)接(jie)入(ru)點(dian)部(bu)署(shu)更(geng)多(duo)的(de)發(fa)射(she)器(qi)和(he)接(jie)收(shou)器(qi)
，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)密(mi)集(ji)化(hua)程(cheng)度(du)。這(zhe)種(zhong)密(mi)度(du)提(ti)升(sheng)可(ke)提(ti)高(gao)無(wu)線(xian)網(wang)絡(luo)的(de)整(zheng)體(ti)容(rong)量(liang)和(he)吞(tun)吐(tu)量(liang)，通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)靈(ling)敏(min)度(du)更(geng)高(gao)的(de)高(gao)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)收(shou)發(fa)器(qi)

，這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)還(hai)可(ke)實(shi)現(xian) 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)。由於從用戶設備 (UE) daojizhandepingjunjuligengduan
，yincitakejiangdisuoxudefashegonglv。ciwai，zhexiejierudianjiangtianjiagengduodetianxian，yibangzhuzengjiakongjianliu，congertigaoronglianghexinhaokekaoxing。

而且增加了多輸入多輸出 (MIMO)，以進一步提高信號可靠性
，從而提高上行係統容量。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 這樣先進的無線電係統需要更高的 SNR 來支持更高的數據速率。

許多 4G LTE 係統已經轉向 5G。這些係統具有大規模 MIMO 能力，這是對傳統 MIMO 的擴展
，可在基站天線係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 天線有助於集中能量，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：頻率範圍 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 必須在整個帶寬範圍內具備出色的噪聲係數和 EVM 特性。此外，它們需要具有小尺寸，因為這些 RFFE 組件現在都位於塔頂的天線上。

深入了解：

Ka 頻段衛星通信的趨勢和功率放大挑戰s

應對雷達和通信係統中的相位噪聲挑戰：Part 1

應對雷達和通信係統中的相位噪聲挑戰：第 2 部分

圖 1：RF 前端的組件

yinweizhexiezujiantongchangweiyujizhantading，suoyitamenxuyaogaogonglvchulinengli。tamenbixunenggouchengshougaoshurugonglvchongji，ruguoshoudaochongji，haibixunenggoufeichangxunsudihuifubingzaicikaishiyunxing。yinci，LNA 等組件作為鏈路中位於接收器輸入開關之後的第一個組件，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。下麵是一些基本框圖。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，並與 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(ling)域(yu)的(de)接(jie)收(shou)器(qi)產(chan)品(pin)不(bu)僅(jin)需(xu)要(yao)高(gao)功(gong)率(lv)功(gong)能(neng)以(yi)實(shi)現(xian)出(chu)色(se)的(de)放(fang)大(da)性(xing)能(neng)，而(er)且(qie)還(hai)要(yao)求(qiu)能(neng)夠(gou)在(zai)諸(zhu)如(ru)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)領(ling)域(yu)的(de)極(ji)端(duan)條(tiao)件(jian)下(xia)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)。但(dan)在(zai)更(geng)高(gao)輸(shu)入(ru)電(dian)平(ping)（數千瓦範圍）下，此類接收器產品通常需要具備耐受力和抗幹擾能力。這主要用於軍事
、航天雷達和軍事通信應用

，在這些應用中，電子對抗 (ECM) 可能被用作一種防禦戰略來壓製接收器。

因此
，具有耐受力和抗電子幹擾（如無線電幹擾）能neng力li的de接jie收shou器qi需xu要yao能neng夠gou承cheng受shou高gao功gong率lv衝chong擊ji。如ru果guo在zai輸shu入ru端duan受shou到dao高gao功gong率lv衝chong擊ji，它ta們men應ying能neng夠gou承cheng受shou衝chong擊ji，並bing迅xun速su恢hui複fu通tong信xin。這zhe些xie設she備bei還hai必bi須xu能neng夠gou在zai比bi以yi往wang更geng大da的de帶dai寬kuan範fan圍wei內nei運yun行xing。

過去，由於技術限製，D&A 數字接收器一直都是窄帶型。但現在情況已有所改變，因為砷化镓、氮化镓和矽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
，並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/leidatancegailvdekuandaiheduopinduantongxin。tongguozengjiatiaopinyijianshaoxinhaojiance，kecaiyongkuandaikuanhepinpujinxingchuanshuhejieshou。zhexiefangmiankenenghuizengjiajieshouqishangdezaosheng，bingjiangdibaohunengli。ruguojieshouqichangshijianbaoluzaigaogonglvshuipingxia，zujianxingnengkenenghuixunsuxiajiang

，congerchuxianxingnengwentihuodaozhizujianbaofei。yinci，shejirenyuanbixucaiqubiyaocuoshi，yiquebaokekaoxinghejieshouqilingmindu。

優化噪聲性能

最終
，上述領域中的每個單獨應用都會推動係統設計和需求發展。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，然後進入驅動器級，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，同時保持係統穩定，並檢查係統在整個操作條件範圍內的穩定性。

較低的接收器噪聲係數確實可以提高性能和覆蓋範圍，但係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並不值得在另一個應用中實施。Qorvo 的級聯分析計算器可為係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 與其後麵的插入損耗（在上述示例中為濾波器）之間的比率。如果 LNA 後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，那麼 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，那麼 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。溫度對整個頻率範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。匹配的設計也有助於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，係統 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。噪聲溫度用於描述設備的噪聲性能
，而不是 NF，且qie主zhu要yao用yong作zuo為wei係xi統tong參can數shu。這zhe使shi得de輸shu入ru噪zao聲sheng溫wen度du的de概gai念nian更geng有you意yi義yi

，使shi用yong更geng方fang便bian。它ta出chu現xian在zai接jie收shou器qi的de輸shu入ru端duan，那na裏li的de信xin號hao電dian平ping較jiao低di
，而er且qie是shi任ren何he電dian路lu在zai給gei定ding溫wen度du下xia所suo能neng達da到dao的de極ji限xian最zui低di噪zao聲sheng。它ta還hai均jun勻yun地di分fen布bu在zai整zheng個ge係xi統tong頻pin譜pu中zhong。熱re噪zao聲sheng也ye是shi係xi統tong帶dai寬kuan的de函han數shu。將jiang帶dai寬kuan與yu頻pin率lv響xiang應ying和he輸shu入ru信xin號hao匹pi配pei，可ke以yi降jiang低di熱re噪zao聲sheng。為wei了le幫bang助zhu您nin計ji算suan NF 和 NF 溫度，Qorvo 了提供一個在線計算器，如下所示。

圖 4：Qorvo 設計中心的噪聲係數溫度計算器

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。

●     進行係統設計時，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

，並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於降低噪聲，因為限幅器會給係統增加噪聲。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 degaoshurugonglvxingnengzhiguanzhongyao。zaishuruduanzengjiayigexianfuqihuoxunhuanqikeyijiangdigaoshurugonglvduijieshouqikenengchanshengdeyingxiang。zhequeshiyouzhuyubaohujieshouqi，danhuizengjia LNA 處的噪聲。此方法也會降低接收器的靈敏度，從而縮小信號覆蓋範圍
，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，從而有助於提高接收器的整體性能。

最後，噪聲係數和係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，同時密切關注幹擾、溫度以及維持接收器抗衝擊的能力。

來源：Qorvo

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