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作者: 陳浩,郝盛，英飛凌科技 【引言】本文詳細闡述了英飛凌低噪聲放大器BGA7x1N6如何有效地降低系統噪聲系數，提升信道容量，并分析了低噪放性能和電路仿真以及實測結果，結果表明，使用LTE LNA可提高接收靈敏度約3dB，提高數據速率約最高可到96%。 2014年6月，工信部向聯通和電信頒發4G FD-LTE牌照，加上在此之前發放給移動、聯通、電信的4G TD-LTE牌照，這意味著國內三大運營商全面進入4G商用化時代，同時各大手機制造商紛紛推出多模、多頻的LTE手機和終端，目前國內LTE用戶規模已經達到5,000萬。 相對于3G而言，4G LTE能夠提供更大的信道容量，手機用戶可以享用更高的數據下載速率，在FD-LTE 20MHz帶寬，64QAM，2×2 MIMO下，編碼率為1的情況下， LTE 下行峰值速率為： 100*12*14*(1-2/21-4/21-0.1714%-0.3929%)*2*6*1000= 142.86Mbps. 100——100個RB； 12——每個RB12個子載波； 14——Normal CP情況下，每個子幀14個符號； 2——采用2×2 MIMO復用模式情況下，速率加倍； 6——64QAM每個符號對應6個bit； 上面只是一個簡單的估算，實際中用戶少的時候，PDCCH占用的符號數可以減小，此時單用戶峰值速率可以提高，協議規定的理論峰值速率在150.75Mbps，是3G WCDMA理論峰值速率的7倍。 在實際使用中，由于手機用戶位置是移動的，距離基站臺的距離遠近變化，導致實際的接收信號電平也一直處于強弱變化中，理論上的最高數據速率只能在接收強信號下存在，此時輸入信噪比大于40dB。如果接收弱信號下，數據速率會有所下降，實際使用的數據速率由香農公式推導出： C = BW ˙log2 (1+SNRoutput) C——信道容量 BW——信道帶寬 SNRoutput——輸出信噪比 信道容量即是手機用戶實際使用的數據速率，信道帶寬對通信運營商來講也是固定的，FD-LTE通常是20MHz，唯一有變化的是SNRoutput： F = SNRinput/ SNRoutput SNRoutput =SNRinput/F C = BW˙ log2(1+ SNRinput/F) 由此可見，在輸入信噪比一定時，降低手機接收機噪聲系數，是提高信道容量的有效辦法，特別是在輸入信噪比比較低時，即通常講信號電平比較弱時，改善更為明顯。 在當前的4G LTE手機中，為了取得空間分集收益，主分集天線分處手機兩端，射頻收發信機芯片只能選擇靠一端放置，或者居中放置，這樣會導致分集接收機或者主、分集接收機和對應天線的距離較遠，對射頻信號帶來不小的路徑損失，尤其是在2.6GHz以上的高頻尤為明顯。 為了降低4G LTE接收機的射頻前端噪聲系數，提高實際使用中，特別是在弱信號下的無線數據下載速率，英飛凌推出BGA7X1N6系列低噪聲放大器，高、中、低頻段的三顆LNA，可以覆蓋從700MHz～2.7GHz的所有4G通信頻段；采用自有專利的SiGe半導體工藝， 可以獲得0.6dB的業界最小噪聲系數，以及3dBm的IP-1和5dBm的IIP3，這樣可以保證很低的接收機噪聲和卓越的射頻通道線性，13dB的放大器增益可以有效放大弱信號，當信號較強時可以通過拉低Pon管腳關閉放大器；芯片的匹配僅需一個電感，有效減少外圍器件和PCB布板面積，憑借先進的芯片封裝技術，低噪放具有業界最小的封裝尺寸1.1×0.7mm，可以靈活方便地放置在電路板上，該封裝同時具有自屏蔽效應，可以有效減少外來干擾信號的對射頻前端的影響；芯片內置ESD防護電路，高達2KV HBM防護，保證了芯片在調試，貼片過程的健壯性；整個芯片的功耗小于5mA，待機時小于3μA，走在綠色節能的時代前列。 
圖1:英飛凌BGA7X1N6系列低噪聲放大器 在已經上市的某型號LTE手機上，使用BGA7X1N6后，接收機噪聲系數從原來的6.1dB，降低為3.2dB，改善2.9dB。下面是使用casecade的仿真結果對比，實測數據和仿真結果完全吻合。
圖2:英飛凌BGA7X1N6改善接收機噪聲仿真對比
圖3:使用和未使用英飛凌BGA7X1N6的RFFE模擬板噪聲系數和增益實測結果 我們知道，電磁波在自由空間傳播的損耗公式: Lbs =32.45+20lgF(MHz)+20lgD(km) F為頻率，單位：MHz；D為距離，單位：km； 所以在頻率一定的情況下，基站臺的覆蓋距離和接收機收到的信號電平是20lgD的關系，如果接收機噪聲降低3dB，基站臺覆蓋距離可以增大到原來的1.41倍，覆蓋面積增大到原來的2倍，使用低噪聲放大器的手機將具有更遠的移動距離和更大的接入面積。 在數據下載速率上，使用英飛凌低噪放后，通過香農公式，可以推算出在不同的輸入信號噪聲比下，同一個接收機在相同信道帶寬下，信道容量獲得的改善。可以看出，信號越弱時，輸入信噪比越低，信道容量的提升越明顯，最高可以獲得96%的信道容量提升，這就意味著用戶的下載數據速率提升接近一倍。
圖4:英飛凌BGA7X1N6在不同的SNRInput下改善信道容量 在BGA7x1N6的基礎上，英飛凌還推出了BGM15XA12系列模塊，其內部集成SP5T的射頻開關和低噪聲放大器，減少了使用多個低噪放的射頻走線，降低了BOM成本和PCB面積，另外使用MIPI接口，配置更為方便。系列模塊也包含高、中、低三個器件，其中從1.7～2.7GHz，僅使用一顆BGM15MA12就可以實現高達1GHz的寬帶覆蓋，特別適合國內的LTE band39、band40、band41頻段。
圖5:射頻前端中的BGM15XA12模塊 英飛凌BGM15XA12系列模塊，其內部集成的SP5T射頻開關，具有直接映射功能，也就是說每一個通道的打開或者關閉狀態，直接對應MIPI接口寄存器的一個比特，配置異常靈活，而且可以同時打開兩個通道，兩個band的信號可以同時進入低噪放放大，而后再進入接收機，實現LTE系統載波聚合功能。
圖6:英飛凌BGM15XA12模塊框圖
圖7:英飛凌BGM15XA12模塊通道模式真值表 英飛凌BGA7x1N6和BGM15XA12系列低噪聲放大器和模塊，在2014年初已量產，在海內外的主流手機制造商得到廣泛應用，確實帶來了LTE系統性能和數據下載速率的提升，用戶體驗極佳。英飛凌自有專利的SiGe工藝，極高的性價比、良好的質量控制，以及穩定的產能為使用該產品的手機制造商注入了更多的市場競爭力！ |
