系统设计师一直在寻找复杂系统设计的简单解决方案。让我们看看国防、航空航天和5G无线基础设施领域的RF前端接收机解决方案。这篇博文是降低设计复杂性和满足5G基础设施、国防和航空航天应用的严格噪声系数要求的实用指南。
接收机噪声系数概述
许多射频前端(RFFE)系统是独特的，但接收机在许多方面是相似的。一般来说，射频灵敏度是所有无线电接收机的关键规格参数。射频接收机可以接收所需的无线电信号，同时忽略不必要的信号，因此在其应用中可以更有效地工作。
有几种方法可以测量接收机的RF灵敏度：
噪声系数(NF)系统的NF是噪声系数的对数形式。它规定了接收机、系统各部件和整个系统的噪声性能。
信噪比(SNR)-这是给定信号功率水平与系统内部噪声之间的比率。
误码率(BER)——这是数字系统中使用的一种测量方法。当信号电平下降或链路质量下降时，传输中的错误或差错数量会增加。测量BER可以反映SNR，但其格式通常对数字域更有用。
误差矢量幅度(EVM)EVM是一种用于量化数字无线电发射机和接收机性能的指标。理想发射机发出的信号或接收机接收到的信号会使所有EVM星座点精确地位于理想位置。但噪声、失真、相位噪声等缺陷会导致实际星座点偏离理想位置。理想情况下，发射器应在尽可能靠近这些点的地方产生数字数据。EVM用于测量实际接收的数据元素和理想位置之间的距离。此外，放大器的线性度越高，EVM越好。
功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)技术在放大接收机中的信号时通常没有问题。相反，限制因素往往在于噪声限制，因为噪声会掩盖想要的信号。对于无线通信、雷达、仪器仪表、卫星和其它应用，接收机灵敏度和SNR是两个关键的性能考虑因素。
就接收机噪声而言，这是第一级LNA和任何后续损耗，这对于决定整个无线电接收机的整体性能非常重要。通过优化LNA的SNR和NF，可以提高接收机的整体性能。此外，这种性能必须针对整个系统带宽进行优化。
在5G、国防和航空航天领域，LNA和其他系统组件的带宽不断增加，以实现处理当今应用所需的更高数据容量。带宽的增加意味着噪声水平优化必须适应相同的带宽区域。这显然是困难的，但必须实现以满足当今的容量和吞吐量要求，并实现高水平的接收机灵敏度。5G射频接收器
网络密度是5G有效实施的必要条件。通过增加每个区域的接入点数量，并在每个接入点部署更多的发射器和接收器，可以提高密度。这种密度的增加可以提高无线网络的整体容量和吞吐量，这些系统也可以通过使用具有更高灵敏度的高动态范围收发器来实现5G。增加每个区域的基站和接入点数量也会改变射频前端要求(RFFE)。由于从用户设备(UE)到基站的平均距离更短，因此可以降低所需的传输功率。此外，这些接入点将添加更多天线来帮助增加空间流量，从而提高容量和信号可靠性。
此外，增加了多输入多输出(MIMO)以进一步提高信号可靠性，从而增加上行链路系统的容量。利用多天线和MIMO增加空间流量可以提高信噪比，效果非常好，因为5G这样的高级无线电系统需要更高的信噪比来支持更高的数据速率。
许多4G LTE系统已经转向5G。这些系统具有大规模MIMO能力，是传统MIMO的延伸，可以在基站天线系统上提供更多的天线(如32、64、128)和更多的天线阵列。这些大型MIMO天线有助于集中能量，以提高网络的吞吐量和效率。这些5G网络还具有非常高的带宽容量。例如，频率范围FR1(410 MHz7125 MHz)可以实现高达100 MHz的传输带宽。因此，LNA的设计师正在开发超宽带lna，以支持多个5G频段RF链，从而简化产品设计。为了实现这些宽带能力，LNA必须在整个带宽范围内具有良好的噪声系数和EVM特性。此外，它们需要尺寸小，因为这些RFFE组件现在位于塔顶的天线上。
深入了解：
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Ka波段卫星通信的发展趋势和功率放大的挑战
https://www.qorvo.com/design-hub/blog/ka-band-satcom-trends
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迎接雷达和通信系统中相位噪声的挑战：第一部分
https://www . qo rvo . com/design-hub/blog/addressing-phase-noise-challenges-part-1
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迎接雷达和通信系统中相位噪声的挑战：第二部分
https://www . qo rvo . com/design-hub/blog/addressing-phase-noise-challenges-part-2
因为这些组件通常位于基站塔的顶部，所以它们需要高功率处理能力。它们必须能够承受高输入功率的冲击，如果受到冲击，它们必须能够非常迅速地恢复并重新开始运行。因此，LNA等器件作为链路中接收机输入开关之后的第一个器件，需要具有20 dBm或更高的输入功率处理能力才能满足任务要求。
国防和空间接收器
RFFE的国防和航天领域也发生了许多变化。特别是在军用雷达、卫星通信、电子战通信和数字接收机领域。以下是一些基本框图。从很多嵌入式模块设计中可以看出，这显然会促进小尺寸、轻量化、高集成度产品的采用，将接收和发射链集成在一个封装中(如5G应用)。并且毫不奇怪，这些特性对国防和航空航天领域同样具有吸引力，并且与SWaP的目标(尺寸、重量和功率)相一致。
国防和航空航天(DA)领域的接收机产品不仅需要大功率功能来实现出色的放大性能，还要求在基础设施等极端条件下正常工作。然而，在较高的输入电平下(在几千瓦的范围内)，这类接收机产品通常需要具有容差和抗干扰能力。这主要用于军事、航空航天雷达和军事通信应用，在这些应用中，电子对抗(ECM)可能被用作抑制接收器的防御策略。
因此，具有容差和抗电子干扰(如无线电干扰)的接收机需要能够承受高功率冲击。如果它们受到输入端高功率的影响，它们应该能够承受这种影响，并迅速恢复通信。这些设备还必须能够在比以前更宽的带宽范围内工作。
过去由于技术限制，DA数字接收机一直是窄带的。但现在情况发生了变化，因为砷化镓、氮化镓和硅等新技术的进步允许使用更可持续的带宽。这可以实现许多全新的国防和航天应用，并为现有产品带来一些全新的功能。
许多军事应用需要这种低截获/雷达探测概率的宽带多频段通信。通过增加跳频来减少信号检测，宽带宽和频谱可用于传输和接收。这些方面可能会增加接收器上的噪声并降低保护能力。如果接收器长时间暴露在高功率水平下，组件的性能可能会迅速下降，导致性能问题或组件报废。因此，设计人员必须采取必要的措施来确保可靠性和接收器灵敏度。
优化噪声性能
最终，上述领域中的每一个应用都将促进系统设计和需求开发。然而，在较高电平下，一些RF前端要求保持不变。
接收机的噪声性能通常从RFFE的第一级开始考虑。RFFE的信号水平最低。如果信号中有噪声，则很难确定哪个是噪声，哪个是输入信号。当它通过开关，LNA，然后进入驱动器阶段，所有的信号将被放大。确定输入信号将变得更加困难。因此，有必要确保LNA之前和处的组件中的最低噪声。在LNA，尽早从输入噪声中分离出首选信号非常重要，因为这种性能会影响整个接收链。
最佳参数权衡可以实现最佳性能。
设计人员必须在增益、增益平坦度、输入/输出匹配、线性度、功耗和尺寸之间做出重要权衡，同时确保LNA的固有稳定性。设计者必须确保这些参数之间的平衡，同时保持系统的稳定性，并检查系统在整个操作条件范围内的稳定性。
较低的接收机噪声系数确实可以改善性能和覆盖范围，但系统设计人员必须做出权衡，因为较高的NF可能导致接收机性能增益较低。因此，一个应用程序中名义上的改进可能不值得在另一个应用程序中实现。Qorvo的级联分析计算器可以为系统级设计权衡提供一个起点。
在图3所示的应用中，一个重要的考虑因素是LNA与其后续插入损耗(上述示例中的滤波器)之间的比值。如果滤波后LNA会产生损耗，NF会增加。例如，在上面的场景中，如果LNA的第一级增益是15 dB而不是19 dB，那么NF将是0.47 dB而不是图中所示的0.37 dB。此外，如果LNA的增益为19 dB，第二级滤波器的插入损耗为-4.0 dB，则NF将为0.39 dB，这意味着NF将再次增加。
接收器应用和温度
降低输入噪声的一个明显方法是选择具有最佳NF参数的LNA。接收器LNA的另一个重要考虑因素是其作为温度函数的性能。在整个频率范围内，温度对LNA的增益平坦度和稳定性有重要影响。这两个参数都可能影响NF的变化。热噪声可以通过用散热器或散热技术冷却LNA或前端来改善。匹配设计还有助于降低前端的温度和热噪声。射电天文学中的一些应用使用低温冷却来保持低NF。此外，LNA的稳定非常重要，因为如果LNA不稳定，系统NF就会增加。
噪声温度
每个噪声源都有相当高的噪声温度。噪声温度是用来描述设备的噪声性能，而不是NF，主要作为一个系统参数。这使得输入噪声温度的概念更有意义，也更便于使用。它出现在接收器的输入端，信号电平较低，是任何电路在给定温度下所能达到的最低噪声。在整个系统频谱中也是均匀分布的。热噪声也是系统带宽的函数。将带宽与频率响应和输入信号相匹配可以降低热噪声。为了帮助您计算NF和NF温度，Qorvo提供了一个在线计算器，如下所示。
一些额外的降噪设计策略
在设计中使用噪音最小的一流LNA。
设计系统时，应考虑应用的实际标称温度。
通过屏蔽或消除噪声源，外部噪声被隔离或防止影响接收机的性能或输入。
降低DC分布电路的特性阻抗以减少噪声耦合。
避免在信号路径上使用产生损耗的元件，直到LNA的输入端。
保持LNA输入和输出的RF阻抗，并将噪声走线或电路与LNA或接收器路径隔离。
另外，用GaN代替限幅器也有助于降低噪声，因为限幅器会给系统增加噪声。GaN还可以提高接收器的耐用性。
限幅器和环行器对DA接收机的影响
如前所述，LNA的高输入功率性能非常重要。在输入端增加一个限幅器或循环器可以减少高输入功率对接收机的可能影响。这确实有助于保护接收机，但会增加LNA的噪声。这种方法还会降低接收机的灵敏度，从而缩小信号覆盖范围，降低吞吐量和性能。因此，如果选择输入功率非常高的LNA，就不需要使用限幅器或环行器，这有助于提高接收机的整体性能。
最后，噪声系数和系统线性度也会影响接收机灵敏度。为了获得最佳的接收机灵敏度性能，必须权衡几个关键参数(如增益、匹配、线性度和带宽)，同时密切关注干扰、温度和保持接收机的抗冲击性。
