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英飞凌低噪声放大器在无线数据接收中的应用分析
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2017-11-09
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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威廉希尔官方网站 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防护威廉希尔官方网站 ，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）
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威廉希尔官方网站 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防护威廉希尔官方网站 ，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）
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