有关 5G 和防御系统中噪声系数的事实

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系统设计人员一直都在为复杂的系统设计寻求简单的解决方案。我们不妨看看国防、航天和 5G 无线基础设施领域的 RF 前端接收器解决方案。本博客文章是一个实用指南,有助于降低设计复杂性,同时满足 5G 基础设施、国防和航天应用的严格噪声系数要求。

 
接收器噪声系数概述
 
许多 RF 前端 (RFFE) 系统都是独一无二的,但接收器在许多方面都比较相似。一般来说,RF 灵敏度是所有无线电接收器的关键规格参数。RF 接收器能够接收所需无线电信号,同时忽略不必要的信号,因此能够在其应用中更高效地运行。
 
测量接收器 RF 灵敏度有以下几种方法:
 
  • 噪声系数(NF) – 系统的 NF 是噪声因数的对数形式。它规定了接收器、系统各个组件以及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) – 这是一种数字系统中采用的衡量方式。当信号电平下降或链路质量下降时,传输中的错误数或误码增加。测量 BER 可反映 SNR,但其格式通常对数字域更有用。
  • 误差矢量幅度 (EVM) – EVM 是一种用来量化数字无线电发射器和接收器性能的指标。由理想发射器发送或接收器接收的信号将会使所有 EVM 星座点精确地位于理想位置。然而,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,发射器应生成尽可能靠近这些点的数字数据。EVM 用于衡量实际接收的数据元素与理想位置之间的距离。此外,放大器的线性度越高,EVM 就越好。
功率放大器 (PA) 和低噪声放大器 (LNA) 技术通常在放大接收器内的信号方面没有什么问题。相反,限制因素往往在于限噪方面,因为噪音会掩盖所需信号。对于无线通信、雷达、仪器仪表、卫星等应用,两个关键的性能考虑因素是接收器灵敏度和 SNR。
 
就接收器噪声而言,这是第一级或 LNA 以及随后会出现的任何损耗,这对于确定整个无线电接收器的整体性能至关重要。通过优化 LNA 的 SNR 和 NF,可提高接收器的整体性能。此外,必须针对整个系统带宽对该性能进行优化。
 
在 5G、国防和航天领域,LNA 和其他系统组件的带宽在不断增加,以实现处理当今应用所需的更高数据容量。带宽增加意味着噪声水平优化必须适应相同的带宽区域。这显然比较困难,但却必须实现,以满足当今的容量和吞吐量要求,以及实现高水平的接收器灵敏度。
 
5G RF 接收器
 
网络密集化是有效实施 5G 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,从而提高密集化程度。这种密度提升可提高无线网络的整体容量和吞吐量,通过使用灵敏度更高的高动态范围收发器,这些系统还可实现 5G。增加每个区域的基站和接入点数量也可以改变射频前端要求 (RFFE)。由于从用户设备 (UE) 到基站的平均距离更短,因此它可降低所需的发射功率。此外,这些接入点将添加更多的天线,以帮助增加空间流,从而提高容量和信号可靠性。
 
而且增加了多输入多输出 (MIMO),以进一步提高信号可靠性,从而提高上行系统容量。利用多天线和 MIMO 增加空间流可提高 SNR,而且效果很好,因为像 5G 这样先进的无线电系统需要更高的 SNR 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,这是对传统 MIMO 的扩展,可在基站天线系统上提供更多的天线(如 32、64、128 根)和更多的天线阵列。这些大规模 MIMO 天线有助于集中能量,以便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能力。例如:频率范围 FR1 (410 MHz – 7125 MHz) 可实现高达 100 MHz 的传输带宽。因此,LNA 设计人员正在创建超宽带 LNA,以支持多个 5G 频段 RF 链,从而简化产品设计。为实现这些宽带能力,LNA 必须在整个带宽范围内具备出色的噪声系数和 EVM 特性。此外,它们需要具有小尺寸,因为这些 RFFE 组件现在都位于塔顶的天线上。
 
图 1:RF 前端的组件
 
图 1:RF 前端的组件
 
因为这些组件通常位于基站塔顶,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冲击,如果受到冲击,还必须能够非常迅速地恢复并再次开始运行。因此,LNA 等组件作为链路中位于接收器输入开关之后的第一个组件,需要具备 20 dBm 或更高的输入功率处理能力,以满足该任务需求。
 
国防和航天接收器
 
国防和航天 RFFE 领域也发生了许多变化。特别是在军事雷达、卫星通信、电子战通信和数字接收器领域。下面是一些基本框图。正如您从众多嵌入式模块设计中所看到的,这会明显推动采用小尺寸、轻量级、高集成度的产品,将接收和发射链集成在一个封装(如 5G 应用)中。而且不出大家所料,这些特性对国防和航天领域同样具有吸引力,并与 SWaP 的(尺寸、重量和功率)目标一致。
 
图 2:RFFE 在国防和航天领域的用例
图 2:RFFE 在国防和航天领域的用例
 
国防和航天 (D&A) 领域的接收器产品不仅需要高功率功能以实现出色的放大性能,而且还要求能够在诸如基础设施领域的极端条件下正常运行。但在更高输入电平(数千瓦范围)下,此类接收器产品通常需要具备耐受力和抗干扰能力。这主要用于军事、航天雷达和军事通信应用,在这些应用中,电子对抗 (ECM) 可能被用作一种防御战略来压制接收器。
 
因此,具有耐受力和抗电子干扰(如无线电干扰)能力的接收器需要能够承受高功率冲击。如果在输入端受到高功率冲击,它们应能够承受冲击,并迅速恢复通信。这些设备还必须能够在比以往更大的带宽范围内运行。
 
过去,由于技术限制,D&A 数字接收器一直都是窄带型。但现在情况已有所改变,因为砷化镓、氮化镓和硅等新技术的进步允许使用更大的可持续带宽。这可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功能。
 
许多军事应用都需要这种具有较低截获/雷达探测概率的宽带和多频段通信。通过增加跳频以减少信号检测,可采用宽带宽和频谱进行传输和接收。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,组件性能可能会迅速下降,从而出现性能问题或导致组件报废。因此,设计人员必须采取必要措施,以确保可靠性和接收器灵敏度。
 
优化噪声性能
 
最终,上述领域中的每个单独应用都会推动系统设计和需求发展。但是,在较高电平下,一些 RF 前端要求保持不变。
 
接收器的噪声性能通常是从 RFFE 的第一级开始考虑。RFFE 的信号电平最低,如果信号中存在噪声,则很难确定哪些是噪声,哪些是传入信号。当越过开关、LNA,然后进入驱动器级,所有信号都会被放大。确定传入信号将变得更加困难。因此,在 LNA 之前和 LNA 处,必须确保组件中的噪声最低。在 LNA 中,尽早分离首选信号与输入噪声至关重要,因为该性能会影响整个接收链。
 
最优参数权衡可以实现优化的性能
 
设计人员必须在增益、增益平坦度、输入/输出匹配、线性度、功耗和尺寸等参数之间做出至关重要的权衡,同时确保 LNA 具有内在的稳定性。设计人员必须确保这些参数之间的平衡,同时保持系统稳定,并检查系统在整个操作条件范围内的稳定性。
 
较低的接收器噪声系数确实可以提高性能和覆盖范围,但系统设计人员必须做出权衡,因为更优的 NF 可能会导致接收器性能收益减少。因此,在一个应用中进行的标称改进可能并不值得在另一个应用中实施。Qorvo 的级联分析计算器可为系统级设计权衡提供一个起点。
 
图 3:Qorvo 设计中心的级联计算器
图 3:Qorvo 设计中心的级联计算器
 
在图 3 所示应用中,一个重要的考虑因素就是 LNA 与其后面的插入损耗(在上述示例中为滤波器)之间的比率。如果 LNA 后的滤波器会产生损耗,则 NF 就会增加。例如,在上述场景中,如果 LNA 的第 1 级增益为 15 dB,而不是 19 dB,那么 NF 将为 0.47 dB,而不是如图所示的 0.37 dB。此外,如果 LNA 的增益为 19 dB,且第二级滤波器的插入损耗为 -4.0 dB,那么 NF 将为 0.39 dB,也就是说 NF 再次增加。
 
接收器应用和温度
 
降低输入噪声的一个显而易见的方法就是选用具有最佳 NF 参数的 LNA。接收器 LNA 的另一个重要考虑因素就是其随温度变化的性能。温度对整个频率范围内的增益平坦度和 LNA 的稳定性具有重要影响。这两个参数都可能会影响 NF 的变化。通过散热器或散热技术冷却 LNA 或前端,可以改善热噪声。匹配的设计也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采用低温冷却的方式来保持较低的 NF。此外,LNA 的稳定性至关重要,因为如果 LNA 不稳定,系统 NF 就会增加。
 
噪声温度
 
每个噪声源都有一个相当的噪声温度。噪声温度用于描述设备的噪声性能,而不是 NF,且主要用作为系统参数。这使得输入噪声温度的概念更有意义,使用更方便。它出现在接收器的输入端,那里的信号电平较低,而且是任何电路在给定温度下所能达到的极限最低噪声。它还均匀地分布在整个系统频谱中。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匹配,可以降低热噪声。为了帮助您计算 NF 和 NF 温度,Qorvo 了提供一个在线计算器,如下所示。
 
图 4:Qorvo 设计中心的噪声系数温度计算器
图 4:Qorvo 设计中心的噪声系数温度计算器
 
一些额外的降噪设计策略
 
在设计中使用噪声最小的一流 LNA。
 
进行系统设计时,需考虑应用的真正标称温度。
 
通过屏蔽或消除噪声源,隔离外部噪声或防止其影响接收器的性能或输入。
 
降低直流配电电路的特性阻抗,以减少噪声耦合。
 
避免沿信号路径直至 LNA 输入端使用产生损耗的元件。
 
保持 LNA 输入和输出的射频阻抗,并将具有噪声的走线或电路与 LNA 或接收器路径隔离。
 
此外,使用 GaN 而不是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。
 
限幅器和循环器对 D&A 接收器的影响
 
如前所述,LNA 的高输入功率性能至关重要。在输入端增加一个限幅器或循环器可以降低高输入功率对接收器可能产生的影响。这确实有助于保护接收器,但会增加 LNA 处的噪声。此方法也会降低接收器的灵敏度,从而缩小信号覆盖范围,降低吞吐量和性能。因此,如果您选择输入功率非常高的 LNA,则不需要使用限幅器或循环器,从而有助于提高接收器的整体性能。
 
最后,噪声系数和系统线性度也会影响接收器灵敏度。为了获得最佳的接收器灵敏度性能,必须在几个关键参数(如增益、匹配、线性度和带宽)之间进行权衡,同时密切关注干扰、温度以及维持接收器抗冲击的能力
 
本文来源:Qorvo半导体
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