低噪声放大器BGA7x1N6如何有效地降低系统噪声系数？

本文详细阐述了英飞凌低噪声放大器BGA7x1N6如何有效地降低系统噪声系数，提升信道容量，并分析了低噪放性能和电路仿真以及实测结果，结果表明，使用LTE LNA可提高接收灵敏度约3dB，提高数据速率约最高可到96%。
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电路板上，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防护电路，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）
F为频率，单位：MHz；D为距离，单位：km；
所以在频率一定的情况下，基站台的覆盖距离和接收机收到的信号电平是20lgD的关系，如果接收机噪声降低3dB，基站台覆盖距离可以增大到原来的1.41倍，覆盖面积增大到原来的2倍，使用低噪声放大器的手机将具有更远的移动距离和更大的接入面积。
在数据下载速率上，使用英飞凌低噪放后，通过香农公式，可以推算出在不同的输入信号噪声比下，同一个接收机在相同信道带宽下，信道容量获得的改善。可以看出，信号越弱时，输入信噪比越低，信道容量的提升越明显，最高可以获得96%的信道容量提升，这就意味着用户的下载数据速率提升接近一倍。

图4：英飞凌BGA7X1N6在不同的SNRInput下改善信道容量
在BGA7x1N6的基础上，英飞凌还推出了BGM15XA12系列模块，其内部集成SP5T的射频开关和低噪声放大器，减少了使用多个低噪放的射频走线，降低了BOM成本和PCB面积，另外使用MIPI接口，配置更为方便。系列模块也包含高、中、低三个器件，其中从1.7～2.7GHz，仅使用一颗BGM15MA12就可以实现高达1GHz的宽带覆盖，特别适合国内的LTE band39、band40、band41频段。

图5：射频前端中的BGM15XA12模块
英飞凌BGM15XA12系列模块，其内部集成的SP5T射频开关，具有直接映射功能，也就是说每一个通道的打开或者关闭状态，直接对应MIPI接口寄存器的一个比特，配置异常灵活，而且可以同时打开两个通道，两个band的信号可以同时进入低噪放放大，而后再进入接收机，实现LTE系统载波聚合功能。

图6：英飞凌BGM15XA12模块框图

图7：英飞凌BGM15XA12模块通道模式真值表
英飞凌BGA7x1N6和BGM15XA12系列低噪声放大器和模块，在2014年初已量产，在海内外的主流手机制造商得到广泛应用，确实带来了LTE系统性能和数据下载速率的提升，用户体验极佳。英飞凌自有专利的SiGe工艺，极高的性价比、良好的质量控制，以及稳定的产能为使用该产品的手机制造商注入了更多的市场竞争力！