摘  要：基于LTE设备的广泛使用和用户需求的增长，提出了一种提升LTE分集接收灵敏度的方案，通过使用极低噪声系数、较高增益的放大器并采用两级级联的方式，降低了整机的噪声系数，从而提升了接收机的灵敏度。对接收机的理论分析和测试对比表明，该方案具有结构简单、高指标等特点，可以推广到各种无线接收机产品中，具有广泛的应用前景。

关键词：LTE;低噪声放大器;噪声系数;接收灵敏度

中图分类号：TN851;TN722.3      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）07-0055-03

A Design for Increasing the Receiving Sensitivity of LTE Diversity

XUE Sunxi

（Shenzhen Gongjin Electronics Co.，Ltd.，Shenzhen  518118，China）

Abstract：Based on the widespread use of LTE devices and the growing needs of users，a scheme is proposed to improve the sensitivity of LTE diversity reception. By using an amplifier with extremely low noise coefficient and high gain，and adopting a two-stage cascade，the noise coefficient of the whole machine is reduced，thus improving the sensitivity of the receiver. The theoretical analysis and test of the receiver show that the scheme has the characteristics of simple structure and high index，and can be extended to all kinds of wireless receiver products.

Keywords：LTE;LNA;noise figure;receiving sensitivity

0  引  言

随着LTE设备在全球范围内的广泛使用，用户对高性能的移动接入的需求与日俱增，作为直接影响移动设备接入范围的核心指标，接收灵敏度一般会被制造商作为区别于竞品的关键参数。

根据3GPP 36.521-1的标准要求，LTE无线接收终端设备在信号带宽为20 MHz、频段为Band40、调制方式为QPSK时，所要求的参考接收灵敏度为-94.00 dBm[1]，同时要满足吞吐量≥95%，这将要求LTE无线接收终端的接收灵敏度高于-167.00 dBm/Hz[2]，而理论上，自然界的热噪声功率为-174.00 dBm/Hz，考虑到LTE无线接收终端本身还会产生系统噪声，因此，如何提高接收灵敏度成为LTE无线接收终端的一个设计关注点。

为了大幅提升数据吞吐量，LTE还引入了MIMO（多入多出）技术，MIMO是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，它与传统的信号处理方式的不同之处在于其同时从时间和空间两个方面研究信号的处理问题，从而能够在不增加带宽与发射功率的前提下，提高系统的数据速率，减少误比特率，改善无线信号的传送质量。就LTE无线接收终端而言，在接收端，根据3GPP的定义[1]，一般至少会有两根接收天线，即主集天线和分集天线，其中，分集天线的接收灵敏度对下行速率起着重要的支撑作用，特别是在弱信号区域。本文针对4G LTE模块的分集接收通道，以Band40为例，提出性能稳定、优异的解决方案，通过在4G LTE模块外部增加一级低噪声放大器，令其和4G LTE模块内部的分集接收通道的低噪声放大器形成了两级级联放大的框架，从而提高了LTE无线接收终端的分集接收通道的灵敏度。

1  理论分析

1.1  接收靈敏度

对于一个无线接收机系统来说，其最小输入可接收信号如下：

Pin（dBm）=-174.00 dBm+10log10B+NF（dB）+SNRmin

（1）

式中，Pin是系统的接收灵敏度，B是接收信号的3.00 dB带宽，近似于噪声带宽，NF是系统的噪声系数，SNRmin是接收系统的基带处理器的解调门限，-174.00 dBm是对应环境温度为290 K、在单位带宽（B=1 Hz）内的热噪声功率，即噪声基底，热噪声功率的详细定义为：

n0=10log10（kTB）                          （2）

式中，n0为热噪声功率，k为玻尔兹曼常量（1.38×10-23），T为开尔文温度，B为噪声带宽，在室温下（T=290 K）、单位带宽内（B=1 Hz），热噪声功率n0=-174.00 dBm，通常标记为-174.00 dBm/Hz。对于20 MHz噪声带宽，室温下的热噪声功率为-101.00 dBm。

由式（1）（2）可知，在选定基带处理器、调制方式和信号带宽的前提下，影响接收灵敏度的主要变量为噪声系数NF，所以，要想改善接收灵敏度，就必须降低系统的噪声系数，使用噪声系数更低的低噪声放大器作为前级是一种比较方便的做法。

1.2  两级级联放大器的噪声系数

两级级联放大器的噪声系数公式如下：

Fcascade=F1+                              （3）

式中，Fcascade是两级级联后的噪声系数，F1是第一级低噪声放大器的噪声系数，G1是第一级低噪声放大器的增益，F2是第二级低噪声放大器的噪声系数，由式（3）可知，第一级低噪声放大器的噪声系数和增益对整个系统的噪声性能有着极大的影响。从提高系统接收灵敏度的角度来讲，如果第一级低噪声放大器具有较低的噪声系数、较高的功率增益，就能够显著降低系统的总噪声系数。

2  系统组成及分析

2.1  系统框图

如图1所示，分集天线的输入信号为LTE Band40频段（2 300～2 400 MHz），信号通过适用于LTE Band40频段的SAW滤波器以抑制带外和镜像信号，避免干扰信号进入第一级低噪声放大器，导致第一级低噪声放大器饱和。经过第一级低噪声放大器放大后的信号进入4G LTE模块做接收使用。

2.2  两级级联后的分集接收灵敏度分析

通过查询4G LTE模块的数据手册可知，本文所述的4G LTE模块在Band40频段支持SIMO（1TX、2RX），即有两个接收端口：主集通道和分集通道。当信号带宽为20 MHz时，采用QPSK调制，分集通道的接收灵敏度为-95.90 dBm，该4G LTE模块的基带处理器选用高通公司的芯片，其SNRmin=-1.00 dB（当QPSK调制时），根据式（1）可推得4G LTE模块的分集通道的噪声系数NF2：

-95.90 dBm=-174.00 dBm+73.00 dB+NF2+（-1.00 dB）

NF2=6.10 dB（F2=4.07）

为了提高LTE无线接收终端的分集通道的接收灵敏度，我们在4G LTE模块的分集通道外再增加一级低噪声放大器，该低噪声放大器的型号为英飞凌公司的BGA7H1N6，对于Band40，其本身的噪声系数NF1为0.60 dB（F1=1.15），增益为12.40 dB（G1=17.38）。

根据式（3），两级级联后的噪声系数为：

Fcascade=1.15+=1.33;

NFcascade=1.24 dB

另外，第一级低噪声放大器的前端的SAW滤波器的插入损耗（IL=1.60 dB）也需要计入噪声系数，所以，两级级联放大后的分集通道的总噪声系数NFtotal为2.84 dB，对比NF2=6.10 dB，理论上可以使接收灵敏度提升3.26 dB。

考虑到4G LTE模块在组装到LTE无线接收终端上后，会受到LTE无线接收终端上的其他单元电路产生的噪声的影响，且第一级低噪声放大器和分集接收天线之间的PCB走线也存在损耗，这些因素都会导致分集通道的总噪声系数恶化，所以，需要留出2.00 dB左右的余量来分配额外的系统噪声，由此，根据式（1），增加一级低噪声放大器后，当信号带宽为20 MHz时，采用QPSK调制，预估LTE Band40的分集通道可能的接收灵敏度为：

Pin=-174.00 dBm+73.00 dB+2.84 dB+（-1.00 dB）+2.00 dB

=-97.16 dBm

3  第一级低噪声放大器的电路设计

3.1  选择偏置电压

偏置电压决定了放大器的静态工作点，关系到噪声系数和增益等指标。通过查询数据手册，为了获得低噪声特性，选择1.8 V的偏置电压。

3.2  稳定性设计

放大器的稳定性决定了其能否正常工作，达到稳定状态需要同时满足以下两个条件[3]：

|Δ|=|S11S22-S12S21|<1                       （4）

K=                   （5）

K为稳定判别系数。对于一个单向放大管，S12=0，则K=∞>1，式（4）可以简化为：

|Δ|=|S11S22|<1                             （6）

由于K>1的条件已经满足，欲使放大管绝对稳定，则需要满足条件：

|S11|<1;|S22|<1                          （7）

查詢数据手册可知，VCC=1.8 V时，在整个工作频段内，BGA7H1N6满足K>1的条件，输入回波损耗为11.00 dB，输出回波损耗为20.00 dB。采用解析法，根据回波损耗的公式：

RLin=-20log|S11|                               （8）

RLout=-20log|S22|                               （9）

可知，S11和S22能够满足式（7）的要求，即BGA7H1N6在整个工作频段内是满足绝对稳定的条件的。

3.3  匹配设计

匹配设计主要考虑放大器的噪声系数、增益及回波损耗等参数，为了在整个工作频段内具有良好的匹配效果，一般先在选定频段的中心频点进行匹配电路设计，然后再对整个频段内的电路进行优化、微调。级联放大器的匹配电路包括输入匹配、级间匹配和输出匹配，在设计低噪声放大器电路时，为求得低噪声特性，输入匹配通常按最小噪声匹配来设计，级间匹配应使后级放大器的输入阻抗和前级放大器的输出阻抗相匹配，以使后级放大器能够获得最大的输入功率，为求得最大输出功率，输出匹配通常采用共轭匹配[4]。

在芯片设计之初，BGA7H1N6的AO引脚已经在内部实现了50 Ω的输出匹配，且4G LTE模块的分集通道也做好了50 Ω的输入匹配，所以第一级的低噪声放大器的电路设计只需考虑好输入匹配即可，根据英飞凌的参考设计，工作频段为Band40时，输入匹配只需要在BGA7H1N6的输入端串联一个4.1 nH的射频电感即可满足最佳噪声的匹配要求。

3.4  抗干扰设计

考虑到Band40的频段邻近Wi-Fi使用的2.4G频段，且Wi-Fi信号的发射功率一般较大，为了克服邻频干扰，需要在BGA7H1N6的输入端额外插入一个支持Band40的SAW滤波器，由于4G LTE模块内部已预置了SAW滤波器，所以BGA7H1N6的输出端无需再使用SAW滤波器。本设计选用带外抑制性能优异的SAFFB2G35AB0F0A，在Band40频段的插入损耗约1.60 dB，对Wi-Fi的抑制度达到30.00 dB以上，能够很好地避免邻频噪声进入低噪声放大器，极大地提高了第一级低噪声放大器对复杂电磁环境的适应性。

3.5  第一级低噪声放大器的电路

第一级低噪声放大器的电路如图2所示。

4  实际测试结果

如表1所示，选取三块样机进行有/无第一级低噪声放大器的对比测试，LTE的工作频段为Band40、信号带宽为20 MHz、调制方式为QPSK，如2.2所述，前后对比均需考虑2.00 dB的系统噪声，依据实测结果，以±1.00 dB的测量误差来看，接收灵敏度基本达到理论推算的预期。

5  结  论

本文来自于笔者在深圳市共进电子股份有限公司所从事的研发项目，结合LTE无线接收终端分集通道接收灵敏度的业界标准，通过采用两级级联放大的设计方案，选择具有较低的噪声系数、较高增益的低噪声放大器作为第一级放大器，有效地提高了LTE无线接收终端的分集接收灵敏度，经过测试验证和海外运营商的入网测试，验证了方案的可行性。采用本文的设计思路，可设计出噪声低、抗干扰能力强的LTE无线接收终端，该设计方案已成功应用于由深圳市共进电子股份有限公司开发的LTE无线网关产品。

参考文献：

[1] 3GPP.3GPP 36.521-1 V16.4.0 [EB/OL].（2020-03-30）.https：//www.3gpp.org/ftp/Specs/archive.

[2] 凌云志.一種高灵敏度TD-LTE通信接收机设计 [J].微波学报，2012，28（6）：84-88.

[3] M.M.拉德马内斯.射频与微波电子学 [M].顾继慧，李鸣，译.北京：科学出版社，2006：373-470.

[4] 梁晶晶，沈福贵，逯贵祯.低噪声放大器的设计与灵敏度分析 [J].中国传媒大学学报（自然科学版），2012，19（2）：64-69.

作者简介：薛孙曦（1981.12—），男，汉族，江苏无锡人，研发主任，本科，研究方向：无线通信终端产品的硬件开发、射频设计。