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。

 

英飞凌低噪声放大器在无线数据接收中的应用(电子工程专辑)
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。

 

英飞凌低噪声放大器在无线数据接收中的应用(电子工程专辑)
图2:英飞凌BGA7X1N6改善接收机噪声仿真对比

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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。

 

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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。

 

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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。

英飞凌低噪声放大器在无线数据接收中的应用(电子工程专辑)
图6:英飞凌BGM15XA12模块框图

 

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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!