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
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。
5G RF接收器
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
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。
最优参数权衡可以实现优化的性能
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
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
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