GSM射频接收机灵敏度之解析与研究

GSM射频接收机灵敏度之解析与研究 Thermal Noise 所谓灵敏度，指的是在SNR能接受的情况下，其接收机能接收到的最小讯号[1-2]，其 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 如下 : 第一项是所谓的热噪声，亦即灵敏度会与温度有关，-174dBm/Hz是指在常温25?C 时的热噪声。高温时热噪声会加大，导致灵敏度变差。反之，低温时热噪声会减小，导致灵敏度变好，如下图[18] : 1 Noise Figure 第二项是所谓的Noise Figure，理想上SNR当然是越大越好，最好是无限大( 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示都没有噪声)，但实际上不可能没有噪声，因此，由[3-4]可知，所谓Noise Figure，衡量的是当一个讯号进入一个系统时，其输出讯号的SNR下降多寡，亦即其噪声对系统的危害程度，示意图与定义如下 : 而接收机整体的Noise Figure，公式如下 : 2 由上式可知，越前面的阶级，对于Noise Figure的影响就越大，而一般接收机的方块图如下[1] : 因此，从天线到LNA，包含ASM、SAW Filter、以及接收路径走线，这三者的Loss总和，对于接收机整体的Noise Figure，有最大影响，因为由[5]可知，若这边的Loss多1 dB，则接收机整体的Noise Figure，就是直接增加1 dB，因此挑选ASM时，要尽量挑选Insertion Loss较小的[8]。 而由[2]可知，SAW Filter可以抑制带外噪声，因此 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 上须在LNA输入端，添加SAW Filter，避免带外噪声劣化接收机整体性能。但有些接收机，其SAW Filter会摆放在LNA与Mixer之间，如下图[7] : 3 前述说过，LNA输入端的Loss，对于接收机整体的Noise Figure，有最大影响，因此上图的PCS与WCDMA，之所以将SAW Filter摆放在LNA之后，主要也是为了Noise Figure考虑，假设SAW Filter的Insertion Loss为1 dB，LNA的Gain为 10 dB，若将SAW Filter摆放在LNA之前，则接收机整体的Noise Figure，便是直接增加1 dB，但若放在LNA之后，则接收机整体的Noise Figure，只增加了1/10 = 0.1 dB。而在Layout时，其接收路径走线要尽可能短，线宽尽可能宽，这样才能将其Insertion Loss降低，甚至必要时，可以将走线下层的GND挖空，如此便可以在阻抗不变的情况下，进一步拓展线宽，使其Insertion Loss更为降低[10]。 4 另外，LNA输入端的Loss，除了Insertion Loss，也包含了Mismatch Loss，因此之所以做接收路径的匹配，主要也是为了降低Mismatch Loss，以便进一步降低Noise Figure，达到提升灵敏度之效[13-14]。至于匹配 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，可参照[11]，在此就不赘述。 相较于内层走线，其表层走线可以有较短的走线长度，也可避免因穿层而产生的阻抗不连续效应，也较容易将阻抗控制在50奥姆(单端)或100奥姆(差分)，同时也可拥有较宽的线宽，换句话说，表层走线可以有较小的Mismatch Loss与Insertion Loss，这对Noise Figure的降低，灵敏度的改 善，自然是有帮助[10]。然而由[9]可知，表层走线较容易被噪声干扰，若接收讯号有噪声干扰，那么即便LNA输入端的Loss再怎么小，很有可能某些Channel的灵敏度会非常差。因此当接收路径在表层走线时，与周遭走线的距离要拉大，且GND务必要包好[9]，尤其是单端走线，因为单端走线的抗干扰能力，不如差分讯号[12]。 5 再来谈谈GPS，由[1,5]可知，当输入讯号在LNA的线性区时，其Gain为一定值，但当输入讯号过大时，会使LNA饱和，导致Gain下降，亦即灵敏度变差，称之为Desense。 若LNA的Gain降为零，即输入讯号经过LNA时，完全不会被放大，则有可能被Noise Floor淹没，此时称该接收讯号被阻塞(Blocked)。 6 由于GPS接收的是太空卫星发射的讯号，其接收讯号极微弱，约-150 dBm， 因此其接收讯号强度并不会大到足以使其LNA饱和，加上GPS只有单一 Channel[13]，换言之，会使LNA饱和的，皆为带外噪声。以手机而言，因为里面会有许多射频功能，彼此间可能会有所干扰，如下图[13]: 7 尤其是WCDMA，会有所谓Tx Leakage的问题[5]，再加上以手机而言，GPS与WCDMA都是用同一个接收机，例如高通的WTR1625L，所以若接收讯号太过靠近，很有可能WCDMA的Tx Leakage会先流到WCDMA的接收 路径，再耦合到GPS的LNA输入端，由[1]可知，其Tx Leakage在LNA输入端，最大可到-24 dBm，远比GPS接收的-150 dBm来的大，会让LNA饱和， 8 因此一般而言，会先在LNA输入端，放上一颗SAW Filter，来抑制Tx Leakage[15]，避免GPS LNA饱和，而因为LNA输入端的Loss对于Noise Figure影响最大，因此该SAW Filter的重点是Insertion Loss要小。 然而除了靠LNA前端的SAW Filter来抑制Tx Leakage的危害，也可以靠Layout来抑制，亦即GPS的接收路径，尽可能远离WCDMA的发射路径，由[16]可知，若GPS与WCDMA的隔离度有40 dB以上，那么Tx Leakage便几乎不会使GPS的LNA饱和，导致Gain下降，如下图 : 9 因此若隔离度足够，原则上便可不需要在LNA前端摆放SAW Filter，这样可进一步降低Noise Figure，提升灵敏度[16]。 然而除了Tx Leakage之外，手机中仍有许多带外噪声会干扰GPS，例如GSM与Bluetooth产生的IMD(Inter Modulation)，或是PCS与WLAN产生的IMD，如下图[13] : 因为GPS不如GSM或WCDMA，有严格的Blocking测试，故原本对于GPS的线性度要求不高，反倒是对于灵敏度要求较高。但因手机会有Coexistence的问题，如上图的IMD，这表示GPS接收器必须要有更高的抵抗带外噪声能力，因此不得不重视其线性度的要求。原则上可以将LNA的Gain降低，避免后端饱和，以确保线性度，但如此一来，其Noise Figure又会因Gain的下降而提升，导致灵敏度变差[13]。 10 而由[2]可知，接收机的线性度，主要是取决于Mixer的线性度，因此若提高Mixer线性度，便可提高接收机的线性度，进而加强抵抗带外噪声能力。但一般而言，GPS的Mixer，其线性度很难做到足以彻底抵抗带外噪声，因此不得不在Mixer之前，摆放SAW Filter来抑制带外噪声，避免带外噪声被LNA放大后，进而使后端电路饱和[16]。因此一般而言，即便LNA前端可以不摆放SAW Filter，但LNA后端，仍旧会摆放SAW Filter来抑制带外噪声，例如AVAGO的ALM-1412，如下图[17] : 然而由上图可知，纵使LNA模块内部已有内建的匹配电路，但在外部的PCB走线，仍会作匹配(如上图的L3与L4)，来降低Mismatch Loss。但是匹配组件皆为被动组件，会有Insertion Loss，这对Noise Figure当然不利，尤其GPS对于灵敏度又是相当要求，因此，若是将匹配组件拿掉，进而降低Insertion Loss，而Mismatch Loss的问题就单靠阻抗控制来解决，如此便可同时降低Insertion Loss与Mismatch Loss，这种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 可行吗? 11 原则上是可行，但在走线方面要非常注意，首先，天线到LNA的走线要非常短，因为走线一长，阻抗就很难控制得好，同时也会增加Insertion Loss。其次，由 [9-10]可知，表层走线具有最短走线距离，以及阻抗容易控制在50奥姆/100奥姆的优点，因此天线到LNA的走线要走表层。再者，天线到LNA的走线，其线宽不宜过细，由[10]可知，其阻抗误差如下式 : 因为PCB厂的制程能力，一般来说会有正负0.5mil的线宽误差，因此， 若线宽过细，则可能会阻抗误差过大，如此阻抗便很难控制得好，同时Insertion Loss也会因线宽过细而加大，因此该段走线的线宽不宜过细，必要时甚至可靠下层挖空的方式，在阻抗不变的情况下，来拓展线宽[10]。 12 Gain 消费者在使用手机时，很可能会因为处于移动状态，导致与基地台间的Path loss一直更动，加上附近周遭环境的Shadowing effect，导致手机所接收的讯号强弱不 一。也就是LNA的输入讯号强度，会有很大范围的变动[19]。 由上式知当LNA的输入讯号不固定时，若Gain为单一固定值，则输出讯号也会不固定。很可能当输入讯号过大时，后端电路饱和，线性度下降。或输入讯号过小时，后端电路SNR下降，Noise Figure上升。因此要有AGC ( Automatic gain control )的机制，如此即便输入讯号的动态范围过大，也能尽可能缩减输出讯号的动态范围，使整体电路的Noise Figure与线性度优化。因此GSM的LNA，多半采用Gain-stepped架构，其Gain皆非单一固定值，即VGA(Variable gain amplifier) 架构，如下图 : 13 以高通的RTR6285A为例[20]，因为采用零中频架构，会直接将接收的射频讯号，透过ADC (Analog Digital Converter) 转换成数字讯号。射频前端要有足够的Gain，才有足够能力去驱动ADC[21]，否则会无法解调，导致SNR下降。但若Gain过大，会使后端电路饱和，导致Noise Floor上升，一样会使SNR下降。因此以灵敏度的角度而言，之所以希望透过AGC机制， 以及VGA，来缩减LNA输出讯号的动态范围，主要便是希望ADC的输入讯号，其强度大小能适中，使讯号在解调时，不会因讯号过小而导致SNR下降，也不会因讯号过大，使后端电路饱和，Noise Floor上升，而导致SNR下降[19]。 14 而高通的RTR6285A，GSM四个频带的LNA，都采用Gain-stepped架构，有五种Gain Mode，其Gain Range示意图如下[20]: 五种Gain Mode，皆有其Gain Range，分别应用于不同强度范围的接收讯号。当接收讯号较大时，LNA会采用Low Gain Mode，一方面节省耗电流，另一方面避免后端电路饱和。而接收讯号较小时，会采用High Gain Mode，确保有足够的能力去驱动ADC[19]。 15 当然，不同Gain Mode，其Noise Figure也不同，如下图[22] : 由Noise Figure公式可知，Gain越大，其Noise Figure越小，因此理所当然的，其High Gain Mode的Noise Figure，比Low Gain Mode来得低。同时由前述已知，所谓灵敏度，指的是在SNR能接受的情况下，其接收机能接收到的最小讯号，因此当接收讯号微弱时，其Noise Figure便显得很重要，故需要启动High Gain Mode，来将Noise Figure压低，以便获得较佳的灵敏度。 16 由前述可知，当Gain大时，Noise Figure就低，但线性度可能会因饱和而降低。当Gain小时，可确保线性度，但Noise Figure会升高。因此Noise Figure与线性度，是一种折衷考虑，尤其是SAW-less的接收器，因为没有SAW Filter可以抵挡带外噪声，此时对于LNA与Mixer的线性度便更为要求，这样接收机才有足够能力抵挡带外噪声[23]。虽然在要求线性度的情况下，其Gain不宜过大，然而不代表Gain较小时，其灵敏度就一定变差，以高通的RTR6285A与 WTR1605L为例，我们发现WTR1605L的Gain比较低，但其Noise Figure并未比较高，如下图[20,24] : 而量测结果也显示，Gain较低的WTR1605L，其灵敏度比Gain较高的RTR6285A更好，这表示若LNA跟Mixer本身的Noise Figure能降低，即使Gain较小，其Noise Figure一样能压低，进而拥有较佳的灵敏度。 17 Bandwidth 由前述灵敏度公式可知，其灵敏度与带宽有关，带宽越宽，其灵敏度就越差。WCDMA的带宽为5 MHz，GSM的带宽为200 KHz，因此理论上，WCDMA 的灵敏度会较差，但实际上在量测时会发现，WCDMA的灵敏度普遍都比 GSM来得好，而对于WCDMA灵敏度的规范，也比GSM的-102 dBm来的严格，如下图[1] : Spec (dBm) 这主要与WCDMA的展频机制有关，由[1]可知，WCDMA为了使讯号不易 被干扰与撷取，因此采用了展频技术，同时也由Shannon theorem得知， Band 1 -106.7 Band 2 -104.7 Band 5 -104.7 Band 8 -103.7 当带宽拓展后，其信道容量也提升了，连带提高了Data Rate。另外，由于原始数据的Chip Rate，会在展频后大大提升，使得讯号会额外获得增益，进而再提高SNR，该增益称为处理增益，Processing Gain，GP R是原始资料的Chip Rate，RC是展频后的Chip Rate，由[1]可知，R与RC分别为12.2Kbps与3.84Mcps，带入上式， 18 由上图可知，当WCDMA的接收讯号展频后，会额外再获得25 dB的Gain，提高SNR，进而提高灵敏度，因此虽然WCDMA的带宽较宽，但实际上在量测时，其灵敏度普遍都比GSM来得好。而制订国际规范的单位，也知道这一点，故其WCDMA的灵敏度，会制定得比GSM来的严格[25]。 19 SNR 在讲SNR之前，先讲CNR。所谓CNR是Carrier Noise Ratio，指的是在解调(进入解调器的)前的射频信号功率与噪声功率的比值，如下图 [27-28] : 而SNR 是Signal Noise Ratio，指的是接收机接收解调后，基带信号中有用信号功率与噪声功率的比值，如下图 [27-28] : 20 因此以整个接收机架构的角度而言，其CNR与SNR的关系如下 : 虽然SNR与 CNR， 一个反映的是基带信号质量，而另一个反映的是射频信号质量，但是在本质上两者是一样的，亦即原则上，两者应该相等 [27]。 由前述已知，灵敏度指的是在SNR能接受的情况下，其接收机所能接收到的最小讯号，以GSM要求的灵敏度 -102 dBm为例，其SNR至少需9 dB，BER不得超过2.44%[21]，然而现今GSM接收器，如前述高通的RTR6285A与WTR1605L，在Cell Power为 -102 dBm时，其SNR都大于最低要求的9 dB，换句话说，当SNR为最低要求的9 dB时，其灵敏度至少都能有 -108 dBm的水平，如下图 : 21 而也由[21]可知，当Cell Power为 -102 dBm时，此时推算出来的Noise Figure，不得超过10 dB，当然由于现今GSM接收器，其Noise Figure都可做到比10 dB小，故灵敏度都不只 -102 dBm，至少都能有 -108 dBm的水平，如下图 : 由此可知，Noise Figure越低，SNR越大，其灵敏度就越好。而Noise Figure已讨论过，故接下来将探讨SNR与灵敏度的关联。 先谈射频前端的CNR，理想上CNR当然是越大越好，最好是无限大(表示都没有噪声)，但实际上不可能没有噪声，因此讯号要尽可能地高，噪声要尽可能地低，这样CNR才会大。反过来讲，若讯号降低，噪声升高，则CNR变小，其灵敏度便劣化，如前述，当LNA输入讯号过强时，其Gain会下降，同时会因LNA饱和，导致Noise Floor上升，CNR变小，此即为Desense。 22 而由[1]可知，其发射端的LO，若其Phase Noise过大，虽然不会使接 收讯号变小，但会导致Noise Floor上升，CNR一样会变小，以至于灵敏度变差。 或是解调时，外来噪声会与接收端的LO产生交互混波，导致CNR变小，灵敏度变差[1,5.26]。 23 前述提到，原则上，CNR与SNR两者应该相等。但实际上，两者的关系如下 : CNR ? SNR 由前述已知，SNR越大，其灵敏度就越好，但有可能讯号在解调过程中，以及在基带数字信号处理过程中，引入额外噪声，导致SNR变小，以至于灵敏度变差 [27]，换言之，CNR大，不代表灵敏度就会好，其中原因之一，便是来自于IQ讯号。 由[12]可知，差分讯号具有良好的抗干扰特性，因此IQ讯号，多半为差分型式。 而IQ讯号彼此相位差为90度，而差分讯号之相位差为180度，因此IQ讯号全部四 条讯号线的相位差如下图[29-30] : 24 然而，若IQ讯号振幅不相等，则称为IQ Gain Imbalance。若IQ讯号相位差不为90度，则称为IQ phase Imbalance，而多半会将这两种现象，统称为IQ Imbalance。引起IQ Imbalance的因素有许多，例如Layout好坏也会影响IQ Imbalance ，由于IQ讯号会走差分讯号型式，而差分讯号需符合等长，间距固定，以及间距不宜过大的要求[12]，但实际Layout很难 完全符合这些需求，因此会有IQ Imbalance[29]。而在解调时，会以所谓的 EVM(Error Vector Magnitude)，来衡量IQ Imbalance的程度，如下图[28] : 而由[31]可知，EVM与SNR成反比，如下式 : 亦即若EVM过大，则SNR就低，那么灵敏度就会劣化。 25 Reference [1] WCDMA之零中频接收机原理剖析大全, 百度文库 [2] RF Microelectronics, Razavi [3] Noise Figure, Noise Factor and Sensitivity [4] 射频微波通讯之量测及仪器介绍 [5] WCDMA之Tx Leakage对于零 中频接收机之危害, 百度文库 [6] UMTS/GSM/GPRS/EDGE Transceiver Goes SAW-Less [7] A single-chip multi-mode RF front-end circuit and module for W-CDMA, PCS, and GPS applications [8] 天线开关模块_简介, 百度文库 [9] Layout Concern about Trace, Ground and Via_简体中文, 百度文库 [10] 手机射频之阻抗控制, 百度文库 [11] Passive Impedance Matching___实战大全, 百度文库 [12] 差分讯号简介, 百度文库 [13] A Low Noise Figure 1.2-V CMOS GPS Receiver Integrated as a Part of a Multimode Receiver, IEEE [14] Topic: Two-Port Noise, UC Berkly [15] LNA Products for GPS and Cellular Applications, RFMD [16] 利用高线性度LNA模块减少GPS设备中的干扰 [17] ALM-1412 Low Noise Amplifier Module with Integrated Filter for 1.575 GHz GPS Application, AVAGO [18] Multi-Band Multi-Standard CMOS Receiver Front-Ends for 4G Mobile Applications [19] 高通平台之GSM Rx校准原理_简中, 百度文库 26 [20] RTR6285A RF Transceiver IC, Qualcomm [21] Practical RF Architectures for GSM and WCDMA Mobile Terminals, NOKIA [22] A High Performance 2-GHz Direct-Conversion Front End with Single-Ended RF input in 0.13 um CMOS, IEEE [23] High Performance LNAs and Mixers for Direct Conversion Receivers in BiCMOS and CMOS Technologies [24] WTR1605/WTR1605L Wafer-level Transceiver IC, Qualcomm [25] ETSI TS 134 121-1 [26] Measuring single-tone desensitization for CDMA receivers [27] 误码率 BER 与信噪比 SNR 的关系解析 [28] Digital Transmission, Part 1Carrier-to-Noise Ratio, Signal-to-Noise Ratio and Modulation Error Ratio [29] IQ讯号简介, 百度文库 [30] 极化调制之EDGE功率放大器, 百度文库 [31] On the Extended Relationships Among EVM, BER and SNR as Performance Metrics 27