接收机灵敏度

binghuo

【文件名】:0735@52RD_收发器灵敏度问题(1).pdf
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灵敏度(dBm)=10log(KT)+10log(B)+10log(F)+10log(S/N)min

.................

criterion

就从以下这个公式开始谈起好了




Thermal Noise :

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度时的热噪声。
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 :





而PCB温度除了来自外在环境   也会来自于PCB本身的散热
最典型就是PA
虽然GSM是分时多任务   Tx跟RX不会同时运作
但有可能RX运作  TX Off时
PCB温度  瞬间从高温降到常温吗?
当然不可能啊   即便TX Off  但PA所导致的PCB温度升高
会使RX灵敏度劣化
所以PA在Layout上的散热考虑很重要


Noise Figure :

接收机整体的Noise Figure，公式如下 :





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 :



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跟SAW时，要尽量挑选Insertion Loss较小的。


而SAW Filter可以抑制带外噪声，
因此原则上须在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 :




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。


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。




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。




由前述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。





LNA  Gain :

虽然Gain的提高  有助于Noise Figure的压低  来提升灵敏度
然而   要考虑后端Mixer的线性度
由于Mixer所输入的，是LNA放大后的讯号，故其线性度需比LNA大，




如上图，若LNA的Gain太大，
会导致Mixer输入讯号过强，有可能会使Mixer饱和，其Noise Floor上升，SNR下降，其接收机整体的Noise Figure反而上升，
使得灵敏度劣化。

以零中频接收机架构来做分析。
若Mixer的线性度不够，会因过强的输入讯号，而产生DC Offset，使灵敏度劣化，如下图 :



以IMD分析，
假设该两输入讯号，其频率极为接近，
假设f1为干扰源，f2为讯号，若f1=f2，那么
IMD2 : f1-f2 = 0 => DC Offset，




而倘若该两输入讯号，其频率相差甚远，
假设f1为干扰源，f2为讯号，若f1=2f2，那么
IMD3 =2f2-f1 => DC Offset
其分析如上述，对于灵敏度，同样会有危害。


所以简单讲   当你Mixer线性度不够时
LNA的Gain太大   反而会使灵敏度变差
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 :




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。







带宽 :

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 :




这主要与WCDMA的展频机制有关， 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，



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，
R与RC分别为12.2Kbps与3.84Mcps，带入上式，






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





SNR :

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%，
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 :




若其发射端的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，SNR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SNR变小，灵敏度变差。




亦或是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, 其中原因之一，便是来自于IQ讯号。




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 :



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，
但实际Layout很难完全符合这些需求，
因此会有IQ Imbalance。
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 :



而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。

ghz007

要是不要钱多好啊

我也问问

垃圾东西

age0927

正要, 我下了，但是还没有看！

zwj135531

看看 在呢么有

merry0223

a,a,我真的是不知悔改啊

alienware

垃圾东西

sk890407

HAOBUHAO

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所设计FM内置天线采用新型复合材料为介质，极大的拓宽了天线的带宽，
使得不同的频点效果差距减小，降低了人体对内置天线的影响，其方向性，人体手感效应、移动干扰、
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blfklfn

好东西

hxb_RD

mark一下 ，还是不错的

weixiao180614

criterion 发表于 2015-3-11 02:05
就从以下这个公式开始谈起好了

大神criterion写得真不错

yexin2017

牛逼，学习了

kenbrain

接收机灵敏度

Skywalker_jx

接收机灵敏度

1062545120

criterion大神写的真好！！！

lgq-2003

criterion大神写的太好了，把接收机的精髓都体现出来了，学习了，多谢。

zhagnqi08_05

criterion大神来的