噪声系数(Noise Figure)对手机射频接收机灵敏度之影响

Noise Figure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]，其公式如下: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: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[5] :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[7]。

而由[8]可知，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[9] :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]。

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[12-13]。

至于匹配方法，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[14]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[14]，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[15]。

再来谈谈GPS，由[5-6]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)。

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[12]，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[12]:尤其是WCDMA，会有所谓Tx Leakage的问题[6]，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[5]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。

因此一般而言，会先在LNA输入端，放上一颗SAW Filter，来抑制Tx Leakage[16]，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[17]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: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[17]。

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[12] :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[12]。

而由[8]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[17]。

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[18] :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，这种方案可行吗?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[10,14]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]。

Reference[1] 热噪声与带宽对手机灵敏度之影响, 百度文库[2] IQ讯号与信噪比对手机灵敏度之影响, 百度文库[3] Noise Figure, Noise Factor and Sensitivity[4] 射频微波通讯之量测及仪器介绍[5] WCDMA之零中频接收机原理剖析大全, 百度文库[6] WCDMA之Tx Leakage对于零中频接收机之危害, 百度文库[7] 天线开关模块_简介, 百度文库[8] RF Microelectronics, Razavi[9] A single-chip multi-mode RF front-end circuit and module for W-CDMA, PCS,and GPS applications[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] A Low Noise Figure 1.2-V CMOS GPS Receiver Integrated as a Part of aMultimode Receiver, IEEE[13] Topic: Two-Port Noise, UC Berkly[14] Layout Concern about Trace, Ground and Via_简体中文, 百度文库[15] 差分讯号简介, 百度文库[16] LNA Products for GPS and Cellular Applications, RFMD[17] 利用高线性度LNA模块减少GPS设备中的干扰[18] ALM-1412 Low Noise Amplifier Module with Integrated Filter for 1.575 GHzGPS Application, AVAGO。