物联网LoRa系列-17：LoRa终端Sx1262芯片内部的射频信号放大器_lora 功率放大器

至此，我们已经拆解了天线是如何发送和接收空中的无线电磁波信号、拆解了无线终端如何对射频前端的高频电信号进行进一步处理的、还拆解了无线终端的发送和接收如何分时复用天线的半双工模式。

本篇将进一步拆解无线终端是如何对射频电信号进行进一步的处理，包括发送方向的功率放大器和接收方向的低噪声放大器。

为什么需要射频信号放大器呢？

从发送方向来看：功率放大器使得射频芯片产生的低功率的高频率的射频电信号，能够有足够大的大功率来发送电信号，以使得无线电磁波传播的距离足够的远。

从接受方向来看：低噪声放大器使得天线感应到的和射频前端恢复出来的低功率的微弱的电信号，能够有足够大的信号幅度，被后续的接收电路处理，以便于后续电路恢复射频电信号中承载的数字信息。

功率放大器和低噪声放大器都是射频芯片内部的电路实现的，而对芯片逻辑电路控制的软件接口就是寄存器，因此，从本章开始将关注：软件如何通过寄存器接口控制芯片内部的硬件的电路的。

一、无线终端--数据发送和接收的全过程

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二、无线终端电磁波的接收和发送过程概述

三、射频电路电源供应

在拆解信号的功率放大之前，先拆解一下功率的来源：电源。电源所有信号功率的根本来源，因此有必要拆解一下相关的电路与原理。

终端设备的电源，主要有两种：

一种是电池，提供1.8V-4.2V的可变电压（电池是慢慢放电的）， 标准放电电压是3.7V。

一种是充电器，提供5V的稳定直流电压。

1. 1.8-4.2V的锂电池供电电源

（1）锂电池选型

（2）是锂电池充电管理部分

（3）升压和稳压到5V

由于电池有充电和放电的过程，在充电和放电的过程中，电压是变化的，因此需要一个稳压装置。

这样就得到了5V的系统供电电源。

2.  5V USB供电电源

5V的供电电源直接来自于USB接口，无需稳压和升压。

3. 降压和稳压到3.3V

通过降压得到终端芯片所需要的工作电压

4. 射频芯片所需要电源的细分类型

为了防止射频信号和数字信号之间的相互干扰，通常需要把数字电源与模拟电源隔离。

VDD=3.3V：系统供电电源

VDD_D: MCU和射频芯片数字电路的供电电源

VDD_A: MCU 模拟电路电路

VDD_RF: 射频芯片射频电路供应电源。

5. 天线功率放大器所需要电源

由于天线的发送输出功率是可以由软件控制的，因此发送到天线链路上的功率输出来自于射频芯片自身。而不是外部电路。

VR_PA：用来控制天线上发送信号的输出功率。VR_PA电压与射频输出信号RFO进行叠加，得到输出功率可以由MCU控制的大功率射频信号。

6. DC-DC与LDO

DC-DC与LDO都是进行直流电源的电压转换的，或降压或升压。

LDO：

LOW DROPOUT VOLTAGE LDO（low dropout voltage regulator output）低压差线性稳压器/整流器，故名思意，为线性的稳压器，仅能使用在降压应用中。也就是输出电压必需小于输入电压。

低压降(LDO)线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。

DC-DC：

DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC转换器分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。

DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。随著集成度的提高，许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是，这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。

总之，

升压，是一定要选DC-DC电源模块，

降压，是选择DCDC还是LDO，要在成本，效率，噪声和性能上比较。

四、发送方向的功率放大器PA

功率放大器是把输入信号放大并向负载提供足够大的功率的放大器。射频功率放大器（RF PA）是发射系统中的主要部分，其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大（缓冲级、中间放大级、末级功率放大级）获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后，射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。

放大器的功能，即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容，我们称之为“信号”，往往表示为电压或功率。

对于放大器这样一个“系统”来说，它的“贡献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平，并向外界“输出”。如果放大器能够有好的性能，那么它就可以贡献更多，这才体现出它自身的“价值”。如果放大器存在着一定的问题，那么在开始工作或者工作了一段时间之后，不但不能再提供任何“贡献”，反而有可能出现一些不期然的“震荡”，这种“震荡”对于外界还是放大器自身，都是灾难性的。

射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，如何提高输出功率和效率，是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。除此之外，输出中的高频谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。即功率放大器，放大的是发射频率信号的幅值，不能放大他的频率。

如下是射频芯片SX1261/2内部的功率放大电路框图：

在上图中：

发送方向的功率放大器有两部分组成：

（1）PA LP：线性放大，对发送信号在幅度上进行线性放大。

（2）REG PA: 功率放大，为发送信号提供电源功率。

在上图中，SX1261和SX1262的REG PA的输入电源是相同的。

SX1261 REG PA的输入来源于1.5V 降压+稳压器DC-DC的输出。而降压+稳压器DC-DC的输入来自于1.8V-3.7V的电池。

SX1262 REG PA的输入直接源于1.8V-3.7V的电池，不需要经过中间的DC-DC。

SX1261 REG PA的输入电压是1.5V, SX1262 REG PA的输入直接源于1.8V-3.7V, 因此SX1262 最大输出功率要比SX1261大。

SX1261默认为最大输出功率14DBm，SX1262默认为最大输出功率22DBm。这就反应了这两款芯片最大输出功率的差别。

MCU通过控制REG PA的寄存器，来控制射频芯片的输出功率，通常情况就设置为最大输出功率。

关于功率控制：

在手机等智能终端中，手机的功率控制会实时监控手机终端收到的基站的信号强度以及实时的计算手机与基站的距离，然后调整手机终端自己的输出/发送信号的强度，这就是功率控制。

而对于LoRa物联网终端而言，是否有功率控制，取决于终端代码的实现，不是强制性的要求。大多数LoRa的终端，都没有功率功率控制，不管与LoRa基站距离的远近，都往往是按最大的功率进行发送的。这种简单的发送功率控制机制，实际上是不经济的，不省电的。从低功耗的角度来看，根据基站与终端的物理距离来调整终端的发送功率，将有利于终端的低功耗和省电，有利于更长的待机时间。

SX1261/2功率控制相关的寄存器：

（1）PA的操作模式：设置芯片的最大输出功率

（2）发送时的实际功率：

（3）发送功率变化的稳定时间

在发送功率修改后，需要多长的时间达到稳定。

需要注意的是：

如果寄存器的设置是正确的，但实际的天线输出信号的功率达不到理想的最大值，有可能是射频前端的阻抗匹配电路并非到达理想的50欧姆，也有可能天线本身的问题。这需要从天线和射频前端的阻抗匹配的硬件电路中查找答案。

五、接收方向的低噪声放大器LNA

低噪声放大器， 噪声系数很低的放大器。

一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。

在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。

由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示。理想放大器的噪声系数 F=1（0分贝），其物理意义是输入信噪比等于输出信噪比。

接收器灵敏度是基站接收路径设计中最关键的要求之一，合适的LNA选择，特别是第一级LNA可以大幅度改善基站接收器的灵敏度表现，低噪声指数也是关键的设计目标。

LNA就是对天线感应到的电磁波信号，转化成微弱的接收电路的电流信号后，进行一次幅度上的放大，使得微弱信号变成强信号，以便后续进一步的解调。因此LNA对于接收机的灵敏度影响非常大。

当然，影响接收灵敏度，（1）不仅仅是LNA, 还有（2）射频前端的天线阻抗匹配网络以及（3）天线本身的性能；（4）接收信号的频率； （5）接收信号的带宽；（6）调制解调的编码。

前3部分的功能，基本是受硬件电路设计的影响；

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后记：

我们已经拆解了天线是如何发送和接收空中的高频无线电磁波信号、拆解了无线终端如何对射频前端的高频电信号进行进一步处理的、还拆解了无线终端的发送和接收如何分时复用天线的半双工模式。

本篇拆解无线终端是如何对高频射频电信号进行进一步的处理，包括发送方向的功率放大器和接收方向的低噪声放大器。

后续将进一步拆解无线终端是如何在高频射频电信号和中频信号之间进行转换的，在接收方向，把高频射频电信号转换成中频的射频电信号；在发送方向，把中频射频电信号转换成高频射频电信号。

价值参考：

射频芯片，超详细原理讲解：http://www.360doc.com/content/19/1208/15/66598049_878275467.shtml