发布时间:2023-04-03作者来源:hahabet甄选浏览:4284
当评价一个无线通信系统时,噪声是最重要的指标之一,因为噪声的大小决定了接收机可以接收的最小信号幅度的门限。噪声实际是由多种源引起的一个随机过程,包括由射频元件产生的热噪声、大气噪声、宇宙背景噪声及人为干扰等。在无线通信系统中,噪声几乎无处不在,它们既有来自由天线接收的外部噪声,也有来自系统各个元件产生的内部噪声。
在无线电波的信号处理和传播过程中,也会遇到无法确切预测但有概率统计规律的电磁波干扰信号,这种信号不同于特定频率的无线电波之间的互相干扰,它在很宽的频带范围内存在,称之为噪声。噪声分为系统内部噪声和系统外部噪声。
系统内部噪声包括与环境温度相关的热噪声、电子管工作时产生的噪声、信号与噪声之间的互调产物,等等。
系统外噪声来自雷电风雨产生的噪声、汽车的点火噪声、其他用电设备产生的噪声。
我们这里描述的是系统内部的噪声。
什么是白噪声
白噪声是指功率谱密度为常数、能量在整个频域内均匀分布的随机信号或随机过程。理想白噪声的带宽无限大,因而其能量也无限大,这在现实世界中是不可能存在的。理想白噪声的提出只是为了让我们在数学分析上更加方便。只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用的系统带宽,在系统带宽范围内其频谱密度基本上可以作为常数来考虑,也就是说,可以把它当作白噪声来处理。
什么是高斯白噪声
如果一个噪声,它的幅度分布服从高斯分布,而它的功率谱密度又是均匀分布的,则称之为高斯白噪声。幅度服从高斯分布就是其幅度概率密度分布以均值为轴对称,在均值处最大,在一个方差处为概率密度曲线的拐点。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。高斯噪声的线性组合仍是高斯噪声。对独立的噪声源产生的噪声求和时,可将功率直接相加。
什么是噪声谱密度
单位带宽内分布的噪声功率称为噪声谱密度。由于高斯白噪声的功率谱密度是均匀分布的,理论上在无限带宽范围内的噪声功率是无穷大的,但幸好一切接收设备都只能接收一定带宽范围内的噪声,否则这些设备都会被噪声冲击而丧失功能。如同人的耳朵只能接收一定频率的声波,如果各个频率的声音都能接收,对人类来说,[敏感词]是一场噩梦。系统的热噪声功率与[敏感词]温度的大小、系统带宽的大小有直接关系,单位是dBm,用公式表示为:
P=10*log(kTB)=10*log (1.38*10-23 *290 *1*1000)= -174 dBm/Hz
其中:
k——波尔兹曼常量(1.38*10-23焦耳/ΔK)
T——温度值,单位为开尔文,此处取室温290ΔK
B——带宽,这里为1Hz
乘1000的原因是要把W换算成mW。中间还用到能量(焦耳)和功率(瓦特)的换算公式:1kwh=3.6MJ(即1ws=1J)
在常温下,任何用电系统的热噪声功率是-174dBm/Hz。用电系统是有一定的工作频率范围的,系统底噪的计算就是噪声功率谱密度和系统带宽的乘积。
那带宽为200KHz的总噪声功率值是多少呢?我们知道,在数学里,如果要求一个函数在某段区域上的积分,我们就先求出积分函数,再代入上下限值进去计算,那么在这里,因为自然界环境热噪声功率谱密度是个常数(表示在整个频谱范围内热噪声是均匀分布的),那要在200KHz的带宽内对功率谱密度进行积分,计算起来就很简单,就是200000倍的-174dBm,在对数中就是相加,即:
-174dBm+10*log(200*103)=-174dBm+53dB=-121dBm/200KHz。
那么LTE是20MHz的信号呢?
什么是相位噪声
相位噪声就是指系统(如各种射频器件)在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化。描述无线电波的三要素是幅度、频率、相位。频率和相位相互影响。理想情况下,固定频率的无线信号波动周期是固定的,正如飞机的正常航班一样,起飞时间是固定的。频域内的一个脉冲信号(频谱宽度接近0)在时域内是一定频率的正弦波。
但实际情况是信号总有一定的频谱宽度,而且由于噪声的影响,偏离中心频率的很远处也有该信号的功率,正如有延误1小时以上的航班一样;偏离中心频率很远处的信号叫做边带信号,边带信号可能被挤到相邻的频率中去,正如延误的航班可能挤占其他航班的时间,从而使航班安排变得混乱。这个边带信号就叫作相位噪声。
如何描述相位噪声的大小呢?在偏移中心频率一定范围内,单位带宽内的功率与总信号功率的比,单位为dBc/Hz。射频器件系统内的热噪声可能导致相位噪声的产生。相位噪声的大小可以反映出射频器件的优劣。在设计和使用射频器件时,要注意射频器件对相位噪声的抑制能力。相位噪声越小,射频器件越好。
什么是信噪比
无线通信领域的信噪比,简单地说,就是有用信号和噪声的功率之比,通常以SNR表示。有用信号的可靠传送是我们想要获得的好处;有用信号在传输的过程中,必然会引入各种噪声,最起码有热噪声,这就是我们要付出的代价。
理解信噪比时应该注意以下2点。
(1)在不考虑成本的前提下,信噪比越大越好。
(2)增加有用信号强度、控制干扰和噪声,可以提高信噪比。
什么是噪声系数
有源器件的内部电荷载流子的随机运动会产生噪声,而叠加在输入端的噪声上,从而使得输出端的噪声恶化了,所以输出端的信噪比肯定比输入端差。比如下图所示:
蓝色表示输入的信号和噪声底,经过一个增益为G,噪声系数为NF的器件后,信号被抬高了G(dB),噪声底也被抬高了G(dB),并且叠加了器件内部的电荷载流子的随机运动而产生噪声后,噪声还被抬高了NF(dB),所以噪声底被抬高得多一点,因此输出端的信噪比恶化了。
但是这里有2个条件:
1、是信号必须是器件的线性区范围内,否则饱和了,输出端的信号肯定压缩了,信噪比变小;
2、必须是室温下一定带宽内的自然界环境,这里是保证最小的噪声值-174dBm/Hz。
还有另外一种情况,如果经过一个衰减的无源器件呢?噪声系数是多少?
因为室温下一定带宽内的自然界环境最小的噪声值-174dBm/Hz,所以输入端和输出端都是噪底都是一样的,信噪比肯定变小。所以噪声系数就等于无源器件的插损。
我看看设备对这个指标的定义: 噪声系数是设备在工作频带范围内,正常工作时输入信噪比与输出信噪比之比,用dB表示。
即噪声系数NF(dB)=输入端信噪比(dB)— 输出端信噪比(dB)
设备的指标:
1)最小系统最大增益状态下噪声系数NF≤7dB,极限条件时噪声系数也应满足要求;
2)最小系统最小增益(Gmax-15dB)状态下噪声系数NF≤7dB;
3)组网级联方式,系统内所有RU为最大增益时每通路噪声系数不得超出7+10log(n)数值,n为RU的数量。
为什么需要噪声系数?
直放站设备不对信号进行解调,虽然有些厂家会解调信源信号,不过那只是为了其他用途,不影响信号链性能。所以在3GPP对上行有一个重要的指标接收灵敏度,在直放站这边无法体现。
接收灵敏度=-174+NF+10lgB+SNR
其中,NF为噪声系数,B为信号带宽,SNR为解调信噪比门限。
从公式中可以看出,信号带宽由无线通信协议确定,信号最小解调信噪比由调制方式和BBU的物理层性能决定。
所以为了体现其接收微弱信号的能力,直放站使用噪声系数NF来衡量,从而替代接收灵敏度指标。
怎么设计才能满足噪声系数?
为了优化噪声系数指标,你可能还需要了解一个指标,级联噪声系数。见下图:
你可以在Excel上自己建立一个小工具计算下,也可以在网上找到计算级联噪声系数的软件。从这个公式来看前级对噪声系数的影响比较大,越到后级对噪声系数的影响越小。
所以我们设计时就要注意以下几个方面:
1、低噪放前差损,相当于与无源器件,类似级联公式的NF1,如果这个插损越大,噪声系数就越大。而且之前聊过前级对噪声系数的影响比较大,所以这需要重点考虑。
2、低噪放噪声系数,这个相当于公式的NF2,前级对噪声系数的影响比较大,所以这里也很重要。
3、射频前端增益分配,这个相当于公式的G1、G2、G3,大家可以在噪声系数仿真软件上仿真下,就可以知道那部分的增益对这个系统影响最大,从而改善。
4、数字域设计:数字域的衰减是通过满进满出的方式采集,从而确认数字域的增益的噪声。
怎么测试一个器件的噪声系数?
通常我们有两种方法来测一个DUT(Device Under Test,待测器件)的噪声系数:专用噪声仪器测试法,增益法。这里我们介绍增益法,“增益法”测试噪声系数步骤:
1、用信号源和频谱仪测出待测器件的增益值G;
2、用频谱仪测出待测器件输出一定带宽内的噪声总功率PNOUT;
3、带入公式NF = PNOUT -10log10(kTB)-G中计算出噪声系数NF。
这里,我们再来把公式NF = PNOUT -10log10(kTB)-G理解一下,此公式这样理解会好一点: 10log10(kTB)+G+ NF= PNOUT,这个公式的意思是,室温下一定带宽内的自然界环境热噪声功率10log10(kTB),经过一个器件后,由于器件有增益,所以被放大了G倍,由于器件内部电荷载流子的随机运动而产生噪声的叠加,又被抬高了NF,所以最终输出的噪声底是10log10(kTB)+G+ NF。
再提一个问题,对于一个无源的器件,如一个衰减度为40dB的衰减器,它的噪声系数是多少?怎么理解?
答:衰减度为40dB的衰减器其增益为-40dB,其噪声系数用公式NF = PNOUT -10log10(kTB)-G计算,为NF = 10log10(kTB)-10log10(kTB)-(-40)=40dB,从理解上说,最关键的地方就是要注意到,室温下一定带宽内的自然界环境热噪声功率10log10(kTB)无处不在,并且是自然界中最小的噪声了,所以衰减器输入端和出端的噪声底都是10log10(kTB),信号被衰减了40dB,而噪声底还是那么大,信噪比肯定变小啦。看下图更直观一些。
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