无线通信中的噪声

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2023-04-03 13:27:10 951

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，绝对是一场噩梦。系统的热噪声功率与绝对温度的大小、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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