無線通信內(nèi)部的噪聲描述

當評價一個無線通信系統(tǒng)時，噪聲是最重要的指標之一，因為噪聲的大小決定了接收機可以接收的最小信號幅度的門限。

噪聲實際是由多種源引起的一個隨機過程，包括由射頻元件產(chǎn)生的熱噪聲、大氣噪聲、宇宙背景噪聲及人為干擾等。在無線通信系統(tǒng)中，噪聲幾乎無處不在，它們既有來自由天線接收的外部噪聲，也有來自系統(tǒng)各個元件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲。

在無線電波的信號處理和傳播過程中，也會遇到無法確切預(yù)測但有概率統(tǒng)計規(guī)律的電磁波干擾信號，這種信號不同于特定頻率的無線電波之間的互相干擾，它在很寬的頻帶范圍內(nèi)存在，稱之為噪聲。噪聲分為系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和系統(tǒng)外部噪聲。

系統(tǒng)內(nèi)部噪聲包括與環(huán)境溫度相關(guān)的熱噪聲、電子管工作時產(chǎn)生的噪聲、信號與噪聲之間的互調(diào)產(chǎn)物，等等。

系統(tǒng)外噪聲來自雷電風雨產(chǎn)生的噪聲、汽車的點火噪聲、其他用電設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。

我們這里描述的是系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲。

什么是白噪聲

白噪聲是指功率譜密度為常數(shù)、能量在整個頻域內(nèi)均勻分布的隨機信號或隨機過程。理想白噪聲的帶寬無限大，因而其能量也無限大，這在現(xiàn)實世界中是不可能存在的。理想白噪聲的提出只是為了讓我們在數(shù)學分析上更加方便。只要一個噪聲過程所具有的頻譜寬度遠遠大于它所作用的系統(tǒng)帶寬，在系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)其頻譜密度基本上可以作為常數(shù)來考慮，也就是說，可以把它當作白噪聲來處理。

什么是高斯白噪聲

如果一個噪聲，它的幅度分布服從高斯分布，而它的功率譜密度又是均勻分布的，則稱之為高斯白噪聲。幅度服從高斯分布就是其幅度概率密度分布以均值為軸對稱，在均值處最大，在一個方差處為概率密度曲線的拐點。兩個正交高斯噪聲信號之和的包絡(luò)服從瑞利分布。高斯噪聲的線性組合仍是高斯噪聲。對獨立的噪聲源產(chǎn)生的噪聲求和時，可將功率直接相加。

什么是噪聲譜密度

單位帶寬內(nèi)分布的噪聲功率稱為噪聲譜密度。由于高斯白噪聲的功率譜密度是均勻分布的，理論上在無限帶寬范圍內(nèi)的噪聲功率是無窮大的，但幸好一切接收設(shè)備都只能接收一定帶寬范圍內(nèi)的噪聲，否則這些設(shè)備都會被噪聲沖擊而喪失功能。如同人的耳朵只能接收一定頻率的聲波，如果各個頻率的聲音都能接收，對人類來說，絕對是一場噩夢。系統(tǒng)的熱噪聲功率與絕對溫度的大小、系統(tǒng)帶寬的大小有直接關(guān)系，單位是dBm，用公式表示為：

P=10log（kTB）=10log （1.38*10-23 *290 11000）= -174 dBm/Hz

其中：

• k——波爾茲曼常量（1.38*10-23焦耳/ΔK）
• T——溫度值，單位為開爾文，此處取室溫290ΔK
• B——帶寬，這里為1Hz
• 乘1000的原因是要把W換算成mW。中間還用到能量（焦耳）和功率（瓦特）的換算公式：1kwh=3.6MJ（即1ws=1J）

在常溫下，任何用電系統(tǒng)的熱噪聲功率是-174dBm/Hz。用電系統(tǒng)是有一定的工作頻率范圍的，系統(tǒng)底噪的計算就是噪聲功率譜密度和系統(tǒng)帶寬的乘積。

那帶寬為200KHz的總噪聲功率值是多少呢？我們知道，在數(shù)學里，如果要求一個函數(shù)在某段區(qū)域上的積分，我們就先求出積分函數(shù)，再代入上下限值進去計算，那么在這里，因為自然界環(huán)境熱噪聲功率譜密度是個常數(shù)（表示在整個頻譜范圍內(nèi)熱噪聲是均勻分布的），那要在200KHz的帶寬內(nèi)對功率譜密度進行積分，計算起來就很簡單，就是200000倍的-174dBm，在對數(shù)中就是相加，即：

-174dBm+10log（200103）=-174dBm+53dB=-121dBm/200KHz。

那么LTE是20MHz的信號呢？

什么是相位噪聲

相位噪聲就是指系統(tǒng)（如各種射頻器件）在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號相位的隨機變化。描述無線電波的三要素是幅度、頻率、相位。頻率和相位相互影響。理想情況下，固定頻率的無線信號波動周期是固定的，正如飛機的正常航班一樣，起飛時間是固定的。頻域內(nèi)的一個脈沖信號（頻譜寬度接近0）在時域內(nèi)是一定頻率的正弦波。

但實際情況是信號總有一定的頻譜寬度，而且由于噪聲的影響，偏離中心頻率的很遠處也有該信號的功率，正如有延誤1小時以上的航班一樣；偏離中心頻率很遠處的信號叫做邊帶信號，邊帶信號可能被擠到相鄰的頻率中去，正如延誤的航班可能擠占其他航班的時間，從而使航班安排變得混亂。這個邊帶信號就叫作相位噪聲。

如何描述相位噪聲的大小呢？在偏移中心頻率一定范圍內(nèi)，單位帶寬內(nèi)的功率與總信號功率的比，單位為dBc/Hz。射頻器件系統(tǒng)內(nèi)的熱噪聲可能導致相位噪聲的產(chǎn)生。相位噪聲的大小可以反映出射頻器件的優(yōu)劣。在設(shè)計和使用射頻器件時，要注意射頻器件對相位噪聲的抑制能力。相位噪聲越小，射頻器件越好。

什么是信噪比

無線通信領(lǐng)域的信噪比，簡單地說，就是有用信號和噪聲的功率之比，通常以SNR表示。有用信號的可靠傳送是我們想要獲得的好處；有用信號在傳輸?shù)倪^程中，必然會引入各種噪聲，最起碼有熱噪聲，這就是我們要付出的代價。

理解信噪比時應(yīng)該注意以下2點。

（1）在不考慮成本的前提下，信噪比越大越好。

（2）增加有用信號強度、控制干擾和噪聲，可以提高信噪比。

什么是噪聲系數(shù)

有源器件的內(nèi)部電荷載流子的隨機運動會產(chǎn)生噪聲，而疊加在輸入端的噪聲上，從而使得輸出端的噪聲惡化了，所以輸出端的信噪比肯定比輸入端差。比如下圖所示：

藍色表示輸入的信號和噪聲底，經(jīng)過一個增益為G，噪聲系數(shù)為NF的器件后，信號被抬高了G（dB），噪聲底也被抬高了G（dB），并且疊加了器件內(nèi)部的電荷載流子的隨機運動而產(chǎn)生噪聲后，噪聲還被抬高了NF（dB），所以噪聲底被抬高得多一點，因此輸出端的信噪比惡化了。

但是這里有2個條件：

1、是信號必須是器件的線性區(qū)范圍內(nèi)，否則飽和了，輸出端的信號肯定壓縮了，信噪比變??；

2、必須是室溫下一定帶寬內(nèi)的自然界環(huán)境，這里是保證最小的噪聲值-174dBm/Hz。

還有另外一種情況，如果經(jīng)過一個衰減的無源器件呢？噪聲系數(shù)是多少？

因為室溫下一定帶寬內(nèi)的自然界環(huán)境最小的噪聲值-174dBm/Hz，所以輸入端和輸出端都是噪底都是一樣的，信噪比肯定變小。所以噪聲系數(shù)就等于無源器件的插損。

我看看設(shè)備對這個指標的定義： 噪聲系數(shù)是設(shè)備在工作頻帶范圍內(nèi)，正常工作時輸入信噪比與輸出信噪比之比，用dB表示。

即噪聲系數(shù)NF（dB）=輸入端信噪比（dB）— 輸出端信噪比（dB）

設(shè)備的指標：

1）最小系統(tǒng)最大增益狀態(tài)下噪聲系數(shù)NF≤7dB，極限條件時噪聲系數(shù)也應(yīng)滿足要求；

2）最小系統(tǒng)最小增益（Gmax-15dB）狀態(tài)下噪聲系數(shù)NF≤7dB；

3）組網(wǎng)級聯(lián)方式，系統(tǒng)內(nèi)所有RU為最大增益時每通路噪聲系數(shù)不得超出7+10log（n）數(shù)值，n為RU的數(shù)量。

為什么需要噪聲系數(shù)？

直放站設(shè)備不對信號進行解調(diào)，雖然有些廠家會解調(diào)信源信號，不過那只是為了其他用途，不影響信號鏈性能。所以在3GPP對上行有一個重要的指標接收靈敏度，在直放站這邊無法體現(xiàn)。

接收靈敏度=-174+NF+10lgB+SNR

其中，NF為噪聲系數(shù)，B為信號帶寬，SNR為解調(diào)信噪比門限。

從公式中可以看出，信號帶寬由無線通信協(xié)議確定，信號最小解調(diào)信噪比由調(diào)制方式和BBU的物理層性能決定。

所以為了體現(xiàn)其接收微弱信號的能力，直放站使用噪聲系數(shù)NF來衡量，從而替代接收靈敏度指標。

怎么設(shè)計才能滿足噪聲系數(shù)？

為了優(yōu)化噪聲系數(shù)指標，你可能還需要了解一個指標，級聯(lián)噪聲系數(shù)。見下圖：

你可以在Excel上自己建立一個小工具計算下，也可以在網(wǎng)上找到計算級聯(lián)噪聲系數(shù)的軟件。從這個公式來看前級對噪聲系數(shù)的影響比較大，越到后級對噪聲系數(shù)的影響越小。

所以我們設(shè)計時就要注意以下幾個方面：

1、低噪放前差損，相當于與無源器件，類似級聯(lián)公式的NF1，如果這個插損越大，噪聲系數(shù)就越大。而且之前聊過前級對噪聲系數(shù)的影響比較大，所以這需要重點考慮。

2、低噪放噪聲系數(shù)，這個相當于公式的NF2，前級對噪聲系數(shù)的影響比較大，所以這里也很重要。

3、射頻前端增益分配，這個相當于公式的G1、G2、G3，大家可以在噪聲系數(shù)仿真軟件上仿真下，就可以知道那部分的增益對這個系統(tǒng)影響最大，從而改善。

4、數(shù)字域設(shè)計：數(shù)字域的衰減是通過滿進滿出的方式采集，從而確認數(shù)字域的增益的噪聲。

怎么測試一個器件的噪聲系數(shù)？

通常我們有兩種方法來測一個DUT（Device Under Test，待測器件）的噪聲系數(shù)：專用噪聲儀器測試法，增益法。這里我們介紹增益法，“增益法”測試噪聲系數(shù)步驟：

1、用信號源和頻譜儀測出待測器件的增益值G；

2、用頻譜儀測出待測器件輸出一定帶寬內(nèi)的噪聲總功率PNOUT；

3、帶入公式NF = PNOUT -10log10（kTB）-G中計算出噪聲系數(shù)NF。

這里，我們再來把公式NF = PNOUT -10log10（kTB）-G理解一下，此公式這樣理解會好一點： 10log10（kTB）+G+ NF= PNOUT，這個公式的意思是，室溫下一定帶寬內(nèi)的自然界環(huán)境熱噪聲功率10log10（kTB），經(jīng)過一個器件后，由于器件有增益，所以被放大了G倍，由于器件內(nèi)部電荷載流子的隨機運動而產(chǎn)生噪聲的疊加，又被抬高了NF，所以最終輸出的噪聲底是10log10（kTB）+G+ NF。

再提一個問題，對于一個無源的器件，如一個衰減度為40dB的衰減器，它的噪聲系數(shù)是多少？怎么理解？

答：衰減度為40dB的衰減器其增益為-40dB，其噪聲系數(shù)用公式NF = PNOUT -10log10（kTB）-G計算，為NF = 10log10（kTB）-10log10（kTB）-（-40）=40dB，從理解上說，最關(guān)鍵的地方就是要注意到，室溫下一定帶寬內(nèi)的自然界環(huán)境熱噪聲功率10log10（kTB）無處不在，并且是自然界中最小的噪聲了，所以衰減器輸入端和出端的噪聲底都是10log10（kTB），信號被衰減了40dB，而噪聲底還是那么大，信噪比肯定變小啦?？聪聢D更直觀一些。

和噪聲相關(guān)的內(nèi)容就說完了。