環(huán)境噪聲干擾對無線通信接收靈敏度的影響分析

摘 ?要：無線通信中，接收機內(nèi)部噪聲、環(huán)境干擾噪聲共同影響接收靈敏度。文章分析了利用等效噪聲溫度計算接收靈敏度的方法，建立仿真模型，仿真施加白噪聲干擾、單音干擾、寬帶信號干擾及其組合干擾對接收靈敏度的影響。對比仿真及利用等效噪聲溫度計算輸出信噪比結(jié)果，得出等效噪聲溫度計算接收靈敏度的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：噪聲干擾;等效噪聲溫度;噪聲系數(shù);靈敏度

中圖分類號：TN911.4 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0037-05

Analysis on the Influence of Environmental Noise Interference on Receiving Sensitivity of Wireless Communication

ZHANG Feilong

（Southwest China Institute of Electronic Technology， Chengdu ?610036， China）

Abstract： In wireless communication， the receiver internal noise and environmental interference noise mutually affect the receiving sensitivity. This paper analyzes the method of calculating the receiving sensitivity by using the equivalent noise temperature， establishes a simulation model to simulate the influence of white noise interference， single-tone interference， broadband signal interference and their combined interference on the receiving sensitivity. Comparing the simulation and using the equivalent noise temperature to calculate the output signal-to-noise ratio results， and calculates the accuracy of the receiving sensitivity by obtained equivalent noise temperature.

Keywords： noise interference; equivalent noise temperature; noise coefficient; sensitivity

0 ?引 ?言

在無線通信系統(tǒng)設(shè)計中，對接收靈敏度的考量主要取決于接收機的噪聲系數(shù)。在實際應(yīng)用中，由于受天電干擾、工業(yè)干擾、地外星系、大氣以及地面輻射、其他射頻微波輻射源干擾的影響，無源天線接收噪聲功率譜密度不能再以-174 dBm/Hz考量[1-3]。實際測試發(fā)現(xiàn)，超短波頻段實際接收噪聲功率譜密度在-160 dBm/Hz左右。工程設(shè)計中需要定量計算外界干擾噪聲、接收機的噪聲系數(shù)共同作用對接收靈敏度的影響[4]，本文著重分析利用等效噪聲溫度來計算存在環(huán)境干擾噪聲時的接收靈敏度，并通過仿真不同功率白噪聲干擾、單音干擾、寬帶信號干擾及其組合干擾與接收機內(nèi)部噪聲對接收靈敏度的影響，驗證了利用等效噪聲溫度計算接收靈敏度的準(zhǔn)確性。

1 ?利用等效噪聲溫度計算接收靈敏度

1.1 ?接收靈敏度

在滿足系統(tǒng)解調(diào)要求的輸出信噪比情況下，有效輸入最小信號功率稱為系統(tǒng)靈敏度。接收靈敏度的計算公式為：

其中，Pr為接收信道輸入功率（滿足解調(diào)的最小功率為靈敏度）;為解調(diào)時要求接收信道的輸出信噪比;K為普朗克常數(shù)1.38×10-23;T為開爾文溫度，常溫下為290 K;BN為接收信道中頻帶寬;FN為接收信道噪聲因子。上述參數(shù)中與調(diào)制方式及誤碼率有關(guān)，BN與波特率及技術(shù)體制相關(guān)，在常溫下，不考慮外界噪聲的情況下，將上述公式用對數(shù)表示可得：

Pr=-174+10lgBN+NF+SNR

從上式可以看出，調(diào)制波形一定的情況下，接收靈敏度與接收信道輸入噪聲功率譜密度（常溫下為-174 dBm/Hz）以及接收信道的噪聲系數(shù)NF有關(guān)。實際應(yīng)用中，在考量接收信道輸入噪聲時不但要考慮熱噪聲的影響，還需考慮其他干擾噪聲對接收靈敏度的影響。當(dāng)接收信道輸入端存在其他干擾噪聲影響時，此時接收信道輸出噪聲表現(xiàn)為信道內(nèi)部有源器件的熱噪聲與環(huán)境噪聲的共同作用，顯然將實際測試得到的環(huán)境噪聲功率譜密度代入上式得到的接收靈敏度是錯誤的。下面分析如何利用等效噪聲溫度計算接收靈敏度。

1.2 ?等效噪聲溫度

有源器件內(nèi)部噪聲的一種表示方法是將內(nèi)部噪聲折算到輸入端，用噪聲溫度表示，有源器件本身被認為是沒有噪聲的理想器件[5]。

假設(shè)：

APH為有源器件的增益;T為有源器件輸入端干擾噪聲等效噪聲溫度;T′為有源器件內(nèi)部噪聲等效噪聲溫度;Pni為有源器件輸入端干擾噪聲功率;Pno為有源器件輸出端干擾噪聲功率;P'ni為有源器件內(nèi)部噪聲折算到輸入端后的輸入噪聲功率;P'no為有源器件內(nèi)部噪聲輸出端噪聲功率;P'no為有源器件總的輸出噪聲功率;FN為有源器件噪聲因子。

則：

Pni=kTBN

Pno=Pni·ApH

P'ni=KT'BN

P'no=P'ni·ApH

得：

T′=（Fn-1）·T

即有源器件內(nèi)部噪聲的等效噪聲溫度可用噪聲因子Fn與輸入端等效噪聲溫度T表示。

將接收信道內(nèi)部噪聲用噪聲因子Fn與輸入端等效噪聲溫度T表示，可得接收信道輸出端總的噪聲功率為：

P"no=ApH k（T+T'）BN

若輸入端的等效噪聲溫度Tin=T+T′，則有源器件總的輸出端噪聲功率為：

Pno=ApHKTinBN

由接收靈敏度計算公式：

將噪聲因子Fn用等效噪聲溫度替換：

則由輸入端的等效噪聲溫度：Tin=T+T′可得：

通過上述公式推導(dǎo)得，接收靈敏度的計算可以將干擾噪聲的等效噪聲溫度與接收信道內(nèi)部噪聲的等效噪聲溫度相加計算。

2 ?干擾噪聲對接收靈敏度的影響仿真

為了驗證上述第二節(jié)中所推導(dǎo)得出的等效噪聲溫度計算靈敏度公式的準(zhǔn)確性，在SystemVue仿真軟件建立超外差接收信道仿真模型。在接收信道輸入端分別加入AM調(diào)制信號作為有用信號，以高斯白噪聲、8PSK寬帶調(diào)制信號、單音干擾作為干擾噪聲，仿真不同輸入噪聲功率的條件下，接收信號的輸出信噪比，將仿真結(jié)果與利用等效噪聲溫度計算接收靈敏度做對比，得出利用等效噪聲溫度計算接收靈敏度的可行性。

2.1 ?仿真模型建立

超短波電臺使用超外差架構(gòu)，利用射頻、中頻濾波器可有效濾除帶外干擾、組合干擾、鏡頻干擾，但卻無法濾除帶內(nèi)干擾。首先，如圖1所示，在SystemVue仿真軟件射頻系統(tǒng)仿真中搭建仿真模型，仿真接收信道的噪聲系數(shù)、線性度等指標(biāo)，仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。在SystemVue仿真軟件數(shù)字系統(tǒng)仿真中搭建高斯白噪聲、8PSK寬帶調(diào)制信號、單音干擾作為干擾噪聲模型，將干擾噪聲分別輸入到超外差接收信道中，測量接收信道輸入、輸出信噪比，仿真結(jié)果如圖4所示。

超外差接收信道對接收射頻信號做濾波、放大處理，通過兩次混頻將射頻信號（仿真頻率134 MHz）變頻到固定中頻（仿真頻率70 MHz）。通過仿真及參數(shù)調(diào)整，設(shè)定該超外差信道的噪聲系數(shù)為8.9 dB，增益為79.9 dB。當(dāng)輸入信號功率為-89 dBm時，通道的輸出功率為-9 dBm，小于接收信道輸出P-1值20 dB，滿足回退要求。這樣在進行噪聲干擾對接收信噪比的影響分析時將以上述仿真數(shù)據(jù)作為參考，同時控制輸入信號幅度，避免由于接收信道的非線性失真造成仿真結(jié)果的不準(zhǔn)確。

為了能同時有效測量噪聲信號功率、有用信號功率，將超外差信道接收中頻濾波器帶寬設(shè)置為1 MHz，以方便后續(xù)測量驗證。中頻濾波器對臨道干擾有很好的抑制作用，但卻無法抑制帶內(nèi)白噪聲、寬帶干擾信號，所以改變中頻濾波器帶寬的設(shè)置不會影響寬帶干擾仿真準(zhǔn)確性。

2.2 ?仿真結(jié)果分析

以上述超外差仿真模型作為接收信道，在SystemVue仿真軟件數(shù)字仿真系統(tǒng)中搭建不同干擾類型的仿真模型，將其疊加后輸入超外差接收信道。分別統(tǒng)計超外差接收信道輸入、輸出信噪比。統(tǒng)計方法以中頻輸出信噪比為例進行說明：以頻率70 MHz為中心，對40 KHz帶寬內(nèi)的信號功率譜密度積分，得到中頻輸出信號的功率。以頻率69.9 MHz為中心，對40 KHz帶寬內(nèi)的噪聲功率譜密度積分，得到噪聲的功率。統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。

2.2.1 ?白噪聲對接收靈敏度的影響

利用等效噪聲溫度理論計算輸入、輸出信噪比時，將接收信道噪聲系數(shù)、白噪聲輸入功率譜密度根據(jù)前述公式折算為噪聲溫度，不考慮非線性影響，計算接收信道輸入信噪比、輸出信噪比。

仿真計算時，將高斯白噪聲與AM調(diào)制信號疊加，改變高斯白噪聲輸出功率，分別統(tǒng)計不同輸入白噪聲功率條件下，接收信道輸入、輸出信噪比。

將理論計算數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)畫圖，如圖6所示。

根據(jù)等效噪聲溫度計算與仿真結(jié)果對比可以看出，當(dāng)輸入白噪聲功率較小時，接收信道內(nèi)部有源器件噪聲對接收信號信噪比的惡化起主要作用。當(dāng)環(huán)境白噪聲干擾功率逐漸增大時，接收信道輸入、輸出信噪比逐漸趨于一致，即外界噪聲對接收信道輸出信噪比起主要作用。從等效噪聲溫度考慮，當(dāng)噪聲系數(shù)一定時，接收信道等效噪聲溫度是固定的，當(dāng)外界干擾噪聲功率達到一定程度時，干擾噪聲的等效溫度幾十倍于接收信道的等效噪聲溫度，因此外界干擾噪聲功率越大，其對接收信道輸出信噪比的影響越大。仿真結(jié)果與利用等效噪聲溫度計算結(jié)果基本一致。

2.2.2 ?單音干擾對接收靈敏度的影響

在偏離AM調(diào)制信號100 Hz處疊加一個單音干擾，改變單音信號的輸入功率，利用等效噪聲溫度計算、仿真不同單音干擾輸入功率下接收信道輸入信噪比、輸出信噪比。

將理論計算數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)畫圖，如圖7所示。

與白噪聲類似，當(dāng)單音干擾功率逐漸增大時，接收信道輸入、輸出信噪比逐漸趨于一致。

2.2.3 ?寬帶信號干擾對接收靈敏度的影響

在SystemVue中生成一個帶寬1 MHz的8PSK調(diào)制信號，將其與AM調(diào)制信號疊加，改變8PSK調(diào)制信號的輸出功率（本文僅考慮AM調(diào)制信號帶內(nèi)40 KHz干擾功率），分別仿真、利用等效噪聲溫度計算不同輸入功率條件下接收信道輸入、輸出信噪比。

將理論計算數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)畫圖，如圖8所示。

2.2.4 ?組合干擾對接收靈敏度的影響

考慮不同干擾組合對接收靈敏度的影響，在SystemVue中將白噪聲干擾、單音干擾、寬帶信號干擾與AM調(diào)制信號疊加，改變?nèi)N干擾信號的平均功率譜密度，仿真不同干擾功率條件下，接收信道輸入、輸出信噪比并與利用等效噪聲溫度計算結(jié)果對比。

將理論計算數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)畫圖，如圖9所示。

將以等效噪聲溫度方式計算接收信道輸出信噪比與仿真結(jié)果對比，可以看出通過將接收機內(nèi)部噪聲、環(huán)境噪聲等效為噪聲溫度，利用等效噪聲溫度計算可以真實地反映出接收信道輸出信噪比。根據(jù)這一計算結(jié)果，結(jié)合不同調(diào)制模式解調(diào)所需的信噪比，可以定量地計算接收信道的真實靈敏度。

3 ?結(jié) ?論

接收機內(nèi)部噪聲、外部干擾噪聲均使接收機接收靈敏度下降。在不考慮接收信道非線性的情況下，接收機外部干擾噪聲落入接收機帶內(nèi)的功率較小時，接收機內(nèi)部噪聲對接收信噪比的影響較大。接收機外部干擾噪聲逐漸增大時，接收信道輸出信噪比大小取決于外部干擾噪聲功率。仿真結(jié)果表明，可將外界干擾噪聲的平均功率、接收機內(nèi)部噪聲換算為等效噪聲溫度計算無線通信系統(tǒng)的接收靈敏度。

參考文獻：

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作者簡介：張飛龍（1988—），男，漢族，河南周口人，工程師，碩士，研究方向：射頻通信電路設(shè)計、通信系統(tǒng)設(shè)計。