移动通信中的噪声和干扰

1移动通信技术(第2版)第9章移动通信中的噪声和干扰2第9章移动通信中的噪声和干扰内容–移动通信中的主要噪声–移动通信中的主要干扰3第9章移动通信中的噪声和干扰重点–接收机的低噪声放大器、塔顶放大器–互调干扰、邻道干扰、同频干扰的概念、产生和改善措施难点–塔顶放大器–互调干扰、邻道干扰的产生和改善措施–无三阶互调信道组的选择目的和要求–掌握对接收侧放大器的要求和塔顶放大器的作用–理解三种主要干扰的概念、产生及减小的方法–了解信道组中三阶互调存在与否的判断方法–了解同频复用距离的计算方法49.1移动通信中的噪声噪声的类型噪声系数降低噪声的方法59.1.1噪声的类型内部噪声–接收机固有的–主要来源：电阻的热噪声、电子器件的散弹噪声热噪声：粒子热运动产生散弹噪声：单位时间内通过PN结的载流子数不同外部噪声–自然噪声指天电噪声、宇宙噪声、太阳噪声等自然噪声远低于接收机固有噪声-----可忽略–人为噪声（主要噪声）最主要的人为噪声类型为汽车点火噪声6–人为噪声各种电气设备中电流或电压剧变形成的电磁波辐射可能直接辐射，也可能通过电力线传播冲击性噪声数量和集中程度随地点、时间变化噪声强度与接收天线的高度及天线离道路的距离有关BS和MS所受影响不同7平均噪声功率的计算基准噪声功率No=KT0Bi–玻尔兹曼常数K=1.38×10-23J/K；–参考绝对温度T0=290K°Bi为接收机带宽KT0=-204dBW/Hz平均噪声功率–噪声功率与频率的关系8噪声功率N(dB)=No+△N–△N为N高出KT0Bi的分贝数，由图9-1读得移动通信中一般要求人为噪声功率限制在-110dBm以下抑制人为噪声的方法–屏蔽、滤波–接收机采用噪声限制器、噪声熄灭器等99.1.2噪声系数低噪声级----高增益放大器的输入级–多级级联放大器中，第一级噪声源影响最大–衡量噪声的指标：噪声系数NF信噪比：衡量噪声对信号的影响程度–SNR：S/N=PS/PNPS为平均信号功率，PN为平均噪声功率–信噪比越大，信号传输质量越高–信号在传输中，噪声会累积所以信噪比不断恶化（下降）只有理想放大器的输出信噪比等于输入信噪比10噪声系数NF–衡量信噪比通过线性网络的变化–噪声系数是指网络输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值(电平差)若：Si为输入信号功率，Ni为噪声功率，So为输出信号功率，No为输出噪声功率，则Si/Ni为输入信噪比；So/No为输出信噪比噪声系数为：用dB表示为：ooiiFNSNSNdBNSdBNSNSNSLgNooiiooiiF)()(1011–NF=1时，输出信噪比等于输入信噪比只有理想放大器（无噪声）才有可能–一般放大器NF1噪声系数越接近于1，说明放大器内部噪声越小，输出信噪比下降的倍数也越少12多级放大器级联时的噪声系数–Friis公式第一级功率增高时，级联放大器的噪声系数主要受第一级噪声的影响前面各级产生的噪声都要经由后面各级逐级放大如何减少第一级噪声是设计低噪声电路的关键3214213121111PPPFPPFPFFFAAANAANANNN13整机前端电路噪声系数分配2.51倍6.31倍3.98倍149.1.3降低噪声的方法降低噪声的方法–多级的级联放大器中，虽然每一级放大器都会产生内部噪声，但噪声源在第一级时影响最大对高增益放大器的设计，首先必须着重于如何使第一级放大器设计最佳–选择低噪声器件是降低噪声的基本方法场效应管具有比晶体管小得多的最佳噪声系数一般薄膜电阻比实心电阻噪声小薄膜电阻中，金属膜电阻噪声最小如果体积允许，尽量不要采用超小型电阻–对于基站来说，改善上行信号接收时的噪声影响可在塔顶天线与馈线连接处加装塔顶放大器15塔顶放大器目的：改善上行信号质量接收机第一级的噪声影响最大–采用低噪声放大器–基站采用塔顶放大器–塔顶放大器就是在基站接收系统的前端即紧靠接收天线的位置增加一个低噪声放大器，以改善基站的接收性能16塔顶放大器原理–塔顶放大器对改善上行链路性能的作用可分为改善噪声系数和提高基站系统的接收灵敏度两个方面–塔顶放大器降低了基站接收系统的噪声系数、有效改善上行信号，提高基站系统的接收灵敏度17例：设基站系统噪声系数NF2=5dB(3.15倍)；天线馈线损耗LC=3dB(2倍)；塔顶放大器噪声系数NF1=1.5dB(1.41倍)；塔顶放大器增益AP1=12dB（16倍）(1)整机噪声系数：根据Friis公式整机噪声系数以NF1为主，一般计算取前两项。加塔放后整机噪声系数为NF=1.41+(3.15-1)/16=1.54(1.88dB)基站不加塔放的噪声系数为NF´=LC+NF2=8dB塔放使基站的噪声系数降低8-1.88=6.12dB18(2)接收机热噪声功率计算设PN=NFKT0Bi；K=1.38×10-23W/HzK°；T0=290K°；Bi=200KHz=53dBHzPN=NF-204dBW+53dB=NF-121dBm(3)改善度设接收机灵敏度为-104dBm；输出信噪比为So/No=9dB。①加塔放前噪声系数为NF′=8dB噪声功率为PN′=8dB-121dBm=-113dBm最小接收电平为Pmin=-113dBm+9dB=-104dBm②加塔放后噪声功率为PN=1.88dB-121dBm=-119.12dBm信噪比So/No=-104-(-119.12)=15.12dBm③改善信噪比为15.12-9=6.12dB19塔顶放大器的作用–扩大基站有效覆盖范围在移动通信系统中，由于基站和移动台发射功率和接收灵敏度的差异，会造成上、下行功率不平衡塔放降低了基站接收系统的噪声系数，即提高了基站灵敏度，增加了基站上行传播损耗容量–提高上行接收电平，改善弱信号覆盖–降低手机输出功率，减少上行信号的干扰–节省费用，增加收益20塔顶放大器的种类及应用–塔放按使用环境的不同分上行塔顶放大器基站放大器塔顶双向放大器–对于不同的应用方式在实际中可以按基站的具体条件和覆盖要求来选定–当然，在工程实际中，对塔放的避雷、馈电、防水及故障的自动告警和自动旁路等功能都应精心设计21塔顶放大器的典型应用22上行双工塔放的应用上行双工塔放配合基站功放的应用23上行单收型塔放的应用249.2移动通信中的主要干扰主要干扰–互调干扰–邻道干扰–同频干扰259.2.1互调干扰互调干扰的概念–互调干扰是由于多个信号加至非线性器件上，产生与有用信号频率相近的组合频率(互调产物)，对系统造成干扰非线性器件输入信号多于两个时，会增生新的组合频率，即互调产物互调产物落入某接收机带内，且具有一定强度，就会造成对该接收机的干扰26互调产生的原因–多个信号相互调制，产生组合频率组合频率mωi±nωj：用幂级数表示为多次项，系数随阶次增高而减小幅度最大、影响最严重的是有用信号附近的低阶互调产物–三次项：三阶互调–五次项：五阶互调27原因–发射机互调发射机末端，由于功放的非线性，把天线侵入的其它干扰信号与发射的有用信号产生互调而形成干扰–接收机互调处于互调关系的多个信号同时进入一个接收机，由于接收机高放或混频的非线性而产生互调干扰–外部互调(生锈螺栓效应)在发射机附近金属接头件生锈或腐蚀及不同金属接触处，在强射频场中产生检波作用而产生互调信号辐射（天线、天线螺栓接触不良或生锈）28产生互调干扰的条件：–多个信号同时加到非线性器件上产生大量互调产物；–无线系统间，系统内频率和功率关系不协调；–对接收机互调而言，所有干扰发射机和被干扰接收机同时工作三个条件同时满足才会产生干扰影响逐一改善可解决互调干扰问题292.三阶互调三阶互调的概念三阶互调的类型三阶互调产物的幅度五阶互调三阶互调产生的数量多信道共用系统中的三阶互调30三阶互调的概念设：输入回路的选择性较差，同时有三个载频分别为ωA、ωB、ωC的干扰信号进入接收机高放或混频级而未被滤除，有用信号为ωO转移特性非线性用幂级数表示：i=a0+a1u+a2u2+a3u3+…式中，a0,a1,a2,a3…是由晶体管特性决定的系数设：作用于晶体管的信号为：u=AcosωAt+BcosωBt+CcosωCt则：输出回路电流i=直流项+基频项+2次项+3次项+…31–输出回路电流i的3次项有：(3/4)a3A2B[cos(2ωA+ωB)t+cos(2ωA-ωB)t]+(3/4)a3AB2[cos(2ωB+ωA)t+cos(2ωB-ωA)t]+(3/4)a3A2C[cos(2ωA+ωC)t+cos(2ωA-ωC)t]+(3/4)a3AC2[cos(2ωC+ωA)t+cos(2ωC-ωA)t]+(3/4)a3B2C[cos(2ωB+ωC)t+cos(2ωB-ωC)t]+(3/4)a3BC2[cos(2ωC+ωB)t+cos(2ωC-ωB)t]+(3/2)a3ABC[cos(ωA+ωB-ωC)t+cos(ωA+ωC-ωB)t+cos(ωB+ωC-ωA)t+cos(ωA+ωB+ωC)t+…]32–频率为2ωA-ωB,2ωB-ωA,2ωA-ωC,2ωC-ωA,2ωB-ωC,2ωC-ωB,ωA+ωB-ωC,ωA+ωC-ωB,ωB+ωC-ωA的三阶互调产物将在ωA,ωB,ωC附近难以用选择性电路滤除，易构成互调干扰–三阶互调干扰的类型二信号三阶互调：2A-B（三阶Ⅰ型）表示为：2ωA-ωB三信号三阶互调：A+B-C（三阶Ⅱ型）表示为：ωA+ωB-ωC33三阶互调产物的幅度–与三次项系数a3成正比–与干扰信号幅度的三次方成比例(三个信号幅度相等时)–三信号三阶互调比二信号三阶互调幅度高一倍(3dB)但由于三阶Ⅱ型互调有两次耦合损耗，其影响远小于三阶Ⅰ型，可忽略34三阶互调产物的数量–设有N个等间隔配置的工作频率，则落入第P个信道的三阶互调产物数量S可根据公式计算–N、P为奇数或偶数时公式均不同–所有S的计算均为最坏情况，即所有信道都使用时。–在多信道系统中，信道使用是随机的因此，落入信道的互调干扰也是随机的35多信道共用系统中的三阶互调–n个等间隔信道间的三阶互调干扰(频率关系)fx、fi、fj、fk分别为x、i、j、k信道的载频若有两个信道频率满足第一式或三个信道频率满足第二式的关系，就会产生三阶互调干扰36–n个等间隔信道间的三阶互调干扰(信道序号关系)•信道序号由1～n，按等间隔划分，C1信道使用频率f1，C2使用f2，Cn使用fn•任一信道的频率为fn=f1+△F(Cn-1)•f1为所有信道频率中最低频率；△F为信道间隔的频率数；Cn为n信道序号37差值列阵法判断三阶互调–工程上常用差值列阵法判断信道间是否存在三阶互调干扰，选择无三阶互调信道组–根据信道序号表示三阶互调公式，多信道系统中，任意两个信道序号之差等于任意另两个信道序号之差，即dxi=djk，就构成三阶互调–D为信道序号之差–适用于信道数不多的情况38–判定有无三阶互调的步骤依次排列信道序号按规律依次计算相邻信道序号差值djk计算每隔一个信道的序号差值计算每隔二个信道的序号差值；…察看是否存在相同数值–若有表示满足条件dxi=djk，存在三阶互调–若没有，则不存在三阶互调。39无三阶互调信道组的选择–差值列阵法–分区分组信道分配法–等频距信道分配法40–差值列阵法选用无三阶互调信道组时，三阶互调依然存在，只是不落入本系统的工作频道之内。本系统内各工作信道没有三阶互调干扰，但可能对其他系统产生干扰选用无三阶互调信道组时，频率利用率低，选用频道数量越大，信道利用率越低，在需要信道数较多时不现实小区制中，每个小区使用的信道数较少时，可采用分区分组分配法来提高频率利用率例：41–分区分组信道分配法只要选取的信道序号之间的差值满足上述差值序列，则是无三阶互调信道组可用试探法选取可用的信道组例：6个无线小区组成，每个无线区均要求4个工作信道，总共需24个工作信道。取信道号为1，2，5，11，13，18的无三阶互调信