移动通信中的噪声和干扰PPT课件.pptVIP

1 第3章移动通信中的噪声和干扰 2 内容移动通信中的主要噪声和主要干扰互调干扰 邻道干扰 同频干扰的概念 产生和改善措施 3 重点接收机的低噪声放大器互调干扰 邻道干扰 同频干扰的概念 产生和改善措施难点低噪声放大器互调干扰的产生和改善措施 4 3 1移动通信中的噪声 噪声和干扰是通信性能变坏的重要因素接收机能否正常工作 不仅取决于接收机输入信号大小 而且取决于干扰和噪声的大小高接收机灵敏度时 当外部噪声和干扰远高于接收机固有噪声时 接收机灵敏度会大大降低接收机输入信噪比小于允许门限值时 接收机就不能进行正确接收 5 6 3 1移动通信中的噪声 内部噪声噪声可分为内部噪声和外部噪声内部噪声主要指接收机本身的固有噪声主要来源是电阻的热噪声和电子器件的散弹噪声 7 3 1移动通信中的噪声 热噪声由导体内部带电粒子的不规则自由运动产生 温度越高 粒子动能越大 形成的噪声也越大热噪声的瞬时值服从高斯分布 又称高斯噪声 Gaussiannoise 热噪声的频带极宽 几乎是所有无线电频谱的叠加 又称白噪声 whitenoise 散弹噪声由于载流子 电子 随机通过PN结 单位时间内通过PN结的载流子数目不一致 表现为通过PN结的正向电流在平均值上下作不规则起伏变化 8 9 3 1移动通信中的噪声 外部噪声外部噪声分自然噪声和人为噪声自然噪声指天电噪声 宇宙噪声和太阳噪声等天电噪声来源于闪电 大气中的磁暴等 功率谱主要在100MHz频段以下 陆地移动通信中 自然噪声远低于接收机固有噪声 可忽略人为噪声由各种电气设备中电流或电压的剧变而形成的电磁波辐射所产生城市人为噪声比较大 主要是汽车点火噪声 10 典型的点火噪声其脉冲宽度约为1 5ns 相应频谱的高端频率达200MHZ 1GHZ 假定一个汽车发动机有8个汽缸 每个汽缸3000r min 由于任一时刻只有半数汽缸燃烧 所以汽车每秒钟产生的火花脉冲数为 若道路上许多车辆 则脉冲数量将被车辆的数目所乘 11 3 1移动通信中的噪声 人为噪声属冲击性噪声大量冲击噪声混在一起形成连续噪声或连续噪声再叠加冲击噪声频谱较宽 强度随频率升高而下降噪声源的数量和集中程度随地点和时间而异 随机变化 噪声强度的地点分布可近似按正态分布处理 其标准偏差 约为9dBBS与MS所受影响不同噪声强度与接收天线的高度及天线离道路的距离有关 12 3 1移动通信中的噪声 为了抑制人为噪声 应采取必要的屏蔽和滤波措施 也可在接收机上采取相应的措施基准人为噪声功率N0 KT0Bi玻尔兹曼常数K 1 38 10 23W K Hz 1 参考绝对温度T0 290K KT0 204dBW HzBi为接收机带宽 13 3 1移动通信中的噪声 人为噪声功率与频率的关系图左纵坐标是等效噪声系数 高于KT0Bi的dB值 美国ITT 国际电话电报公司 公布数据 14 3 1移动通信中的噪声 例 接收机Bi 10lg200KHz 53dBHzN0 KT0Bi 151dBW 121dBm若系统工作在900MHz频段 从上图查到市区人为噪声功率比N0高18dB 所以实际城市的人为噪声电平为 N 151dBW 18dB 133dBW 103dBm 15 3 1移动通信中的噪声 降低噪声的方法选择低噪声器件是降低噪声的基本方法场效应管有比晶体管小得多的最佳噪声系数电阻是无源网络中主要噪声源 一般薄膜电阻比实心电阻噪声小 精度高 高频特性好 薄膜电阻中 又以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 金属薄膜电阻 电子电路 实心电阻 航空航天工业 海底电缆 16 采用塔顶放大器对上行信号质量的改善塔顶放大器的原理就是通过在基站接收系统的前端 即紧靠接收天线下方增加一个低噪声放大器来实现对基站接收性能的改善 塔顶放大器有利于降低基站接收系统的噪声 提高基站接收系统灵敏度 17 3 1移动通信中的噪声 低噪声放大器什么是低噪声放大器 答 放大器是放大电信号的装置 噪声系数很低的放大器称为低噪声放大器 噪声系数通常用NF表示 多级的级联放大器中 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 必须着重于使第一级放大器设计最佳噪声是指由系统材料和器件物理学产生的自然扰动衡量接收机或元器件噪声性能的好坏 常用噪声系数NF表示 18 3 1移动通信中的噪声 噪声系数信噪比 衡量噪声对有用信号的影响程度信号与噪声的功率之比 S N PS PNPS为平均信号功率 PN为平均噪声功率信噪比越大 信号越纯 质量越好 恢复原始信号就越容易传输的话音越清晰传输图像或文字时 分辨率越高理想放大器 无噪声 的输出信噪比等于输入信噪比 19 3 1移动通信中的噪声 噪声系数用来衡量信噪比通过线性网络的变化指网络输入端的信噪比与输出端的信噪比的比值NF Si Ni So No Si为输入信号功率 Ni为输入噪声功率 So为输出信号功率 No为输出噪声功率 Si Ni为输入信噪比 So No为输出信噪比工程设计中常用信号电压有效值与噪声有效电压之比来定义信噪比及噪声系数 20 3 1移动通信中的噪声 例 某非理想 实际 放大器输入信噪比为10 输入信号功率为1mW 噪声功率为0 1mW 放大器内部噪声为1mW 功率增益为AP 10那么 放大器的输出信噪比为5 放大器的噪声系数NF dB 10lg10 5 3dB 21 3 1移动通信中的噪声 理想放大器NF 1 输出信噪比等于输入信噪比 一般放大器NF 1噪声系数越接近于1 放大器内部噪声越小 输出信噪比下降的倍数也越少噪声系数可定义为 负载上的总噪声功率No与输入噪声通过无噪声的理想网络后加在负载上的噪声功率APNi之比 NF No APNi AP So Si 22 3 1移动通信中的噪声 多级放大器级联时的噪声系数为 Friis公式 级联放大器的噪声系数主要受第一级噪声的影响 图两级放大器的直接耦合级联 23 3 1移动通信中的噪声 塔放位置馈线 连接天线和发射机输出端 或接收机输入端 的电缆称为传输线或馈线设 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 24 3 1移动通信中的噪声 整机噪声系数 根据Friis公式 以NF1为主 共取前两项加塔放后整机噪声系数为NF 1 41 3 15 1 16 1 54 2 4dB 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 2 4 5 6dB 25 基带信号 基带信号是原始的电信号 一般是指基本的信号波形 在数字通信中则指相应的电脉冲 调制 是把基带信号变换成传输信号的技术 在无线遥测遥控系统和无线电技术中调制就是用基带信号控制高频载波的参数 振幅 频率和相位 使这些参数随基带信号变化 用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号 3 2互调干扰 26 27 什么是线性系统 答 线性系统 是一个应用较广泛的词 用在不同领域 表达的内容虽不同但道理相通 例 在数学中 f 2x 当x 1时 则f 2 当x 2时 f 4 如果继续算下去 f与x总是成2倍的关系 如果把这种关系用二维座标描述出来 你会发现是一条直线 我们说 这是 线性 关系 又称为线性函数 在电路中 一个放大器的输入与输出如果成固定比例 即无论频率高低 放大倍数总是不变 我们称这个放大器 是一个线性放大器 即是一个线性器件 也称 线性系统 3 2互调干扰 28 什么是谐波 谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致 当电流流经负载时 与所加的电压不呈线性关系 就形成非正弦电流 从而产生谐波 谐波频率是基波 一次谐波 频率的整倍数 根据法国数学家傅立叶证明 任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量 谐波是正弦波 每个谐波都具有不同的频率 幅度与相角 谐波可以区分为偶次与奇次性 第3 5 7次编号的为奇次谐波 而2 4 6 8等为偶次谐波 如基波为50Hz时 2次谐波为100Hz 3次谐波则是150Hz 3 2互调干扰 29 设 Vout KVin 1 线性放大器下 K对于任意大小Vin都是个常数 实际的放大器中 K并不是定值常数 在Vin 0处 式 1 用泰勒展开式展开 得 2 K0为引入直流项 K0 K1Vin为线性增大项 K2 K3等高次幂项系数非零时 输出信号就会伴随出现非线性增大失真部分 即常见的所谓谐波和互调干扰现象 3 2互调干扰 30 现假设输入信号为两个标准正弦信号的叠加 Vin A0sinf0t A1sinf1t 3 泰勒展式 2 展开后的3次幂项变为 K3Vin3 K3 A0sinf0t A1sinf1t 3 K2 A03sin3f0t 3A02A1sin2f0tsinf1t 3A0A12sinf0tsin2f1t A13sin3f1t 4 式 4 中 A03sin3f0t和A13sin3f1t数学转换后得到的是3次谐波项 而3A02A1sin2f0tsinf1t经三角函数转换后得 5 式 5 可以看到频率为2f0 f1和2f0 f1的信号产生 这就是3阶互调项 3 2互调干扰 31 3 2互调干扰 互调干扰的起因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 从而造成对系统的干扰 类型发射机互调接收机互调 32 3 2互调干扰 产生互调干扰的条件 几个干扰频率和受干扰接收机的标称频率存在一定的间隔关系 干扰信号必须有足够的幅度 对接收机互调而言 所有干扰和被干扰的接收机必须在同时工作 几个条件必须同时满足 才会产生互调干扰 逐一改善可解决互调干扰问题 33 3 2互调干扰 三阶互调互调产物用幂级数表示为高次项 系数一般随阶次增高而减小 故幅度最大 影响最严重的是落在有用信号附近的三阶互调三阶互调干扰类型二信号三阶互调 2fA fB fz 三阶I型 三信号三阶互调 fA fB fC fz 三阶II型 意义是 只要由二信号或三信号互调产生的新频率fz正好落在本系统或它系统的某个工作频率上或其通带内 就构成对它的干扰 这就是所谓的三阶互调干扰 2020 3 20 34 35 3 2互调干扰 三阶互调产物三阶互调产物和干扰信号幅度有关 当各个干扰信号的幅度相等时 三阶互调幅度与干扰信号幅度的3次方成比例三信号三阶互调电平比二信号三阶互调电平高一倍五阶互调产物3fA 2fB 3fA fB fC 2fA fB 2fC 2fA fB fC fD fA fB fC 2fD fA fB fC fD fEa3 a5 故一般只考虑三阶互调干扰 36 3 2互调干扰 三阶互调产物的数量当一个移动通信系统有N个等间隔配置的工作频率 落入第P个信道中的三阶互调产物的数量S可根据已知公式计算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 且所有信道都使用时在多信道系统中 信道使用是随机的 落入信道的互调干扰也是随机的 37 3 2互调干扰 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 38 3 2互调干扰 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 39 3 2互调干扰 差值列阵法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 40 3 2互调干扰 通过图表法判断依次排列信道序号按规律依次计算相邻信道序号差值djk 写在两信道序号间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 察看三角阵中是否存在相同数值 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 41 3 2互调干扰 例 给定1 3 4 11 17 22 26信道 问是否存在三阶互调干扰 解 根据三阶互调公式 其信道序号差值如图所示 图中无相同数值 表示无三阶互调 42 例 给定1 2 4 8 13 21 31信道 问是否存在三阶互调干扰 43 3 2互调干扰 无三阶互调信道组的选择差值列阵法例 44 3 2互调干扰 选用无三阶互调信道组时 三阶互调产物依然存在 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特点 选用无三阶互调信道组时 占用频道中只使用了一部分 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 45 3 2互调干扰 发射机互调干扰由发射机末级电路的非线性产生的互调发射机互调干扰的产生原因发射机二信号三阶互调从发射机1天线发出的功率进入发射机2产生互调产物 再经发射机2的天线辐射出去 对接收机造成干扰 46 3 2互调干扰 互调对有用信号的电平的影响互调产物受到的全部损耗为L Lc Li LpLc为耦合损耗 Li为互调转换损耗 Lp为传输损耗什么是耦合损耗 信号从一个元件耦合到另一元件时受到的功率损耗 所谓耦合 是指两个实体相互依赖于对方的一个量度 一种联系 指信号由第一级向第二级传递的过程 接收机收到的三阶互调电平为 Nin P dBW Lc Li Lp 互调转换损耗Li值为5 20dB 典型值为15dBLi的大小与两个发射机之间的频距有关 47 3 2互调干扰 两发射机频距与三阶互调转换损耗Li之间的关系 48 3 2互调干扰 耦合损耗Lc由以下因素决定发射机共用天线时 Lc取决于共用器隔离度发射机分用天线时 Lc取决于天馈线之间耦合损耗 隔离度 及发射机与天线间是否插入隔离器 滤波器天线间耦合损耗与电波传播损耗 天线增益 天线的方向性 及天线的架设是水平分离还是垂直分离有关垂直分离天线间的隔离度比水平分离的隔离度大 49 3 2互调干扰 发射机三信号互调干扰干扰电平与二信号互调干扰比较 2A B 型电平 A B C 型电平 20lgLc2 6dB一般要求发射机间耦合损耗在30dB以上 二信号三阶互调电平超过三信号三阶互调电平24dB以上 故三信号三阶互调电平可以忽略不计 50 3 2互调干扰 基站发射机互调干扰基站各信道发射机全部开启时 基站附近的MS接收机既能收到有用信号 也能收到互调干扰信号由于传播条件相同 故有用信号远远大于干扰信号 考虑到调频的捕获效应 干扰将被抑制注 捕获效应 大信号对小信号经过调频解调器之后有较强的抑制能力 因而能够 大 吃 小 所以对于同信道的干扰有抑制能力 或 答 强信号对弱信号的抑制作用 当基站某信道发射机关闭时 处在该信道上的MS接收机只收到互调干扰信号 MS接收机可能因干扰而错停信道当已知接收机开启电平与发射机互调产物电平时 就能求出互调干扰范围或干扰半径 51 3 2互调干扰 MS发射机互调干扰当基站附近两个MS相距很近且同时发射 MS发射机的互调产物将会造成对基站接收机的干扰当用户密度较小时 由于MS在基站附近暂时集中 同时发射的概率很小 可不予考虑当用户密度很大时 必须考虑若已知MS发射机输出的最大互调产物电平 相距最近时 可计算出MS发射机互调的干扰范围 52 3 2互调干扰 减小发射机互调干扰的措施天线共用器天线共用器的作用是多部发射机能合用一副天线 它既要能够有效地将每部发射机的输出功率馈送到天线去 又要避免各发射机之间的相互影响 避免发射端产生互调干扰 基站中多台发射机共用一付天线 多台接收机也共用一付天线 图短波21路天线共用器 53 3 2互调干扰 尽量增大发射机间的耦合损耗 如分用天线时 加大发射机天线间距离 采用单向隔离器件 并增大频率间隔离度 为减小MS发射机互调干扰采用自动功率控制系统设计时 尽量选用无三阶互调信道组工作 54 3 2互调干扰 接收机互调干扰移动台接收机互调干扰基站多部发射机同时工作 将使基站附近的移动台接收机产生互调干扰考虑到调频捕获效应 若有用信号和互调信号强度之比大于或等于射频防卫比S I dB 则不致造成干扰注 射频防卫度是满足接收质量要求时的射频信号与干扰信号之比总的互调干扰电平的大小取决于干扰信号的强度和数量 如互调产物有多个 需将各互调产物按功率叠加 55 3 2互调干扰 基站接收机互调干扰基站附近两个或多个MS同时发射 使基站接收机产生互调干扰互调干扰的大小和基站接收机的互调指标 干扰信号强度 MS在基站附近同时起呼的概率有关基站接收机共用天线时 天线共用放大器产生的互调产物指标将严重影响接收机系统的互调指标一般接收机互调指标在 70dB 80dB范围 56 3 2互调干扰 减小接收机互调干扰的措施提高接收机的射频互调抗拒比一般要求优于70dB互调抗拒比 是指接收机对与有用信号的频率有特定关系的两个或更多个无用信号的抑制能力MS发射机采用自动功率控制 减少基站接收机的互调干扰减小无线区半径 降低最大接收电平尽量选用无三阶互调信道组 57 3 3邻道干扰 邻道干扰是指相邻的或邻近的信道之间的干扰由于发射机的调制边带扩展和边带噪声辐射 离基站近的K 1信道的MS强信号干扰离基站远的K信道的MS弱信号基站发射机对MS接收机的邻道干扰不严重 58 3 3邻道干扰 调制边带扩展调制边带扩展干扰是指话音信号经调频后 某些边带频率落入相邻信道形成的干扰调频波有无穷多个边频分量 某些边频分量落入邻道接收机的通带内 就造成调制边带扩展 干扰邻道频带宽度无限 但当n 4后 幅度越来越小 可忽略 59 3 3邻道干扰 减少发射机调制边带扩展干扰的措施严格限制调制信号的带宽发射机的语音加工电路中 须有瞬时频偏控制 IDC 电路和邻道干扰滤波器 注 预加重电路 频率调制有一个很重要的性质 就是调制后的信号 高频部分会有衰减 也就是频率越高的部分衰减的越厉害 为了解决这个问题 使用了预加重和去加重电路 主要思想是先人为的放大信号的高频分量 再在解调后将这部分连同噪声一起消除掉 60 同频复用的定义 在移动通信系统中 为了提高频率利用率 在相隔一定距离后 要重复使用相同的频道 这种方法常称为同频复用 具体做法 将一组频道频率 频道组 分配给相隔一定距离的2个或多个小区使用 这些使用相同频率的小区叫同频小区 同频小区之间存在有同频干扰 同频小区之间的距离越小 空间隔离度越小 同频干扰越大 但频率复用次数增加 频率利用率提高 反之 同频干扰可以减小 但频率利用率也降低 因此 两者都要兼顾考虑 在进行蜂窝网的频率分配时 尽量提高频率利用率 3 4同频道干扰 61 如何避免同频干扰的影响 答 必须保证接收机输入端的信号 同频干扰比大于或等于射频 RF 防卫度 达到主观上规定的接收质量时所需的射频信号对干扰信号的比值 同频