第8章移动通信中的噪声和干扰

1、1 第8章 移动通信中的噪声和干扰 2 l内容 移动通信中的主要噪声 移动通信中的主要干扰 l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 l难点 塔顶放大器 互调干扰、邻道干扰的产生和改善措施 l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 3 l噪声的类型 l噪声系数 l降低噪声的方法 4 l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 l热噪声：粒子热运动产生 l散弹噪声：单位时间内通过PN结的载流子数不同 l外部噪声 自然噪声

2、l指天电噪声、宇宙噪声、太阳噪声等 l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 5 人为噪声 l各种电气设备中电流或电压剧变形成的电磁波辐 射 l可能直接辐射，也可能通过电力线传播 l冲击性噪声 l数量和集中程度随地点、时间变化 l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 6 l基准噪声功率No= KT0Bi 玻尔兹曼常数K=1.3810-23 J/K； 参考绝对温度T0 =290K Bi为接收机带宽 KT0=-204dBW/Hz l平均噪声功率 噪声功率与频率 的关系 7 l噪声功率 N(dB)=No+

3、N N为N高出KT0Bi的分贝数，由图9-1读得 l移动通信中一般要求人为噪声功率限制 在-110dBm以下 l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 8 l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 l信噪比：衡量噪声对信号的影响程度 SNR：S/N=PS/PN PS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 9 l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

4、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 l噪声系数为： 用dB表示为： oo ii F NS NS N dBNSdBNS NS NS LgN ooii oo ii F )()(10 10 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 11 l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

5、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 321 4 21 3 1 2 1 111 PPP F PP F P F FF AAA N AA N A N NN 12 l整机前端电路噪声系数分配 2.51倍6.31倍3.98倍 13 l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 l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 l场效应管具有比晶体管小得多的最佳噪声系数 l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 l如果体积允许，尽

6、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 14 l目的：改善上行信号质量 l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 15 l主要干扰 互调干扰 邻道干扰 同频干扰 16 l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 l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 l互调产物落入某接收机带内，且具有一定强度，

7、就会造成对该接收机的干扰 17 l互调产生的原因 多个信号相互调制，产生组合频率 l组合频率minj：用幂级数表示为多次项， 系数随阶次增高而减小 l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 18 l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

8、不良或生锈） 19 l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 20 l三阶互调的概念 l多信道共用系统中的三阶互调 21 l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A、 B、C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O 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

9、： u=AcosAt+BcosBt+CcosCt 则：输出回路电流i=直流项+基频项+2次项+3次项+ 22 输出回路电流i的3次项有： (3/4)a3A2Bcos(2A+B)t+cos(2A-B)t +(3/4)a3AB2cos(2B+A)t+cos(2B-A)t +(3/4)a3A2Ccos(2A+C)t+cos(2A-C)t +(3/4)a3AC2cos(2C+A)t+cos(2C-A)t +(3/4)a3B2Ccos(2B+C)t+cos(2B-C)t +(3/4)a3BC2cos(2C+B)t+cos(2C-B)t +(3/2)a3ABCcos(A+B-C)t+cos(A+C-B)t

10、 +cos(B+C- A)t+cos(A+B+C)t+ 23 频率为2A-B,2B-A,2A-C, 2C-A, 2B-C, 2C- B,A+B-C,A+C-B, B+C-A的三阶互调产物 将在A,B,C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 l二信号三阶互调：2A-B（三阶型） 表示为：2A-B l三信号三阶互调：A+B-C（三阶型） 表示为：A+B-C 24 l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) 但由于三阶型互调有两次耦合损耗，其影 响远小于三阶型，可忽

11、略 25 ln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 26 ln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1n，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 27 l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

12、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 28 判定有无三阶互调的步骤 l依次排列信道序号 l按规律依次计算相邻信道序号差值djk l计算每隔一个信道的序号差值 l计算每隔二个信道的序号差值； l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。 29 l差值列阵法 l分区分组信道分配法 l等频距信道分配法 30 l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

13、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： 31 l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的无三阶互调信道组 作参考，则该信道组的差值序列为1，3，6，2，5。 32 l等频距信道分配法（按等频距配置信道） 适用于大容量移动通信系统 不满足无三阶互调

14、干扰的条件，但由于同一小区选用 的频道间距较大，隔离度也大，可采用选频电路降低 互调产物的幅度 例：某系统可用频道为100个，共分成10组，每组10个频道，第一 组选择的序号为：1、11、21、31、41、51、61、71、81、91。第 二组的序号为：2、12、22、32、42、52、62、72、82、92。 33 l概念：由发射机末级的非线性产生的互调 发射机输出级非线性 其他发射机的信号耦合进入形成多信号 l类型：二信号三阶互调 三信号三阶互调 34 l二信号三阶互调 Li：互调转换损耗 Lc：耦合损耗 Lp：传输损耗 若发射机输出均为P(dBW) 则接收机收到的噪声功率为： Nin=P

15、-(Li+Lc+Lp) 35 互调产物受到的全部损耗为L=Lc+Li+Lp l耦合损耗Lc 发射机1的输出功率与进入发射机2的输出端的功 率之比(电平差) l互调转换损耗Li 在发射机2输出端上，来自发射机1的功率与来自 发射机2的信号产生的互调产物的功率之比 典型值：Li =15dB l传输损耗LP 发射机2输出端到被干扰接收机输入端间互调干 扰信号的传输损耗 36 耦合损耗Lc由以下因素决定 l发射机共用天线时，Lc取决于共用器隔离度 l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 l天线间耦合损耗与电波传播损耗、天线增益、天线的 方向

16、性，及天线的架设是水平分离还是垂直分离有关 l垂直分离天线间的隔离度比水平分离的隔离度大 37 l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 38 l基站发射机互调干扰 当基站各信道的发射机全部开启时，基站附近的移 动台接收机既能收到有用信号，也能收到互调产物， 即干扰信号 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 当基站某信道的发射机关闭时，处在

17、该信道上的移 动台接收机将只收到互调干扰信号 由于移动台采用信道自动选择方式，移动台接收机 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。 39 l移动台发射机互调干扰 当基站附近两个移动台相距很近且同时发射，移动 台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，由于移动台在基站附近暂时集 中又同时发射的概率很小，可以不予考虑 当用户密度很大时，将成为系统中的一个严重干扰 因素 若已知被干扰接收机允许的最小输入电平和射频防 卫比、移动台发射机输出的最大互调产物电平，就 能计算出移动台发射机互调的干扰范围 40 l减小发射机互

18、调干扰的措施 系统多发射机共用天线-天线共用器 天线共用器 l3dB定向耦合器 l单向环行器 l空腔谐振器+星形网络 41 3dB定向耦合器 l四端口器件 l耦合损耗 3dB：输入端到输出端的耦合损耗 25dB：输入端到另一输入端的耦合损耗 l不适合作多发射机的天线共用器 单向环行器 l一般与3dB定向耦合器组合，以增大发射机间耦 合损耗 l传输损耗： 0.8dB：正向传输损耗 20dB：反向传输损耗 42 空腔谐振器 l与星形网络一起使用 l串联单向环形器可进一 步提高Lc l谐振腔到星形网络的电 缆长度不能随意确定， 必须是/4的奇数倍 l适用于发射机较多时 的天线共用 l谐振腔衰减特性

19、43 减小发射机互调干扰的措施 l尽量增大发射机间的耦合损耗 加大天线间距-分用天线时 采用单向隔离器件 3dB定向耦合器 单向环行器 空腔谐振器+星形网络 l减少MS发射机互调，可采用APC 降低干扰电平 l系统设计时尽量选用无三阶互调信道组 44 l概念： 接收机前端通带较宽，多个信号进入高放、混频级 非线性 l移动台接收机互调 基站忙时，多个发射机同时工作 l基站接收机互调 基站附近多个移动台同时工作 l减小接收机互调的措施 提高接收机的互调抗拒比，一般要求优于70dB 移动台采用APC，减小基站接收机互调干扰 尽量选用无三阶互调信道组。 45 l三阶互调响应 基频响应的输入输出曲线斜率

20、为1，三阶互调响应 的输入输出曲线斜率为3 l三阶响应输入增加1dB，输出增加3dB l基频响应输入增加1dB，输出增加1dB 三阶交叉点(三阶截点)IP3：两个响应的交点 l瑕想点 lIP3愈高，对互调的抑制愈好 lIP3点上，三阶互调抑制为0dB 互调产物与信号电平相等 46 l线性放大器的输入输出特性 1dB压缩点： l当输入增加到一定电平时，呈现基频响应弯曲， 饱和点与线性基频响应相差1dB的压缩，该电平 对应的输出下降1dB的点 交叉点IP3比1dB压缩点 高1015dB 利用1dB压缩点 确定交调电平 47 l交调电平的确定：功率回退法 例：设输入-10dBm，对应IP3，输入为1

21、6dBm，BC=26dBm 则：AB=3BC=78dBm AE=ED=26dBm 即三阶互调抑制比DC=EB=78-26=52dB 当输入信号减小至-20dBm时， 三阶互调下降30dB 互调抑制比改善20dB，为52+20=72dB 功率回退可抑制三阶互调 48 l概念 邻近或相邻频道间的干扰 l由于发射机的调制边带扩展和边带噪声辐射，离 基站近的K1信道的MS强信号干扰离基站远的 K信道的MS弱信号 l共信道干扰，即干扰分量落在被干扰接收机带内 l基站发射机对MS接收机的邻道干扰不严重 49 l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

22、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 l频带宽度无限，但当n4后，幅度越来越小，可 忽略 50 减少发射机调制边带扩展干扰的措施 l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 l移动台采用APC l器件选用，电路设计 51 l发射机边带噪声 在发射机工作频率的两侧存在的频谱很宽的噪声称 为发射机边带噪声 影响发射机边带噪声大小的因素 减小发射机噪声干扰措施 设法减小发射机本身的边带噪声 系统设计上采取减小发射机边带噪声干扰的措施 52 l同频复用距离的计算 l定向天线减小同频干扰 53 l影响同频复用距离的因素 假定地形地物状况相同，各基站设备参数相 同，各移动台的设备参数也相同时的影响因 素 l调制方式 l电波传播特性 l要求的可靠通信概率 l无线区半径r l选用的工作方式 54 l工程计算D值 h1h2分别为收发天线高度 l当收发天线均为高天线时，查曲线(1) l当收发天线一为高天线，一为低天线时，查