無線接收靈敏度原理分析與算法

1、接收靈敏度原理算法接收靈敏度是檢驗(yàn)基站接收機(jī)接收微弱信號的能力，它是制約基站上行作用距離的決定性技術(shù)指標(biāo)，也是RCR STD-28協(xié)議中，空中接口標(biāo)準(zhǔn)要求測試的技術(shù)指標(biāo)之一。合理地確定接收靈敏度直接地決定了大基站射頻收發(fā)信機(jī)的性能及其可實(shí)現(xiàn)性。它是對CSL系統(tǒng)的接收系統(tǒng)總體性能的定量衡量。接收靈敏度是指在確保誤比特率（BER）不超過某一特定值的情況下，在用戶終端天線端口測得的最小接收功率，這里BER通常取為0.01。接收機(jī)的接收靈敏度可以用下列推導(dǎo)得出：根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，輸入信噪比應(yīng)為：(S/N)i=NF(S/N)o其中NF為噪聲系數(shù)，輸入噪聲功率Ni=kTB。當(dāng)(S/N)o為滿足誤碼率小于

2、10-2時(shí)，即噪聲門限，則輸入信號的功率Si即為接收靈敏度：Si=kTBNFSYS(S/N)o （1）其中：k：波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23 J/K）；T：絕對溫度（K）；B：噪聲帶寬（Hz）；NFSYS：收信機(jī)噪聲系數(shù)；(S/N)o：噪聲門限。k、T為常數(shù)，故接收機(jī)靈敏度以對數(shù)形式表示，則有：Si=-174dBm+10lgB+ NFSYS+(S/N)o （2）舉例來說，對于一個(gè)噪聲系數(shù)為3dB的PHS系統(tǒng)，其帶寬計(jì)為300KHz，如果系統(tǒng)靈敏度為-107dBm，則該系統(tǒng)的噪聲門限為：(S/N)o=174-107-10lg(3×105)-3=9.2從以上公式可以看出為

3、提高接收機(jī)靈敏度也即使Si小，可以從兩個(gè)方面著手，一是降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)，另一個(gè)是使噪聲門限盡可能的小。/4DQPSK有三種解調(diào)方式：基帶差分檢測、中頻差分檢測、鑒頻器檢測?？梢宰C明1三種非相干解調(diào)方式是等價(jià)的，我們以基帶差分檢測為例進(jìn)行分析。在具有理想傳輸特性的穩(wěn)態(tài)高斯信道，基帶差分檢測的誤比特率曲線表示于圖1實(shí)線2所示，由圖可以查出在誤比特率BER為0.01時(shí)，噪聲門限(S/N)o為6dB，對于上述例子來說，其噪聲門限還有可以再開發(fā)的潛力。圖1 /4DQPSK的誤比特率性能及頻差f引起的相位漂移=2fT對誤比特率的影響對于基帶差分檢測來說，收發(fā)兩端的頻差f引起的相位的漂移=2fT。當(dāng)>

4、/4，將會(huì)引起系統(tǒng)的錯(cuò)誤判決。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須保證</4。當(dāng)取不同值時(shí)，誤比特率的曲線如圖1所示。從圖中可以看出，當(dāng)f=0.0025/T時(shí)，即頻率偏差為碼元速率的2.5%時(shí)，在一個(gè)碼元內(nèi)將引起90的相差。在誤比特率為10-4時(shí)，該相差將引起1dB的性能惡化。所以說，為了獲得較高的接收機(jī)靈敏度一方面可以從降低低噪放的噪聲系數(shù)上考慮，另一方面提高本地振蕩器頻率精度對改善系統(tǒng)的靈敏度也是很重要的。接收機(jī)靈敏度有兩種表示方法，我們常用的是用dBm表示，而在協(xié)議中接收機(jī)靈敏度的表示單位通常是用dBv來表示的。這兩者有什么關(guān)系呢？dBm是功率的單位，而dBv是電勢的單位。信號電勢Es與信號功率Si的

5、關(guān)系為： (3)我們所用的系統(tǒng)的阻抗一般為Rs=50，當(dāng)信號功率Si用dBm表示，信號電勢Es用dBv表示，則有20lgEs=113+10lgSi (4)舉例來說，靈敏度-106dBm，也就是7dBv。式（2）、（4）是我們經(jīng)常能用到的應(yīng)該記住，熟練換算。··功率 靈敏度 （dBm dBmV dBuV） dBm=10log(Pout/1mW)，其中Pout是以mW為單位的功率值dBmV=20log(Vout /1mV)，其中Vout是以mV為單位的電壓值dBuV=20log(Vout /1uV)，其中Vout是以uV為單位的電壓值換算關(guān)系：PoutVout×Vou

6、t/RdBmV=10log(R/0.001)+dBm，R為負(fù)載阻抗dBuV=60+dBmV 應(yīng)用舉例 無線通信距離的計(jì)算這里給出自由空間傳播時(shí)的無線通信距離的計(jì)算方法：所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。 通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度和工作頻率有關(guān)。 Lfs(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz) 式中Lfs為傳輸損耗，d為傳輸距離，頻率的單位以MHz計(jì)算。 由上式可見，自由空間中電波傳播損耗（亦稱衰減）只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，當(dāng)f或d增大一倍時(shí)，Lfs將

7、分別增加6dB. 下面的公式說明在自由空間下電波傳播的損耗 Los = 32.44 + 20lg d(Km) + 20lg f(MHz) Los 是傳播損耗，單位為dB d是距離，單位是Km f是工作頻率，單位是MHz 下面舉例說明一個(gè)工作頻率為433.92MHz，發(fā)射功率為10dBm(10mW)，接收靈敏度為-105dBm的系統(tǒng)在自由空間的傳播距離： 1. 由發(fā)射功率+10dBm，接收靈敏度為-105dBm Los = 115dB 2. 由Los、f 計(jì)算得出d =30公里 這是理想狀況下的傳輸距離，實(shí)際的應(yīng)用中是會(huì)低于該值，這是因?yàn)闊o線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造

8、成的損耗，將上述損耗的參考值計(jì)入上式中，即可計(jì)算出近似通信距離。 假定大氣、遮擋等造成的損耗為25dB，可以計(jì)算得出通信距離為： d =1.7公里 結(jié)論: 無線傳輸損耗每增加6dB, 傳送距離減小一倍<!- Inject Script Filtered ->GPS 接收機(jī)的靈敏度分析(2012-3-22 14:35)1 GPS 接收機(jī)的靈敏度定義隨著GPS 應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，業(yè)界對GPS 接收機(jī)的靈敏度要求也越來越高，高靈敏度的接收性能可以令接收機(jī)在室內(nèi)或其它衛(wèi)星信號較弱的場景下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)定位和跟蹤，大大拓展了GPS 的使用范圍。作為GPS 接收機(jī)最為重要的性能指標(biāo)之一，高靈敏

9、度一直是各個(gè)GPS 接收模塊孜孜以求的目標(biāo)。對于GPS 接收系統(tǒng)而言，靈敏度指標(biāo)包括多個(gè)場景下的指標(biāo)，分別為：跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度、初始啟動(dòng)靈敏度。目前業(yè)界已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤靈敏度在-160dBm 以下的接收機(jī)，同時(shí)，初始啟動(dòng)的靈敏度和捕獲靈敏度也分別可以達(dá)到-142dBm 和-148dBm 以下。GPS 接收機(jī)首先需要完成對衛(wèi)星信號的捕獲，完成捕獲所需要的最低信號強(qiáng)度為捕獲靈敏度；在捕獲之后能夠維持對衛(wèi)星信號跟蹤所需要的最低信號強(qiáng)度為跟蹤靈敏度。為了實(shí)現(xiàn)定位，GPS 接收機(jī)還需要解調(diào)GPS 衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，相應(yīng)的，解調(diào)導(dǎo)航電文所需要的最低信號強(qiáng)度為初始啟動(dòng)靈敏度。根據(jù)上述定義可知，跟蹤靈

10、敏度最高，捕獲靈敏度次之，初始啟動(dòng)靈敏度最差。2 GPS 接收模塊的靈敏度性能分析從系統(tǒng)級的觀點(diǎn)來看，GPS 接收機(jī)的靈敏度主要由兩個(gè)方面決定：一是接收機(jī)前端整個(gè)信號通路的增益及噪聲性能，二是基帶部分的算法性能。其中，接收機(jī)前端決定了接收信號到達(dá)基帶部分時(shí)的信噪比，而基帶算法則決定了解調(diào)、捕獲、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比。2.1 接收機(jī)前端電路性能對靈敏度的影響GPS 信號是從距地面20000km 的LEO（Low Earth Orbit，低軌道衛(wèi)星）衛(wèi)星上發(fā)送到地面上來的，其L1 頻段（fL1=1575.42MHz）自由空間衰減為：按照GPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，L1 頻段的C/A 碼信號的發(fā)射

11、EIRP（Effective Isotropic RadiatedPower，有效通量密度）為P=478.63W（26.8dBw）(12)，若大氣層衰減為A=2.0dB，則 GPS 系統(tǒng)L1 頻段C/A 碼信號到達(dá)地面的強(qiáng)度為：GPS ICD（Interface Control Document，接口控制文檔）文件（3）中給出的GPS 系L1 頻段C/A 碼信號強(qiáng)度最小值為-160dBw，和上述結(jié)果一致。在實(shí)際場景中，由于衛(wèi)星仰角的不同、以及受樹木、建筑物等的遮擋，L1 頻段C/A 信號到達(dá)地面的強(qiáng)度可能會(huì)低于 -160dBw。一般GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：GPS 信號被天線接收下來后，

12、如果天線有源，則經(jīng)過濾波器和低噪放，再通過電纜接到接收機(jī)部分，接收機(jī)內(nèi)同樣經(jīng)過一級低噪放和一級濾波器，再進(jìn)入射頻前端模塊進(jìn)行下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。上圖中，天線后直接接濾波器進(jìn)行前置濾波，其作用在于防止寬帶干擾阻塞低噪放，但會(huì)增大前級的噪聲系數(shù)，因此在選用器件時(shí)需要考慮采用插損盡量小的濾波器。天線的有源部分主要是用來補(bǔ)償從天線到接收模塊之間的電纜損耗，如果天線和接收模塊之間的插損極小，則可以使用無源天線。GPS 接收機(jī)前端的特性可以由整個(gè)接收機(jī)的G/T 值來表征。設(shè)GPS 接收機(jī)的射頻前端可以分n 級，第i 級的增益、噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度分別為Gi、NFi、Tei，則GPS 接收機(jī)的總的等效噪

13、聲溫度為：由上式可知，整個(gè)接收機(jī)的噪聲溫度受前級影響最大，因此需要在前級采用較高增益、較低噪聲系數(shù)的低噪聲放大器。系統(tǒng)的G/T 值為：其中，Ga 為天線增益，Ta 為天線噪聲溫度。天線的噪聲溫度和天線大小、信號頻率、天線方向圖、擺放位置等都有關(guān)系，一般認(rèn)為GPS 天線噪聲溫度為Ta=100K。 根據(jù)系統(tǒng)的G/T 值即可以得到在一定輸入信號功率下的接收載噪比：其中，k=1.38e-23，為Bolzmann 常數(shù)。下表給出了采用有源天線的場景下常見的GPS 接收模塊前端載噪比計(jì)算：表 1 有源天線場景下GPS 接收單元前端載噪比計(jì)算從上表可以很明顯的看出，影響系統(tǒng)載噪比的最主要因素是天線本身的增益

14、和噪聲溫度，在天線無源部分性能確定的條件下，天線有源部分則決定了整個(gè)系統(tǒng)的載噪比變化，而后級的鏈路增益和噪聲系數(shù)對系統(tǒng)載噪比基本沒有貢獻(xiàn)。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，由于電磁干擾的存在，每一級都有可能引入新的噪聲，后級的性能也會(huì)對系統(tǒng)載噪比產(chǎn)生重要影響。因此，需要重點(diǎn)考慮電磁干擾對系統(tǒng)性能帶來的損失。有源天線的主要目的是補(bǔ)償天線至接收機(jī)的電纜損耗，對于天線和接收機(jī)比較接近的場景，天線至接收機(jī)的損耗基本可以忽略，則可以直接采用無源天線，通過提高接收機(jī)內(nèi)部第一級低噪聲放大器的增益和噪聲系數(shù)性能，同樣可以達(dá)到采用有源天線的性能。第一級的噪聲系數(shù)決定了前級引入噪聲的大小，而第一級的增益則決定了后級引入的噪聲對系統(tǒng)

15、性能的影響，第一級的增益越大，后級噪聲性能對系統(tǒng)性能的影響越小，但同時(shí)需要考慮整個(gè)信號通路至A/D 量化部分的總體增益，以確保A/D 量化對信噪比的損失最小。下圖給出了接收機(jī)前級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)整體載噪比的影響，圖中還給出了不同增益天線的性能差異。實(shí)際中選用天線時(shí)，除天線增益外，還需要考慮天線的方向圖、不圓度以及軸比、駐波系數(shù)等性能。圖 2 前級放大器噪聲系數(shù)對載噪比的影響接收機(jī)前端的A/D 轉(zhuǎn)換過程也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)載噪比的降低，A/D 量化對信噪比的影響主要和A/D 量化位數(shù)有關(guān)，一般認(rèn)為，1bit 量化會(huì)導(dǎo)致1.96dB 的載噪比損失，但該值的前提是中頻帶寬為無限寬。A/D 轉(zhuǎn)換的

16、載噪比損失還和中頻帶寬有關(guān)，對于中頻帶寬等于C/A 碼帶寬而言，1bit 量化會(huì)導(dǎo)致3.5dB 的載噪比損失，而3bit 量化帶來的載噪比損失為0.7dB （4）。此外，A/D 轉(zhuǎn)換對性能的影響還和A/D 量化最大閾值和噪聲的均方根（RMS）之間的比例有關(guān)。接收機(jī)的熱噪聲基底為：假設(shè)接收機(jī)帶寬為GPS C/A 碼的帶寬2.046MHz，則熱噪聲基底的功率為：該功率遠(yuǎn)大于GPS 輸入信號功率-130dBm，因此系統(tǒng)的增益控制以及A/D 量化閾值主要由熱噪聲確定，與輸入信號強(qiáng)度基本無關(guān)。常用的GPS 射頻芯片中，A/D 量化和自動(dòng)增益控制部分的電路都是聯(lián)合設(shè)計(jì)的，根據(jù) A/D 量化閾值的要求設(shè)置自

17、動(dòng)增益控制的控制電平。2.2 基帶算法性能對靈敏度的影響基帶算法性能直接影響信號捕獲、跟蹤以及解調(diào)過程對載噪比的最低要求。GPS 信號 是一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)，對于C/A 碼而言，其擴(kuò)頻碼為碼長1023 的Gold 碼，碼速率為1.023Mcps，即每1ms 為一個(gè)C/A 碼周期。因此，可以通過提高本地碼和接收信號之間的積分時(shí)間來提高接收信號的載噪比。積分方式分為相干累積和非相干累積。相干累積是指直接用本地碼和接收信號按位相乘后再累加，而非相干累積則是對相干累積的結(jié)果再進(jìn)行直接相加。相干累積結(jié)果可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算（5）：其中，f 為本地本振與載波之間的頻率差，T 為相干累積時(shí)間， 0 CN 為到達(dá)基帶

18、時(shí)的信號載噪比，單位為dBHz， R( ) 為C/A 碼的自相關(guān)函數(shù)， 為初始相位差， D為信號調(diào)制的導(dǎo)航電文符號， I 和Q 分別為I 路和Q 路的噪聲。由公式(6)(7)可知，相干累積結(jié)果和相干累積時(shí)長非常相關(guān)，相干累積時(shí)間越長，對輸入載噪比的要求越低，其靈敏度也就越高，但累積時(shí)長過長，由于頻偏f 的影響，上式中第一項(xiàng)值也會(huì)越小，又會(huì)降低其靈敏度。因此，一般高靈敏度的GPS 接收機(jī)都需要采用頻率穩(wěn)定度較高的TCXO 作為本振，以降低本地頻率和載波頻率之間的偏差。一般而言，高靈敏度的基帶算法對本振的穩(wěn)定度要求在8ppm 左右，該穩(wěn)定度包括校正偏差、老化以及溫度補(bǔ)償穩(wěn)定度，對于頻率校正穩(wěn)定度為2ppm、老化穩(wěn)定度為5ppm 的TCXO 而言，一般要求其溫度補(bǔ)償穩(wěn)定度在0.5ppm 以內(nèi)。非相干累積結(jié)果為( 2 2 )i i I +Q ，通過公式(6)(7)還可以看出，當(dāng)采用非相干累積時(shí)，由于I 和Q 的存在，其信噪比會(huì)比相干累積有所降低。下圖給出了不同頻率偏移情況下相干累積結(jié)果隨相干時(shí)長變化的情況。由圖