移动通信中的噪声和干扰

• △N为N高出KT0Bi的分贝数，由上图读得
❖从上图可以看出，在数字移动通信系统的 工作频段上，大气噪声、太阳噪声和银河 噪声的强度要小于接收机内部的噪声强度， 而人为噪声，尤其是城市人为噪声是主要 的噪声干扰源。
7
❖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
噪声系数为：
NF
Si So
NiBaidu NhomakorabeaNo
用dB表示为：
NF
10Lg
Si So
Ni No
(Si
Ni )dB (So
No )dB
12
– 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NF>1 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
40
发射机互调干扰与共用天线间耦合损耗、互调转换损耗、传 输损耗有关，三信号三阶互调幅度远小于两信号三阶互调， 因此，主要考虑两信号三阶互调对信号的影响。接收机互调 干扰与干扰信号的强度和数量、接收机的互调抗拒比有关。 减小互调干扰的措施主要有：提高发射机间的耦合损耗；提 高接收机的射频互调抗拒比；移动台采用自动功率控制电路； 尽量选用无三阶互调信道组
– 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）
30
互调产物和互调干扰
一个非线性器件，其输入与输出的关系可 表示为幂级数形式
❖人为噪声对移动通信系统的影响与噪声源在 某地的数量以及集中程度有关，且随时间和 地点的不同呈现为随机性。
❖统计分析表明，人为噪声的强度随地点的变 化近似呈现对数正态分布。
8
典型环境下噪声系统随频率的变化特性
9
❖在城市中，人为噪声的主要来源是汽车点 火系统产生的电磁辐射。
10
5.1.2 噪声系数
33
– 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-ωC
由非线性器件传输特性的五次项也会产 生一些类似于三次项的互调产物，但由 于其幅度较小，所以一般不考虑五次和 五次以上项的互调干扰。
34
发射机互调干扰
28
互调干扰产生的原因
– 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
29
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
概念：由发射机末级功率放大器的非线 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
类型：二信号三阶互调 三信号三阶互调
35
36
– 减小发射机互调干扰的措施
尽量增大发射机间的耦合损耗（尽量减小各发射 机之间的耦合度）
– 分用天线时加大天线间距（空间分离） – 共用天线时，采用单向隔离器件和高Q谐振腔
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
– 基站忙时，多个发射机同时工作
基站接收机互调
– 基站附近多个移动台同时工作
38
减小接收机互调的措施
– 减小接收机前端的非线性程度（可减小互调 产物的幅度）
– 提高接收机的互调抗拒比（即提高接收机前 端的选择性，抑制干扰信号的侵入）
– 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。
13
多级放大器级联时的噪声系数
–
Friis公式
NF
NF1
NF2 1 AP1
NF3 1 AP1 AP2
NF4 1 AP1 AP2 AP3
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
14
5.1.3 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 – 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
有关。BS和MS所受影响不同 是移动通信中的主要噪声来源。
5
平均噪声功率的计算
❖ 基准噪声功率No= KT0Bi
• 玻尔兹曼常数K=1.38×10-23 J/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
6
❖噪声功率 N(dB)=No+ △N
– 而频率为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。其中后三个互调产物由 于在输入信号幅度相同的条件下输出幅度最大， 因而是影响最大的互调产物。
uo=a0+a1ui+a2ui2+a3ui3+… 式中，a0,a1,a2,a3…是由晶体管特性决定的
系数 下表给出了两个信号ui=AcosωAt+BcosωBt
和三个信号ui=AcosωAt+BcosωBt+CcosωCt 作用于非线性器件时的互调产物频率：
31
32
– 在数字移动通信系统中，上表列出的谐波分量、 二次互调产物和部分三次互调产物不会落到某 一信道接收机的频带之内，因而不会产生互调 干扰。
26
5.2.4 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
27
产生互调干扰的条件 1. 系统中存在非线性器件 2. 互调产物落在了有用信号的频谱范围之 内 3. 输入信号的功率足够大，产生了幅度较 大的互调干扰成分。 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
如果同一小区内存在相近或相邻频道， 也会出现远近效应。
24
f1频道和f2频道的信号分别经过d1和d2的传输距 离到达基站的频谱示意图（ d1 >> d2 ）
25
减小远近效应的措施 – 相邻或相近的频道不在同一小区使用 – 采用功率控制技术，使所有移动台发 射的信号在到达基站时的功率大致相 同。
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
17
5.2 移动通信中的主要干扰
邻频道干扰 同频干扰 近端对远端的干扰 互调干扰
18
5.2.1 邻道干扰
（下降） 只有理想放大器的输出信噪比等于输入信噪比
11
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
❖ 外部噪声
– 自然噪声 主要有大气噪声、银河噪声、太阳噪声等 自然噪声远低于接收机固有噪声 -----可忽略
4
– 人为噪声
各种电气设备中电流或电压剧变形成的随机电磁 波辐射
可能直接辐射，也可能通过电力线传播 是冲击性噪声 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
• 3dB定向耦合器 • 单向环行器 • 空腔谐振器+星形网络
系统设计时尽量选用无三阶互调信道组 合理调整各发射机的输出功率，避免有较强的其
他发射机的信号窜入某一发射机。
37
接收机互调干扰
概念：
– 接收机前端射频通带较宽，当有多个强干扰 信号进入时，经过高放和混频等非线性处理
移动台接收机互调
41
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/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
20
减少邻道干扰的措施
– 严格限制调制信号的带宽 – 提高发射机的带外抑制度 – 提高接收机的选择性 – 网络设计考虑
21
5.2.2 同频干扰
概念：所有落在接收机通带范围内的与 有用信号频率相同的无用信号的干扰。
蜂窝系统中的同频干扰来源于频率复用。 为了减少同频干扰，必须使服务区内的
同频小区在物理空间上隔开一定的距离。
概念：来自于邻近或相邻频道间的干扰 在多波段的移动通信系统中，有众多的
基站和移动台同时工作，某些移动台或 基站可能同时工作于相邻或相近的频道。 如果发射机的带外特性不好，其频带外 的寄生辐射就可能落入正在使用的相邻 或相近频道内，对这一频道信号的正常 接收造成影响，如下图所示：
19
如果接收机的选择特性不够理想，对相邻频道 的信号抑制不够，则邻近频道的信号就会和有 用信号一起进入接收机产生干扰，如下图所示：
移动通信原理
主讲：杜青松
湖南大学计算机与通信学院
1
第五章 移动通信中的噪声和干扰
2
5.1 移动通信中的噪声
❖噪声的类型 ❖噪声系数 ❖降低噪声的方法
3
5.1.1 噪声的类型
❖ 内部噪声
– 通信设备（主要是接收机）本身固有的 – 主要来源：电阻的热噪声、电子器件的散弹噪声等
热噪声：粒子热运动产生（通常称为基础热噪声） 散弹噪声：单位时间内通过PN结的载流子数不同 电源交流声等
39
本章小结
移动通信系统中存在噪声和干扰的影响，主要噪 声来源为人为噪声，尤其是汽车点火噪声，主要 干扰为互调干扰、邻道干扰和同频干扰。
通信系统接收机的输入级采用低噪声放大器可大 大降低噪声的影响，因此，移动通信系统在基站 以增加塔放实现对上行信号的质量改善。
互调干扰是由器件的非线性引起的，影响最大的 是三阶互调。多频道系统中，产生三阶互调必须 满足关系式fx=2fi-fj或fx=fi+fj-fk，而且干扰信号必 须有一定的幅度才能影响接收机的正常接收 。
邻道干扰主要包括发射机调制边带扩展干扰和发射机边带噪 声辐射。为减少发射机调制边带扩展干扰，可在发射机语音 加工电路中增加瞬时频偏控制电路和邻道干扰滤波器；为减 小发射机边带噪声辐射，应从减小发射机本身的边带噪声和 系统设计两方面加以考虑
采用小区制结构的移动通信系统必须兼顾同频干扰和同频复 用距离。同频双工方式的同频干扰小于单工方式。在蜂窝小 区结构中，采用3付120°或6付60°扇形定向天线系统代替全 向天线可大大改善同频干扰的影响
22
减小同频干扰的措施
– 增加小区数N
频率利用率下降 在射频防护比不能满足要求时使用
– 采用定向天线代替全向天线 例：N=7时，使用120°天线或60 °天线
23
5.2.3 远近效应
概念：由于信号传输距离不同而产生的 干扰。
远近效应是CDMA系统内的主要干扰， 是影响CDMA系统性能、系统容量的关 键因素。