无线接收灵敏度原理分析与算法

接收灵敏度原理

算法

接收灵敏度是检验基站接收机接收微弱信号的能力，它是制约基站上行作用距离的决定性技术指标，也是RCR STD-28协议中，空中接口标准要求测试的技术指标之一。合理地确定接收灵敏度直接地决定了大基站射频收发信机的性能及其可实现性。它是对CSL系统的接收系统总体性能的定量衡量。接收灵敏度是指在确保误比特率（BER）不超过某一特定值的情况下，在用户终端天线端口测得的最小接收功率，这里BER通常取为0.01。接收机的接收灵敏度可以用下列推导得出：

根据噪声系数的定义，输入信噪比应为：

(S/N)i=NF(S/N)o

其中NF为噪声系数，输入噪声功率Ni=kTB。当(S/N)o为满足误码率小于10-2时，即噪声门限，则输入信号的功率Si即为接收灵敏度：

Si=kTBNFSYS(S/N)o （1）

其中：

k：波尔兹曼常数（1.38×10-23 J/K）；

T：绝对温度（K）；

B：噪声带宽（Hz）；

NFSYS：收信机噪声系数；

(S/N)o：噪声门限。

k、T为常数，故接收机灵敏度以对数形式表示，则有：

Si=-174dBm+10lg B+ NFSYS+(S/N)o （2）

举例来说，对于一个噪声系数为3dB的PHS系统，其带宽计为300KHz，如果系统灵敏度为-107dBm，则该系统的噪声门限为：

(S/N)o=174-107-10lg(3×105)-3=9.2

从以上公式可以看出为提高接收机灵敏度也即使Si小，可以从两个方面着手，一是降低系统噪声系数，另一个是使噪声门限尽可能的小。

π/4DQPSK有三种解调方式：基带差分检测、中频差分检测、鉴频器检测。可以证明[1]三种非相干解调方式是等价的，我们以基带差分检测为例进行分析。在具有理想传输特性的稳态高斯信道，基带差分检测的误比特率曲线表示于图1实线[2]所示，由图可以查出在误比特率BER为0.01时，噪声门限(S/N)o为6dB，对于上述例子来说，其噪声门限还有可以再开发的潜力。

图1 π/4DQPSK的误比特率性能及频差Δf引

起的相位漂移Δθ=2πΔfT对误比特率的影响

对于基带差分检测来说，收发两端的频差Δf引起的相位的漂移Δθ=2πΔfT。当Δθ>π/4，将会引起系统的错误判决。因此系统设计必须保证Δθ<π/4。当Δθ取不同值时，误比特率的曲线如图1所示。从图中可以看出，当Δf=0.0025/T时，即频率偏差为码元速率的2.5%时，在一个码元内将引起90的相差。在误比特率为10-4时，该相差将引起1dB的性能恶化。

所以说，为了获得较高的接收机灵敏度一方面可以从降低低噪放的噪声系数上考虑，另一方面提高本地振荡器频率精度对改善系统的灵敏度也是很重要的。

接收机灵敏度有两种表示方法，我们常用的是用dBm表示，而在协议中接收机灵敏度的表示单位通常是用dBμv来表示的。这两者有什么关系呢？dBm是功率的单位，而dBμv是电势的单位。信号电势Es与信号功率Si的关系为：

(3)

我们所用的系统的阻抗一般为Rs=50Ω，当信号功率Si用dBm表示，信号电势Es用dBμv表示，则有

20lgEs=113+10lgSi

(4)

举例来说，灵敏度-106dBm，也就是7dBμv。

式（2）、（4）是我们经常能用到的应该记住，熟练换算。

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功率灵敏度（dBm dBmV dBuV）

dBm=10log(Pout/1mW)，其中Pout是以mW为单位的功率值

dBmV=20log(V out /1mV)，其中V out是以mV为单位的电压值

dBuV=20log(V out /1uV)，其中V out是以uV为单位的电压值

换算关系：

Pout＝V out×V out/R

dBmV=10log(R/0.001)+dBm，R为负载阻抗

dBuV=60+dBmV

应用举例

无线通信距离的计算

这里给出自由空间传播时的无线通信距离的计算方法：所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。

通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关。

[Lfs](dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)

式中Lfs为传输损耗，d为传输距离，频率的单位以MHz计算。

由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，［Lfs］将分别增加6dB.

下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗

Los = 32.44 + 20lg d(Km) + 20lg f(MHz)

Los 是传播损耗，单位为dB

d是距离，单位是Km

f是工作频率，单位是MHz

下面举例说明一个工作频率为433.92MHz，发射功率为＋10dBm(10mW)，接收灵敏度为-105dBm的系统在自由空间的传播距离：

1. 由发射功率+10dBm，接收灵敏度为-105dBm

Los = 115dB

2. 由Los、f

计算得出d =30公里

这是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。

假定大气、遮挡等造成的损耗为25dB，可以计算得出通信距离为：

d =1.7公里

结论: 无线传输损耗每增加6dB, 传送距离减小一倍

GPS 接收机的灵敏度分析

(2012-3-22 14:35)

1 GPS 接收机的灵敏度定义

随着GPS 应用范围的不断扩展，业界对GPS 接收机的灵敏度要求也越来越高，高灵敏度的接收性能可以令接收机在室内或其它卫星信号较弱的场景下仍然能够实现定位和跟踪，大大拓展了GPS 的使用范围。作为GPS 接收机最为重要的性能指标之一，高灵敏度一直是各个GPS 接收模块孜孜以求的目标。对于GPS 接收系统而言，灵敏度指标包括多个场景下的指标，分别为：跟踪灵敏度、捕获灵敏度、初始启动灵敏度。

目前业界已经可以实现跟踪灵敏度在-160dBm 以下的接收机，同时，初始启动的灵敏度和捕获灵敏度也分别可以达到-142dBm 和-148dBm 以下。GPS 接收机首先需要完成对卫星信号的捕获，完成捕获所需要的最低信号强度为捕获灵敏度；在捕获之后能够维持对卫星信号跟踪所需要的最低信号强度为跟踪灵敏度。为了实现定位，GPS 接收机还需要解调GPS 卫星发送的导航电文，相应的，解调导航电文所需要的最低信号强度为初始启动灵敏度。根据上述定义可知，跟踪灵敏度最高，捕获灵敏度次之，初始启动灵敏度最差。

2 GPS 接收模块的灵敏度性能分析

从系统级的观点来看，GPS 接收机的灵敏度主要由两个方面决定：一是接收机前端整个信号通路的增益及噪声性能，二是基带部分的算法性能。其中，接收机前端决定了接收信号到达基带部分时的信噪比，而基带算法则决定了解调、捕获、跟踪过程所