1、1,移动通信技术 (第2版),第9章 移动通信中的噪声和干扰,2,第9章移动通信中的噪声和干扰,内容 移动通信中的主要噪声 移动通信中的主要干扰,3,第9章移动通信中的噪声和干扰,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 难点 塔顶放大器 互调干扰、邻道干扰的产生和改善措施 无三阶互调信道组的选择 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 了解同频复用距离的计算方法,4,9.1 移动通信中的噪声,噪声的类型 噪声系数 降低噪声的方法,5,9.1.1噪
2、声的类型,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 热噪声：粒子热运动产生 散弹噪声：单位时间内通过PN结的载流子数不同 外部噪声 自然噪声 指天电噪声、宇宙噪声、太阳噪声等 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,6,人为噪声 各种电气设备中电流或电压剧变形成的电磁波辐射 可能直接辐射，也可能通过电力线传播 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有关 BS和MS所受影响不同,7,平均噪声功率的计算,基准噪声功率No= KT0Bi 玻尔兹曼常数K=1.3810-2
3、3 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,8,噪声功率 N(dB)=No+ N N为N高出KT0Bi的分贝数，由图9-1读得 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,9,9.1.2噪声系数,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
4、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,10,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 噪声系数为：用dB表示为：,11,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,12,多级放大器级联时的噪声系数 Friis公式第一级功率增高时，
5、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,13,整机前端电路噪声系数分配,14,9.1.3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 场效应管具有比晶体管小得多的最佳噪声系数 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 如果体积允许，尽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
6、加装塔顶放大器,15,塔顶放大器,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,塔顶放大器原理 塔顶放大器对改善上行链路性能的作用可分为改善噪声系数和提高基站系统的接收灵敏度两个方面 塔顶放大器降低了基站接收系统的噪声系数、有效改善上行信号，提高基站系统的接收灵敏度,17,例：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）
7、 (1)整机噪声系数：根据Friis公式整机噪声系数以NF1为主，一般计算取前两项。加塔放后整机噪声系数为 NF=1.41+(3.15-1)/16=1.54(1.88dB)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8-1.88=6.12dB,18,(2)接收机热噪声功率计算设PN=NFKT0Bi；K=1.3810-23W/HzK；T0=290K；Bi=200KHz=53dBHzPN=NF-204dBW+53dB=NF-121dBm (3)改善度 设接收机灵敏度为-104dBm；输出信噪比为So/No=9dB。 加塔放前噪声系数为NF=8dB噪声功率为PN=8d
8、B-121dBm=-113dBm最小接收电平为Pmin=-113dBm+9dB=-104dBm 加塔放后噪声功率为PN=1.88dB-121dBm=-119.12dBm信噪比So/No= -104-(-119.12)=15.12dBm 改善信噪比为15.12-9=6.12dB,19,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 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,20,塔顶放大
9、器的种类及应用 塔放按使用环境的不同分 上行塔顶放大器 基站放大器 塔顶双向放大器 对于不同的应用方式在实际中可以按基站的具体条件和覆盖要求来选定 当然，在工程实际中，对塔放的避雷、馈电、防水及故障的自动告警和自动旁路等功能都应精心设计,21,塔顶放大器的典型应用,22,上行双工塔放的应用,上行双工塔放配合基站功放的应用,23,上行单收型塔放的应用,24,9.2 移动通信中的主要干扰,主要干扰 互调干扰 邻道干扰 同频干扰,25,9.2.1 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
10、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,26,互调产生的原因 多个信号相互调制，产生组合频率 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 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,27,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
11、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）,28,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,29,2. 三阶互调,三阶互调的概念 三阶互调的类型 三阶互调产物的幅度 五阶互调 三阶互调产生的数量 多信道共用系统中的三阶互调,30,三阶互调的概念 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
12、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：u=AcosAt+BcosBt+CcosCt 则：输出回路电流i=直流项+基频项+2次项+3次项+,31,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)
13、a3BC2cos(2C+B)t+cos(2C-B)t +(3/2)a3ABCcos(A+B-C)t+cos(A+C-B)t +cos(B+C-A)t+cos(A+B+C)t+,32,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 二信号三阶互调：2A-B（三阶型） 表示为：2A-B 三信号三阶互调：A+B-C（三阶型） 表示为：A+B-C,33,三阶互调产物的幅度 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
14、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，可忽略,34,三阶互调产物的数量 设有N个等间隔配置的工作频率，则落入第P个信道的三阶互调产物数量S可根据公式计算 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，即所有信道都使用时。 在多信道系统中，信道使用是随机的 因此，落入信道的互调干扰也是随机的,35,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,36,n个等间隔信道间的
15、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,37,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,38,判定有无三阶互调的步骤 依次排列信道序号 按规律依次计算相邻信道序号差值djk 计算每隔
16、一个信道的序号差值 计算每隔二个信道的序号差值； 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。,39,无三阶互调信道组的选择 差值列阵法 分区分组信道分配法 等频距信道分配法,40,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：,41,分区分组信道分配法 只要选取的信道
17、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。,42,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、
18、12、22、32、42、52、62、72、82、92。,43,3.发射机互调干扰,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 类型：二信号三阶互调 三信号三阶互调,44,二信号三阶互调 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-(Li+Lc+Lp),45,互调产物受到的全部损耗为L=Lc+Li+Lp 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) 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
19、功率之比 典型值：Li =15dB 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,46,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,47,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
20、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,48,例：6个相邻信道，每个信道发射功率为50W，邻道隔离度为30dB，且频距增加一信道，隔离度增大6dB，即2与4或1与3间隔离度为36dB，第三相邻信道间为42dB，试计算落入第4信道的二信号三阶互调产物 解：落入第4信道的二信号三阶互调产物：2f5-f6；2f3-f2用序号表示为：25-6=4；23-2=4 发射机发射功率为50W=17dBW 互调转换损耗取典型值Li=15dB=31.6倍耦合损耗为Lc=30dB=1000倍则互调产物功率为50/1000/31.6=1.58mW(或17dBW-30dB-15dB=
21、-28dBW=1.58mW)落入第4信道的二信号三阶互调电平共21.58=3.16mW,49,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。,50,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
22、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,51,减小发射机互调干扰的措施 系统多发射机共用天线-天线共用器 天线共用器 3dB定向耦合器 单向环行器 空腔谐振器+星形网络,52,3dB定向耦合器 四端口器件 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 不适合作多发射机的天线共用器 单向环行器 一般与3dB定向
23、耦合器组合，以增大发射机间耦合损耗 传输损耗： 0.8dB：正向传输损耗20dB：反向传输损耗,53,例： 3dB定向耦合器与单向环行器构成的天线共用器 TX1对TX2的干扰耦合损耗为： LC21=0.8+25+20=45.8dB TX1对TX3的干扰耦合损耗为： LC31=0.8+3+25+3+20=51.8dB,54,三阶互调抵制比的计算 例：发射机功率为20W(43dBm)，天线共用器为3dB耦合器，发射机1经单向环行器、 3dB耦合器到达发射机2，求两发射机间的三阶互调抑制比。 解：耦合损耗Lc=25+20+0.8=45.8dB互调转换损耗取典型值：Li=15dB发射机2输出端口互调产
24、物功率：P3=P0-Lc-Li=43dBm-45.8dB-15dB=-17.8dBm到天线端口的互调功率为： P3a=P3-0.8dB-3dB=-21.6dBm到天线端口的有用信号功率为：P1a=P0-0.8dB-3dB=39.2dBm三阶互调抑制比为：P1a-P3a=39.2dBm-(-21.6dBm)=60.8dB,55,空腔谐振器 与星形网络一起使用 串联单向环形器可进一 步提高Lc 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 适用于发射机较多时 的天线共用 谐振腔衰减特性,56,例：空腔谐振器构成的天线共用器发射机1对2的三阶互调干扰：耦合损耗Lc=0.8+0.8+
25、0.2+20+20+20=61.8dB互调转换损耗取典型值：Li=15dB互调产物到天线端口的功率：P3a=P0-Lc-Li-0.8dB-0.8dB-20dB =46dBm-61.8dB-15dB-21.6dB=-52.4dBm 到天线端口的有用信号功率为：P1a=P0-0.8dB-0.8dB-0.2dB=44.2dBm三阶互调抑制比为：P1a-P3a=44.2dBm-(-52.4dBm)=96.6dB,57,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 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 减少MS发射机互调，可采用APC 降
26、低干扰电平 系统设计时尽量选用无三阶互调信道组,58,4. 接收机互调干扰,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 移动台接收机互调 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 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。,59,5. 放大器三阶互调的计算,三阶互调响应 基频响应的输入输出曲线斜率为1，三阶互调响应的输入输出曲线斜率为3 三阶响应输入增加1dB，输出增加3dB 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
27、的交点 瑕想点 IP3愈高，对互调的抑制愈好 IP3点上，三阶互调抑制为0dB 互调产物与信号电平相等,60,线性放大器的输入输出特性 1dB压缩点： 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,61,交调电平的确定：功率回退法 例：设输入-10dBm，对应IP3，输入为16dBm，BC=26dBm 则：AB=3BC=78dBmAE=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30d
28、B 互调抑制比改善20dB，为52+20=72dB 功率回退可抑制三阶互调,62,9.2.2 邻道干扰,概念 邻近或相邻频道间的干扰 由于发射机的调制边带扩展和边带噪声辐射，离基站近的K1信道的MS强信号干扰离基站远的K信道的MS弱信号 共信道干扰，即干扰分量落在被干扰接收机带内 基站发射机对MS接收机的邻道干扰不严重,63,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n4后，幅度越来越小，可忽略,64,减少发射机调制边带扩展干扰的措施 严格
29、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移动台采用APC 器件选用，电路设计,65,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,66,同频复用距离的计算 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 调制方式 电波传播特性 要求的可靠通信概率 无线区半径r 选用的工作方式,67,同频单工 同频复用比：D/r=D/Ds=DI/r同
30、频双工 同频复用比D/r=(r+DI)/r=1+DI/r,68,工程计算D值 h1h2分别为收发天线高度 当收发天线均为高天线时，查曲线(1) 当收发天线一为高天线，一为低天线时，查曲线(2) 由r0确定信号功率， 由SIR确定干扰 功率，再查DI值,69,减小同频干扰的措施 增加小区数N 频率利用率下降 在射频防卫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,70,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
31、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 。,71,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 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,
