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WCDMA基站灵敏度分析

2006/1/21/09:18 来源:通信世界 作者:邱波

  【导读】本文在对接收机噪声充分理解的基础上,指出了接收机噪声的常规计算方法,并结合WCDMA系统的特点,给出了WCDMA基站灵敏度的计算方法。

  在现代移动通信系统中,无论是哪种制式,接收机(receiver)都是必不可少的,扮演着非常重要的角色。就目前扩频通信系统中,接收机的性能起着至关重要的作用,而其灵敏度(sensitivity)参数无疑是其中最重要的一项,它不但能够影响网络的质量,还能影响网络的覆盖和容量。因此,分析接收机的灵敏度有着非常重要的意义。

  一、接收机噪声分析

  所谓灵敏度,直接从字面上的意义,就是接收微弱信号的能力。要接收微弱的信号,一般的想法是设法将信号能量放大,也就是提高增益(Gain),以接收更微弱的信号,但是增益高的接收机,其灵敏度不一定高,这就是一般容易误解的地方。

  我们首先来分析一下噪声(Noise)的问题。

  1、接收机的信噪比

  收音机就是典型的接收机,打开收音机,当没有信号进来时,通常都可以听到细小的“沙沙”声,这就是噪声的声音。当有信号进来时,强度够的话,这种“沙沙”声就几乎听不到。可是如果信号微弱的话,我们会把收音机的音量开大,想更清楚地听到信号,这一来,“沙沙”声也就相对变大。如果信号更微弱的话,纵然将接收机的音量开到最大,也只是徒然提高“沙沙”声而已,还是听不清楚。

  可见要清楚地接收到微弱信号,问题并不是在将音量(增益)开得多大,如果纯粹想提高增益的话,就会变得非常简单,一直加放大器就是,由此可见,单纯提高增益是没有意义。其关键是信号和噪声相对的强度,是否信号有足够的强度,不被噪声所遮盖。

  这种信号强度和噪声强度的对比就叫“信号噪声比”(SignaltoNoiseRatio)或者简称S/N比;当然,S/N比在习惯上也经常以dB为单位来表示。

  从接收机声频输出端(如扬声器)所听到的噪声。可以区分为两类。第一类是伴随着信号从天线端接收进来的外部噪声。对于此类噪声称之为背景噪声,一般是很难去掉的。第二类是与外部环境完全无关的内部噪声,即使将输入端的信号降低到零,仍可听到的噪声,这完全是接收机本身所产生的内部噪声。

  第二类噪声就直接影响接收机的性能,即和接收机的灵敏度密切相关。

  2、接收机的噪声指数

  描述一个系统(如接收机)内部噪声大小,可以用噪声系数(NoiseFactor)F来表示,或者取其对数值,变成噪声指数(NoiseFigure)NF。

  NF=10logF=10log(Sin/Nin)-10log(Sout/Nout)

  由于接收机内部噪声的加入,会使得输出端的信号噪声比降低,所以噪声系数F值一定大于1,而噪声指数NF值则大于0dB。

  对于一个可以分成几级串接起来的系统,其整体的噪声系数F,可以由各级的增益和噪声系数计算出来。由于第一级的噪声会经过每一级的放大,所以影响整体的噪声系数F最显著。第二级则不必经过第一级的放大,影响次之,越到后级,其影响程度越不显着。通常的计算,只须考虑到第二级就足够的了,以后的各级的影响非常小,几乎可以忽略不计。

  以一般常见的接收机来说,天线输入端之后就是射频(RF)放大级,再进入混波(Mixer)级、中频(IF)放大级,如图1所示。

图1一般接收机的结构

图1一般接收机的结构

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  图1中的混波级为平衡式混波器,所以不但没有增益,反而有损失,但没有噪声。整个接收机噪声系数:

  F=F1+(F2-1)/(G×L)

  因为有射频放大级的增益,使整个噪声指数才增加的并不多。当然,提高射频放大级的增益,是可以降低整体接收机的噪声系数,但是提高到某个程度以后,效果就不明显了。相反地,太高的射频放大级增益,也会造成混波级的问题。所以,射频放大级的增益目的,是为了建立起整体的噪声系数,增益不必要求太高,大约在几十个dB左右即可。射频放大级主宰了整体的噪声系数,如何选用低噪声的元件、如何去设计偏压电路、尽量降低射频放大级的噪声,与接收机的性能密切相关。

  二、接收机灵敏度方程

  在一般的通信系统(如CDMA系统)中,能够解调的Eb/N0是确定的,因此计算接收机的灵敏度实际就是推导出灵敏度和信噪比、系统噪声的关系。

  下面首先对推导中使用到的参数意义做一个说明:

  Sin=可获得的输入信号功率(W),可以认为是调制信号的平均功率Sin=Eb×Rb

  其中,Eb为比特持续时间内的能量,Rb数据速率

  Nin=可获得的输入热噪声功率(W)=KTBRF其中:

  K=波尔兹曼常数= 1.381×10-23 W/Hz/K

  T=290K,室温

  BRF=射频载波带宽(Hz)= 扩频系统的码片速率

  Sout=可获得的输出信号功率(W)

  Nout=可获得的输出噪声功率(W)

  G=设备增益(数值)

  F=设备噪声系数(数值)

  计算步骤如下:

  (1)用Eb/No表示输出端信噪比Sout/Nout

  由噪声系数F=(Sin/Nin)/(Sout/Nout),可以得到:

  Sout/Nout=(Sin×G/Nin×G)/F

  =Sin/(Nin×F)

  =(Eb×Rb)/(KTBRF×F)

  =(Eb/KTF)×(Rb/BRF)

  =(Eb/No)/Gp

  其中No=KTF,表示一比特持续时间内的噪声功率,Gp=BRF/Rb为系统的处理增益。

  (2)计算出Sin

  再由噪声系数方程,得到:

  Sin=F×Nin×(Sout/Nout)

  =F×KTBRF×(Eb/No)/Gp

  (3)最后得出灵敏度S

  在一个给定的接收机系统中,能够解调的最低Eb/No是一定的,噪声系数也是一定的,处理增益也可以通过系统计算出来,接收机的灵敏度就是在系统能够解调的前提下,接收机能够接收到的最小的功率。对(2)中的Sin取对数,得到:

  S(dBm)=NF(dB)+KTBRF(dBm)+Eb/No(dB)-Gp(dB)

  上式即为接收机灵敏度方程。

  三、WCDMA通信系统接收机(基站)灵敏度计算

  WCDMA作为第三代移动通信最重要的标准之一,其基站设备的性能直接关系到网络的覆盖和质量,射频带宽等于码片速率,即3.84MHz,对于速率为12.2kbit/s、QPSK调制信号,在Eb/No值为5dB时可以获得规定的误码率BER(0.1%)。

  可以计算得到:

  KTBRF(dBm)=10log(1.381×10-23W/Hz/K×290K×3.84MHz×1000mW/W)

  =-108dBm。

  Gp(dB)=BRF/Rb=25dB

  于是,基站灵敏度:

  S(dBm)=NF-108+5-25

  =NF-128dB

  因此对给定的S=-121dB情况下,系统的噪声指数NF必须小于7dB。

  另外,不妨再计算一下输出的信噪比Sout/Nout=(Eb/No)/(BRF/Rb)=-20dB,进一步说明扩展了带宽的扩频系统实际是在负的信噪比下工作。

  四、华为Node-B灵敏度分析

  HUAWEI的WCDMA系统基站BTS3812,对Eb/No值的要求是5dB,在接收机最大NF为7dB的条件下,接收机灵敏度可以达到-121dBm。

  S(dBm)=NF-108+Eb/No-Gp

  =-121dBm

  五、结论

  使用从噪声系数的定义推导出来的接收机灵敏度方程,设计者可以在扩频链路预算中权衡和确定接收机参数,它对任意输入信号电平都可行,从而使这个方程在确定系统灵敏度方面非常实用。

  Sin(dBm)=NF(dB)+KTBRF (dBm) + Eb/No (dB) - PG (dB)

  接收机的灵敏度这一参数在未来的WCDMA网络建设中显得非常的重要,直接影响到网络的质量和投资,华为WCDMA系列基站在充分考虑未来网络建设特点的基础上,采用先进的技术理念,应用自己独立研发设计的芯片,不但提高了接收机的检测能力,同时降低了系统噪声,为网络建设提供高性能的系列基站设备,提高网络质量的同时,降低网络建设的投资。

  

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