移动通信(电子信息类本科)第4章

第4章噪声与干扰第4章噪声与干扰4.1噪声4.2邻道干扰与同频道干扰*4.3互调干扰第4章噪声与干扰4.1噪声4.1.1噪声的分类与特性移动信道中加性噪声(简称噪声)的来源是多方面的，一般可分为：①内部噪声；②自然噪声；③人为噪声。内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。不能预测的噪声统称为随机噪声。自然噪声及人为噪声为外部噪声，它们也属于随机噪声。依据噪声特征又可分为脉冲噪声和起伏噪声。脉冲噪声是在时间上无规则的突发噪声，例如，汽车发动机所产生的点火噪声，这种噪声的主要特点是其突发的脉冲幅度较大，而持续时间较短；从频谱上看，脉冲噪声通常有较宽频带；热噪声、散弹噪声及宇宙噪声是典型的起伏噪声。　第4章噪声与干扰在移动信道中，外部噪声(亦称环境噪声)的影响较大，美国ITT(国际电话电报公司)公布的数据示于图4-1。图中将噪声分为六种：①大气噪声；②太阳噪声；③银河噪声；④郊区人为噪声；⑤市区人为噪声；⑥典型接收机的内部噪声。其中，前五种均为外部噪声。有时将太阳噪声和银河噪声统称为宇宙噪声。大气噪声和宇宙噪声属自然噪声。图中，纵坐标用等效噪声系数Fa或噪声温度Ta表示。Fa是以超过基准噪声功率N0(=KT0BN)的分贝数来表示，即)(lg10lg1000dBTTBkTBkTFaNNaa(4-1)第4章噪声与干扰式中，k为波兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T0为参考绝对温度(290K)，BN为接收机有效噪声带宽(它近似等于接收机的中频带宽)。由式(4-1)可知，等效噪声系数Fa与噪声温度Ta相对应，例如Ta=T0=290K,Fa=0dB;若Fa=10dB，则Ta=10T0=2900K，等等。在30~1000MHz频率范围内，大气噪声和太阳噪声(非活动期)很小，可忽略不计；在100MHz以上时，银河噪声低于典型接收机的内部噪声(主要是热噪声)，也可忽略不计。因而，除海上、航空及农村移动通信外，在城市移动通信中不必考虑宇宙噪声。第4章噪声与干扰246810024681000246810000-100102030405060大气噪声夏天冬天效区人为噪声市区人为噪声典型接收机热噪声银河噪声太阳噪声(安静期)Fa=10lgTaT0dB3×10T0=2903×1033×1043×1053×1063×1073×108Ta/Kf/MHz图4–1各种噪声功率与频率的关系第4章噪声与干扰例4-1已知市区移动台的工作频率为450MHz，接收机的噪声带宽为16kHz，试求人为噪声功率为多少dBW。　解基准噪声功率dBWBkTdBWNN162)10162901038.1lg(10)lg(10)(32300由图4-1查得市区人为噪声功率比N0高25dB，所以实际人为噪声功率N为BWN13725162第4章噪声与干扰4.1.2人为噪声所谓人为噪声，是指各种电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，诸如电动机、电焊机、高频电气装置、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。在移动信道中，人为噪声主要是车辆的点火噪声。图4-2为典型点火电流的波形。图中，一个超过200A的点火尖脉冲，其宽度约为1~5ns,相应频谱的高端频率达200MHz至1GHz,低于100A的火花脉冲宽度约为20ns,相应频谱的高端频率为50MHz。假定一台汽车发动机有8个气缸，每个气缸的转速是3000r/min，由于在任一时刻只有半数气缸在燃烧，所以可计算出一台汽车每秒钟产生的火花脉冲数为第4章噪声与干扰图4–2典型点火电流波形第4章噪声与干扰2006000034(火花脉冲/秒)假如有许多车辆在道路上行驶，那么火花脉冲的数量将被车辆的数目所乘。汽车噪声的强度可用噪声系数Fa表示，它与频率的关系如图4-3所示。图中，基准噪声功率为-134dBm，即常温条件下(290K)，噪声带宽为10kHz时的噪声功率。图中给出了两种交通密度情况，由图可见，汽车火花所引起的噪声系数不仅与频率有关，而且与交通密度有关。交通流量越大，噪声电平越高。由于人为噪声源的数量和集中程度随地点和时间而异，因此人为噪声就地点和时间而言，都是随机变化的。统计测试表明，噪声强度随地点的分布近似服从对数正态分布。第4章噪声与干扰图4–3汽车噪声与频率的关系第4章噪声与干扰图4–4几种典型环境的人为噪声系数平均值106105107108109f/Hz020406080100Fa(相对于kT0BN)城市商业区城市居民区郊区银河噪声农村第4章噪声与干扰由图可见，城市商业区的噪声系数比城市居民区高6dB左右，比郊区则高12dB。人为噪声(100MHz以上)在农村地区可忽略不计。图4-5给出了城市商业区、居民区和郊区的噪声系数Fa的标准偏差σFa随频率变化的关系。由图可见，城市商业区的σFa最大，随着频率增高，起伏也增大；在居民区及郊区，频率增高，σFa值减小。第4章噪声与干扰图4–5噪声系数Fa的标准偏差第4章噪声与干扰4.1.3环境噪声和多径传播对话音质量的综合影响图4–6对不同信噪比，话音质量的主观评定结果20304050(劣)1(差)2(中)3(良)4(优)5主观评论(几乎无噪声)(轻微噪声)(中等噪声)(噪声烦人)(话音不可懂)静态衰落S/N/dB第4章噪声与干扰图4–7移动台接收机性能的恶化量第4章噪声与干扰当考虑移动台接收机性能的恶化量时，要求接收机输入信号的最低保护电平Amin为　　　　式中，SV是信纳比为12dB时的接收机灵敏度(以dBμV计);d为环境噪声和多径效应的恶化量(以dB计)。)(minVdBdSAV第4章噪声与干扰4.1.4发射机产生的噪声及寄生辐射1.发射机边带噪声　通常，发射机即使未加入调制信号，也存在以载频为中心、分布频率范围相当宽的噪声，这种噪声就称为发射机边带噪声，简称发射机噪声。典型移动电台发射机的噪声频谱如图4-8所示。由图可见，发射机的噪声频带约为2~3MHz，它比频道间隔(如25kHz)大得多，它不仅在相邻频道内形成干扰，而且会在几兆赫的频带内产生影响。第4章噪声与干扰图4–8发射机的噪声频谱第4章噪声与干扰2.发射机的寄生辐射图4–9倍频器产生的寄生信号晶体振荡器二倍频器三倍频器二倍频器fr2fr6frfr=12fr寄生信号3frfrnfrfr2fr3nfrmnfrfr2fr2mnfrlmnfr……………第4章噪声与干扰为减小寄生辐射，在发射机中需注意以下问题：　(1)倍频次数要尽可能小；　(2)各级倍频器应具有良好的滤波性能；　(3)各级倍频器之间应屏蔽隔离，防止电磁耦合或泄漏；　(4)发射机的输出回路应具有良好的滤波性能，以抑制寄生分量。第4章噪声与干扰4.2邻道干扰与同频道干扰4.2.1邻道干扰所谓邻道干扰是相邻的或邻近频道的信号相互干扰。目前，移动通信系统广泛使用的VHF、UHF电台，频道间隔是25kHz。然而，调频信号的频谱是很宽的，理论上说，调频信号含有无穷多个边频分量，当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，就会造成邻道干扰。第4章噪声与干扰因话音信号调频波的频谱分析和定量计算十分繁杂，通常采用单音频调频波进行分析。假设单音频调频波为)sincos()(0tttS式中：β——调频指数；　Ω——调制信号角频率；　ω0——载波角频率。　（4-2）第4章噪声与干扰将式(4-2)展开并经运算可得tnJtnJtJtJtJtJtJtJtJtnJtSnnnnn)cos()()1()cos()()3cos()()3cos()()2cos()()2cos()()cos()()cos()(cos)(])cos[()()(00030302020101000(第一对边频)(第二对边频)(第三对边频)(第n对边频)第4章噪声与干扰图4–10邻道干扰示意第4章噪声与干扰其中,nL为落入邻近频道的最低边频次数，Fm为调制信号的最高频率(如3kHz),Br表示频道间隔，BI为接收机的中频带宽。令收、发信机频率不稳定和不准确造成的频率偏差为ΔfTR，那么在最坏情况下，落入邻道接收机通带的最低边频次数为　mTRIrLFfBBn5.0若已知调频电台的频偏为Δf,则调频指数β=Δf/Fm就可确定，由式(4-4)求出nL后，就能求出边频分量的幅度JnL(β)，以及JnL+1(β)、JnL+2(β)等等，从而求出落入邻道的调制边带功率与载波功率之比值。若已知发射机功率，则能求得落入邻道的边带功率。第4章噪声与干扰例4-2已知某移动台的辐射功率为10W，频道间隔Br为25kHz，接收机中频带宽BI为16kHz，频偏为5kHz，收发信机频差ΔfTR=2kHz，最高调制频率Fm为3kHz。假设该移动台到另一移动台(邻道)接收机的传输损耗为100dB　，试求落入邻道接收机的调制边带功率。　解：532825Ln7.135mFf35107399.3)7.1(J第4章噪声与干扰同理也可求得落入邻道的第6，7，…等边频的相对幅度，但因它们远小于第5边频分量，故可忽略不计。因此，可以求出第5边频相对于载波功率为dB50107399.3lg203已知移动台辐射功率为10W，即10dBW，传输损耗100dB，所以落入邻道的边带功率为dBmdBWPn1101401005010第4章噪声与干扰4.2.2同频道干扰与射频防护比　能构成同频道干扰的频率范围为f0±BI/2,f0为载波频率，BI为接收机的中频带宽。表4–1射频防护比第4章噪声与干扰4.2.3同频道再用距离为了提高频率利用率，在满足一定通信质量的条件下，允许使用相同频道的无线区之间的最小距离为同频道再用的最小安全距离，简称同频道再用距离或共道再用距离。所谓“安全”系指接收机输入端的有用信号与同频道干扰的比值已大于射频防护比。假定各基站与各移动台的设备参数相同，地形条件也是理想的。这样，同频道再用距离只与以下诸因素有关：(1)调制制度。第4章噪声与干扰(2)电波传播特性。假定传播路径是光滑的地平面，路径损耗L由下式近似确定：224rthhdL式中，d是收、发天线之间的距离；ht、hr分别是发射天线和接收天线的高度。如果d以km计，ht、hr均以m计，则(3)基站覆盖范围或小区半径r0。　(4)通信工作方式。。　(5)要求的可靠通信概率。　))(lg(20lg40120][dBhhdLrt（4-6）第4章噪声与干扰A基站发DS=r0B基站发DID=DI+DSM图4–11同频道再用距离第4章噪声与干扰假设基站A和B使用相同的频道，移动台M正在接收基站A发射的信号，由于基站天线高度大于移动台天线高度，因此当移动台M处于小区的边沿时，易于受到基站B发射的同频道干扰。假若输入到移动台接收机的有用信号与同频道干扰之比等于射频防护比，则A、B两基站之间的距离即为同频道再用距离，记作D。由图可见：0rDDDDISI式中，DI为同频道干扰源至被干扰接收机的距离，DS为有用信号的传播距离，即为小区半径r0。（4-7）第4章噪声与干扰通常，定义同频道再用系数为0rD0101rDrD由式(4-7)可得同频道再用系数设干扰信号和有用信号的传播损耗中值分别用LI和LS表示，由式(4-6)可列出：)lg(20lg40120][)lg(20lg40120][1rtSSrtIhhDLhhDL第4章噪声与干扰所以传播损耗之差为)(lg40][][dBDDLLSISI设A基站和B基站的发射功率均为PT，则移动台M接收机的输入信号功率和共频道干扰功率分别为：][][][][][][ITSTLPILPS40]/[10][][][][]/[ISSISIDDLLISIS第4章噪声与干扰若取射频防护比为8dB，可求得6.1104080rDDDISI006.2rrDDI若考虑到快衰落及慢衰落，式中［S/I