WCDMA基站灵敏度分析

风中追风

  摘要：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。

　　关键词：放大器，噪声，灵敏度


　　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。

　　作者简介：

　　邱波，现任北京中网华通设计咨询有限公司无线二部工程师，毕业于北京交通大学电子信息与通信工程专业，长期从事移动通信的无线网络的规划、设计、建设、优化等工作，对移动通信无线网络规划有较深刻的理解和丰富的经验。