擴頻系統(tǒng)的接收機靈敏度方程

作者：時間：2011-04-22 來源：網(wǎng)絡

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本應用筆記論述了擴頻系統(tǒng)靈敏度的定義以及計算數(shù)字通信接收機靈敏度的方法。本文提供了接收機靈敏度方程的逐步推導過程，還包括具體數(shù)字的實例，以便驗證其數(shù)學定義。

在擴頻數(shù)字通信接收機中，鏈路的度量參數(shù)E_b/N_o (每比特能量與噪聲功率譜密度的比值)與達到某預期接收機靈敏度所需的射頻信號功率值的關系是從標準噪聲系數(shù)F的定義中推導出來的。CDMA、WCDMA蜂窩系統(tǒng)接收機及其它擴頻系統(tǒng)的射頻工程師可以利用推導出的接收機靈敏度方程進行設計，對于任意給定的輸入信號電平，設計人員通過權衡擴頻鏈路的預算即可確定接收機參數(shù)。

從噪聲系數(shù)F推導E_b/N_o關系

根據(jù)定義，F(xiàn)是設備(單級設備，多級設備，或者是整個接收機)輸入端的信噪比與這個設備輸出端的信噪比的比值(圖1)。因為噪聲在不同的時間點以不可預見的方式變化，所以用均方信號與均方噪聲之比表示信噪比(SNR)。

圖1.

下面是在圖1中用到的參數(shù)的定義，在靈敏度方程中也會用到它們：

S_in = 可獲得的輸入信號功率(W)
N_in = 可獲得的輸入熱噪聲功率(W) = KTB_RF其中:
K = 波爾茲曼常數(shù) = 1.381 10^-23 W/Hz/K,
T = 290K，室溫
B_RF = 射頻載波帶寬(Hz) = 擴頻系統(tǒng)的碼片速率
S_out = 可獲得的輸出信號功率(W)
N_out = 可獲得的輸出噪聲功率(W)
G = 設備增益(數(shù)值)
F = 設備噪聲系數(shù)(數(shù)值)

的定義如下：

F = (S_in / N_in) / (S_out / N_out) = (S_in / N_in) (N_out / S_out)

用輸入噪聲N_in表示N_out：

N_out = (F N_in S_out) / S_in其中S_out = G S_in

得到：

N_out = F N_in G

調(diào)制信號的平均功率定義為S = E_b / T，其中E_b為比特持續(xù)時間內(nèi)的能量，單位為W-s，T是以秒為單位的比特持續(xù)時間。

調(diào)制信號平均功率與用戶數(shù)據(jù)速率的關系按下面的式子計算：

1 / T = 用戶數(shù)據(jù)比特率, R_bit單位Hz, 得出S_in = E_b R_bit

根據(jù)上述方程，以E_b/N_o表示的設備輸出端信噪比為：

S_out / N_out = (S_in G) / (N_in G F) =
S_in / (N_in F) =
(E_b R_bit) / (KTB_RF F) =
(E_b/ KTF) (R_bit / B_RF),

其中KTF表示1比特持續(xù)時間內(nèi)的噪聲功率(N_o)。

因此,

S_out / N_out = E_b/N_o R_bit / B_RF

在射頻頻帶內(nèi)，B_RF等于擴頻系統(tǒng)的碼片速率W，處理增益(PG = W/R_bit)可以定義為：

PG = B_RF / R_bit

所以， R_bit / B_RF = 1/PG，由此得輸出信噪比：

S_out / N_out = E_b/N_o 1 / PG.

注意：對于沒有擴頻的系統(tǒng)(W = R_bit)，E_b/N_o在數(shù)值上等于SNR。

接收機靈敏度方程

對于給定的輸入信號電平，為了確定SNR，用噪聲系數(shù)方程表示S_in：

F = (S_in / N_in) / (S_out / N_out)或F = (S_in / N_in) (N_out / S_out)
S_in = F N_in (S_out / N_out)

S_in又可以表示為：

S_in = F KTB_RF E_b/N_o 1/PG

用一種更加常用的對數(shù)形式表示，對每一項取以10為底的對數(shù)再乘10得到單位dB或dBm。于是噪聲系數(shù)NF (dB) = 10

log (F)，由此得出下面的接收機靈敏度方程：

Sin (dBm) = NF (dB) + KTB_RF (dBm) + E_b/N_o (dB) - PG (dB)

數(shù)字實例

下面是擴頻WCDMA蜂窩系統(tǒng)基站接收機的例子。盡管接收機靈敏度方程對各種電平的輸入信號都是正確的，對于給定的E_b/N_o、本范例在滿足誤碼率百分比(%BER)的最小靈敏度下選擇了最大輸入信號功率。這個實例的條件為：

對于速率為12.2kbps、功率-121dBm的數(shù)字語音信號，最大規(guī)定輸入信號電平必須滿足系統(tǒng)的最小規(guī)定靈敏度。
對于QPSK調(diào)制信號，在E_b/N_o值為5dB時可以獲得規(guī)定的誤碼率BER (0.1%)。
射頻帶寬等于碼片速率，即3.84MHz。
KTB_RF(log) = 10 log(1.381 10^-23 W/Hz/K 290K 3.84MHz 1000mW/W) = -108.13dBm.
規(guī)定的用戶數(shù)據(jù)速率R_bit等于12.2kbps，PG為PG = R_chip / R_bit = 314.75_numeric或25dB_log。
將這些值帶入并利用等式：S_out / N_out = E_b/N_o R_bit / B_RF得到輸出信噪比為：5dB - 25dB = -20dB。這表示擴展了帶寬的擴頻系統(tǒng)實際是在負值SNR下工作。

為了得到滿足最小規(guī)定靈敏度的最大接收機噪聲系數(shù)(表示為NF_max)，使用接收機靈敏度方程：

S_in (dBm) = NF (dB) + KTB_RF (dBm) + E_b/N_o (dB) - PG (dB)

下面的步驟和圖2給出了得到NF_max的具體方法：

步驟1：對于WCDMA系統(tǒng)，在預期的靈敏度下最大規(guī)定射頻輸入信號為-121dBm。

步驟2：減去5dB的E_b/N_o值，得到在用戶頻帶內(nèi)允許的最大噪聲電平為-126dBm (12.2kHz)。

步驟3：加上25dB的處理增益，得到在射頻載波帶寬內(nèi)的最大允許噪聲電平為-101dBm。

步驟4：從射頻輸入噪聲中減去最大允許噪聲電平得到NF_max = 7.1dB。

圖2.

注意：如果在接收機設計中使用了更高效的檢測器，使對E_b/N_o值的要求僅為3dB而不是5dB，在接收機NF_max為7.1dB的條件下，接收機靈敏度可以達到-123dBm。另外，由于降低了對于E_b/N_o值的要求，在滿足最大規(guī)定輸入信號為-121dBm的同時，高達9.1dB的NF_max值也是可以承受的。

小結(jié)

使用從噪聲系數(shù)的定義推導出來的接收機靈敏度方程，設計者可以在擴頻鏈路預算中權衡和確定接收機的參數(shù)，它對任意輸入信號電平都可行，從而使這個方程在確定系統(tǒng)靈敏度方面非常實用。

S_in (dBm) = NF (dB) + KTB_RF (dBm) + E_b/N_o (dB) - PG (dB)

參考文獻

CDMA Systems Engineering Handbook, Jhong Sam Lee Leonard E. Miller, Artech House Publishers, 1998.
CDMA RF System Engineering, Samuel C. Yang, Artech House Publishers, 1998.