1、无线通信技术基础,第3章、噪声和干扰,内容介绍,无线信道对信号传输的影响有很多方面，其中一个重要的因素是噪声和干扰。在无线通信系统中，决定信号质量的要素很多，其中载噪比（C/N）或载干比（C/I）直接决定了接收机接收信号的质量。噪声分为内部噪声和外部噪声，内部噪声主要是系统中有源设备本身产生的噪声，外部噪声包括自然噪声和人为噪声。干扰主要指无线发射机之间的相互干扰，也包括发射机本身产生的干扰，如同频干扰、邻频干扰、互调干扰以及由于远近效应引起的近端移动台信号对远端移动台信号的干扰等。噪声和干扰的程度直接影响到无线通信的质量和容量，因此，在进行移动通信系统的设计时，必须认真研究噪声和干扰的特征以
2、及它们对信号传输的影响，并采取必要的措施以减小它们对通信的影响。,本章重点,噪声。同频干扰。邻频干扰。互调干扰。移动台的自动功率控制。干扰和系统性能。,第3.1节、噪声,在分析噪声和干扰之前，首先要建立一个重要的概念，一个无线信号可以被接收机正常接收，取决于以下两个主要因素：信号的功率达到一定的电平；载噪比（C/N）或载干比（C/I）满足要求。噪声和干扰的程度直接决定了信号是否可以被正常接收以及接收的质量。,第3.1节、噪声,噪声的来源外部：宇宙射线、大气噪声、工业噪声。无线发射机的噪声辐射。内部：接收机本身的内部噪声。,第3.1节、噪声,1、噪声的分类 通信技术中一般把加性随机噪声作为系统的
3、背景噪声，加性噪声与信号的关系是相加，不管有没有信号，噪声都存在。加性噪声（简称噪声）的来源是多方面的，一般分为：内部噪声和外部噪声（也称环境噪声）。内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声，例如，电阻类导体中电子的热运动所引起的热噪声，半导体中载流子的起伏变化所引起的散弹噪声，还有电源噪声和自激振荡产生的噪声等等。电源噪声等可以采取技术手段消除，但热噪声和散弹噪声一般无法避免，而且它们的准确波形不能预测，这种不能预测的噪声统称为随机噪声。外部噪声包括自然噪声和人为噪声，它们也属于随机噪声。在无线通信系统中，无线信号是在空间开放传输的，因此外部噪声的影响较大。在实际的通信工程中，我们最关心外部噪声
4、主要是人为噪声。,第3.1节、噪声,第3.1节、噪声,2、人为噪声人为噪声主要是指各种工业电气设备中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射。比如发动机、电焊机、高频电气设备和电气开关等产生的火花放电所形成的电磁辐射。这种噪声除了可以直接辐射外，还可以沿着供电线路传播，并通过供电线路和通信系统的接收机之间的电容性耦合而进入接收机。单个的人为噪声大多属于脉冲噪声，但是在城市环境中，大量的人为噪声叠加在一起，合成噪声不再是脉冲性的，其功率谱密度与热噪声类似，具有起伏噪声的性质。在城区的无线信道中，一种严重的人为噪声是车辆的点火噪声。这种环境噪声的大小主要决定于车流密度。,第3.1节、噪声,第3.1节
5、、噪声,人为噪声在地点和时间上都是随机变化的。统计测试表明，城市商业区的噪声系数比居民区高6dB左右，比郊区高12dB。农村地区100MHz以上的人为噪声可以忽略不计。,第3.1节、噪声,3、发射机的噪声辐射人为噪声可能来自通信系统的外部，也可能来自通信系统的内部。在通信系统内部，除了接收机的内部噪声以外，发射机的噪声辐射也会直接影响通信质量，而且影响程度可能会大于外部的人为噪声。在蜂窝移动通信系统中，大量发射机（基站、移动台）发射的含有噪声的信号势必造成整个空间噪声环境的恶化，必须严格控制发射机的噪声辐射，特别是边带噪声（这是后面介绍的邻频干扰的主要来源）。发射机工作时，在发射正常载频信号的
6、同时，会产生以载频为中心、分布频率范围相当宽的噪声频谱，这种噪声称为发射机的边带噪声。边带噪声可能会对附近的几十个载频产生影响。发射机的边带噪声主要由振荡器的相位噪声、倍频器的倍频噪声、调制电路的引入噪声以及电源波动引起的噪声等因素决定。,第3.1节、噪声,第3.1节、噪声,4、噪声对话音质量的影响噪声对话音质量的影响主要表现在恶化接收信号的信噪比（S/N）。在移动通信系统中，一般采用主观评定的方法（MOS）定级来衡量通话质量，共分为5级，一般要求在3 4级之间。,第3.2节、同频干扰,在无线通信系统中，无线信道是一个开路环境，除了噪声的影响之外，不同系统或相同系统的不同发射机发射的无线信号也
7、可能会互相干扰。而且干扰的影响往往比噪声的影响更大，噪声可能会造成通信质量的下降，而干扰则可能会直接造成通信中断。无线通信中的干扰主要包括同频干扰、邻频干扰和交调干扰。同频干扰是指使用相同工作频率的发射机之间的干扰，同频干扰是蜂窝移动通信系统中经常出现的一种干扰，也称为同信道干扰或同载频干扰。凡是能够进入接收机通带内的其它发射机的载频信号都可能造成对接收机的同频干扰。形成同频干扰的频率范围为：fo Bi/2，其中，fo为接收机工作载频的中心频率，Bi为接收机中频滤波器的带宽。,第3.2节、同频干扰,第3.2节、同频干扰,现代移动通信系统组网时，均采用小区制的蜂窝技术实现频率复用，为了提高频率利
8、用率，必须使用同信道小区，也就是说，需要将相同的载频或载频组分配给彼此相隔一定距离的多个无线小区使用。同信道的无线小区相距越远，它们之间的空间隔离就越大，同频干扰也越小，但同时在某个区域范围内频率复用的次数也随之降低，即频率利用率降低，系统容量减小。在进行无线小区的频率分配时，需要在满足一定通信质量要求的前提下，确定相同频率重复使用的最小距离。研究同频干扰必须和同信道复用距离紧紧联系起来，以便给小区制的蜂窝移动通信系统的频率分配提供依据。在后面的章节中，我们将专门介绍蜂窝系统中对同频干扰的控制。,第3.3节、邻频干扰,邻频干扰指的是工作在邻近信道的发射机的发射信号落入了接收机的通带内造成的干扰
9、。在蜂窝移动通信系统中，由于频率规划造成邻近小区中存在与本小区工作信道相邻的信道，或者由于某种原因使基站小区的覆盖区域超出了设计范围，都会引起邻频干扰。邻频干扰会直接影响到移动台的通话质量，严重时会造成掉话或无法正常建立呼叫。邻频干扰主要是由与接收机工作频带相邻的若干信道的发射机的寄生边带功率、宽带噪声、寄生辐射等产生的干扰。邻频干扰的一部分会落入被干扰的接收机的通带内，这时接收机的选择性电路（滤波器）无法对它进行抑制。邻频干扰的抑制涉及到发射机的噪声和寄生辐射、接收机的选择性及邻近频道的间隔等诸多因素。在移动通信系统中，当一个移动台距离基站很近时，该移动台的寄生辐射会对正在接收其它移动台的微
10、弱邻频信号的基站接收机产生干扰。,第3.3节、邻频干扰,第3.3节、邻频干扰,1、发射机的边带噪声 发射机的边带噪声分布在发射信号载频的两侧，而且噪声的频谱很宽，这是邻频干扰的一个主要来源，必须严格控制。,第3.3节、邻频干扰,2、发射机的寄生辐射发射机的寄生辐射指的是在有用带宽以外的某些频率点上的辐射，主要包括发射机内部频率源的杂散辐射和谐波辐射等。倍频器、混频器、放大器等非线性器件是产生寄生辐射的重要原因。,第3.3节、邻频干扰,3、接收机的邻频选择性。可以从两个不同的方面来减小邻频干扰的影响：减小发射机的邻频辐射和提高接收机的邻频选择性，得到的实际效果是相同的。接收机邻频选择性是指接收机
11、抑制邻频干扰的能力，它主要由接收机中频滤波器的带外抑制度决定。如果接收机具有良好的邻频选择性，能够最大程度地衰减发信机边带扩展落到被干扰接收机阻带区域的干扰，就可以有效减轻邻频干扰的影响。接收机中频滤波器的阻带衰减对远离接收机通带的干扰也要进行抑制，这种带外干扰往往比较强，滤波器的阻带衰减必须可以提供足够的隔离度，来抑制带外干扰。,第3.3节、邻频干扰,第3.4节、互调干扰,当两个或两个以上不同频率的信号通过同一个非线性电路时，将会发生互相调制，产生新的频率的信号输出，如果该频率正好落在接收机的工作信道带宽内，就会构成对该接收机的干扰，这种干扰称为“互调干扰”或“交调干扰”。电路的非线性是造成
12、互调干扰的根本原因。互调效应会产生很多频率的干扰信号，频率关系为：mf1 nf2。其中，三阶互调（2f1-f2、2f2-f1）的功率较高而且会落在有用信号的附近，很难用选择性电路完全滤除，容易构成对有用信号的干扰。其它互调的功率较低而且与有用信号的频率差距较大，容易滤除，危害性不大。在通信系统中，多个信号之间的互调是普遍存在的，但并不是只要有互调就会对系统造成干扰，产生互调的多个信号必须满足一定的频率关系而且具有一定的幅度才会造成互调干扰。我们可以通过合理的频率规划来设法破坏构成严重互调干扰的条件，降低或消除互调干扰的影响。,第3.4节、互调干扰,第3.4节、互调干扰,在移动通信系统中，造成互
13、调干扰的主要原因如下：发射机互调：发射机末端的功率放大器可能工作在非线性状态，如果多个载波通过发射机，载波之间就会产生互调，互调信号可能会与载波同时发射出去而形成互调干扰。即使发射机本身工作在单载波状态，从天线侵入的其它干扰信号也有可能与有用的发射信号产生互调，并通过发射机发射出去而形成的互调干扰。接收机互调：当两个或两个以上的无线信号同时被一个接收机接收时，由于接收机中放大器或混频器的非线性也会发生互调，互调信号会与有用信号一起送给解调电路，形成互调干扰。在发射机附近，金属器件可能会产生“生锈螺栓效应”。这种互调称为外部效应，可以通过改良金属接触、采取防锈措施得到解决。,第3.4节、互调干扰
14、,发射机互调。,接收机互调。接收机前端的低噪声放大器一般是宽带放大器，会有多个信号同时进入放大或混频级，多个信号彼此之间形成的互调产物很可能落入到接收机信号频带内，这时就会造成接收机的互调干扰。,第3.5节、近端对远端比干扰,如果基站同时接收两个来自不同距离的移动台的信号，而这两个移动台发射机以相同的频率和发射功率工作，远端移动台的信号就有可能会被近端移动台的信号淹没。这种由于两个不同发射机的之间路径损耗不同而引起的接收机功率差，称为近端对远端比干扰（也称远近效应）。在实际的移动通信系统中，更多的情况是近距离的移动台是有用信号，而远距离的移动台是干扰信号，我们同样可以用近端对远端比干扰的方法，
15、根据允许的干扰程度来确定基站与干扰移动台的最小距离。移动台发射功率自动控制功能是减小近端对远端比干扰的最有效措施。,第3.6节、移动台的自动功率控制,移动通信网在多信道工作时，多个移动台发射机在不同距离、不同信道同时向基站发射信号，可能造成对基站接收机的各种干扰。抑制这些干扰的有效措施之一是采用自动功率控制（APC）技术，根据移动台到基站的传播衰耗的变化，自动调整移动台的发射功率，在保证可靠通信的前提下，尽量减小发射功率，把各种干扰抑制到系统指标所能容许的程度。同时还可以使不同距离的移动台的发射信号以相同的功率到达基站接收机，避免远近效应的影响。实际系统中，可以根据实际情况采用三种可行的APC
16、技术：开环系统、闭环系统、准闭环系统。发射机的功率控制方式有连续控制和阶梯控制。对于以快衰落信道为主要特征的移动通信系统，实际上并不需要进行连续控制，一般采用只需要有限个控制指令的阶梯控制。,第3.7节、干扰和系统性能,在一个无线通信系统中，除了接收机本身的内部噪声以外，来自外部环境的各种外部噪声和干扰也都会影响到通信质量。根据移动通信系统所处的无线环境的特点，外部干扰的影响大于噪声的影响，而且同频干扰是限制系统性能的主要因素。最终的通信质量取决于有用载波与所有噪声+干扰的比值，即C/(N+I)。,在进行移动通信系统的总体设计时，可以根据规定的C/(N+I)计算出允许的（N+I）值，以此做为系
17、统设计和组网的参考依据。,总结,噪声和干扰是制约无线通信系统性能的一个重要因素，它们不仅直接影响到通信质量，还会在系统设计时影响到系统容量和频率规划。噪声包括内部噪声和外部噪声，外部噪声可能来自于自然界的电磁辐射，也可能来自于人类使用的各种电气设备，还可能来自于系统内部的发射机。干扰同样可能来自于系统的内部和外部，对于使用蜂窝系统，干扰更多地来自系统的内部或者是同样使用了蜂窝技术的其它同类系统。蜂窝系统中比较常见的干扰是同频干扰、邻频干扰和互调干扰。这里所说的同频、邻频和互调指的是干扰信号的来源，所有最终能够导致接收性能变差的都是与接收信号相同频率的“同频率干扰”。在移动通信系统中，干扰的影响一般大于噪声，采用移动台自动功率控制技术是减少干扰的一种常用手段，可以有效抑制移动台发射机可能产生的各种干扰，包括对基站接收机的干扰和移动台之间的相互干扰。,
