接收機靈敏度的計算公式推導和分析

2021-07-27 09:08:41 字數 3233 閱讀 4462

接收機靈敏度

定義的接收機能夠接收到的並且還能正常工作的最低電平強度。

接收機靈敏度跟很多東西有關,如雜訊係數、訊號頻寬、解調訊雜比等,靈敏度一般來說越高(數值越低),說明其接收微弱訊號的能力越強,但也帶來容易被干擾的毛病,對於接收機來說,靈敏度只要能滿足使用要求即可,過高的追求靈敏度最終可能是費力不討好。

公式為:-174+nf+10lgb+10lgsnr (nf雜訊係數、b訊號頻寬、snr解調訊雜比)

(nf雜訊係數(一般取10)、b訊號頻寬,單位為hz、snr解調訊雜比,單位為db)

假設解調頻寬為10khz,雜訊係數取10db,解調頻寬為12db,則可以算得接收機靈敏度為-112dbm

nf雜訊係數是裝置(單級裝置,多級裝置,或者是整個接收機)輸入端的訊雜比與這個裝置輸出端的訊雜比的比值,如圖。因為雜訊在不同的時間點以不可預見的方式變化,所以用均方訊號與均方雜訊之比表示訊雜比(snr)。

在擴頻數字通訊接收機中,鏈路的度量引數eb/no (每位元能量與雜訊功率譜密度的比值)與達到某預期接收機靈敏度所需的射頻訊號功率值的關係是從標準雜訊係數f的定義中推導出來的。cdma、wcdma蜂窩系統接收機及其它擴頻系統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,對於任意給定的輸入訊號電平,設計人員通過權衡擴頻鏈路的預算即可確定接收機引數。

根據定義,f是裝置(單級裝置,多級裝置,或者是整個接收機)輸入端的訊雜比與這個裝置輸出端的訊雜比的比值(圖1)。因為雜訊在不同的時間點以不可預見的方式變化,所以用均方訊號與均方雜訊之比表示訊雜比(snr)。

圖1.下面是在圖1中用到的引數的定義,在靈敏度方程中也會用到它們:

sin = 可獲得的輸入訊號功率(w) 

nin = 可獲得的輸入熱雜訊功率(w) = ktbrf其中:

k = 波爾茲曼常數 = 1.381 × 10-23 w/hz/k,

t = 290k,室溫

brf = 射頻載波頻寬(hz) = 擴頻系統的碼片速率

sout = 可獲得的輸出訊號功率(w) 

nout = 可獲得的輸出雜訊功率(w) 

g = 裝置增益(數值) 

f = 裝置雜訊係數(數值)

的定義如下:

f = (sin / nin) / (sout / nout) = (sin / nin) ×(nout / sout)
用輸入雜訊nin表示nout:
nout = (f × nin × sout) / sin其中sout = g × sin
得到:
nout = f × nin × g
調製訊號的平均功率定義為s = eb / t,其中eb為位元持續時間內的能量,單位為w-s,t是以秒為單位的位元持續時間。

調製訊號平均功率與使用者資料速率的關係按下面的式子計算:

1 / t = 使用者資料位元率,rbit單位hz,得出sin = eb × rbit
根據上述方程,以eb/no表示的裝置輸出端訊雜比為:
sout / nout = (sin × g) / (nin × g × f) = 

sin / (nin × f) = 

(eb × rbit) / (ktbrf × f) = 

(eb/ ktf) ×(rbit / brf),

其中ktf表示1位元持續時間內的雜訊功率(no)。

因此,

sout / nout = eb/no × rbit / brf
在射頻頻帶內,brf等於擴頻系統的碼片速率w,處理增益(pg = w/rbit)可以定義為:
pg = brf / rbit
所以, rbit / brf = 1/pg,由此得輸出訊雜比:
sout / nout = eb/no × 1 / pg。
注意:對於沒有擴頻的系統(w = rbit),eb/no在數值上等於snr。對於給定的輸入訊號電平,為了確定snr,用雜訊係數方程表示sin:
f = (sin / nin) / (sout / nout)或f = (sin / nin) × (nout / sout) 

sin = f × nin ×(sout / nout)

sin又可以表示為:
sin = f × ktbrf × eb/no × 1/pg
用一種更加常用的對數形式表示,對每一項取以10為底的對數再乘10得到單位db或dbm。於是雜訊係數nf (db) = 10 × log (f),由此得出下面的接收機靈敏度方程:
sin (dbm) = nf (db) + ktbrf (dbm) + eb/no (db) - pg (db)
下面是擴頻wcdma蜂窩系統基站接收機的例子。儘管接收機靈敏度方程對各種電平的輸入訊號都是正確的,對於給定的eb/no、本範例在

滿足誤位元速率百分比(%ber)的最小靈敏度下選擇了最大輸入訊號功率

。這個例項的條件為:

為了得到滿足最小規定靈敏度的最大接收機雜訊係數(表示為nfmax),使用接收機靈敏度方程:

sin (dbm) = nf (db) + ktbrf (dbm) + eb/no (db) - pg (db)
下面的步驟和圖2給出了得到nfmax的具體方法:

步驟1:對於wcdma系統,在預期的靈敏度下最大規定射頻輸入訊號為-121dbm。

步驟2:減去5db的eb/no值,得到在使用者頻帶內允許的最大雜訊電平為-126dbm (12.2khz)。

步驟3:加上25db的處理增益,得到在射頻載波頻寬內的最大允許雜訊電平為-101dbm。

步驟4:從射頻輸入雜訊中減去最大允許雜訊電平得到nfmax = 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eb/no值的要求僅為3db而不是5db,在接收機nfmax為7.1db的條件下,接收機靈敏度可以達到-123dbm。另外,由於降低了對於eb/no值的要求,在滿足最大規定輸入訊號為-121dbm的同時,高達9.1db的nfmax值也是可以承受的。使用從雜訊係數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引數,它對任意輸入訊號電平都可行,從而使這個方程在確定系統靈敏度方面非常實用。

sin (dbm) = nf (db) + ktbrf (dbm) + eb/no (db) - pg (db)

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