當(dāng)評(píng)價(jià)一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)時(shí)，噪聲是最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)樵肼暤拇笮Q定了接收機(jī)可以接收的最小信號(hào)幅度的門(mén)限。

噪聲實(shí)際是由多種源引起的一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，包括由射頻元件產(chǎn)生的熱噪聲、大氣噪聲、宇宙背景噪聲及人為干擾等。在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，噪聲幾乎無(wú)處不在，它們既有來(lái)自由天線(xiàn)接收的外部噪聲，也有來(lái)自系統(tǒng)各個(gè)元件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲。

在無(wú)線(xiàn)電波的信號(hào)處理和傳播過(guò)程中，也會(huì)遇到無(wú)法確切預(yù)測(cè)但有概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律的電磁波干擾信號(hào)，這種信號(hào)不同于特定頻率的無(wú)線(xiàn)電波之間的互相干擾，它在很寬的頻帶范圍內(nèi)存在，稱(chēng)之為噪聲。噪聲分為系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和系統(tǒng)外部噪聲。

系統(tǒng)內(nèi)部噪聲包括與環(huán)境溫度相關(guān)的熱噪聲、電子管工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲、信號(hào)與噪聲之間的互調(diào)產(chǎn)物，等等。

系統(tǒng)外噪聲來(lái)自雷電風(fēng)雨產(chǎn)生的噪聲、汽車(chē)的點(diǎn)火噪聲、其他用電設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。

我們這里描述的是系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲。

什么是白噪聲

白噪聲是指功率譜密度為常數(shù)、能量在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的隨機(jī)信號(hào)或隨機(jī)過(guò)程。理想白噪聲的帶寬無(wú)限大，因而其能量也無(wú)限大，這在現(xiàn)實(shí)世界中是不可能存在的。理想白噪聲的提出只是為了讓我們?cè)跀?shù)學(xué)分析上更加方便。只要一個(gè)噪聲過(guò)程所具有的頻譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它所作用的系統(tǒng)帶寬，在系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)其頻譜密度基本上可以作為常數(shù)來(lái)考慮，也就是說(shuō)，可以把它當(dāng)作白噪聲來(lái)處理。

什么是高斯白噪聲

如果一個(gè)噪聲，它的幅度分布服從高斯分布，而它的功率譜密度又是均勻分布的，則稱(chēng)之為高斯白噪聲。幅度服從高斯分布就是其幅度概率密度分布以均值為軸對(duì)稱(chēng)，在均值處最大，在一個(gè)方差處為概率密度曲線(xiàn)的拐點(diǎn)。兩個(gè)正交高斯噪聲信號(hào)之和的包絡(luò)服從瑞利分布。高斯噪聲的線(xiàn)性組合仍是高斯噪聲。對(duì)獨(dú)立的噪聲源產(chǎn)生的噪聲求和時(shí)，可將功率直接相加。

什么是噪聲譜密度

單位帶寬內(nèi)分布的噪聲功率稱(chēng)為噪聲譜密度。由于高斯白噪聲的功率譜密度是均勻分布的，理論上在無(wú)限帶寬范圍內(nèi)的噪聲功率是無(wú)窮大的，但幸好一切接收設(shè)備都只能接收一定帶寬范圍內(nèi)的噪聲，否則這些設(shè)備都會(huì)被噪聲沖擊而喪失功能。如同人的耳朵只能接收一定頻率的聲波，如果各個(gè)頻率的聲音都能接收，對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，絕對(duì)是一場(chǎng)噩夢(mèng)。系統(tǒng)的熱噪聲功率與絕對(duì)溫度的大小、系統(tǒng)帶寬的大小有直接關(guān)系，單位是dBm，用公式表示為：

P=10log（kTB）=10log （1.38*10-23 *290 11000）= -174 dBm/Hz

其中：

• k——波爾茲曼常量（1.38*10-23焦耳/ΔK）
• T——溫度值，單位為開(kāi)爾文，此處取室溫290ΔK
• B——帶寬，這里為1Hz
• 乘1000的原因是要把W換算成mW。中間還用到能量（焦耳）和功率（瓦特）的換算公式：1kwh=3.6MJ（即1ws=1J）

在常溫下，任何用電系統(tǒng)的熱噪聲功率是-174dBm/Hz。用電系統(tǒng)是有一定的工作頻率范圍的，系統(tǒng)底噪的計(jì)算就是噪聲功率譜密度和系統(tǒng)帶寬的乘積。

那帶寬為200KHz的總噪聲功率值是多少呢？我們知道，在數(shù)學(xué)里，如果要求一個(gè)函數(shù)在某段區(qū)域上的積分，我們就先求出積分函數(shù)，再代入上下限值進(jìn)去計(jì)算，那么在這里，因?yàn)樽匀唤绛h(huán)境熱噪聲功率譜密度是個(gè)常數(shù)（表示在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)熱噪聲是均勻分布的），那要在200KHz的帶寬內(nèi)對(duì)功率譜密度進(jìn)行積分，計(jì)算起來(lái)就很簡(jiǎn)單，就是200000倍的-174dBm，在對(duì)數(shù)中就是相加，即：

-174dBm+10log（200103）=-174dBm+53dB=-121dBm/200KHz。

那么LTE是20MHz的信號(hào)呢？

什么是相位噪聲

相位噪聲就是指系統(tǒng)（如各種射頻器件）在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化。描述無(wú)線(xiàn)電波的三要素是幅度、頻率、相位。頻率和相位相互影響。理想情況下，固定頻率的無(wú)線(xiàn)信號(hào)波動(dòng)周期是固定的，正如飛機(jī)的正常航班一樣，起飛時(shí)間是固定的。頻域內(nèi)的一個(gè)脈沖信號(hào)（頻譜寬度接近0）在時(shí)域內(nèi)是一定頻率的正弦波。

但實(shí)際情況是信號(hào)總有一定的頻譜寬度，而且由于噪聲的影響，偏離中心頻率的很遠(yuǎn)處也有該信號(hào)的功率，正如有延誤1小時(shí)以上的航班一樣；偏離中心頻率很遠(yuǎn)處的信號(hào)叫做邊帶信號(hào)，邊帶信號(hào)可能被擠到相鄰的頻率中去，正如延誤的航班可能擠占其他航班的時(shí)間，從而使航班安排變得混亂。這個(gè)邊帶信號(hào)就叫作相位噪聲。

如何描述相位噪聲的大小呢？在偏移中心頻率一定范圍內(nèi)，單位帶寬內(nèi)的功率與總信號(hào)功率的比，單位為dBc/Hz。射頻器件系統(tǒng)內(nèi)的熱噪聲可能導(dǎo)致相位噪聲的產(chǎn)生。相位噪聲的大小可以反映出射頻器件的優(yōu)劣。在設(shè)計(jì)和使用射頻器件時(shí)，要注意射頻器件對(duì)相位噪聲的抑制能力。相位噪聲越小，射頻器件越好。

什么是信噪比

無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的信噪比，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是有用信號(hào)和噪聲的功率之比，通常以SNR表示。有用信號(hào)的可靠傳送是我們想要獲得的好處；有用信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，必然會(huì)引入各種噪聲，最起碼有熱噪聲，這就是我們要付出的代價(jià)。

理解信噪比時(shí)應(yīng)該注意以下2點(diǎn)。

（1）在不考慮成本的前提下，信噪比越大越好。

（2）增加有用信號(hào)強(qiáng)度、控制干擾和噪聲，可以提高信噪比。

什么是噪聲系數(shù)

有源器件的內(nèi)部電荷載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，而疊加在輸入端的噪聲上，從而使得輸出端的噪聲惡化了，所以輸出端的信噪比肯定比輸入端差。比如下圖所示：

藍(lán)色表示輸入的信號(hào)和噪聲底，經(jīng)過(guò)一個(gè)增益為G，噪聲系數(shù)為NF的器件后，信號(hào)被抬高了G（dB），噪聲底也被抬高了G（dB），并且疊加了器件內(nèi)部的電荷載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生噪聲后，噪聲還被抬高了NF（dB），所以噪聲底被抬高得多一點(diǎn)，因此輸出端的信噪比惡化了。

但是這里有2個(gè)條件：

1、是信號(hào)必須是器件的線(xiàn)性區(qū)范圍內(nèi)，否則飽和了，輸出端的信號(hào)肯定壓縮了，信噪比變小；

2、必須是室溫下一定帶寬內(nèi)的自然界環(huán)境，這里是保證最小的噪聲值-174dBm/Hz。

還有另外一種情況，如果經(jīng)過(guò)一個(gè)衰減的無(wú)源器件呢？噪聲系數(shù)是多少？

因?yàn)槭覝叵乱欢◣拑?nèi)的自然界環(huán)境最小的噪聲值-174dBm/Hz，所以輸入端和輸出端都是噪底都是一樣的，信噪比肯定變小。所以噪聲系數(shù)就等于無(wú)源器件的插損。

我看看設(shè)備對(duì)這個(gè)指標(biāo)的定義： 噪聲系數(shù)是設(shè)備在工作頻帶范圍內(nèi)，正常工作時(shí)輸入信噪比與輸出信噪比之比，用dB表示。

即噪聲系數(shù)NF（dB）=輸入端信噪比（dB）— 輸出端信噪比（dB）

設(shè)備的指標(biāo)：

1）最小系統(tǒng)最大增益狀態(tài)下噪聲系數(shù)NF≤7dB，極限條件時(shí)噪聲系數(shù)也應(yīng)滿(mǎn)足要求；

2）最小系統(tǒng)最小增益（Gmax-15dB）狀態(tài)下噪聲系數(shù)NF≤7dB；

3）組網(wǎng)級(jí)聯(lián)方式，系統(tǒng)內(nèi)所有RU為最大增益時(shí)每通路噪聲系數(shù)不得超出7+10log（n）數(shù)值，n為RU的數(shù)量。

為什么需要噪聲系數(shù)？

直放站設(shè)備不對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，雖然有些廠家會(huì)解調(diào)信源信號(hào)，不過(guò)那只是為了其他用途，不影響信號(hào)鏈性能。所以在3GPP對(duì)上行有一個(gè)重要的指標(biāo)接收靈敏度，在直放站這邊無(wú)法體現(xiàn)。

接收靈敏度=-174+NF+10lgB+SNR

其中，NF為噪聲系數(shù)，B為信號(hào)帶寬，SNR為解調(diào)信噪比門(mén)限。

從公式中可以看出，信號(hào)帶寬由無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議確定，信號(hào)最小解調(diào)信噪比由調(diào)制方式和BBU的物理層性能決定。

所以為了體現(xiàn)其接收微弱信號(hào)的能力，直放站使用噪聲系數(shù)NF來(lái)衡量，從而替代接收靈敏度指標(biāo)。

怎么設(shè)計(jì)才能滿(mǎn)足噪聲系數(shù)？

為了優(yōu)化噪聲系數(shù)指標(biāo)，你可能還需要了解一個(gè)指標(biāo)，級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)。見(jiàn)下圖：

你可以在Excel上自己建立一個(gè)小工具計(jì)算下，也可以在網(wǎng)上找到計(jì)算級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)的軟件。從這個(gè)公式來(lái)看前級(jí)對(duì)噪聲系數(shù)的影響比較大，越到后級(jí)對(duì)噪聲系數(shù)的影響越小。

所以我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)就要注意以下幾個(gè)方面：

1、低噪放前差損，相當(dāng)于與無(wú)源器件，類(lèi)似級(jí)聯(lián)公式的NF1，如果這個(gè)插損越大，噪聲系數(shù)就越大。而且之前聊過(guò)前級(jí)對(duì)噪聲系數(shù)的影響比較大，所以這需要重點(diǎn)考慮。

2、低噪放噪聲系數(shù)，這個(gè)相當(dāng)于公式的NF2，前級(jí)對(duì)噪聲系數(shù)的影響比較大，所以這里也很重要。

3、射頻前端增益分配，這個(gè)相當(dāng)于公式的G1、G2、G3，大家可以在噪聲系數(shù)仿真軟件上仿真下，就可以知道那部分的增益對(duì)這個(gè)系統(tǒng)影響最大，從而改善。

4、數(shù)字域設(shè)計(jì)：數(shù)字域的衰減是通過(guò)滿(mǎn)進(jìn)滿(mǎn)出的方式采集，從而確認(rèn)數(shù)字域的增益的噪聲。

怎么測(cè)試一個(gè)器件的噪聲系數(shù)？

通常我們有兩種方法來(lái)測(cè)一個(gè)DUT（Device Under Test，待測(cè)器件）的噪聲系數(shù)：專(zhuān)用噪聲儀器測(cè)試法，增益法。這里我們介紹增益法，“增益法”測(cè)試噪聲系數(shù)步驟：

1、用信號(hào)源和頻譜儀測(cè)出待測(cè)器件的增益值G；

2、用頻譜儀測(cè)出待測(cè)器件輸出一定帶寬內(nèi)的噪聲總功率PNOUT；

3、帶入公式NF = PNOUT -10log10（kTB）-G中計(jì)算出噪聲系數(shù)NF。

這里，我們?cè)賮?lái)把公式NF = PNOUT -10log10（kTB）-G理解一下，此公式這樣理解會(huì)好一點(diǎn)： 10log10（kTB）+G+ NF= PNOUT，這個(gè)公式的意思是，室溫下一定帶寬內(nèi)的自然界環(huán)境熱噪聲功率10log10（kTB），經(jīng)過(guò)一個(gè)器件后，由于器件有增益，所以被放大了G倍，由于器件內(nèi)部電荷載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生噪聲的疊加，又被抬高了NF，所以最終輸出的噪聲底是10log10（kTB）+G+ NF。

再提一個(gè)問(wèn)題，對(duì)于一個(gè)無(wú)源的器件，如一個(gè)衰減度為40dB的衰減器，它的噪聲系數(shù)是多少？怎么理解？

答：衰減度為40dB的衰減器其增益為-40dB，其噪聲系數(shù)用公式NF = PNOUT -10log10（kTB）-G計(jì)算，為NF = 10log10（kTB）-10log10（kTB）-（-40）=40dB，從理解上說(shuō)，最關(guān)鍵的地方就是要注意到，室溫下一定帶寬內(nèi)的自然界環(huán)境熱噪聲功率10log10（kTB）無(wú)處不在，并且是自然界中最小的噪聲了，所以衰減器輸入端和出端的噪聲底都是10log10（kTB），信號(hào)被衰減了40dB，而噪聲底還是那么大，信噪比肯定變小啦。看下圖更直觀一些。

和噪聲相關(guān)的內(nèi)容就說(shuō)完了。