无线通信技术基础_03噪声和干扰

1、无线通信技术基础无线通信技术基础第第3章、噪声和干扰章、噪声和干扰内容介绍内容介绍 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（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（或载干比（C/I）直接决定了接收机接收信号的质量。）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。生

2、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，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。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及它们对信号传输动通信系统的设计时，必须认真研究噪声和干扰的特征以及它

3、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。的影响，并采取必要的措施以减小它们对通信的影响。本章重点本章重点一一噪声。噪声。二二同频干扰。同频干扰。三三邻频干扰。邻频干扰。四四互调干扰。互调干扰。五五移动台的自动功率控制。移动台的自动功率控制。六六干扰和系统性能。干扰和系统性能。第第3.1节、噪声节、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（平；载噪

4、比（C/N）或载干比（）或载干比（C/I）满足要求。噪声和干扰的程度直接决定）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。了信号是否可以被正常接收以及接收的质量。第第3.1节、噪声节、噪声噪声的来源噪声的来源n 外部：宇宙射线、大气噪声、工业噪声。外部：宇宙射线、大气噪声、工业噪声。 无线发射机的噪声辐射。无线发射机的噪声辐射。n 内部：接收机本身的内部噪声。内部：接收机本身的内部噪声。第第3.1节、噪声节、噪声1、噪声的分类、噪声的分类 通信技术中一般把加性随机噪声作为系统的背景噪声，加性噪声与信号通信技术中一般把加性随机噪声作为系统的背景噪声，加性噪声与信号的

5、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）。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）。n 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，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还有电源噪声和自激振荡产生的噪声

6、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。预测，这种不能预测的噪声统称为随机噪声。n 外部噪声包括自然噪声和人为噪声，它们也属于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主要是人为噪声实际的通信工程中，我们最关心外部噪声主要是人为噪声。第第3.1节、

7、噪声节、噪声第第3.1节、噪声节、噪声2、人为噪声、人为噪声n 人为噪声人为噪声主要主要是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的电磁辐射电磁辐射。比如比如发动机、电焊机、高频电气设备和电气开关等产生的发动机、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火花放电所形成的电磁辐射。n 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。n 单个的

8、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，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具有起伏噪声的性质。n 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。这种环环境噪声的大小主要决定于车流密度境噪声的大小主要决定于车流密度。第第3.1节、噪声节、噪声第第3.1节、噪声节、噪声 人为噪声人为噪声在地点和时间上都是随机变化的在地点和时间上都是随机变化的

9、。统计。统计测试表明测试表明，城市，城市商业区商业区的噪声系数比居民区高的噪声系数比居民区高6dB左右，比郊区高左右，比郊区高12dB。农村地区。农村地区100MHz以上的以上的人为噪声可以忽略不计。人为噪声可以忽略不计。第第3.1节、噪声节、噪声3、发射机的噪声辐射、发射机的噪声辐射n 人为噪声人为噪声可能可能来自通信系统来自通信系统的的外部外部，也可能来自，也可能来自通信系统通信系统的的内部。内部。在通在通信系统内部，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影响通信质量

10、，而且影响程度可能会大于外部的人为噪声。n 在蜂窝在蜂窝移动通信系统中，移动通信系统中，大量发射机大量发射机（基站、移动台）（基站、移动台）发射发射的含有噪声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，特别是边带辐射，特别是边带噪声噪声（这是后面介绍的邻频干扰的主要来源）（这是后面介绍的邻频干扰的主要来源）。n 发射机工作时，在发射正常载频信号的同时，会产生以载频为中心、分发射机工作时，在发射正常载频信号的同时，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布频率范围

11、相当宽的噪声频谱，这种噪声称为发射机的边带噪声。边带边带噪声噪声可能可能会对附近的几十个载频产生影响会对附近的几十个载频产生影响。n 发射机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电路的引入噪声以及电源波动引起的噪声等因素决定。第第3.1节、噪声节、噪声第第3.1节、噪声节、噪声4、噪声对话音质量的噪声对话音质量的影响影响n 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（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）。在移动通信系统中，一般采用

12、主观评定的动通信系统中，一般采用主观评定的方法方法（MOS）定级来定级来衡量通话衡量通话质量，质量，共分为共分为5级，一般要求在级，一般要求在3 4级之间级之间。第第3.2节、同频干扰节、同频干扰n 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，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可能会互相干扰。不同系统或相同系统的不同发射机发射的无线信号也可能会互相干扰。而且干扰的影响往往比噪声的影响更大，噪声可能而且干扰的影响往往比噪声的影响更大，噪声可能会会造成造成通信质量通信质量的下的下降降，而而干扰干扰则则可能可

13、能会直接造成通信中断会直接造成通信中断。n 无线通信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。中的干扰主要包括同频干扰、邻频干扰和交调干扰。n 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。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。机的同频干扰。n 形成同频干扰的频率范围为：形成同频干

14、扰的频率范围为：fo Bi /2，其中，其中，fo为接收机工作载频的中为接收机工作载频的中心频率，心频率，Bi为接收机中频滤波器的带宽为接收机中频滤波器的带宽。第第3.2节、同频干扰节、同频干扰第第3.2节、同频干扰节、同频干扰n 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，为了提高频率利用率了提高频率利用率，必须，必须使用同信道小区，也就是说，需要将相同的载使用同信道小区，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。n 同同信道的无线

15、小区相距越远，它们之间的空间隔离就越大，同频干扰也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，系统容量减小用率降低，系统容量减小。n 在在进行无线小区的频率分配时进行无线小区的频率分配时，需要，需要在满足一定通信质量要求的前提下，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确定相同频率重复使用的最小距离。研究。研究同频干扰必须和同信道复用距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离

16、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据。在后面的章节中，我们将专门介绍在后面的章节中，我们将专门介绍蜂窝蜂窝系统中对同频干扰的系统中对同频干扰的控制控制。第第3.3节、邻频干扰节、邻频干扰n 邻邻频频干扰指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。在蜂窝移动通信系统中，由于频率规划造成邻近小区带内造成的干扰。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覆盖区

17、域区域超出超出了设计范围，都会引起邻频干扰了设计范围，都会引起邻频干扰。邻频干扰会。邻频干扰会直接影响到直接影响到移动台的通话质量，严重移动台的通话质量，严重时会时会造成掉话或无法正常建立呼叫。造成掉话或无法正常建立呼叫。n 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

18、进行抑制它进行抑制。邻。邻频干扰的抑制涉及到发射机的噪声和寄生辐射、接收机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的选择性及邻近频道的间隔等诸多因素。n 在移动通信系统中，当一个在移动通信系统中，当一个移动台移动台距离距离基站基站很近时很近时，该该移动台移动台的寄生的寄生辐辐射射会会对对正在正在接收接收其它移动台的其它移动台的微弱邻微弱邻频信号的基站接收机产生干扰。频信号的基站接收机产生干扰。第第3.3节、邻频干扰节、邻频干扰第第3.3节、邻频干扰节、邻频干扰1、发射机发射机的边带噪声的边带噪声 发射机发射机的边带噪声分布在发射信号载频的两侧，而且噪声

19、的频谱很宽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，这这是邻频干扰的一个主要来源，必须严格是邻频干扰的一个主要来源，必须严格控制。控制。第第3.3节、邻频干扰节、邻频干扰2、发射机发射机的寄生的寄生辐射辐射n 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包括发射机内部频率源的杂散辐射和谐波辐射等。n 倍频器、混频器、放大器等倍频器、混频器、放大器等非线性非线性器件是产生寄生辐射的重要原因器件是产生寄生辐射的重要原因。第第3.3节、邻频干扰节、邻频干扰3、接收机

20、接收机的邻频选择性的邻频选择性。n 可以从两个不同的方面来减小邻频干扰的可以从两个不同的方面来减小邻频干扰的影响影响：减小减小发射机的邻频辐射发射机的邻频辐射和提高接收机的邻频和提高接收机的邻频选择性，选择性，得到的实际效果是相同的得到的实际效果是相同的。n 接收机接收机邻频选择性是指接收机抑制邻频干扰的能力，它主要由接收机中邻频选择性是指接收机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频滤波器的带外抑制度决定决定。n 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展落到

21、被干扰接收机阻带区域的干扰，就就可以可以有效减轻邻频干扰的影响。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，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。度，来抑制带外干扰。第第3.3节、邻频干扰节、邻频干扰第第3.4节、互调干扰节、互调干扰n 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

22、输出，如果该频率正好落互相调制，产生新的频率的信号输出，如果该频率正好落在接收机在接收机的工的工作信道带宽内，就会构成对该接收机的干扰作信道带宽内，就会构成对该接收机的干扰，这种干扰，这种干扰称称为为“互调干扰互调干扰”或或“交调干扰交调干扰”。电路的非线性是造成互调干扰的根本原因电路的非线性是造成互调干扰的根本原因。n 互调互调效应会产生很多频率的干扰信号，频率关系为：效应会产生很多频率的干扰信号，频率关系为：mf1 nf2。其中，其中，三三阶阶互调（互调（2f1 - f2、2f2 - f1）的的功率较高功率较高而且会落在有用信号的附近，很而且会落在有用信号的附近，很难用选择性难用选择性电路

23、完全电路完全滤除，容易构成对有用信号的干扰。滤除，容易构成对有用信号的干扰。其它互调其它互调的的功功率较低率较低而且与有用信号的频率差距较大，容易滤除，危害性不大而且与有用信号的频率差距较大，容易滤除，危害性不大。n 在通信系统在通信系统中，多中，多个信号之间的互调是普遍存在的，但并不是只要有互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而且具有一定的幅度才会造成互调干扰互调干扰。我们可以通过合理的我们可以通过合理的频率频率规划规划来来设法破坏

24、构成严重互调干扰的设法破坏构成严重互调干扰的条件条件，降低或消除互调干扰的影响。，降低或消除互调干扰的影响。第第3.4节、互调干扰节、互调干扰第第3.4节、互调干扰节、互调干扰 在在移动通信系统中，造成互调干扰的主要原因如下：移动通信系统中，造成互调干扰的主要原因如下：n 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，从天时发射出去而形成

25、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。射机发射出去而形成的互调干扰。n 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，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。用信号一起送给解调电路，形成互调干扰。n 在发射机附近，金属器件可能会产生在发射

26、机附近，金属器件可能会产生“生锈螺栓效应生锈螺栓效应”。这种互调称为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。第第3.4节、互调干扰节、互调干扰n 发射机互调发射机互调。n 接收机互调。接收机互调。 接收机接收机前端的低噪声放大器一般是宽带放大器前端的低噪声放大器一般是宽带放大器，会，会有多个信号同时进入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频带内，这时就会造成接收机的互调

27、干扰。第第3.5节、节、近端对远端比近端对远端比干扰干扰n 如果如果基基站同时接收两站同时接收两个个来自来自不同不同距离的移动台的信号，而这两距离的移动台的信号，而这两个移动台个移动台发射机发射机以以相同的频率和发射功率相同的频率和发射功率工作，工作，远端移动台远端移动台的信号的信号就有可能会被就有可能会被近端移动台近端移动台的信号的信号淹没。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）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）。n 在实际的移动通信系统中，更多的情况是近距离的移

28、动台是有用信号，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，根据允许的干扰程度来确定基法，根据允许的干扰程度来确定基站与站与干扰移动台的最小距离干扰移动台的最小距离。n 移动台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。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。第第3.6节、移动台的自动功率控制节、移动台的自动功率控制n 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、不同信道移动通信网在多信道工作时，多个移动台

29、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同时向基站发射信号，可能造成对基站接收机的各种干扰。n 抑制抑制这些干扰的有效措施之一是采用自动功率控制（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）技术，根据移动台到基站的传播衰耗的变化，自动调整移动台到基站的传播衰耗的变化，自动调整移动台的移动台的发射发射功率功率，在保证，在保证可靠通信的前提下，尽量减小发射功率可靠通信的前提下，尽量减小发射功率，把，把各种干扰抑制到系统指标所各种干扰抑制到系统指标所能容许的程度能容许的程度。同时还可以使不同距离的移动台的发射信号以相同的功同时还可以使不同距离的移

30、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。率到达基站接收机，避免远近效应的影响。n 实际系统中，可以根据实际系统中，可以根据实际情况实际情况采用采用三种可行三种可行的的APC技术技术：开环系统、：开环系统、闭环系统、准闭环系统。闭环系统、准闭环系统。n 发射机的功率控制方式有连续控制和阶梯控制发射机的功率控制方式有连续控制和阶梯控制。对于。对于以快衰落信道为主以快衰落信道为主要特征的要特征的移动通信移动通信系统系统，实际上并不需要实际上并不需要进行进行连续控制连续控制，一般采用一般采用只需只需要有限个控制指令的要有限个控制指令的阶梯阶梯控制。控制。第第3.7节、干扰和系统性能节、干扰和系统性能n 在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境的各种外部噪声和干扰也都会影响到通信质量。n 根据根据移动通信系统所处