收發器接收端靈敏度計算方法的研究

何旭萌，張立志，姚景朋，賈 鑫

（國家數字交換系統工程技術研究中心 河南 鄭州450000）

收發器接收端靈敏度計算方法的研究

何旭萌，張立志，姚景朋，賈 鑫

（國家數字交換系統工程技術研究中心 河南 鄭州450000）

文中在考慮鎖相環產生的本振信號存在相位噪聲的情況下，針對計算擴頻系統的接收靈敏度，采用了分析擴頻與非擴頻系統收發器接收端靈敏度的計算方法，通過接收機靈敏度計算基礎理論推導，得出在考慮本振信號存在相位噪聲時擴頻系統接收靈敏度的計算方法；最后對推導出的靈敏度計算結果進行了總結分析，并得出接收靈敏度與相位噪聲、熱噪聲、帶寬、接收端的噪聲指數、輸出最小信噪比以及擴頻增益的關系。

射頻；靈敏度；噪聲指數；相位噪聲

收發器接收端靈敏度指的是在確保誤比特率不超過某一特定值的情況下，在用戶終端天線端口測得的最小接收功率。收發器接收端靈敏度是收發器一個重要的性能指標，是判斷基站收發器接收端接收微弱信號的能力，也是制約基站上行覆蓋范圍的決定性因素[1]；合理地確定收發器接收端接收靈敏度能夠直接決定基站射頻收發器的性能及其可實現性；因此對收發器接收端接收靈敏度計算方法的研究是非常有必要的。

1 收發器接收端靈敏度的計算方法

1.1 非擴頻系統

首先，接收機輸入輸出端的信噪比有以下關系[2]：

其中，F為系統噪聲、Ni=KTB為輸入噪聲功率 （K= 1.38*10-23J/K是玻爾茲曼常數、T=290K是絕對溫度、B是噪聲帶寬）

根據收發器接收端靈敏度的概念得知：當輸出信噪比（S/N）O滿足噪聲門限，即誤碼率小于0.01時，則輸入信號的功率Si即為接收靈敏度：

其中的K、T為常數，另外乘性算法等于對數加法[3]，則收發器接收端靈敏度以對數形式表示有：

從公式（3）可以得到：在非擴頻系統中不考慮相位噪聲時，收發器接收端接收靈敏度與熱噪聲（NF）、帶寬（B）、輸出信噪比（S/N）O之間的關系；要提高收發器接收端接收靈敏度，即降低Si（dbm），可以通過降低熱噪聲 （NF）、帶寬 （B）、輸出信噪比（S/N）O等來達到提高接收端接收靈敏度的目的[4]。

1.2 擴頻系統

如圖1所示：擴頻通信系統是指在收發器發送端將待傳送的數據信息通過采用偽隨機編碼序列的調制，實現頻譜擴展后再傳輸[5]；收發器接收端則采用相同的偽隨機編碼序列對數據信息進行解調；換句話說，這種收發器接收端的解調起到了解擴的作用。

圖1 擴頻通信系統接收端架構框圖

在擴頻數字通信收發器中，接收鏈路度量參數Eb/No與接收端靈敏度所需的射頻信號功率值的計算關系是從系統噪聲系數NF中推導出來的。

根據定義，F是收發器接收端的信噪比與收發器輸出端的信噪比的比值[6]；在擴頻系統中，噪聲帶寬B等于碼片速率W，擴頻增益PG=W/Rb。

因此，可以定義為：

用輸入噪聲Ni表示No：

革蘭陰性需氧菌：流感嗜血桿菌、副流感嗜血桿菌、卡他莫拉菌、不動桿菌屬、耶爾森菌屬、嗜肺軍團菌、百日咳桿菌、副百日咳桿菌、志賀菌屬、巴斯德菌屬、霍亂弧菌、副溶血性弧菌、類志賀吡鄰單胞菌。對大腸桿菌、腸炎沙門氏菌、傷寒沙門氏菌、腸桿菌屬、嗜水性氣單胞菌屬和克雷白桿菌屬的活性不盡相同，需進行敏感性試驗。對變形桿菌屬、沙雷菌屬、摩根菌屬和綠膿單胞桿菌通常是耐藥的。

得到：

調制信號的平均功率定義為S=Eb/T，其中Eb為比特持續時間內的能量，T是比特持續時間（以秒為單位）[7]。

調制信號的平均功率與用戶數據速率之間的關系按下面的式子計算：

1/T為用戶數據比特率，Rb單位Hz，得出Si= Eb*Rb

用Eb/No表示設備的輸出端信噪比的推導過程如下：

其中KTF表示1比特持續時間內的噪聲功率（No）。

所以，Rb/B=1/PG，由此得輸出信噪比：

注意：對于非擴頻系統W=Rb，Eb/No在數值上等于SNR[8]。

從前邊的推導過程總結得出：擴頻系統收發器接收端的接收靈敏度計算方法如下所示。

Si又可以表示為：

用對數形式表示，擴頻系統收發器接收端接收靈敏度計算方程如下：

從擴頻系統收發器接收端接收靈敏度計算公式中可以得出：收發器接收端接收靈敏度（Si）與系統熱噪聲（F）、帶寬（B）、接收鏈路度量參數（Eb/No）擴頻增益（PG）之間的關系；另外本地振蕩器頻率精度對改善系統的靈敏度也是很重要的[9]。

1.3 在考慮相位噪聲時擴頻系統的接收靈敏度計算

文章前半部分分別對擴頻與非擴頻系統的收發機接收端靈敏度進行了一系列的推導論證，也進行了比對，研究分析了其中的差異，下邊以LMS6002D芯片為核心的收發器為例，對在考慮相位噪聲時擴頻系統的收發器接收端靈敏度進行推導計算[10]。

圖2是以LMS6002D芯片為核心的無線射頻收發模塊的接收鏈路，其接收鏈路中射頻信號從3個輸入端口進入可編程的低噪放大器中，射頻信號與鎖相環混合后直接轉換為基帶信號后進入可變增益放大器1中，然后再通過低通濾波器后產生的IQ信號通過可變增益放大器2進一步得到放大，經過兩次可變增益放大器放大，直流偏置得到抑制；使得接收到的模擬信號更為準確，通信質量得到提高。

圖2 無線射頻收發模塊的接收鏈路

對于擴頻系統的射頻接收而言，其內部結構中包含鎖相環 ，鎖相環中壓控震蕩器產生的本振信號是存在相位噪聲的，不是只有一個中心頻率，而是在中心頻率的附近伴隨著許多其它頻率，形成一個以中間的頻率為中心頻率的頻率波形[11]；另外射頻輸入信號中心頻率附近存在有阻塞信號，容易與相位噪聲中心頻率周邊的頻率相互干擾，這樣就產生了相互混頻的現象。

由噪聲系數F=PON/G PIN得出PON=G PINF；

則：混頻輸出功率：

由相位噪聲Γ（ω*Δt）=PLO（ωLO+ω*Δt）/[B PLO（ωLO）]得到:

所以：

根據定義：POS是射頻信號與本振信號混頻后的輸出功率，POB是阻塞信號與本振信號混頻后的輸出功率，PON是輸入噪聲信號（功率為PIN=KTB）經過混頻器后的輸出功率[12]，G為混頻器的轉換增益，在射頻頻帶內，B等于擴頻系統的碼片速率W[13]，處理增益（PG=W/Rb）可以定義為：PG=B/Rb；

所以：

用對數表示：

其中，B為帶寬，Γ（ω*Δt）是相位噪聲，ωRF是射頻輸入頻率，ωLO是本振頻率，ωRF+ω*Δt是阻塞信號頻率；PIS（ωRF）是射頻輸入功率，PIB（ωRF+ω*Δt）是阻塞信號輸入功率，PLO（ωLO）是本振信號在中心頻率為ωLO的功率，PLO（ωLO+ω*Δt）是本振信號在頻率為ωLO+ ω*Δt時的功率。

2 結 論

文中分別對擴頻與非擴頻系統的收發器接收端靈敏度進行了分析研究，并以LMS6002D為例對考慮相位噪聲時擴頻系統收發器接收端靈敏度進行了研究，最終推導出在考慮相位噪聲時擴頻系統收發器接收靈敏度的計算公式；公式中射頻輸入功率PIS是收發器接收端能夠接收的最小輸入功率，即收發器的接收靈敏度；公式顯示接收靈敏度與相位噪聲、熱噪聲、帶寬、接收端的噪聲指數、輸出最小信噪比以及擴頻增益等有關。

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Research of the method for calculating the sensitivity of transceiver receiver

HE Xu-meng，ZHANG Li-zhi，YAO Jing-peng，JIA Xin
（National Digital Switching System Engineering Technology Research Center，Zhengzhou 450000，China）

In consideration of the phase-locked loop to generate the local oscillator phase noise，for the calculation of the receiver sensitivity of the spread spectrum system，the analysis of the spread spectrum and non-spread spectrum transceiver system receiving end sensitivity calculation method，through the receiver sensitivity is calculated on the basis of theoretical derivation and derived in consideration of the vibration signal in the presence of phase noise spread spectrum system receiving sensitivity calculation method；finally the derived sensitivity are calculated and the results are analyzed and draw receiver sensitivity and phase noise，thermal noise，bandwidth，receive end noise index，output minimum signalto-noise ratio and the relationship between the spread spectrum gain.

RF；sensitivity；noise figure；phase noise

TN02

：A

：1674－6236（2017）01-0090-03

2016-01-05稿件編號：201601022

何旭萌（1989—），男，河南許昌人，碩士。研究方向：無線射頻通信。