摘  要：无线通信中，接收机内部噪声、环境干扰噪声共同影响接收灵敏度。文章分析了利用等效噪声温度计算接收灵敏度的方法，建立仿真模型，仿真施加白噪声干扰、单音干扰、宽带信号干扰及其组合干扰对接收灵敏度的影响。对比仿真及利用等效噪声温度计算输出信噪比结果，得出等效噪声温度计算接收灵敏度的准确性。

关键词：噪声干扰;等效噪声温度;噪声系数;灵敏度

中图分类号：TN911.4        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）13-0037-05

Analysis on the Influence of Environmental Noise Interference on Receiving Sensitivity of Wireless Communication

ZHANG Feilong

（Southwest China Institute of Electronic Technology， Chengdu  610036， China）

Abstract： In wireless communication， the receiver internal noise and environmental interference noise mutually affect the receiving sensitivity. This paper analyzes the method of calculating the receiving sensitivity by using the equivalent noise temperature， establishes a simulation model to simulate the influence of white noise interference， single-tone interference， broadband signal interference and their combined interference on the receiving sensitivity. Comparing the simulation and using the equivalent noise temperature to calculate the output signal-to-noise ratio results， and calculates the accuracy of the receiving sensitivity by obtained equivalent noise temperature.

Keywords： noise interference; equivalent noise temperature; noise coefficient; sensitivity

0  引  言

在无线通信系统设计中，对接收灵敏度的考量主要取决于接收机的噪声系数。在实际应用中，由于受天电干扰、工业干扰、地外星系、大气以及地面辐射、其他射频微波辐射源干扰的影响，无源天线接收噪声功率谱密度不能再以-174 dBm/Hz考量[1-3]。实际测试发现，超短波频段实际接收噪声功率谱密度在-160 dBm/Hz左右。工程设计中需要定量计算外界干扰噪声、接收机的噪声系数共同作用对接收灵敏度的影响[4]，本文着重分析利用等效噪声温度来计算存在环境干扰噪声时的接收灵敏度，并通过仿真不同功率白噪声干扰、单音干扰、宽带信号干扰及其组合干扰与接收机内部噪声对接收灵敏度的影响，验证了利用等效噪声温度计算接收灵敏度的准确性。

1  利用等效噪声温度计算接收灵敏度

1.1  接收灵敏度

在满足系统解调要求的输出信噪比情况下，有效输入最小信号功率称为系统灵敏度。接收灵敏度的计算公式为：

其中，Pr为接收信道输入功率（满足解调的最小功率为灵敏度）;为解调时要求接收信道的输出信噪比;K为普朗克常数1.38×10-23;T为开尔文温度，常温下为290 K;BN为接收信道中频带宽;FN为接收信道噪声因子。上述参数中与调制方式及误码率有关，BN与波特率及技术体制相关，在常温下，不考虑外界噪声的情况下，将上述公式用对数表示可得：

Pr=-174+10lgBN+NF+SNR

从上式可以看出，调制波形一定的情况下，接收灵敏度与接收信道输入噪声功率谱密度（常温下为-174 dBm/Hz）以及接收信道的噪声系数NF有关。实际应用中，在考量接收信道输入噪声时不但要考虑热噪声的影响，还需考虑其他干扰噪声对接收灵敏度的影响。当接收信道输入端存在其他干扰噪声影响时，此时接收信道输出噪声表现为信道内部有源器件的热噪声与环境噪声的共同作用，显然将实际测试得到的环境噪声功率谱密度代入上式得到的接收灵敏度是错误的。下面分析如何利用等效噪声温度计算接收灵敏度。

1.2  等效噪声温度

有源器件内部噪声的一种表示方法是将内部噪声折算到输入端，用噪声温度表示，有源器件本身被认为是没有噪声的理想器件[5]。

假设：

APH为有源器件的增益;T为有源器件输入端干扰噪声等效噪声温度;T′为有源器件内部噪声等效噪声温度;Pni为有源器件输入端干扰噪声功率;Pno为有源器件输出端干扰噪声功率;P'ni为有源器件内部噪声折算到输入端后的输入噪声功率;P'no为有源器件内部噪声输出端噪声功率;P'no为有源器件總的输出噪声功率;FN为有源器件噪声因子。

则：

Pni=kTBN

Pno=Pni·ApH

P'ni=KT'BN

P'no=P'ni·ApH

得：

T′=（Fn-1）·T

即有源器件内部噪声的等效噪声温度可用噪声因子Fn与输入端等效噪声温度T表示。

将接收信道内部噪声用噪声因子Fn与输入端等效噪声温度T表示，可得接收信道输出端总的噪声功率为：

P"no=ApH k（T+T'）BN

若输入端的等效噪声温度Tin=T+T′，则有源器件总的输出端噪声功率为：

Pno=ApHKTinBN

由接收灵敏度计算公式：

将噪声因子Fn用等效噪声温度替换：

则由输入端的等效噪声温度：Tin=T+T′可得：

通过上述公式推导得，接收灵敏度的计算可以将干扰噪声的等效噪声温度与接收信道内部噪声的等效噪声温度相加计算。

2  干扰噪声对接收灵敏度的影響仿真

为了验证上述第二节中所推导得出的等效噪声温度计算灵敏度公式的准确性，在SystemVue仿真软件建立超外差接收信道仿真模型。在接收信道输入端分别加入AM调制信号作为有用信号，以高斯白噪声、8PSK宽带调制信号、单音干扰作为干扰噪声，仿真不同输入噪声功率的条件下，接收信号的输出信噪比，将仿真结果与利用等效噪声温度计算接收灵敏度做对比，得出利用等效噪声温度计算接收灵敏度的可行性。

2.1  仿真模型建立

超短波电台使用超外差架构，利用射频、中频滤波器可有效滤除带外干扰、组合干扰、镜频干扰，但却无法滤除带内干扰。首先，如图1所示，在SystemVue仿真软件射频系统仿真中搭建仿真模型，仿真接收信道的噪声系数、线性度等指标，仿真结果如图2、图3所示。在SystemVue仿真软件数字系统仿真中搭建高斯白噪声、8PSK宽带调制信号、单音干扰作为干扰噪声模型，将干扰噪声分别输入到超外差接收信道中，测量接收信道输入、输出信噪比，仿真结果如图4所示。

超外差接收信道对接收射频信号做滤波、放大处理，通过两次混频将射频信号（仿真频率134 MHz）变频到固定中频（仿真频率70 MHz）。通过仿真及参数调整，设定该超外差信道的噪声系数为8.9 dB，增益为79.9 dB。当输入信号功率为-89 dBm时，通道的输出功率为-9 dBm，小于接收信道输出P-1值20 dB，满足回退要求。这样在进行噪声干扰对接收信噪比的影响分析时将以上述仿真数据作为参考，同时控制输入信号幅度，避免由于接收信道的非线性失真造成仿真结果的不准确。

为了能同时有效测量噪声信号功率、有用信号功率，将超外差信道接收中频滤波器带宽设置为1 MHz，以方便后续测量验证。中频滤波器对临道干扰有很好的抑制作用，但却无法抑制带内白噪声、宽带干扰信号，所以改变中频滤波器带宽的设置不会影响宽带干扰仿真准确性。

2.2  仿真结果分析

以上述超外差仿真模型作为接收信道，在SystemVue仿真软件数字仿真系统中搭建不同干扰类型的仿真模型，将其叠加后输入超外差接收信道。分别统计超外差接收信道输入、输出信噪比。统计方法以中频输出信噪比为例进行说明：以频率70 MHz为中心，对40 KHz带宽内的信号功率谱密度积分，得到中频输出信号的功率。以频率69.9 MHz为中心，对40 KHz带宽内的噪声功率谱密度积分，得到噪声的功率。统计结果如图5所示。

2.2.1  白噪声对接收灵敏度的影响

利用等效噪声温度理论计算输入、输出信噪比时，将接收信道噪声系数、白噪声输入功率谱密度根据前述公式折算为噪声温度，不考虑非线性影响，计算接收信道输入信噪比、输出信噪比。

仿真计算时，将高斯白噪声与AM调制信号叠加，改变高斯白噪声输出功率，分别统计不同输入白噪声功率条件下，接收信道输入、输出信噪比。

将理论计算数据与仿真分析数据画图，如图6所示。

根据等效噪声温度计算与仿真结果对比可以看出，当输入白噪声功率较小时，接收信道内部有源器件噪声对接收信号信噪比的恶化起主要作用。当环境白噪声干扰功率逐渐增大时，接收信道输入、输出信噪比逐渐趋于一致，即外界噪声对接收信道输出信噪比起主要作用。从等效噪声温度考虑，当噪声系数一定时，接收信道等效噪声温度是固定的，当外界干扰噪声功率达到一定程度时，干扰噪声的等效温度几十倍于接收信道的等效噪声温度，因此外界干扰噪声功率越大，其对接收信道输出信噪比的影响越大。仿真结果与利用等效噪声温度计算结果基本一致。

2.2.2  单音干扰对接收灵敏度的影响

在偏离AM调制信号100 Hz处叠加一个单音干扰，改变单音信号的输入功率，利用等效噪声温度计算、仿真不同单音干扰输入功率下接收信道输入信噪比、输出信噪比。

将理论计算数据与仿真分析数据画图，如图7所示。

与白噪声类似，当单音干扰功率逐渐增大时，接收信道输入、输出信噪比逐渐趋于一致。

2.2.3  宽带信号干扰对接收灵敏度的影响

在SystemVue中生成一个带宽1 MHz的8PSK调制信号，将其与AM调制信号叠加，改变8PSK调制信号的输出功率（本文仅考虑AM调制信号带内40 KHz干扰功率），分别仿真、利用等效噪声温度计算不同输入功率条件下接收信道输入、输出信噪比。

将理论计算数据与仿真分析数据画图，如图8所示。

2.2.4  组合干扰对接收灵敏度的影响

考虑不同干扰组合对接收灵敏度的影响，在SystemVue中将白噪声干扰、单音干扰、宽带信号干扰与AM调制信号叠加，改变三种干扰信号的平均功率谱密度，仿真不同干扰功率条件下，接收信道输入、输出信噪比并与利用等效噪声温度计算结果对比。

将理论计算数据与仿真分析数据画图，如图9所示。

将以等效噪声温度方式计算接收信道输出信噪比与仿真结果对比，可以看出通过将接收机内部噪声、环境噪声等效为噪声温度，利用等效噪声温度计算可以真实地反映出接收信道输出信噪比。根据这一计算结果，结合不同调制模式解调所需的信噪比，可以定量地计算接收信道的真实灵敏度。

3  结  论

接收机内部噪声、外部干扰噪声均使接收机接收灵敏度下降。在不考虑接收信道非线性的情况下，接收机外部干扰噪声落入接收机带内的功率较小时，接收机内部噪声对接收信噪比的影响较大。接收机外部干扰噪声逐渐增大时，接收信道输出信噪比大小取决于外部干扰噪声功率。仿真结果表明，可将外界干扰噪声的平均功率、接收机内部噪声换算为等效噪声温度计算无线通信系统的接收灵敏度。

参考文献：

[1] 邹家禄，张广福，程时昕.城市无线电噪声的测量及分布规律研究 [J].通信学报，1997（8）：64-71.

[2] RILEY N G，DOCHERTY K. Modelling and measurement of man-made radio noise in the VHF-UHF bands [C]//International Conference on Antennas & Propagation.Eindhoven：IET，1995.

[3] WEPMAN J A，SANDERS G A. Wideband Man-Made Radio Noise Measurements in the VHF and Low UHF Bands[EB/OL].[2021-05-20]. https：//permanent.access.gpo.gov/gpo17152/11-478.pdf.

[4] 吳伟伟，秦顺友.频谱仪的本底噪声对天线噪声温度测量的影响 [J].河北省科学院学报，2017，34（2）：28-33.

[5] 高吉祥.高频电子线路：第3版 [M].北京：电子工业出版社，2011.

作者简介：张飞龙（1988—），男，汉族，河南周口人，工程师，硕士，研究方向：射频通信电路设计、通信系统设计。