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什么是接收机灵敏度?

2024-03-22 射频学堂 阅读:
我们今天一起来学习一下 接收机灵敏度这个指标。

线接收机作为无线通信系统中最重要的一环,其性能的优劣直接影响到整个通信系统的通信质量。评价一个无线接收机好坏的关键参数有:接收灵敏度,相邻/相间信道选择性,单频钝化,干扰阻塞,动态范围等等。 很难说出哪个指标最为关键,但是灵敏度确实是接收机一项最为重要的指标。nMXednc

我们今天一起来学习一下 接收机灵敏度这个指标。nMXednc

灵敏度定义nMXednc

无线接收机的灵敏度定义为能够实现系统要求错误率所需要的最小信噪比的最弱射频信号功率。这里的错误率包括误码率或者误帧率。接收机的灵敏度也随着具体的信号调制和特性,信号传播信道和其他的噪声电平而改变。不同通信系统对接收灵敏度的要求也不一样。 nMXednc

通常无线接收机的灵敏度要求如下表所示:nMXednc

Bluetooth: -70 dBm to -100 dBm
Wi-Fi: -40 dBm to -80 dBm
Cellular: up to -120 dBm
LoRa: up to -130 dBm 
GNSS: -140 to -165 dBm
ZigBee: -85 to -92 dBm
看上去是不是也还好,但是如果把上面的dBm转换成mW,你就能真正感受到无线接收机的厉害了。即使以毫瓦为单位,前面还得加好多零。可能用dBm 习惯了,即使做了好多年接收机的同学,可能也没意识到原来接收机竟然这么牛x, 真是一点点的风吹草动,都能了如指掌啊。
Bluetooth: 0.0000001mW to 0.0000000001 mW
Wi-Fi: 0.0001 mW to 0.00000001 mW
Cellular: up to 0.000000000001mW
LoRa: up to 0.0000000000001 mW
GNSS: 0.00000000000001mW to 3.1622776602e-17 mW
ZigBee: 3.1622776602e-9 mW to 6.3095734448e-10mW

最牛逼的还是卫星导航系统,竟然能够做到-165dBm,这个值可是非常接近底噪了。nMXednc

灵敏度计算
接收机的灵敏度公式可以通过接收机的噪声系数来推导。那什么是噪声系数呢?
在解释噪声系数之前,我们先来熟悉一个名词:载噪比CNR,射频和模拟基带信号的的电平和噪声的比值称为载噪比,以此将其和数字基带信号的信噪比SNR做区分。
噪声系数就是输入载噪比输出载噪比之比。
公式如下:
上面公式中,Ps就是接收机输入端期望的信号功率;PNi 就是接收机噪声频带BW内的集成热噪声功率。 
共轭匹配下,集成热噪声功率PNi可以表示为:
上式中的k 就是著名的玻尔兹曼常数,
而 T0 就是室温, T0=290K。
这样我们就可以反推得到接收机输入端的信号功率 Ps
假定根据灵敏度电平能够得到定义的错误率所需要的最小输出信噪比为(C/N)min, 那么就可以得到:
转换为射频中最常用的dB形式(Smin(dBm))就是,
进一步化简就得到了这个熟悉的灵敏度公式:
式中 
对于给定的通信系统,载波带宽BW是一个已知值,不同载波带宽BW,对应的热噪声功率如下表所示:

载波带宽BWnMXednc

热噪声功率nMXednc

注释nMXednc

1 HznMXednc

-174 dBmnMXednc

10 HznMXednc

-164 dBmnMXednc

100 HznMXednc

-154 dBmnMXednc

1kHznMXednc

-144 dBmnMXednc

10 kHznMXednc

-134 dBmnMXednc

FM信道的无线对讲机nMXednc

100 kHznMXednc

-124 dBmnMXednc

180 kHznMXednc

-121.45 dBmnMXednc

一个LTE资源块nMXednc

200 kHznMXednc

-121 dBmnMXednc

GSM信道nMXednc

1 MHznMXednc

-114 dBmnMXednc

蓝牙信道nMXednc

2 MHznMXednc

-111 dBmnMXednc

商业GPS信道nMXednc

3.84 MHznMXednc

-108 dBmnMXednc

UMTS信道nMXednc

6 MHznMXednc

-106 dBmnMXednc

模拟电视信道nMXednc

20 MHznMXednc

-101 dBmnMXednc

WLAN802.11信道nMXednc

40 MHznMXednc

-98 dBmnMXednc

WLAN802.11n40 MHz 信道nMXednc

80 MHznMXednc

-95 dBmnMXednc

WLAN802.11ac80 MHz 信道nMXednc

160 MHznMXednc

-92 dBmnMXednc

WLAN802.11ac160 MHz 信道nMXednc

1 GHznMXednc

-84 dBmnMXednc

超宽信道nMXednc

除了载波带宽BW这个已知项之外,最小载噪比CNR,在无线通信标准中都有明确的定义,这样接收机的灵敏度和噪声系数NF 就是直接相关参量了。
比如,对于一个CDMA制式的移动无线接收机,已知当误帧率为0.5%时的最大 CNR min 等于1dB,接收机载波带宽为1.25MHz。这个无线接收机的灵敏度就是:

nMXednc

如果接收机的噪声系数NF =6dB,那么这个移动接收机的灵敏度就是-108.9dB。
也就是说,灵敏度的设计直接就转换成了噪声系数的设计,而噪声系数又是由接收链路中一连串的器件决定的。比如天线的损耗,滤波器的插入损耗IL,低噪声放大器LNA的增益,等等。
 
所以为了提高接收机的灵敏度,就变成了如何降低接收链路的噪声系数NF了。
下次我们一起学习一下接收机噪声系数NF 这个指标。

 

责编:Ricardo
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