浅谈无线通信关键要素之噪声

1、什么是噪声？

我的一个初中同学，说他成绩差的原因是家里没有好的学习环境。他爸爸经常招呼一帮人在家喝酒，说笑声、唱歌声，让他很烦。更可恶的是那帮人互相吹捧和自我吹捧得异常陶醉，这些人的噪声让他无法忍受，如下图所示。

那么大家知道噪声是什么吗？

繁忙的街道上两人说话，距离略微远一点就无法正常交流了。这样的环境下说话会受到哪些影响呢？

往来汽车的滴滴声（人类之外的嗓声）、人群的嘈杂声（人类的噪声），都是人们正常交流时可碰到的声波嗓声。 这些噪声随着环境的不同，噪声大小不同，影响程度也不同，我们无法对特定时刻某个具体噪声的大小进行预测，但它肯定有一定的统计规律。

在无线电波的信号处理和传播过程中，也会遇到无法确切预测，但有概率统计规律的电磁波干扰信号，这种信号不冋于特定频率的无线电波之间的相干扰，它在很宽的频带范围内存在，称之为噪声。

噪声分为系统内部噪声和系统外部噪声。系统内部噪声包括与环境温度相关的热噪声、电子管工作时产生的噪声、信号与噪声之间的互调产物等等。系统外噪声来自雷电风雨产生的噪声、汽车的点火噪声、其他用电 设备产生的噪声。

2、什么是白噪声、高斯白噪声和噪声谱密度？

旧的用电设备如收音机打幵后，可能会听到“嗡嗡”的声音。现实生活中，只要是用电设备，它的温度肯定大于绝对零度，必然存在热噪声。在研究热噪声对射频器件的影响时，可以把它看作是高斯白噪声。

白噪声：

白噪声是指功率谱密度为常数、能量在整个频域内均匀分布的随机信号或随机过程。理想白噪声的带宽无限大，因而其能量也无限大，这在现实世界中是不可能存在的。

理想白噪声的提山只足为了让我们在数学分析上更加方便。只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用的系统带宽，在系统带宽范围内其频谱密度基木上可以作为常数来考虑，也就是说可以把它当作白噪声来处理。

高斯噪声：

如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称之为高斯白噪声。

幅度服从高斯分布就是其幅度概率密度分布以 均值为轴对称，在均值处极大，在一个方差处为概率密度曲线的拐点。两个正交高斯噪声信号之和的包络服从瑞利分布。高斯噪声的线性组合仍是高斯噪声。对独立的噪声源产生的噪声求和时，将功率直接相加。

噪声谱密度：

单位带宽内分布的噪声功率称为噪声谱密度。由于高斯白噪声的功率谱密度是均匀分布的，理论上在无限带宽范围内的噪声功率是无穷大的，但幸好一切接收设备都只能接收一定带宽范围内的噪声，否则这些设备都会被噪声冲击而丧失功能。如同人的耳朵只能接收一定频率的声波，如果各个频率的声音都能接收，对人类来说，绝对是一场噩梦。

系统的热噪声功率与绝对温度的大小、系统带宽的大小有直接关系，单位是dBm, 用公式表示为：

在常温下，任何用电系统每赫兹的热噪声功率是-174dBm。用电系统是有一定的工作频率范围的，系统底噪的计算就是噪声功率谱密度和系统带宽的乘积。

3、什么是相位噪声？

从北京飞往上海的航班排好后，每天按照固定的时刻起飞降落，周而复始。 但是一天由于天气原因，航班无法正常起飞和降落，很多航班相对正常时间都有所延误（相位的变化），引起了航班安排的混乱。

相位噪声就是指系统（如各种射频器件）在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化。描述无线电波的三要素是幅度、频率、相位。频率和相位相互影响。理想情况下，固定频率的无线信号波动周期是固定的，正如飞机的正常航班一样， 起飞时间是固定的。频域内的一个脉冲信号（频谱宽度接近0)在时域内足一定频率的正弦波。

但实际情况是信号总有一定的频谱宽度，而且由于噪声的影响，偏离中心频率的很 远处也有该信号的功率，正如有延误1小时以上的航班一样；偏离屮心频率很远处的信号叫做边带信号，边带信号可能被挤到相邻的频率中去，正如延误的航班可能挤占其他航班的时间，从而使航班安排变得混乱。这个边带信号就叫做相位噪声。

如何描述相位噪声的大小呢？在偏移中心频率一定范围内，单位带宽内的功率与总信号功率的比，单位为dBc/Hz。

如果要评估某一天天气对航班的影响，也可以用类似的思路，定义晚点1小时以上的航班和航班总数的比例。当然了，这个比例越小越好。射频器件系统内的热噪声可能导致相位噪声的产生。

相位噪声的大小可以反映出射频器件的优劣。在设计和使用射频器件时，要注意射 频器件对相位噪声的抑制能力。相位噪声越小，射频器件越好。

4、什么是信噪比？

悟空问八戒：“你要找什么样的女朋友？ ”

八戒回答：“当然是越漂亮越好。”

悟空问道：“让你追一辈子，你还要不要？ ”

八戒嗫嚅道：“不敢要了。”

悟空问沙僧：“你希望什么样的上网速度？ ”

沙僧回答：“当然是越快越好。”

悟空问道：“1比特要你两块钱，你还上不上？ ”

沙僧嗫嚅道：“不敢上了。”

悟空问唐僧：“你要什么样的坐骑？ ”

唐僧回答：“速度越快越好，越省油越好，越安全越好。”

悟空问道：“要你把北京的房子卖了，买个有面子的车，你还买不买？ ”

唐僧嗫嚅道：“不敢买了。”

悟空总结道：“要得到好处的时候，你一定要付出代价。你要考虑的是， 你得到的好处和付出的代价相比是否合适，也就是性价比的问题。不是好处越多越好，而是性价比越高越好。”如图2-4所示。

无线通信领域的信噪比，简单地说，就是有用信号和噪声（主要是加性噪声）的功率之比，通常以SNR表示。

有用信号的可靠传送是我们想要获得的好处；有用信号在传输的过程中，必然会引入各种噪声，最起码有热噪声，这就是我们要付出的代价。 理解信噪比时应该注意以下3点：

(1) 在不考虑成本的前提下，信噪比越人越好。

(2) 增加冇用信号强度、控制干扰和噪声，可以提高信噪比。

(3) 在极少的应用场合中（如相机、MP3等），以有用信号和噪声的电压之比表示 信噪比。在 一般情况下，从量级上看，以功率表示的信噪比可以近似（有很多因素的影响， 是严格的等量关系）地认为是以电压表示信噪比的平方。如果用分贝(dB)表示的话， 同样射频条件下，可以近似地认为以功率表示的信噪比是以电压表示的信噪比的2倍。

5、什么是噪声系数？

话说八戒和高小姐结婚几年后，悟空问八戒：“怎么样，小日子不错吧！”

八成一脸苦相，说：“别提了，高小姐性价比降低很多了。面色老了很多，脾气坏了很多，生活懒散了很多，还不断地和我要更高的生活费（类似有用信号比例减少，噪声增大）。”如图2-5所示。

高小如性价比的降低高小姐婚前的性价比（相当于射频器件的信噪比）比婚后的性价比高出很多倍，这个倍数可以称为婚姻魔盒系数，用于描述婚姻质量。

射频器件本身就会引入新的噪声，输入端倍噪比会比输出端的信噪比高一些。输入端信噪比和输出端信噪比之比就是射频器件的噪声系数，如图2-6所示。

其中：SNRin为输入端信噪比；SNRout为输出端信噪比。

噪声系数可以衡量接收机、放大器等射频器件的射频（RF)性能。它表示经过射频器件后，信号有用功率的相对损失和噪声功率的相对放大。基站的噪声系数一般为3〜 5dB,向用户移动台的噪声系数一般为7〜9dB。