收发器接收端灵敏度计算方法的研究

何旭萌，张立志，姚景朋，贾 鑫

（国家数字交换系统工程技术研究中心 河南 郑州450000）

收发器接收端灵敏度计算方法的研究

何旭萌，张立志，姚景朋，贾 鑫

（国家数字交换系统工程技术研究中心 河南 郑州450000）

文中在考虑锁相环产生的本振信号存在相位噪声的情况下，针对计算扩频系统的接收灵敏度，采用了分析扩频与非扩频系统收发器接收端灵敏度的计算方法，通过接收机灵敏度计算基础理论推导，得出在考虑本振信号存在相位噪声时扩频系统接收灵敏度的计算方法；最后对推导出的灵敏度计算结果进行了总结分析，并得出接收灵敏度与相位噪声、热噪声、带宽、接收端的噪声指数、输出最小信噪比以及扩频增益的关系。

射频；灵敏度；噪声指数；相位噪声

收发器接收端灵敏度指的是在确保误比特率不超过某一特定值的情况下，在用户终端天线端口测得的最小接收功率。收发器接收端灵敏度是收发器一个重要的性能指标，是判断基站收发器接收端接收微弱信号的能力，也是制约基站上行覆盖范围的决定性因素[1]；合理地确定收发器接收端接收灵敏度能够直接决定基站射频收发器的性能及其可实现性；因此对收发器接收端接收灵敏度计算方法的研究是非常有必要的。

1 收发器接收端灵敏度的计算方法

1.1 非扩频系统

首先，接收机输入输出端的信噪比有以下关系[2]：

其中，F为系统噪声、Ni=KTB为输入噪声功率 （K= 1.38*10-23J/K是玻尔兹曼常数、T=290K是绝对温度、B是噪声带宽）

根据收发器接收端灵敏度的概念得知：当输出信噪比（S/N）O满足噪声门限，即误码率小于0.01时，则输入信号的功率Si即为接收灵敏度：

其中的K、T为常数，另外乘性算法等于对数加法[3]，则收发器接收端灵敏度以对数形式表示有：

从公式（3）可以得到：在非扩频系统中不考虑相位噪声时，收发器接收端接收灵敏度与热噪声（NF）、带宽（B）、输出信噪比（S/N）O之间的关系；要提高收发器接收端接收灵敏度，即降低Si（dbm），可以通过降低热噪声 （NF）、带宽 （B）、输出信噪比（S/N）O等来达到提高接收端接收灵敏度的目的[4]。

1.2 扩频系统

如图1所示：扩频通信系统是指在收发器发送端将待传送的数据信息通过采用伪随机编码序列的调制，实现频谱扩展后再传输[5]；收发器接收端则采用相同的伪随机编码序列对数据信息进行解调；换句话说，这种收发器接收端的解调起到了解扩的作用。

图1 扩频通信系统接收端架构框图

在扩频数字通信收发器中，接收链路度量参数Eb/No与接收端灵敏度所需的射频信号功率值的计算关系是从系统噪声系数NF中推导出来的。

根据定义，F是收发器接收端的信噪比与收发器输出端的信噪比的比值[6]；在扩频系统中，噪声带宽B等于码片速率W，扩频增益PG=W/Rb。

因此，可以定义为：

用输入噪声Ni表示No：

革兰阴性需氧菌：流感嗜血杆菌、副流感嗜血杆菌、卡他莫拉菌、不动杆菌属、耶尔森菌属、嗜肺军团菌、百日咳杆菌、副百日咳杆菌、志贺菌属、巴斯德菌属、霍乱弧菌、副溶血性弧菌、类志贺吡邻单胞菌。对大肠杆菌、肠炎沙门氏菌、伤寒沙门氏菌、肠杆菌属、嗜水性气单胞菌属和克雷白杆菌属的活性不尽相同，需进行敏感性试验。对变形杆菌属、沙雷菌属、摩根菌属和绿脓单胞杆菌通常是耐药的。

得到：

调制信号的平均功率定义为S=Eb/T，其中Eb为比特持续时间内的能量，T是比特持续时间（以秒为单位）[7]。

调制信号的平均功率与用户数据速率之间的关系按下面的式子计算：

1/T为用户数据比特率，Rb单位Hz，得出Si= Eb*Rb

用Eb/No表示设备的输出端信噪比的推导过程如下：

其中KTF表示1比特持续时间内的噪声功率（No）。

所以，Rb/B=1/PG，由此得输出信噪比：

注意：对于非扩频系统W=Rb，Eb/No在数值上等于SNR[8]。

从前边的推导过程总结得出：扩频系统收发器接收端的接收灵敏度计算方法如下所示。

Si又可以表示为：

用对数形式表示，扩频系统收发器接收端接收灵敏度计算方程如下：

从扩频系统收发器接收端接收灵敏度计算公式中可以得出：收发器接收端接收灵敏度（Si）与系统热噪声（F）、带宽（B）、接收链路度量参数（Eb/No）扩频增益（PG）之间的关系；另外本地振荡器频率精度对改善系统的灵敏度也是很重要的[9]。

1.3 在考虑相位噪声时扩频系统的接收灵敏度计算

文章前半部分分别对扩频与非扩频系统的收发机接收端灵敏度进行了一系列的推导论证，也进行了比对，研究分析了其中的差异，下边以LMS6002D芯片为核心的收发器为例，对在考虑相位噪声时扩频系统的收发器接收端灵敏度进行推导计算[10]。

图2是以LMS6002D芯片为核心的无线射频收发模块的接收链路，其接收链路中射频信号从3个输入端口进入可编程的低噪放大器中，射频信号与锁相环混合后直接转换为基带信号后进入可变增益放大器1中，然后再通过低通滤波器后产生的IQ信号通过可变增益放大器2进一步得到放大，经过两次可变增益放大器放大，直流偏置得到抑制；使得接收到的模拟信号更为准确，通信质量得到提高。

图2 无线射频收发模块的接收链路

对于扩频系统的射频接收而言，其内部结构中包含锁相环 ，锁相环中压控震荡器产生的本振信号是存在相位噪声的，不是只有一个中心频率，而是在中心频率的附近伴随着许多其它频率，形成一个以中间的频率为中心频率的频率波形[11]；另外射频输入信号中心频率附近存在有阻塞信号，容易与相位噪声中心频率周边的频率相互干扰，这样就产生了相互混频的现象。

由噪声系数F=PON/G PIN得出PON=G PINF；

则：混频输出功率：

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

所以：

根据定义：POS是射频信号与本振信号混频后的输出功率，POB是阻塞信号与本振信号混频后的输出功率，PON是输入噪声信号（功率为PIN=KTB）经过混频器后的输出功率[12]，G为混频器的转换增益，在射频频带内，B等于扩频系统的码片速率W[13]，处理增益（PG=W/Rb）可以定义为：PG=B/Rb；

所以：

用对数表示：

其中，B为带宽，Γ（ω*Δt）是相位噪声，ωRF是射频输入频率，ωLO是本振频率，ωRF+ω*Δt是阻塞信号频率；PIS（ωRF）是射频输入功率，PIB（ωRF+ω*Δt）是阻塞信号输入功率，PLO（ωLO）是本振信号在中心频率为ωLO的功率，PLO（ωLO+ω*Δt）是本振信号在频率为ωLO+ ω*Δt时的功率。

2 结 论

文中分别对扩频与非扩频系统的收发器接收端灵敏度进行了分析研究，并以LMS6002D为例对考虑相位噪声时扩频系统收发器接收端灵敏度进行了研究，最终推导出在考虑相位噪声时扩频系统收发器接收灵敏度的计算公式；公式中射频输入功率PIS是收发器接收端能够接收的最小输入功率，即收发器的接收灵敏度；公式显示接收灵敏度与相位噪声、热噪声、带宽、接收端的噪声指数、输出最小信噪比以及扩频增益等有关。

[1]Gary Levy.选择收发器需考虑灵敏度问题[J].今日电子，2014，12（12）:45-47.

[2]魏本富，马成炎，袁国顺.射频接收端灵敏度的研究[J].电信技术，2015，2（14）:216-219.

[3]邓维川，程木海，高峰.光收发模块灵敏度测试方法探讨[J].电子测量技术，2010，33（4）:7-11.

[4]Maxim.利用外部低噪放大器（LNA）改善接收机灵敏度[J].电子设计工程，2010，18（1）:25-28.

[5]吴志红，冯佳筠，朱元.基于TDA5255的射频收发器设计[J].新特器件应用，2011，15（2）:55-57.

[6]Matt Loy.Understanding and Enhancing Sensitivity in Receivers for Wireless Applications[R].2014.

[7]申江.一种直放站用的收发器的设计与实现[D].四川:电子科技大学，2012.

[8]郑仁亮.OFDM超宽带射频收发器设计关键问题及单芯片实现[D].上海:复旦大学，2012.

[9]楼健全.射频收发系统设计与实现[D].北京:北京邮电大学，2015.

[10]黎山.GPS软件接收机基带关键技术的研究与实现[D].广州:暨南大学，2014.

[11]张明昊.CDMA800M射频收发系统的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学，2013.

[12]孙磊.光纤收发器自动测试系统的设计与研究[D].山东:山东大学，2010.

[13]刘海涛.高灵敏度GPS/Galileo双模导航接收机的研究与开发[D].湖南:国防科技大学，2009.

[14]陈殿玉.一个新颖的用于CT0标准的数字收发器[J].半导体学报，2014，28（6）:23-25.

[15]黄志伟.基于射频收发芯片nRF401的计算机接口电路设计[J].微电子学与计算机，2012，19（5）:12-15.

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稿件编号：201601022

何旭萌（1989—），男，河南许昌人，硕士。研究方向：无线射频通信。