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噪聲、相位噪聲、信噪比、噪聲系數(shù)在通信系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)用到的術(shù)語(yǔ)，從名字上看他們都跟噪聲有關(guān)。那么，它們之間有什么區(qū)別呢，又是如何聯(lián)系起來(lái)的呢？
噪聲
噪聲在無(wú)線通信系統(tǒng)中是一種較為常見的干擾，往往會(huì)影響到通信系統(tǒng)的性能。它由于電子的布朗運(yùn)動(dòng)，電子進(jìn)行無(wú)規(guī)則的熱振蕩運(yùn)動(dòng)，它也是一種不確定性隨機(jī)的信號(hào)，我們稱為熱噪聲或白噪聲（white noise）。
白噪聲我們可以用下面的公式表示：
其中，
- k：Boltzmann常量1.38*10^-23 J/K；
- T：開氏溫度（0開氏度等于-273.15C或-459.69F）；
- B：測(cè)量帶寬，單位Hz；
理論上，白噪聲的功率譜密度是一個(gè)常量，意味著在頻域上每一個(gè)頻點(diǎn)上的功率值是一樣的，為什么這么說(shuō)？
我們先看看什么是功率譜密度？功率譜密度是信號(hào)在頻域上的密度，表征了功率與頻率的關(guān)系的一個(gè)物理量，其單位為W/Hz或dBm/Hz。
現(xiàn)在我們知道了功率譜密度并結(jié)合噪聲的計(jì)算公式，是不是醍醐灌頂?shù)母杏X？實(shí)際上從公式上來(lái)看，白噪聲實(shí)際上跟頻率無(wú)關(guān)，任何頻率的功率譜密度都是恒定的。不過(guò)，隨著帶寬的增加，它的功率也相應(yīng)的增加，理論上當(dāng)帶寬無(wú)限大的情況下，其功率也是無(wú)限大的。
也有一些特殊的白噪聲，比如，它的幅度分布服從高斯分布，我們就叫做高斯白噪聲，它是一種功率譜密度分布均勻的噪聲。我們可以使用Python對(duì)其進(jìn)行仿真：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import random
N = 1024
noise = (np.random.randn(N)) * 0.1
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(np.abs(noise))
plt.subplot(2, 1, 2)
plt.hist(noise)
plt.show()
上面的仿真代碼中，我們使用隨機(jī)函數(shù)randn生成一組概率分布成正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)。
Noise
在任何無(wú)線系統(tǒng)中都有白噪聲，它是系統(tǒng)所固有的且不能夠被消除。在日常的使用頻譜分析儀測(cè)試過(guò)程中，如果頻譜上的信號(hào)過(guò)低時(shí)，噪聲常常會(huì)把噪聲淹沒，這樣就無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)的大小。那該怎么辦呢？
這里其實(shí)可以有兩個(gè)方法可以使得測(cè)試更加準(zhǔn)確：
- 使用平均值的測(cè)試
- 將RBW調(diào)低
相位噪聲
通常，我們除了噪聲之外，還經(jīng)常使用到相位噪聲。什么是相位噪聲？從它的名字上可以發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)關(guān)鍵字相位和噪聲；的確，相位噪聲是跟相位有關(guān)的，它表征的是系統(tǒng)相位信號(hào)的隨機(jī)變化。我們先來(lái)看一下相位噪聲的定義：
相位噪聲是噪聲功率密度與載波功率之比的分貝數(shù)。
公式如下表示：
其中，
- Pn：測(cè)量帶寬噪聲功率；
- P：載波信號(hào)功率；
- △f: 測(cè)量帶寬；
- 單位：dBc/Hz。
如下圖，在頻域上以中心頻點(diǎn)f0為基準(zhǔn)向單邊偏移w到fm位置，△f為噪聲的測(cè)量帶寬（圖中為1Hz）。我們根據(jù)fm位置按照測(cè)量帶寬的平均噪聲功率和信號(hào)功率的比值，即可得出相位噪聲。
或許大家有一些疑惑，從相位噪聲的公式上看不出來(lái)跟相位什么關(guān)系呀？
因?yàn)槲覀兪窃陬l域的功率譜上進(jìn)行分析和計(jì)算相位噪聲的，所以，這里大家看不到相位相關(guān)的信息。實(shí)際上，它是由于信號(hào)的相位抖動(dòng)產(chǎn)生的，它和抖動(dòng)是同一種想象的不同描述方式。相位噪聲是我們?cè)陬l域上的描述和測(cè)量方式，抖動(dòng)是時(shí)域上的描述方法。
我們可以通過(guò)仿真的方法來(lái)理解，以CW信號(hào)為例，下面我們先生成一個(gè)理想的CW信號(hào)。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
fs = 20
N = 128
fc = 5
n = np.linspace(0, N-1, N)
t = n / fs
f = n * fs / N - fs/2
yt = np.exp(1j*2*np.pi*fc*t)
yf = np.fft.fftshift(np.fft.fft(yt))
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(t,np.abs(yt))
plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(f, np.abs(yf))
plt.show()
理性的CW信號(hào)頻域表現(xiàn)比較平坦，載波附近沒有明顯信號(hào)抬升。
CW信號(hào)
接下來(lái)，我們?cè)僭贑W信號(hào)加上相位抖動(dòng)：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
fs = 20
N = 128
fc = 5
n = np.linspace(0, N-1, N)
t = n / fs
f = n * fs / N - fs/2
# 增加抖動(dòng)信號(hào)
for i in range(10 , 20, 1):
t[i] = t[i] + 0.1
yt = np.exp(1j*2*np.pi*fc*t)
yf = np.fft.fftshift(np.fft.fft(yt))
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(t,np.abs(yt))
plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(f, np.abs(yf))
plt.show()
在程序里，我們?cè)诓蓸狱c(diǎn)10～20都增加了0.1的相位值，結(jié)果明顯和理想的CW信號(hào)有些不同。在頻域上，信號(hào)發(fā)生了變化，載波附近信號(hào)有明顯抬升。
加抖動(dòng)的CW信號(hào)
此外，如果是對(duì)于調(diào)制信號(hào)，還會(huì)引起星座圖旋轉(zhuǎn)的情況出現(xiàn)。
對(duì)于通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相位噪聲也是一個(gè)重要的指標(biāo)，它對(duì)多個(gè)信號(hào)通道產(chǎn)生重要的影響，影響鄰近信道的信號(hào)質(zhì)量，降低信號(hào)接收的靈敏度以及增加誤碼率等。
信噪比
上面我們學(xué)習(xí)了噪聲和相位噪聲，一般的我們會(huì)使用是信噪比(SNR：Signal Noise Ratio)的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合的描述。信噪比是信號(hào)的平均功率和噪聲的平均功率之比。
公式表示：
其中，
- S為信號(hào)功率
- N為噪聲功率
- 單位是dB
它的含義表示的是有效信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，信噪比越高，噪聲對(duì)信號(hào)的的影響越小，信號(hào)的質(zhì)量就越高。同學(xué)們?cè)谄綍r(shí)測(cè)試信號(hào)的時(shí)候，應(yīng)該會(huì)遇到這樣一種現(xiàn)象，當(dāng)信號(hào)功率越靠近底噪的時(shí)候，信號(hào)的在頻譜分析儀上抖動(dòng)的就越明顯。
SNR
對(duì)于信噪比來(lái)說(shuō)，它表示了傳輸信號(hào)中有用信號(hào)和噪聲所占的比例，是我們衡量信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。它影響著我們所使用信道的誤碼率，影響著信息數(shù)據(jù)的有效傳輸。
噪聲系數(shù)
信號(hào)在經(jīng)過(guò)PA時(shí)，在信號(hào)被放大的同時(shí)噪聲也往往會(huì)被放大，而且放大器內(nèi)部也會(huì)有噪聲產(chǎn)生，這就意味這輸入和輸出的SNR會(huì)有所不同，也就是說(shuō)輸出端的SNR會(huì)小于輸入的端的SNR。這也就是放大器帶來(lái)的弊端，雖然可以將有用信號(hào)放大了，但是信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍也相應(yīng)的縮小了。
那么，有沒有什么指標(biāo)可以描述這種現(xiàn)象呢？
通常，我們可以使用噪聲系數(shù)NF來(lái)表征放大器的噪聲的惡化情況。它是指輸入端信噪比與放大器輸出端信噪比的比值。公式如下表示：
而公式中F我們稱為噪聲因子
其中，
- SNRi為輸入端的信噪比
- SNRo為輸出端的信噪比
- 單位常用dB
我們以下面的這個(gè)放大器為例：
放大器
對(duì)于理想的放大器來(lái)說(shuō)，信號(hào)和噪聲都被同時(shí)放大，放大前后動(dòng)態(tài)范圍沒有什么變化，此時(shí)的噪聲系數(shù)為1，如下圖：
理想情況下的放大器
而實(shí)際的放大器中，由于自身內(nèi)部因素會(huì)摻雜一些噪聲，導(dǎo)致輸出端的信噪比降低，動(dòng)態(tài)范圍減小，噪聲系數(shù)變大。
實(shí)際情況下的放大器
噪聲系數(shù)描述了器件或系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲特性，對(duì)于系統(tǒng)或器件而言，噪聲系數(shù)越小越好，噪聲系數(shù)越小，噪聲惡化程度較低，比如，在接收機(jī)里使用的低噪聲放大器就是這一類的器件。
最后
噪聲是通信系統(tǒng)中里不可忽略的主題，往往需要通過(guò)各種方法降低噪聲來(lái)提高靈敏度。本文我們了解了噪聲、相位噪聲、信噪比、噪聲系數(shù)等指標(biāo)，射頻是屬于非常抽象的知識(shí)領(lǐng)域，它雖然就在我們身邊，但是我們看不見也摸不著。一般的僅僅通過(guò)公式很難對(duì)其有直觀的認(rèn)識(shí)，所以，這里我們通過(guò)仿真的方法幫助大家進(jìn)行理解。不過(guò)在平時(shí)的工作中還需要我們借助第三方儀器，通過(guò)相關(guān)的測(cè)量與測(cè)試來(lái)加深對(duì)它們的理解，這樣才能讓我們更加熟悉無(wú)線通信的世界。
下載ECAD模型
