在射频接收机中制造噪声 - 用信号发生器仿真真实信号

在射频接收机中制造噪声 - 用信号发生器仿真真实信号

噪声是一种多余的信号。在通信系统中，噪声会影响发射机和接收机的性能。它会降低发射机的调制质量和接收机的灵敏度。因此，降低电子器件的噪声，是研发工程师最关注的问题。

但是，为了仿真真实环境，您需要在设计中注入一个“噪声”信号。噪声信号需要简单，并且有数学模型为基础。加性高斯白噪声（AWGN）是接收机性能测试中最常用的噪声。射频系统中另一个常见的噪声是相位噪声。添加相位噪声减损以进行精确的信号置换或容限测试，这样做对您评测被测器件和诊断被测器件故障很有帮助。

在本白皮书中，您将了解 AWGN 和相位噪声的定义，以及如何正确和准确地将噪声加入有用信号中，以便进行接收机性能测试。

向信号中添加实时噪声

什么是 AWGN？它有什么重要意义？

噪声是所有通信信道的一个固有部分。下面的香农（Shannon-Hartley）定理告诉我们，在存在噪声的情况下，通过特定带宽的通信信道传输信息的最大速率是多少。

C = B * Log2 (1+S/N)

其中：

• C 是信道容量，单位为比特/秒（bit/s）。
• B 是信号带宽，单位为 Hz。
• S 是在该带宽上接收的平均功率，单位为瓦。
• N 是该带宽上的噪声的平均功率，单位为瓦。

要想以可重复的方式仿真真实的信道条件，您必须将随机噪声添加到所需的信号中。AWGN 是一个数学模型，用于仿真发射机和接收机之间的信道。这个模型是线性增加的宽带噪声，具有恒定的频谱密度和高斯分布的幅度。AWGN 不适用于衰落、互调和干扰测试。

以 LTE eNB 接收机测试（3GPP TS 36.141）为例，第 7.3 节描述了将 AWGN 应用于所需的 LTE 信号进行 eNB 动态范围测试，第 8 条描述了所有的非多径接收机性能测试用例。动态范围测试的目的是测量接收机在接收信道存在干扰（AWGN）的情况下接收所需信号的能力。

图 1 所示为一个常见的接收机性能测试设置。它需要一台信号发生器生成有用信号，另一台生成 AWGN。使用合路器将其合并信号并与被测器件连接。确保两个信号发生器之间有足够好的隔离，使它们不至于影响其他单元如 ALC（自动增益控制）操作。

用于接收机测试的信号发生器需要有生成 AWGN 的能力。下图描述了载波信号、AWGN 带宽和功率之间的关系。载波带宽是载波的占用带宽，噪声带宽是平坦噪声带宽。实际的平坦噪声带宽以昂当稍高于载波带宽（通常高 1.6 倍）。当您将载波和 AWGN 信号组合起来用于接收机测试时，由于增加了噪声功率，载波现在看起来更大。

表 1 所列为根据 3GPP TS36.141 第 7.3 节接收机测试的要求进行的信号电平设置，用于 5 MHz 和 10 MHz 的信道带宽。信号电平取决于信道带宽和基站类型。吞吐量应低于参考测量信道可能的最大吞吐量的 95%。

载波带宽内看到的噪声功率如图 2 中黄色部分所示，务必要对其进行测量。通过了解噪声功率值，您可以计算载噪比（C/N）。此外，大多数标准使用接收机上的每比特能量与噪声功率密度的比值（Eₙ/N₀）而不是 C/N 来表征其接收机。但是，这需要您知道载波比特率是多少。使用下面的公式，可以将 C/N 转化为 Eₙ/N₀。

(Eₙ/N₀) dB = C/N dB - 10 log₁₀（比特率/载波带宽）

采用针对不同的信道带宽和基站类型指定的 C/N 来创建有用的干扰信号非常繁琐。有一些方法可以简化测量设置。

简化您的测量设置 - 使用实时 I/Q 基带 AWGN

进行接收机测量设置所需的额外测量和计算则更加繁琐。幸运的是，随着数字信号处理（DSP）技术的发展，信号发生器以数字方式向基带波形添加实时噪声（AWGN）。这为载波和噪声信号提供了非常精确的幅度电平。您无需担心外部附件的校正。此外，您可以轻松选择 C/N 或 Eₙ/N₀ 作为控制载波带宽中载波功率与噪声功率之比的变量。

矢量信号发生器（VSG）使您能够实时将 AWGN 添加到载波中。您可以使用信号发生器的内部 DSP 轻松地将 AWGN 实时应用于所需信号。使用单个矢量信号发生器即可实现这一点。图 3 所示为实时 AWGN 的设置。您可以选择不同的功率控制模式作为参考，如总计、载波、总噪声和信道噪声。例如，如果您选择“总计”功率控制模式，该模式会生成总功率和 C/N（或 Eₙ/N₀）自变量，同时生成载波功率和总噪声功率相关的变量。

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