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[讨论] 讨论下GPS信号功率,信噪比和系统灵敏度方面的问题

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新浪微博达人勋

发表于 2012-6-2 11:50:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
讨论这个议题的主要起因是:灵敏度(sensitivity)是如何确定的。
问题:我们经常看到某些GPS芯片厂商宣称自己的芯片灵敏度是如何的高,但是根据对整个系统的分析可以看出系统的灵敏度主要取决于第一级LNA的设计,GPS产品的灵敏度取决于GPS芯片和放大器的设计,那么就带来下面的问题:
1)系统的灵敏度是如何计算的?芯片的灵敏度对系统设计有什么影响?
2)接收GPS信号的功率和信噪比是一个什么样的水平?
3)如何按照信噪比,信号功率设计系统灵敏度?

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新浪微博达人勋

发表于 2012-6-2 11:51:00 | 显示全部楼层
1 灵敏度的计算公式:S=-174dBm+10*log(BW)+Eb/N0+NF. BW一般为中频带宽,Eb/N0为芯片在一定误码的情况下解调需要的信噪比, NF为系统噪声系数。如果是扩频系统,还需要减去扩频增益。

2 对于GSM来说,其灵敏度一般为-110dBm左右(基站),和具体的配置有关系。从仿真来看, GSM的解调Eb/N0为4-5dB.

新浪微博达人勋

发表于 2012-6-2 11:53:00 | 显示全部楼层
好象在说GPS, 不是GSM, 虽然看起来很像

GPS RF BW: 2.046 MHz
Modulation: BPSK
Process Gain: 46 dB
Thermal Noise Floor: kTB = -111 dBm/2.046MHz
Required Eb/N0: 6 dB (不太清楚, 可以修正)
Receiver NF: 3 dB (Typical)
Sensitivity: -111 + 6 + 3 - 46 = -148 dBm

这只是一个大致结果, 考虑系统的其他算法以及Doppler校正, 最终灵敏度在-154 ~ -149之间

新浪微博达人勋

发表于 2012-6-2 11:54:00 | 显示全部楼层
楼上朋友对灵敏度的描述已经非常清楚了,降低系统的信噪比和噪声系数能提高系统的灵敏度。那么对于设计来说是不是可以这么理解:

1)根据灵敏度公式估算系统的接收灵敏度  2)根据估算的系统接收灵敏度计算对芯片接收灵敏度的要求

芯片接收的灵敏度反映了对前级放大器噪声系数和信噪比的设计要求。 不知我的理解是否正确,如果是这样,估算的原则又是什么? 那些参考书上有描述,我想详细的研究一下,多谢了!

那位测试过GPS信号的朋友能说一下GPS信号的接收功率和信噪比吗?

新浪微博达人勋

发表于 2012-6-2 11:55:00 | 显示全部楼层
我的研究轨迹,共楼上的朋友作参考。我接触射频时,能感到的问题是匹配,集中精力攻关匹配方面的问题,同时做仿真方面的准备;然后遇到的问题是系统的性能分析,也就是灵敏度吧,现在集中分析灵敏度和噪声问题;可能接下来碰到的问题就是电路实现方面的,要研究微带线,天线方面的内容。

好,下面继续噪声方面的讨论

感谢submarine朋友对灵敏度给出新的公司描述!正好手上有一篇介绍CDMA的灵敏度文档,确实是如此,但是对于噪声功率,有一个问题一直都想不通。噪声功率的公式为:(是热噪声的功率)

Pnoise = KTB  (K: 波尔兹曼常数1.38x10的-23次方;T:开氏温度=摄氏温度+273.15,此处T=290;B:equivalent noise bandwidth--不知道怎么翻译,我的理解是带宽)  ----- 问题就在这个带宽B上面

单位HZ噪声功率 = 4.002x10的-21次方瓦特。 Pnoise(dBm) = -174dBm 。------ 这就是-174dBm的来历。

问题(1)就是: 带宽越宽,噪声功率越大;你系统的带宽越宽,系统的噪声功率越大,这和实际不符;在实际系统中应该是噪声能量大,而不是功率大,功率应该是不变的吧。

在看看灵敏度的公式:S=-174dBm+10*log(BW)+Eb/N0+NF. BW一般为中频带宽。 实际上10*log(BW)就是上面公式中的参数B部分;问题(2)得出的结果是系统带宽越宽,灵敏度越低,这是个非常奇怪的结论。

新浪微博达人勋

发表于 2012-6-2 11:56:00 | 显示全部楼层
通常我们说的的噪声基低-174dBm,其实它是常温下热噪声功率谱密度,准确的单位应该是dBm/Hz.是单位Hz上的热噪声功率。所以带宽越宽,频域积分的功率就越大,但是常温下热噪声的功率谱密度是不变的。

SNR就是信噪比比。就是信号和噪声功率比,它等于Eb*R/(N0*B),R是数据比特速率,B是信号占用带宽而不是RF/IF通道的带宽。在扩频系统中通常和扩频信号的chip rate取同样的值。


Eb/N0的概念是每比特能量和噪声功率谱密度的比值。如果只考虑热噪声,系统容量(数据比特速率)和它占用的带宽比值趋于零,那么Eb/N0有个理论极限值就是香农极限-1.6dB. 从香农公式R=B*log2(1+SNR)可看出,传输的数据速率一定,信号的功率一定,增大传输信号占用带宽,可以降低系统对SNR的要求 也就是降低对Eb/N0的要求。扩频系统就是采用增大信号占用带宽的方法来降低系统对SNR的要求。
GPS也是扩频系统。

灵敏度实际上就是指能够满足指定Eb/N0的最小信号功率。如果数据比特速率R一定,增大信号占用带宽B,此时带宽内的噪声功率N0*B增加,到了一个程度可以使得SNR<0dB,就是说在这个带宽内信号功率Eb*R小于噪声功率N0*B,信号淹没在噪声里,但是Eb/N0仍然可以被保证,也就是说系统可以正常工作。
所以SNR<0dB,对Eb/N0来说并不意味什么.

新浪微博达人勋

发表于 2012-6-2 11:58:00 | 显示全部楼层
楼上的分析非常精辟!

实际上公式:SNR=-174+BW(RF)+NF+EB/N0-GP 是有一个前提条件的:就是噪声是热噪声。

这个定义的应用范围挺窄的吧,在实际系统中,除了系统的热噪声之外,还有从天线进来的非期望信号,就是 zhixinluo 兄描述的干扰信号吧。 也就是在实际系统中,和有用信号一起有:热噪声 和 非期望信号。

而灵敏度需要解决问题是误码率,这个时候就很清楚了,影响误码率的因数有:热噪声和非期望信号。

这个分析在实际系统分析中的含义为:理想情况,也就是不存在非期望信号,系统的SNR就是你的设计值,如果达不到你的理论值,说明有非期望信号进来, 这个时候可以理解为干扰或者杂散等。 --- 这个理解应该是对的吧。

而对于CDMA系统,对非期望信号进行了分析,认为同频干扰影响最大,为解决这个问题, 使用相关性,也可以理解为正交基吧,来降低干扰的影响,目的就是使灵敏度向理论值靠近;在实际系统中,我们认为是提高了系统的灵敏度。 --- 这个分析也应该是对的吧?

总结一下(延伸一下定义):扩频不能提高系统灵敏度的理论值,但是能使灵敏度向理论值靠近,提高实际系统的灵敏度。 CDMA扩频系统的出发点为:解决实际应用中非期望信号对灵敏度的影响。

对灵敏度的理解又深入了一步,多谢各位朋友参与!   建议大家多多分析理论知识,对实践的参考意义很大,个人提高也会很快的, 理论高度决定实践高度。

新浪微博达人勋

发表于 2012-6-2 11:59:00 | 显示全部楼层
我是做接收部分的,我把我的理解说一下:对多级放大器而言,其噪声系数的计算为:
           NF=NF +(NF -1)/G +(NF -1)/G G +……                     
其中NFn为第n级放大器的噪声系数,Gn 为第n级放大器的增益。
由上两个式可见,在各种特定的通信系统中,能有效提高灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数NF,由于低噪声放大器的噪声较小,而接收系统经过合理的增益分布后,噪声系数主要由低噪声放大器决定,所以决定接收机的噪声系数的关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱回波信号,降低噪声干扰,以供系统解调出所需的有用信息数据,所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的,是提高接收机灵敏度的关键手段。

新浪微博达人勋

发表于 2021-8-31 09:10:26 | 显示全部楼层
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