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噪声与干扰:影响通信的哼哈二将

引自【读懂通信】网站的特稿专栏

1. 什么是噪声与干扰

这两者非常容易混淆,因为有太多类似的地方,一句话,都是通信过程中极力避免的信号,都是接收有用信号时最不想收到的信号。

接收机接收信号时,基于一定的频段,有一段带宽。只要一接收,除了有用信号,噪声与干扰信号就不请自来。这就好像家里打开门窗,想让新鲜的空气进来,结果尾气、油烟什么的也跟进来了。

虽然对有用信号的伤害是一致的,不过两者还是有很明显的差别。简单说一下,噪声是内在的,而干扰是外在的。

因此,假设有一天停电了,这时我们还能收到的信号就是噪声;而正常情况下,总是又能收到噪声,又能收到干扰信号。

噪声是内在的,全向的,无时无刻不在,无差别的;而干扰是外在的,不同时间、不同位置上,干扰是有差别。

附带说一下,我一开始也是把噪声和干扰混为一谈的,后来才区分开来。

衡量噪声、干扰的大小用SNR、SIR以及SINR,分别代表有用信号与噪声功率比、有用信号与干扰功率比以及有用信号与噪声和干扰功率比,分别简称信噪比、信干比和信噪干比。

显然,这些比值越大,噪声和干扰的影响越小,接收效果越好。

2. 如何抑制噪声

前面讲过,噪声是内在的,因此也是必然存在的,绕着走的想法就可以不用考虑了。

虽说要与噪声共舞,不过我们还是可以控制噪声的大小,从而来抑制噪声。

首先,噪声分信道噪声以及器件噪声两部分,主要是电子的热运动造成的,因此,利用温度去抑制噪声是一个非常重要的途径。

其次,信道噪声的特点是高斯加性白噪声AWGN,频谱上是均匀分布,因此接收机的带宽越大,收到的信道噪声就越多。

综合这两个因素,要想信道噪声低,显然工作温度越低越好,信道带宽越小越好;要想器件噪声低,器件的选材很关键。

通常通信系统中信号带宽是确定的,为了降低噪声,只能把工作温度降低,例如低只有十几K,利用超低温,获得超低噪。

什么时候需要用到超低噪呢?就是深空通信了。由于探测器距离遥远,而且发射功率也是受限的,即使采用几十米口径的抛物面天线,有用信号的功率也微乎其微,这时噪声就成为大问题,需要采用超低温来接收。

不过我们常用的移动通信系统没有这个问题,终端与基站的距离再远,比起深空中的探测器,那是零头的零头的零头,所以噪声根本不是问题。

虽然噪声不是问题,但是干扰就成了大问题,接下来我们来看如何对抗干扰。

3. 如何对抗干扰

干扰其实种类非常多,通常可以分为系统内的干扰和系统间的干扰。

系统间的干扰处理比较简单,大家各行其道,各有各的工作频率,比如GSM、WCDMA、LTE就定义了不同的工作频段,互相错开。

当然,如果大家硬要挤在一个频段里面,比如GSM1800与LTE,PHS与LTE,TD-SCDMA与LTE,就需要建立一个频率的保护带,类似三八线这样的非军事区,将两种系统隔离开。

对抗系统间的干扰不是今天我介绍的重点,今天我介绍的是对抗系统内的干扰,更明确地说,就是同一运营商同一系统内设备间干扰。

解决这个问题,需要借助通信技术中的核心技术——正交。

正交是我最推崇的通信关键技术,我认为正交是通信网络之魂

有了正交,我对其他人以及其他人对我,就不存在干扰了,于是天下太平,一派祥和。

可惜天下没有这么简单的事,正交好是好,但是实施的条件太苛刻,一旦用户数量上来,无论是功率正交还是能量正交,无论是TDM还是FDM,都会陷入捉襟见肘的境地:可正交的资源太有限了。

这篇文章介绍了除了正交,各种移动通信系统对抗干扰的方法,也可以参考一下。

这其中,扩频技术就是对抗干扰的佼佼者。扩频技术又可以看成是一种准正交的技术。

4. 什么是扩频技术

扩频技术就是用远超过信号带宽的带宽来传信号,实施的方法也很多样,常见的有直接序列扩频和跳频。

那么为什么要用非常大的带宽来传信号呢?关键在于,原来的窄带信号经过扩频处理后,频谱发生了根本性的变化,从窄而高,变成了宽而扁,类似于用锤子,把金属锤薄了,使得信号的功率大为降低。

这样大费周章,目的是为了对抗干扰。

在准正交系统中,信号之间由于不正交,必然是相互干扰。前面也讲过,干扰信号的特点是差异性明显,SIR时好时坏,这样接收机处理起来难度太大。

如果干扰无法去除,那么退而求其次,把干扰转换为噪声的特性,比较均匀,行不行呢?

这就是扩频技术的出发点。

在扩频技术中,直接序列扩频就是利用伪随机序列,实现了信号在时间上的噪声化,这样虽然还是有干扰,但是已经可控了。而跳频也是类似的,实现了干扰在频率上的随机化。

当然,扩频技术能够成功,还在于覆水能收:宽带的摊薄的信号,经过处理后,还能收拢还原为窄带的峰值信号。

这样,很多窄带上的强干扰,被扩频成了宽带上的噪声,接收机处理起来就稳健多了。

附带说一下,这里有扩频的相关深度阅读文章,涉及比如扩频能不能省功率、扩频增益越大是不是抗干扰能力越强等等问题,还是值得认真一读的。

5. 为什么说扩频无助于抑制噪声

扩频是对抗干扰的好办法,那么扩频能抑制噪声吗?

很遗憾,不能。

前面我们讲到,噪声是均匀的,接收机的带宽越大,收到的信道噪声就越多。因此,采用扩频技术后,原来1MHz的带宽扩到100MHz,噪声自然增加100倍,这不是与抑制噪声的目标南辕北辙了吗?

因此,扩频不能抑制噪声。其实,扩频能对抗干扰已经是物有所值,何必一定要让扩频成为全能模范呢?

由于扩频无助于抑制噪声,自然也算不上深空通信的关键技术了。

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