硬学|浅谈接收灵敏度

阿里云创新中心宁波高新基地2020-09-18 07:20:49

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浅谈接收灵敏度

灵敏度介绍及计算

接收灵敏度是检验基站接收机接收微弱信号的能力,我们经常谈及的某产品或者某设备的灵敏度,其实是最大可用灵敏度,即指保证接收设备正常工作所需输出信号电平或信噪比。

信噪比(S/N)是电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例,信噪比的计量单位是dB, 计算公式如下:

S/N=10lg(PS/PN)= 20Lg(VS/VN)

Ps: 信号的有效功率

Pn:噪声的有效功率

Vs:信号电压的“有效值”

Vn:噪声电压的“有效值”

设备的信噪比越高表明它产生的噪声越少。一般来说,信噪比越大混在信号里的噪声越小,声音回放的音质量越高。

信噪比是接收设备的关键指标,也是计算灵敏度的直接参数。灵敏度的计算公式如下,

单位是dBm。

Si = -173.93 dBm + 10lgBW + NF + (S/N)

BW:信号带宽(Hz)

NF:收信机噪声系数

S/N:信噪比

从以上公式可以看出为提高接收机灵敏度Si,可以从以下方面着手,

a)       降低系统噪声系数,

b)       提高信噪比

c)       减小信号的带宽

灵敏度的计算实例

我们为了计算其灵敏度,只需要测量信噪比和噪声系数即可。以下我们以LoRa芯片SX1278为例,查询到其数据手册中以下参数。

表:不同扩频因子SF下,信道的信噪比

表:不同链路增益下的噪声系数

由此我们可以计算出不同带宽的灵敏度:

BW=125K参考值:  

计算值:

BW=250K参考值:

计算值:

LORA接收模式下的灵敏度同样适用于灵敏度Si的计算公式。

注:SF=6这一扩频因子仅在特定情况下使用,需要特殊配置。

灵敏度对无线通信距离的影响

首先我们先简单介绍一下传输距离跟频率的关系,自由空间损耗描述了电磁波在空气中传播时候的能量损耗,由以下公式计算:

Los = 20lg(F) + 20lg(D) + 32.4

F:频率,单位:MHz;

D:距离,单位:Km;

根据前面的自由空间损耗计算公式,频率越高,自由空间损耗越大。

但是许多人根据这个结论,认为在相同的距离下,频率越高,功率损耗越大,这种概念是错误的,因为自由空间的能量损耗是能量扩散损耗,与频率无关。而自由空间损耗之所以与频率有关是为了简化计算,因为接收天线的增益是与频率有关的。当然,功率损耗与频率还是有关系的,这主要是与大气环境有关,如空气质量,雨水等

由此我们得出,灵敏度对无线传输距离影响的主要因素:

a) 发射功率

b) 接收天线增益

c) 发射天线增益

d) 接收机灵敏度

e) 自由空间损耗

这里我们只简单介绍一下接收灵敏度与传输距离的关系。

我们用SX1278的预设参数来分析:

   计算结果如下:

由上图可以看出我们用的SX1278模块,在天线阻抗匹配一致的情况下,传输距离可以达到2Km。同时我们可以发现:

a)       空间损耗直接影响到灵敏度。也就是说在接收设备的前段设计的插损,也直接反映在灵敏度上(接收前段滤波器需使用低插损的LC滤波器、天线的阻抗匹配一致)。

b)       空间损耗6dB,传输距离减小一半。

以后大家计算电磁波在空间传输距离,可以依照以上公式。

END


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