噪聲與干擾:影響通信的哼哈二將

1. 什麼是噪聲與干擾

這兩者非常容易混淆,因爲有太多類似的地方,一句話,都是通信過程中極力避免的信號,都是接收有用信號時最不想收到的信號。

接收機接收信號時,基於一定的頻段,有一段帶寬。只要一接收,除了有用信號,噪聲與干擾信號就不請自來。這就好像家裏打開門窗,想讓新鮮的空氣進來,結果尾氣、油煙什麼的也跟進來了。

雖然對有用信號的傷害是一致的,不過兩者還是有很明顯的差別。簡單說一下,噪聲是內在的,而干擾是外在的。

因此,假設有一天停電了,這時我們還能收到的信號就是噪聲;而正常情況下,總是又能收到噪聲,又能收到干擾信號。

噪聲是內在的,全向的,無時無刻不在,無差別的;而干擾是外在的,不同時間、不同位置上,干擾是有差別。

附帶說一下,我一開始也是把噪聲和干擾混爲一談的,後來才區分開來。

衡量噪聲、干擾的大小用SNR、SIR以及SINR,分別代表有用信號與噪聲功率比、有用信號與干擾功率比以及有用信號與噪聲和干擾功率比,分別簡稱信噪比、信幹比和信噪幹比。

顯然,這些比值越大,噪聲和干擾的影響越小,接收效果越好。

2. 如何抑制噪聲

前面講過,噪聲是內在的,因此也是必然存在的,繞着走的想法就可以不用考慮了。

雖說要與噪聲共舞,不過我們還是可以控制噪聲的大小,從而來抑制噪聲。

首先,噪聲分信道噪聲以及器件噪聲兩部分,主要是電子的熱運動造成的,因此,利用溫度去抑制噪聲是一個非常重要的途徑。

其次,信道噪聲的特點是高斯加性白噪聲AWGN,頻譜上是均勻分佈,因此接收機的帶寬越大,收到的信道噪聲就越多。

綜合這兩個因素,要想信道噪聲低,顯然工作溫度越低越好,信道帶寬越小越好;要想器件噪聲低,器件的選材很關鍵。

通常通信系統中信號帶寬是確定的,爲了降低噪聲,只能把工作溫度降低,例如低只有十幾K,利用超低溫,獲得超低噪。

什麼時候需要用到超低噪呢?就是深空通信了。由於探測器距離遙遠,而且發射功率也是受限的,即使採用幾十米口徑的拋物面天線,有用信號的功率也微乎其微,這時噪聲就成爲大問題,需要採用超低溫來接收。

不過我們常用的移動通信系統沒有這個問題,終端與基站的距離再遠,比起深空中的探測器,那是零頭的零頭的零頭,所以噪聲根本不是問題。

雖然噪聲不是問題,但是干擾就成了大問題,接下來我們來看如何對抗干擾。

3. 如何對抗干擾

干擾其實種類非常多,通常可以分爲系統內的干擾和系統間的干擾。

系統間的干擾處理比較簡單,大家各行其道,各有各的工作頻率,比如GSM、WCDMA、LTE就定義了不同的工作頻段,互相錯開。

當然,如果大家硬要擠在一個頻段裏面,比如GSM1800與LTE,PHS與LTE,TD-SCDMA與LTE,就需要建立一個頻率的保護帶,類似三八線這樣的非軍事區,將兩種系統隔離開。

對抗系統間的干擾不是今天我介紹的重點,今天我介紹的是對抗系統內的干擾,更明確地說,就是同一運營商同一系統內設備間干擾。

解決這個問題,需要藉助通信技術中的核心技術——正交。

正交是我最推崇的通信關鍵技術,我認爲正交是通信網絡之魂。

有了正交,我對其他人以及其他人對我,就不存在干擾了,於是天下太平,一派祥和。

可惜天下沒有這麼簡單的事,正交好是好,但是實施的條件太苛刻,一旦用戶數量上來,無論是功率正交還是能量正交,無論是TDM還是FDM,都會陷入捉襟見肘的境地:可正交的資源太有限了。

除了正交技術,各種移動通信系統對抗干擾各有妙招,大家可以參考一下。

這其中,擴頻技術就是對抗干擾的佼佼者。擴頻技術又可以看成是一種準正交的技術。

4. 什麼是擴頻技術

擴頻技術就是用遠超過信號帶寬的帶寬來傳信號,實施的方法也很多樣,常見的有直接序列擴頻和跳頻。

那麼爲什麼要用非常大的帶寬來傳信號呢?關鍵在於,原來的窄帶信號經過擴頻處理後,頻譜發生了根本性的變化,從窄而高,變成了寬而扁,類似於用錘子,把金屬錘薄了,使得信號的功率大爲降低。

這樣大費周章,目的是爲了對抗干擾。

在準正交系統中,信號之間由於不正交,必然是相互干擾。前面也講過,干擾信號的特點是差異性明顯,SIR時好時壞,這樣接收機處理起來難度太大。

如果幹擾無法去除,那麼退而求其次,把干擾轉換爲噪聲的特性,比較均勻,行不行呢?

這就是擴頻技術的出發點。

在擴頻技術中,直接序列擴頻就是利用僞隨機序列,實現了信號在時間上的噪聲化,這樣雖然還是有干擾,但是已經可控了。而跳頻也是類似的,實現了干擾在頻率上的隨機化。

當然,擴頻技術能夠成功,還在於覆水能收:寬帶的攤薄的信號,經過處理後,還能收攏還原爲窄帶的峯值信號。

這樣,很多窄帶上的強幹擾,被擴頻成了寬帶上的噪聲,接收機處理起來就穩健多了。

5. 爲什麼說擴頻無助於抑制噪聲

擴頻是對抗干擾的好辦法,那麼擴頻能抑制噪聲嗎?

很遺憾,不能。

前面我們講到,噪聲是均勻的,接收機的帶寬越大,收到的信道噪聲就越多。因此,採用擴頻技術後,原來1MHz的帶寬擴到100MHz,噪聲自然增加100倍,這不是與抑制噪聲的目標南轅北轍了嗎?

因此,擴頻不能抑制噪聲。其實,擴頻能對抗干擾已經是物有所值,何必一定要讓擴頻成爲全能模範呢?

由於擴頻無助於抑制噪聲,自然也算不上深空通信的關鍵技術了。

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