GPS信号功率，信噪比和系统灵敏度讨论

Arm720 · 发表于 2006-4-23 23:56:00

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？

这真是一篇超精华的帖子!感谢楼主和参与的所有人!
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[此贴子已经被awp666于2006-5-12 16:22:38编辑过]

jinfoxhe · 发表于 2006-4-24 08:56:00

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.3 见1。[br]+1 RD币

snow99 · 发表于 2006-4-24 10:53:00

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
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Arm720 · 发表于 2006-4-24 11:07:00

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？[br]+1 RD币

Arm720 · 发表于 2006-4-24 11:25:00

看来我的发帖晚了一部，多谢jinfoxhe和snow99兄！不过snow99兄的计算方法和上面公式好像对不上。你描述的是对GPS接收系统的需求，不只这些需求是如何计算出来的。多谢了！

Arm720 · 发表于 2006-4-25 00:31:00

<DIV class=quote>以下是引用jinfoxhe在2006-4-24 8:56:00的发言：

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.
3 见1。</DIV>

今天仔细看了看jinfoxhe兄的帖子，发现对关键问题进行了描述“Eb/N0为芯片在一定误码条件下的解调需要的信噪比”，也就是说，你选的芯片就决定了接收系统灵敏度的理论值，这个理论值是衡量实际系统能够工作的重要依据。
比如，接收系统的灵敏度理论值为-150dBm (该值仅为了举例)，如果你在室内测量到的GPS信号为-145dBm，说明你的系统在室内也能工作。
上面是个人理解，望大家指正。
看来Sow99兄对GPS有丰富的经验，可否大致说明一下这些指标的设计思路啊？

snow99 · 发表于 2006-4-25 09:19:00

我现在不做GPS, 只有一点简单的了解, 这方面也是一知半解.

上面给出来的公式有点问题

GPS RF基本参数

RF BW: 2.046 MHz
Data Rate: 50 bps
PN Rate: 1.023 Mbps
Data repeat: 1 ms
Process Gain (per data) = 10*LOG(1.023 Mbps / 50 bps) = 43 dB

Required Eb/N0 由基带处理器决定 --- 基带并行相关器数目N和积分时间T, 一般来说, N和T越大, Required Eb/N0 就越低. N增加表示系统复杂度增加, T增加表示启动时间变长.

抄一下灵敏度的计算公式：S=-174dBm+10*log(RF BW)+Eb/N0+NF = -111 + Eb/N0+NF

比如说SiRF最新的产品有-159DBM的灵敏度, 并且冷启动时间是三十几秒, 说明它有很大数量的相关器, 实际上这个数字 N > 200000

在ＣＤＭＡ／ＷＣＤＭＡ／ＧＳＭ手机上的ＧＰＳ接收可以由网络协助完成（ＳＡ），因此不需要太复杂的基带处理器，并且所需Ｃ／Ｎ很低，比如１７ＤＢ－ＨＺ (CDMA/WCDMA)

Required Eb/N0 = C/N - 10log(RF BW) = 17 - 63 = -46 dB
灵敏度S= -111 + Eb/N0+NF=-111-46+NF=-157+NF

NF是接收机从天线到基带的级联噪声系数

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snow99 · 发表于 2006-4-25 09:31:00

[upload=jpg]UploadFile/2006-4/06425@52RD_GPS_req_CN.jpg[/upload]

这是GPS接收所需C/N与相关器数目N和积分时间T的曲线[br]+3 RD币

snow99 · 发表于 2006-4-25 09:35:00

注意C/N的单位是dB-Hz, Eb/N0 (dB) = C/N - 10log(RF BW)GPS RF BW: 2.046 MHz伽利略系统 RF BW: 4.092 MHz[br]+3 RD币

Arm720 · 发表于 2006-4-25 10:05:00

snow99兄，感谢你的精辟分析！版主该给snow99兄加分了吧！从你的分析，我发现了一个很奇怪的现象：GPS在信号功率小于噪声功率，系统也能正确解码，分析如下：GPS系统灵敏度：S=-174dBm+10*log(RF BW)+Eb/N0+NF = -111 + Eb/N0+NF。也就是说如果GPS接收器系统的灵敏度比-111dBm还要小，意味着 Eb/N小于0，也就是信号功率小于噪声功率，换句话就是信号淹没在噪声中，也能正确解码。分析到这儿，我又有点糊涂了：1）如果GPS接收信号的功率为-130dBm，比-111dBm小，但是并不意味着信号功率小于噪声功率呀。2）上面这种情况，如何分析灵敏度，GPS信号功率，信号比之间的关系？snow99兄，这个信噪比的要求感觉太小了吧：Required Eb/N0 = C/N - 10log(RF BW) = 17 - 63 = -46 dB[br]+3 RD币

jinfoxhe · 发表于 2006-4-25 10:34:00

GPS在信号功率小于噪声功率，系统也能正确解码对的，这就是扩频带来的好处，提高了系统的灵敏度。缺点就是需要更大的带宽。[br]+1 RD币

Arm720 · 发表于 2006-4-25 10:56:00

本论坛的高人比较多啊！不知噪声功率一般是多少，也就是环境噪声的功率，另外如何计算从天线进入到系统的噪声功率？这个问题搞清楚了就能详细分析信号功率，噪声功率和信噪比之间的关系了；然后分析和灵敏度之间的关系。

hnhyjyjh · 发表于 2006-4-25 22:21:00

看了上边分析的，讲得都还不错

Arm720 · 发表于 2006-4-26 02:07:00

前面有一个问题没有描述清楚：1）如果GPS接收信号的功率为-130dBm，比-111dBm小，也就是信噪比为负值，信号功率小于噪声功率，但是此时并不意味着信号功率就小于噪声功率。这就是互相矛盾的地方。那位朋友能说说您的理解和看法？今天网上找到一片文章，详细讨论噪声系数的，正在研究中，初步的研究结果是：1）射频系统讨论的噪声是热噪声，也就是这种噪声不是从环境噪声中来，是由电路自身产生的噪声，与外部环境无关；据我的理解如果是从外部环境中来，应该称之为干扰！2）NF （Noise Factor）噪声系数，与信噪比无关，NF描述的是信号在系统热噪声的影响下，对信号影响的描述。对噪声，灵敏度的研究在继续中，希望这几天就有结果，大家也一起来讨论！据我的理解，如果你研究射频，不研究噪声，系统灵敏度度，就不能把握射频系统的设计和全面分析，但是对这种研究比较枯燥；因为没有实物，又不能测量，唯一能做的就是呆板枯燥的公式分析。[br]+3 RD币

submarine · 发表于 2006-4-26 19:54:00

扩频系统的灵敏度S＝KTB+Eb/No+NF-Gp,其中Gp为扩频增益。这个和一般的灵敏度计算公式有点不同，就是最后的扩频增益的差别。扩频增益为扩频数据率/基带数据率。[br]+1 RD币

tina_whj · 发表于 2006-4-26 21:21:00

据我的理解，如果你研究射频，不研究噪声，系统灵敏度度，就不能把握射频系统的设计和全面分析，但是对这种研究比较枯燥；因为没有实物，又不能测量，唯一能做的就是呆板枯燥的公式分析。强烈赞同，刚开始学习射频知识，感觉特迷茫[em03][em13]

Arm720 · 发表于 2006-4-26 23:21:00

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。[br]+3 RD币

jinfoxhe · 发表于 2006-4-27 09:01:00

带宽越宽，噪声功率越高。这是没错的，其实你说的噪声功率和噪声能量是一回事。S=-174dBm+10*log(BW)+Eb/N0+NF，这是对射频（中频）而言。没有考虑基带的处理增益，如果是扩频系统，Gp会带来灵敏度的提高。‘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’这个结论很正常。[br]+3 RD币

woshi622 · 发表于 2006-4-27 10:02:00

S=-174dBm+10*log(扩频后带宽)+Eb/N0+NF-Gp
此处的Gp=10*log(扩频后速率/扩频前速率)。
那么一算的话 S==-174dBm+10*log(扩频前带宽)+Eb/N0+NF
此时的扩频又有什么意义

还有，这里应该要加入天线的增益吧，望解答

[此贴子已经被作者于2006-4-27 10:44:11编辑过]

everyday · 发表于 2006-4-27 10:32:00

<DIV class=quote>以下是引用woshi622在2006-4-27 10:02:00的发言：

S=-174dBm+10*log(BW)+Eb/N0+NF
此处的Eb/N0应该已经包含了扩频增益。
还有，这里应该要加入天线的增益吧，望解答</DIV>

这个灵敏度是做天线以后的计算公式。如果你要从天线端算，应该加天线的增益，但是天线的增益并不是每个方向都是一样的。所以一般公式都没有加。

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