关于塔顶放大器的基本知识

                    关于塔顶放大器的基本知识

                                                   WSJ 2000/11/10

一 塔顶放大器的基本原理

塔顶放大器能够改进基站接收系统的噪声系数F 或灵敏度S  ，一是它的噪声系数F很低，即[ F ]＜2dB或F ＜2；二是它有一定增益G，即[G]＝20dB或G＝100。

u       噪声系数的定义：任何装置的噪声系数定义为其输入信噪比（S/N）in与其输出信噪比（S/N）out之比，即，

F＝（S /N）in／(S／N)out                                            （1）

[F]＝10㏒[（S/N）in /（S/N）out]                                     （2）

根据上述定义可以看出：

1）一个不产生任何噪声的理想接收机的噪声系数为1，或0 dB；

2）噪声系数越低的装置，其性能也越理想。

u       Friis公式：其噪声系数分别为F1、F2、…FN，增益分别为G1、G2、…GN的各装置级连的总噪声系数可以用Friis公式求出，即，

Ftotal＝F1＋F2(F1－1)/G1＋F3（F2－1）/G1G2

＋…FN[ F(N－1)－1]/G1G2…G(N－1)                                （3）

按照Friis公式不难看出：

1）  级连装置所构成的系统的总噪声系数主要取决于第一级；

2）  第二级以后的各级由于要除以其前级或前几级的增益或增益的乘积变小了一个数量级或几个数量级；

3）  从概念上讲，采用低噪声放大器在塔顶放大在未经馈线及部件损耗的较高电平的接收信号比由较高噪声系数的原基站接收机在机房接收经馈线及部件损耗的较低电平的接收信号要好得多，即提高了系统输入端的信噪比，从而也该改善了接收信号的质量。

u      

基站接收机

     F3

塔顶放大器

 F1    G1

馈线及部件

 F2   G2

参考点 1               参考点 2

假设：[F1]=2 dB  F1=1.58 ，[G]=20 dB  G=100 ；

      馈线损耗为3dB ，即增益[G2]=-3dB ，G2=0.5 ；

      通常认为，馈线系统的噪声系数等于其损耗，即[F2]=3dB ，F2=2 ；

      基站接收机的噪声系数[F3]=4dB ，F3=2.5 ；

则根据Friis公式可以求出在参考点1和2的系统噪声系数，

    在参考点1，即安装塔顶放大器的情况：

     Ftotal=F1+（F2-1）/G1+（F3-1）/G1*G2

         =1.58+1/100+1.5/50

         =1.62

     [Ftotal]=10㏒1.62=2.1dB 。

     在参考点2，即没有安装塔顶放大器的情况：

      Ftotal=F2+（F3-1）/G2

           =2+(2.5-1)/0.5

           =5

      [Ftotal]=10㏒5=7dB 。

提高了基站接收系统的噪声系数，则改进了其接收性能，从而提高了接收系统的灵敏度，值得注意的是，Friis公式中的各参数应为线性值，不论噪声系数F还是增益G都是表示倍数的量。

思考题：

1）  为什么塔顶放大器能够提高基站接收西统的性能？

2）  5倍是多少dB？8dB又是多少倍？

二 关于上行链路与下行链路的系统增益不平衡问题

系统增益是表征数字通信系统性能的一个重要参数，系统增益As定义为发射机输出功率与规定误码率条件下的最小接收功率之比，如若以dB表示，则为它们之间的差值，可以记为

    [As]=10㏒（Pt/Pr），                                                  （4）

式中Pt为发射机输出功率；Pr为规定误码率条件下的最小接收功率。

可接受的最小接收功率有时称作门限功率，并且主要取决于接收机噪声系数；正确解调基带信号所需的信号/比噪声；以及各种系统缺欠或损伤，诸如，滤波器带宽太宽、信号失真、码间干扰、载波恢复偏移定时抖动及滤波器、耦合器、分合路器、双工器、接头等部件的插入损耗和反射损耗。

接收机的噪声功率通常由其前的接收放大器所产生的热噪声决定，记为

    Pn = F（kT0）B                                                    （5）

式中F=接收机噪声系数；N0=噪声的功率谱密度；B=接收机带宽（所用调制方式的最小理论带宽）；k=1.38E-23 J/°k,为波尔兹曼常数；T0=以绝对温度（开尔文度）表式的有效接收机温度（0°K=-273℃）。

（5）式表明，接收机的噪声功率取决于接收机输入电阻的噪声谱密度和噪声系数引入的附加噪声。通常假定基准温度为室温，等于290°K，所以，（kT0）为4E-21 W/Hz，或是-174dBm/Hz 。

式（4）和式（5）联立，并引入使理想性能降级的参数D，便可以得到系统增益的一般表达式：

     As=[ Pt /（SNR）（kT0（B）（D）,                                      (6)

或是，

         [As]=[Pt]－[SNR]－[F]－[kT0]－[B]－[D]。                              （7）

式中SNR为在可接受的最高误码率的条件下所要求的理论信号功率与噪声功率比；D为各种未计及因素所引起的理想性能降级。应当指出，SNR是信号功率与噪声功率之比，而不是比特能量与噪声密度之比Eb/N0，它们之间的关系取决于调制解调方式。

现在我们来计算移动通信小区上行链路和下行链路的增益，同时可以计算出它们之间的不平衡情形。为了简化起见，可以做出符合实际的合理假设：1）基站天线和手机天线的收发特性都是互易的；2）基站和手机的各参数均依照GSM规范规定的容限值，并认为不理想因素大体相同，因而可以不计及参数D；3）传播和干扰环境大体相同。所以，上、下行链路都以理想条件计算系统增益仍具有可比性。有鉴于此，式（4）可以改写为

[Asb] = 10㏒（Ptmax/Prmin）= [Ptmax]－[Prmin] 。                          （8）

同理，式（7）可以改写为

        [As]=[Pt]－[SNR]－[F]－[BkT0] 。                                      （9）

根据式（8），并采用GSM规定参数，下行链路的系统增益为

    [Asd] = [Ptbmax（43dBm）]－[Prmmin（-102dBm）]

         =145dBm 。

同理，上行链路的系统增益为

        [Asu] = [Ptmmax（33dBm）]－[Prbmin（-104dBm）]

             =137dBm 。

考虑到基站天线分集有1至3 dB的增益，上行链路的系统增益为138至140 dB 。

以上计算是以基站和手机的接收机输入端口为参考点计算的，那么，当安装塔顶放大器后，怎样在图上的参考点1计算上、下行链路增益，并考察其改善上、下行链路增益不平衡的效果呢？这作为一个思考题，请认真考虑。

思考题：

1）  上文最后一段，提示：给定[SNR] = 8dB ；接收机带宽 = 200 kHz ，运个用式（9）。

2）  [BkT0] =

¨         -151dB 

¨         -151dB 

¨         -121dB 

3）  一般而言，改进收发信机的什么参数可以提高系统增益？

三 关于塔顶增强器的概念和应用

塔顶增强器除了接收上行信号的宽带低噪声放大器之外，还有一个发送下行信号的宽带高功率放大器。前者的作用已然在上述两节做了说明，只不过增益更高而已；后者的主要作用有：

1）基站发射机经由馈线电缆系统（包括一些部件）进行高线性、高增益的功率放大，再经低损耗的短馈线和天线发射出去，从而增大有效辐射功率，达到扩达下行信号覆盖范围的目的。用于业务量极低的地区，能够降低建设和维护成本。

2）未经长馈线电缆系统损耗，提高了有用信号的利用效率。用于具有长馈线电缆系统的基站，可以达到预期的覆盖范围。

3）可以与微小区基站收发信机组成常规基站系统，可以节省生产和建设成本，降低机房内的泄漏串扰。

4）可以与高增益定向天线结合构成具有特殊形状的小区覆盖，诸如高速公路、铁路的沿线，沿海岸、沿河谷、沿国界省界的地区。

思考题：

1）  试想出另外一些适合采用塔顶增强器的环境？

2）  塔顶增强器的可靠性十分重要，应向使用单位提出怎样的维护建议？

四 一些技术指标的含义

1）  放大器的增益：是指放大器的放大倍数，通常用分贝（dB）表示，公率增益为

Gp =10㏒（Pout/Pin）；                                             （10）

电压增益为

Gv = 20㏒（Vout/Vin）；                                             （11）

而公率与电压的关系为

P = V²/R。                                                          （12）

各式中，Pin、Pout 分别为输入、输出功率；Vin、Vout分别为输入、输出电压；R = 50 欧姆。

2）插入损耗：是指馈线和各种部件的热损耗，俗称铜损。它对有用信号而言是一种衰减，通常也用dB表式，例如一个滤波器的通带损耗可以认为是其插如损耗，并表式为

Lfp = 10㏒ [（Pin－Pout）/Pin ] ，                                      （13）

式中的参数符号含义与上面相同。

3）反射损耗：馈线、各种部件和接头都存个在不均匀性，从而引起所输入的有用信

号的反射，使输出信号降低，称之为反射衰减。反射衰减可以表式为

Lr =10㏒（Pin/Pr），                                                 （14）

式中Pr为反射功率。

    4）反射系数和电压驻波比：这是两个与反射衰减有关联的参数，三者均是对同一物理现象的定量表式，只是角度不同，测量方法不同而已。反射系数通常用百分比表式，计算公式为

        r =Vr/Vin×100﹪ ，                                                  （15）

电压驻波比为

        SWR =（r＋1）／（r－1），                                          （16）

式中r为反射系数，SWR为电压驻波比。若给定电压驻波比SWR，则也可以用驻波比表式和计算反射系数，即

        r = （SWR－1）／（SWR＋1）。                                      （17）

5）天线增益系数：是指所论天线和标准天线在最大辐射方向产生的辐射电磁场的能量密相等的条件下，送到无损耗（效率为100﹪）标准天线的功率Pst与送到效率为η的所论天线的功率Pa之比，即所论天线的增益系数

Ga = Pst/Pa =ηDa/Dst ，                                            （18）

式中Da和Dst分别为所论天线和标准天线的方向系数。在工程应用中通常采用两种标准天线，一是各向同性天线（理想点源）；二是半波振子。天线增益也常用分贝表式，并因天线损耗很小而认为η≌1。所以，所论天线相对于各向同性天线和半波振子天线的增益分别为

        [Ga] = 10㏒（Psti/Pa1）= 10㏒（Da1/Dsti）=X dBi，                        （19）

        [Ga ]=10㏒（Pstd/Pa1）=10㏒（Da1/Dstd）= Y dBd。                    （20）

因为半波振子天线相对于各向同性天线的增益为Gd = 1.64, 或[Gd]=2.15 dBi , 所以, 所论同一天线的增益既可以用dBi表示，又可以用dBd表示，两者之间相差2.15Db，即

        [Ga]=（X dBi－215dB）dBd = （Y dBd＋215Db）dBi 。                    （21）

五 各主要移动通信系统所用塔顶增强器和塔顶增强器的标准工作带宽：

思考题：

1）  请查阅和补充各种移动通信系统所用塔顶增强器和塔顶增强器的标准工作带宽：

        移动通信系统类别       基站发送频带（MHz）      基站接收频带（MHz）

         AMPAS

         IS 95 CDMA

         GSM 900

         PCN（DCS）1800

         PCS 1900

七 GSM 900和PCN 1800手机的各功率级的功率电平

2）请查阅和补充GSM 900和PCN 1800手机的各功率级的功率电平：