CDMA接收机性能指标Eb／No及其他一些参数的认识和比较

金 亮
(上海邮电设计院3G分院上海200092)
l 引 言
接收机的设备性能取值是链路预算中的一个重要参数，其指标的差异直接影响无线网络的性能。在网络规划中，接收机性能主要通过接收机灵敏度来衡量，接收机灵敏度是指在确保一定质量要求的情况下，接收机输入端所需的最小信号强度。针对移动通信系统，接收机灵敏度可以由下式决定：
接收机灵敏度(dBm)=KBT(dBm)+NF(dB)+S_req (1)
其中：KBT为带宽内接收机底部噪声功率。K是波尔兹曼常数，T为绝对温度值，B为接收信号带宽；NF(Noise Figure)为噪声系数。他定义为接收机输入信噪比和输出信噪比之比；Sreq为接收机的解调门限。
从式中可以看出，一定质量要求下的接收机解调性能和接收机的噪声系数是接收机性能的两个重要指标。
在(3SM系统中，接收机的解调性能表现为对信噪比(SNR)的要求。SNR反映出有用信号的抗干扰能力，当信噪比满足一定条件的情况下，接收机就能解调出有用信号。而对于普遍采用CDMA的3G系统来说，有用信号往往是"淹没"在噪声中传播的，这时信噪比就不能充分地反映出信号的质量，其解调门限由信号的每比特能量与噪声功率谱之比(Eb/No)以及CDMA信号的处理增益决定。
2 Kb/No解析
解调门限Eb/No是每比特能量和噪声功率谱密度之比，通过图1可以更好地解释Eb/No的具体含义。

图中Ec为码片能量，Rc为码片速率，Eb为数据比特能量，Rb为数据比特速率，No为除去有用信号后的其他干扰信号谱密度。
在接收机处接收到的信号E被淹没在噪声信号No中，接收机通过解调等过程得到信息比特，有用信号的数据比特能量是由码片能量Ec累加还原得到，如果数据比特速率(或数据带宽)为Rb，码片速率为Rc(等于工作带宽W)，一个数据比特包含的码片数则为Rc/Rb，那么解调后每一个数据比特的能量为Eb=Ec×Rc/Rb，如果数据信号功率用S表示，则S=Eb×Rb=Ec×Gp×Rb=Ec×Rc，因此Eb可以视为信号功率谱密度。而No是工作频带内的噪声+干扰的功率谱密度(无用信号谱密度)。所以
Eb/No反映的是频域中的信号幅度与无用信号幅度之比，因为解调信号时数据速率频带外的无用信号会被滤除，真正影响解调的无用信号是在数据速率带宽之内的部分。
对于某种固定业务，Gp(Rc/Rb)的值是固定的，也就是说扩频所带来的增益是固定的，因此如何有效抑制接收机的干扰No是改善接收机性能的关键之一。接收机的干扰N。，一般来说，由两部分组成，一是由热噪声或其他背景噪声，这些噪声经过接收机相关解调后功率谱密度基本不变，另一种是来自于系统内的其他用户或其他基站，即所谓自干扰，接收机对这种自干扰处理方式不同将直接影响接收机的解调性能。3G各制式中分别采用了OVSF码(WCDMA，TDSCDMA)和Walsh码(CDMA2000)进行扩频，利用扩频码的自然正交性对正交的干扰进行抑制，此外TDSCDMA系统中还利用多用户联合检测技术将可知特征的其他用户干扰信号消除。
如果在解调过程中干扰N。可抑制部分为0，甚至加入新的噪声，那么解扩后的Eb至少应该大于No，即Eb/No>1，但是如果No中可抑制部分占很大比重，则Eb可以小于No，即Eb/No<1。可见Eb/No的取值范围是很大的。对于特定的系统制式，使用的码字确定，接收机的基本解调方式也确定的情况下，Eb/No的取值范围就会受到限制，3GPP和3GPP2规范中对于各种情况下解调性能(考虑编码纠错等因素)所要求Eb/No和误块率BLER/误帧率FER对应关系给出参考指标，表1为3GPP规定的多径传播条件下上行各业务基站接收机的Eb/No要求值，3GPP2的参数要求可以参考文献[2]。
从表1可以看出，3GPP对于不同的多径传播条件、不同运动速度下都有不同的Eb/No取值要求，体现了对接收机的多径分集接收和信号交织处理能力的要求，因此对于不同厂家的设备，虽然基于相同的标准规范，但各自仍然有一定的空间改善解调性能，例如在天线口到解扩之间加入低噪声放大器、采用分集接收、采用干扰抵消技术(SQ-PIC)、采用多用户检测、不同的合并算法等，接收机设备性能的优劣也很大程度上取决于此。因此实际网络设计中，通常采用设备厂家的Eb/No值作为参考依据，而对Eb/No取值的差异也反映了不同厂家接收机性能的优劣。

3 其他一些解调门限指标的认识和比较
在CDMA2000以及TDSCDMA相关文献中还会出现Eb/No的表述，实际上Eb/Nt和Eb/No表述的是同一意义，只是一些学者认为No不能充分表述空中干扰的总值，因此定义了Nt，此处Nt=No+Ia；其中No仅用来表示热噪声。Ict等于本小区和邻小区干扰之和。从本质上来说，此处的Nt和前面的No是一个定义。
此外，在CDMA20001X EVDO前向链路中各时隙中各码片能量并不相同，因此经常会用到Ior/Ioc比值来描述接收机解扩前信号的质量，这里的Ior前向所有码片的平均功率谱密度，而Ioc为前向噪声功率谱密度，因此两者的比值就等于接收信号的信噪比或载干比。类似的，相关文献上还出现Ec/Nt，Ior/(Ioc+No)等参数，其本质上都是用来表征接收信号解扩前的信号质量，只是侧重点或者各自规范定义的名字有所不同。通过图2，图3可以更加清晰地看出前文各参数在整个信号传输处理过程中的位置及其意义。

从图2，图3可以看出，Eb/No(Eb/Nt)其实质上就等于Ec/Nt，Ec/Nt，Ec/Io加上处理增益，而Ec/No，Ec／Nt，Ec/Io之间是相等的，只不过表述不同而已，他们和Ior/Ioc的区别在于后者中的Ior是各前者Ec的平均值。
4 结 语
本文从接收机的解调性能出发，讨论了反映CDMA系统接收机解调性能优劣的关键指标Eb/No，且针对3G各种制式中出现较多的类似指标进行了解释和比较，以便读者更好的理解和应用。