雜訊與干擾：影響通信的哼哈二將

02-08

引自【讀懂通信】網站的特稿專欄

1. 什麼是雜訊與干擾

這兩者非常容易混淆，因為有太多類似的地方，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，雜訊與干擾信號就不請自來。這就好像家裡打開門窗，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，雜訊是內在的，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雜訊；而正常情況下，總是又能收到雜訊，又能收到干擾信號。

雜訊是內在的，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，我一開始也是把雜訊和干擾混為一談的，後來才區分開來。

衡量雜訊、干擾的大小用SNR、SIR以及SINR，分別代表有用信號與雜訊功率比、有用信號與干擾功率比以及有用信號與雜訊和干擾功率比，分別簡稱信噪比、信干比和信噪干比。

顯然，這些比值越大，雜訊和干擾的影響越小，接收效果越好。

2. 如何抑制雜訊

前面講過，雜訊是內在的，因此也是必然存在的，繞著走的想法就可以不用考慮了。

雖說要與雜訊共舞，不過我們還是可以控制雜訊的大小，從而來抑制雜訊。

首先，雜訊分信道雜訊以及器件雜訊兩部分，主要是電子的熱運動造成的，因此，利用溫度去抑制雜訊是一個非常重要的途徑。

其次，信道雜訊的特點是高斯加性白雜訊AWGN，頻譜上是均勻分布，因此接收機的帶寬越大，收到的信道雜訊就越多。

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

通常通信系統中信號帶寬是確定的，為了降低雜訊，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，這時雜訊就成為大問題，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，所以雜訊根本不是問題。

雖然雜訊不是問題，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，通常可以分為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裡面，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，我認為正交是通信網路之魂。

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。

這篇文章介紹了除了正交，各種移動通信系統對抗干擾的方法，也可以參考一下。

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准正交的技術。

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。

那麼為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，類似於用鎚子，把金屬錘薄了，使得信號的功率大為降低。

這樣大費周章，目的是為了對抗干擾。

在准正交系統中，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，把干擾轉換為雜訊的特性，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偽隨機序列，實現了信號在時間上的雜訊化，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：寬頻的攤薄的信號，經過處理後，還能收攏還原為窄帶的峰值信號。

這樣，很多窄帶上的強幹擾，被擴頻成了寬頻上的雜訊，接收機處理起來就穩健多了。

附帶說一下，這裡有擴頻的相關深度閱讀文章，涉及比如擴頻能不能省功率、擴頻增益越大是不是抗干擾能力越強等等問題，還是值得認真一讀的。

5. 為什麼說擴頻無助於抑制雜訊

擴頻是對抗干擾的好辦法，那麼擴頻能抑制雜訊嗎？

很遺憾，不能。

前面我們講到，雜訊是均勻的，接收機的帶寬越大，收到的信道雜訊就越多。因此，採用擴頻技術後，原來1MHz的帶寬擴到100MHz，雜訊自然增加100倍，這不是與抑制雜訊的目標南轅北轍了嗎？

因此，擴頻不能抑制雜訊。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為全能模範呢？

由於擴頻無助於抑制雜訊，自然也算不上深空通信的關鍵技術了。