?? 你可能遇到過這種情況：手機信號滿格，但網(wǎng)頁依然打不開。
其實這并不一定是手機的問題，信號滿格代表信號強度足夠；
但如果手機附近電磁環(huán)境嘈雜（例如地鐵、商場、機場這樣的場所中會有著大量 Wi-Fi、藍牙、安檢雷達、列車牽引電機等發(fā)出電磁波的設(shè)備）就會導(dǎo)致噪聲功率也會很高；
此時雖然信號強度沒問題，但有用信號被噪聲掩蓋，有用信號與噪音信號的比重下降，導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤碼率上升，于是你就會感覺“明明信號滿格卻網(wǎng)絡(luò)很卡”。（??這里只是說了手機信號滿格但網(wǎng)頁依然打不開的一種原因！）
這就像同樣大小的聲音，你在安靜房間能聽清，但在菜市場就聽不清了。
上文中有提到“有用信號與噪音信號的比重”就是信噪比的一個模糊的定義，這會我們來討論下它的精確定義：
信噪比SNR (Signal-to-noise ratio)是通信和電子工程中最基礎(chǔ)的指標之一，它被定義為：
其中：是信號功率 ；
是噪聲功率
由于功率相差懸殊，通常使用對數(shù)刻度-分貝表示：
信號功率比噪聲功率大 100 倍 → SNR = 20 dB。
信噪比決定了一個系統(tǒng)“能不能聽清楚”有用的信息。
信噪比越高說明信號能量對比噪音越突出，也就能聽的越清晰；
信噪比越低說明信號能量對比噪聲越不明顯，甚至不如噪聲，就越難聽清楚；
信噪比在聲音識別、圖像識別、衛(wèi)星定位精度、雷達識別率等所有信息傳輸系統(tǒng)中都是一個不可忽視的指標。
??小知識：我們經(jīng)常談到的聲音多少多少分貝，這里的單位分貝也不是一個聲音強度單位，它也跟上面定義一樣是一個對數(shù)刻度，表示的是比我們?nèi)四苈牭阶钚÷曇魪娏硕嗌俦?，比?0分貝指比人能聽到的最小聲音（的壓強）強了大約31600倍。
在一個通信系統(tǒng)中，信噪比（SNR）并不是唯一或固定的值。隨著信號從天線接收端一路傳輸，到最終被解調(diào)、解碼和使用的過程中，它會經(jīng)歷放大、濾波、降頻、解調(diào)等多個信號處理環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的電路和算法都會引入額外噪聲或改變信號強度，從而影響信號與噪聲的比例。因此，信噪比需要在系統(tǒng)的各個關(guān)鍵處理節(jié)點上分別計算，以評估該階段對信號質(zhì)量的保持與劣化程度。
一個典型的數(shù)字無線接收機的信號處理大概分為以下階段：
- 天線接收
- 信號放大
- 載波降頻
- 模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號
- 解調(diào)： 從數(shù)字信號中提取信息的階段。
每個階段處理后都會重新計算信噪比以評估該階段對信號質(zhì)量的保持與劣化程度。
但每個階段拿到的其實只是一個“信號 + 噪聲”的混合波，那怎么區(qū)分有用信號和噪聲呢？
一般來說 理論上如果知道信號結(jié)構(gòu)，可以通過相關(guān)檢測或濾波估計分離信號和噪聲功率。
一般來說工程上可通過如下方式獲?。?/p>
- 測量總功率；
- 在“無信號時段”測出噪聲功率；
- 兩者相減即為信號功率。
接下來我們看看天線接收和解調(diào)階段的信噪比
天線輸入信噪比
- 信號來源：衛(wèi)星載波
-
噪聲來源：
- 宇宙背景噪聲
- 地面其他電磁輻射
- 天線自身熱噪聲
接收機從天線獲信號功率是只是一個總功率（信號 + 噪聲），我們無法直接“分開量出來”，但可以通過測量 + 計算 + 統(tǒng)計建模來區(qū)分。
噪聲功率是可以通過無信號測量+理論計算得出的一個“底噪”；
信號功率可以通過鏈路預(yù)算或測得總功率減去底噪得到。
此時信號極弱，信噪比僅10 dB以內(nèi)。
這個階段的“信噪比”也被稱作“載噪比”
載噪比一般用C/N表示（實際跟信噪比計算一樣），其中C載波功率，N是噪聲總功率。
在實際系統(tǒng)中，噪聲功率N是和接收機帶寬B（由天線、濾波器、解調(diào)方法等決定）有關(guān)的：
其中：N?是噪聲功率譜密度（noise power spectral density），單位是 W/Hz
如果我們只看 C/N，C和N都依賴于接收機帶寬B，一旦濾波器帶寬不同，這個比值就會變。
而我們希望一個不依賴帶寬的指標，便于比較不同系統(tǒng)、不同信號下的接收質(zhì)量，所以我們定義：
C是總信號量，N?是噪聲功率譜密度，它的意思是1Hz的帶寬中有多少噪聲功率， 衡量信號比
寬帶中的噪聲強多少倍。
它是一個更“純粹”的指標，反映信號本身相對于單位帶寬的背景噪聲的強度，不受帶寬變換帶來的噪聲影響。
載噪比 是接收機內(nèi)部芯片計算出來的。
比如在衛(wèi)星定位中，GNSS設(shè)備中的載噪比值通常由接收機的信號處理芯片計算并輸出給應(yīng)用方，載噪比典型數(shù)值范圍如下：
| 環(huán)境 | 載噪比（dB-hz） | 說明 |
|---|---|---|
| 開闊無遮擋 | 45–50 | 信號極好 |
| 一般城市環(huán)境 | 35–45 | 可正常定位 |
| 室內(nèi)、遮擋區(qū) | 25–35 | 信號弱，精度下降 |
| 嚴重遮擋或干擾 | <25 | 可能失鎖或無法解算 |
解調(diào)階段信噪比
經(jīng)過數(shù)字解調(diào)后，信號變回原始的基帶數(shù)據(jù)，現(xiàn)在它的噪聲有如下幾種
| 類型 | 來源 | 特征 |
|---|---|---|
| 熱噪聲 | 天線和前端放大器中的隨機電子運動 | 白噪聲 |
| 量化噪聲 | ADC 采樣與數(shù)字化過程中的量化誤差 | 通常比熱噪聲小，可視為白噪聲的一部分 |
| 多路徑噪聲 | 信號反射、繞射造成的延遲疊加 | 時間相關(guān)、非白噪聲，會改變相關(guān)峰形狀 |
| 干擾信號 | 來自其他RF源或同頻衛(wèi)星 | 非高斯、非白，可能周期性增強某頻段能量 |
| 相位噪聲 / 時鐘噪聲 | 本振相位抖動和本地時鐘漂移 | 表現(xiàn)在環(huán)路的抖動中 |
區(qū)分信號和噪音的核心手段：
- 帶寬壓縮
在解調(diào)之前，信號帶寬通常很寬
但解調(diào)后，我們只關(guān)心“定位數(shù)據(jù)”或“基帶信息”
于是我們可以：
通過 低通濾波器 限制輸出帶寬；
將寬帶噪聲中大部分“無用能量”濾掉。
這樣，噪聲功率 N = N?·B 下降（因為 B 變小），信噪比自然就提高。
- 匹配濾波/相關(guān)處理
接收機已知衛(wèi)星信號的波形（偽隨機碼 PRN）。
于是它用一個“匹配濾波器”或“相關(guān)器”，去在噪聲里“尋找”這個信號的模式。
這就好比，你很熟悉一個人的聲音（信號模式），然后再去一堆噪音中聽他說的話就更容易聽到有用信息。
這個階段是可以讓信噪比顯著增加的。
具體原理涉及較復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算，以后有機會再介紹。
信噪比變化全景圖
| 階段 | 有用信號 | 噪聲來源 | 信噪比變化趨勢 |
|---|---|---|---|
| 天線輸入 | 衛(wèi)星載波 | 宇宙噪聲、地面噪聲 | 很低（起點） |
| 放大器后 | 放大信號 | 熱噪聲 | 略降低 |
| 載波降頻 | 中頻信號 | 相位噪聲、互調(diào)失真 | 繼續(xù)下降 |
| 模數(shù)轉(zhuǎn)換 | 數(shù)字信號 | 量化噪聲 | 稍降 |
| 解調(diào)后 | 基帶數(shù)據(jù) | 殘余噪聲 | 顯著提升 |
信噪比的意義
信噪比高：
- ?? 傳輸穩(wěn)定
- ?? 誤碼率低
- ?? 聲音、圖像清晰
- ?? 可支持更高速率
信噪比低：
- ?? 信號模糊
- ?? 數(shù)據(jù)出錯多
- ?? 圖像花屏、語音卡頓
香農(nóng)定理告訴我們：
SNR 決定了通信系統(tǒng)的極限容量。
沒有高信噪比，就沒有可靠通信。
總結(jié)
提升信噪比就是讓“有用信號”從噪聲的海洋中被準確聽見，它是是衛(wèi)星通信、Wi-Fi、5G等所有通信系統(tǒng)中要解決的關(guān)鍵問題。
