C/N0是當(dāng)之無(wú)愧的GPS研發(fā)測(cè)試中頂流般的存在，最直觀的感受就是用來(lái)指示當(dāng)前接收到的GPS 信號(hào)強(qiáng)度，還可以用來(lái)分析、處理和理解射頻信號(hào)。


GPS衛(wèi)星信號(hào)功率

GPS官方文件ICD-GPS-200C (1993)  其中提到，當(dāng)衛(wèi)星仰角大于5度，在地球表面附近的接收機(jī)右旋圓極化天線為0 dBi增益（或線性極化天線為3 dBi增益）時(shí)，衛(wèi)星發(fā)射的L1 C/A信號(hào)到達(dá)接收機(jī)天線輸出端的最小功率電平為Ps = -160dBW= -130dBm， P(Y)為軍用加密信號(hào)-163dBW功率低于C/A民用信號(hào)3dB。



噪聲功率N(Noise)


GPS接收機(jī)天線和電路中帶電粒子熱運(yùn)動(dòng)形成熱噪聲，熱噪聲的功率是溫度和噪聲帶寬的函數(shù)。


式子中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為開爾文絕對(duì)溫度單位K， B為信號(hào)帶寬單位是Hz。為了方便計(jì)算我們把室溫取16.85℃使得T=290°K，在1Hz帶寬情況下我們計(jì)算噪聲功率為


由于噪聲功率N與噪聲的帶寬B取值大小有關(guān)，每次給定噪聲功率都要定義噪聲帶寬非常不變，于是我們常用功率譜密度（Power Spectral Density）單位為dBm/Hz來(lái)描述不同帶寬噪聲非常方便：

這就是關(guān)鍵的本底噪聲-174dBm/Hz的由來(lái)。同時(shí)要注意從這里開始噪聲功率譜密度N0單位是dBm/Hz，與噪聲功率N單位dBm或dBW已經(jīng)有了區(qū)分。

GPS L1 C/A 信號(hào)以2MHz帶寬來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)熱噪聲功率為-111dBm，可以看到GPS信號(hào)的-130dBm是低于熱噪聲的，也就是說(shuō)有用信號(hào)遠(yuǎn)低于熱噪聲，GPS有用信號(hào)是淹沒在噪聲之下的。

信噪比SNR

GPS接收機(jī)收到的信號(hào)強(qiáng)弱不能完整地反映出信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣，于是我們常用信噪比SNR(Signal to noise ratio)來(lái)衡量信號(hào)的質(zhì)量。

定義為信號(hào)功率 Ps與噪聲信號(hào)功率N比率，單位是dB即

GPS信號(hào)在-130dBm時(shí)的信噪比是負(fù)數(shù)-19dB, 與前面所說(shuō)的相符合，這種有用信號(hào)遠(yuǎn)低于噪聲的情況放在其他常見無(wú)線通信系統(tǒng)內(nèi)屬于無(wú)解，但是GPS采用了特殊的DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（Direct Sequence Spread Spectrum）進(jìn)行調(diào)制，使得接收機(jī)可以大海撈針般從紛繁復(fù)雜的噪聲汪洋里提取針對(duì)性地有用的信號(hào)來(lái)工作，感興趣的同學(xué)可以翻看之前發(fā)的文章。

• 信噪比SNR與帶寬相關(guān)，所以對(duì)比不同信號(hào)的SNR時(shí)前提是要使用相同的帶寬

  
  

• 信噪比還取決于接收機(jī)算法和處理階段，所以對(duì)比SNR時(shí)要指定帶寬和處理階段

  
  

• 信噪比可以用于比較GNSS軟件接收機(jī)中的采集和跟蹤算法

  
  

• 信噪比是測(cè)量噪聲強(qiáng)度的指標(biāo)

C/N0載噪比

C/N0正式完整英文是Carrier to Noise density ratio, 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)該叫載波-噪聲功率譜密度比率，單位是dB-Hz。

而常見的載噪比C/N是指的載波功率和噪聲功率比率，單位量綱是dB，兩者有明顯的不同。

將信號(hào)帶寬B取2MHz帶入上述公式后即可算出44dB-Hz。這里就可以看到無(wú)線射頻領(lǐng)域無(wú)處不見的分貝dB計(jì)算的重要性，如果感覺計(jì)算吃力依舊可以翻閱我們之前的文章補(bǔ)補(bǔ)課。

C/N0是接收載波功率與每單位帶寬噪聲功率的比值 C/N0 is the ratio between a carrier power and the power of noise per unit bandwidth，是反映信號(hào)質(zhì)量和性能的關(guān)鍵指標(biāo)：   

信號(hào)質(zhì)量評(píng)估：通過(guò)C/N0我們能很直觀的測(cè)量接收到信號(hào)的質(zhì)量，較高的C/N0意味著當(dāng)前收到的有用信號(hào)相對(duì)于背景噪聲非常清晰有效，這對(duì)于精確定位和授時(shí)至關(guān)重要。

系統(tǒng)性能評(píng)估：C/N0與接收機(jī)的帶寬無(wú)關(guān)，可以用于不同接收機(jī)之間對(duì)比。C/N0表示了被跟蹤的信號(hào)強(qiáng)度以及接收機(jī)前端的噪聲密度。提供的信號(hào)質(zhì)量指示還獨(dú)立于不同接收機(jī)使用的采集和跟蹤算法。工程師可以利用思博倫Spirent衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器GSS7000，模擬包括導(dǎo)航星座和用戶載體，衛(wèi)星功率在內(nèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)要素以及各種導(dǎo)航誤差源，評(píng)估和優(yōu)化 GNSS 接收機(jī)在各種條件下的性能。這使得研發(fā)過(guò)程實(shí)時(shí)進(jìn)行硬件或軟件調(diào)整變得高效便捷，從而縮短了研發(fā)周期，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

故障排除工具：C/N0 的波動(dòng)可能預(yù)示著衛(wèi)星傳輸或接收端天線，射頻硬件等存在諸如信號(hào)阻塞，遮擋，干擾等潛在問(wèn)題。及時(shí)識(shí)別并糾正這些異常可確保接收機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定工作。

如果你細(xì)心觀察C/N0的英文就能發(fā)現(xiàn)玄機(jī)，完全可以看透直達(dá)本質(zhì)。直接按照定義通過(guò)噪聲功率譜密度來(lái)計(jì)算。對(duì)于GPS接收機(jī)在收到載波信號(hào)功率為-130dBm時(shí)，在室溫290K的底噪情況下計(jì)算C/N0= 44dB-Hz

使用C/N0 (dB-Hz)與接收機(jī)所采用的帶寬無(wú)關(guān)，這樣就非常方便的在不同的接收機(jī)甚至軟件接收機(jī)，不同信號(hào)帶寬之間進(jìn)行性能對(duì)比。  

總結(jié)

在本篇文章中我們?cè)敿?xì)介紹接收衛(wèi)星功率，噪聲，信噪比SNR和C/N0的定義，了解它們之間的差異，并按照遞進(jìn)的關(guān)系一步步推導(dǎo)出最后的C/N0。每個(gè)參數(shù)都有其重要的意義，在分析信號(hào)中過(guò)程使用這些不同的參數(shù)以不同的目的和背景才能全面的分析信號(hào)以及接收機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)性能。

最后我們這里討論計(jì)算的是信號(hào)功率，實(shí)際是指的載波Carrier信號(hào)功率，作為GPS接收機(jī)來(lái)說(shuō)同樣重要的是載波相位，以及調(diào)制在載波上的偽碼和導(dǎo)航電文，而這些體現(xiàn)為信息而非功率能量。