掌握现代无线电应用的噪声功率比测量方法

美国模拟器件公司

噪声功率比(NPR)的概念自从频分复用(FDM)电话系统的早期就已经出现了。在多通道系统中，当在其它通道上存在随机行为时，NPR是完全就是对未用通道的“平静度”的一种测量。噪声和交调失真积落在未用通道之中，从而造成不够理想的性能。最初被用于核查FDM链路中4KHz宽语音通道，目前，同一概念在提取多通道宽带通信系统的特征中也有用，但是，在现代测量技术中存在一些重要的差异。

NPR的历史

自从早期的频分复用(FDM)通信系统出现以来，噪声功率比测试一直得到应用。在典型的FDM系统中，4KHz宽语音通道被“堆”在频率柜中，通过同轴电缆、微波或卫星设备进行传输。一组由12个语音通道组成，并占用48KHz的带宽。类似地，超组具有60个通道，并占用240KHz的带宽，而主组具有360个通道且占用大约1.3MHz的带宽。超组和主组常常被结合起来以组成甚至更高容量的系统。例如，一个1800通道的系统占用大约8MHz的带宽。

在传输链路的接收端，FDM数据被去复用并转换回4KHz的独立语音频带通道。FDM信号因而由许多独立的语音通道组成，并通过放大器、转发器、通道段等等，它们都会把噪声和失真添加到信号上。

在贝尔电话实验室的早期研究(参考文献1)得到的结论是：在一个FDM系统中，具有大约有100个以上通道的复合信号可以由高斯噪声来近似，高斯噪声的带宽与复合FDM信号的带宽相等。例如，一个1800通道的FDM信号被近似为具有一个带宽为8.2MHz的高斯噪声。

在对独立的语音通道进行品质测量时，首先假设除了特定的4KHz被测通道之外，在所有的通道上都存在随机的“讲话人”。因此，可以利用一个窄带陷波(带阻)滤波器来测量一个独立的4KHz通道的“平静度”，在图1A中的一个专用调谐接收器测量4KHz阻带内的噪声功率。

图1. 噪声功率比(NPR)的测量

在模拟传输系统(图1A)中，噪声功率比(NPR)的测量是简单明了的。利用带阻滤波器的输出，可以由窄带接收器测量带阻滤波器内部的信号的RMS噪声功率。该带阻滤波器然后被转换进来，从而测得阻带内的残留噪声。

以dB表示的这两个读数的比率就是NPR。若干覆盖噪声频段(低、中、高频)的阻带频率被测试以充分地表现系统的特征。在参考文献[4]中可以找到早期NPR测试设备和测量结果的详细信息。在ADC上的NPR测量结果是以类似方式测得的，除了模拟接收器被缓冲存储器和执行计算的FFT处理器替代之外，如图1B所示。在一些情况下，复合FDM信号由模/数转换器(ADC)转换为数字信号，发送，然后，再利用接收器的数/模转换器(DAC)转换回模拟信号。在这种情形下，图1A所示的模拟方法被用于执行NPR测试。

在1939年的文章中(参考文献1)，Holbrook和Dixon对FDM系统进行了分析，以努力确定最优化的通道“加载”级别。他们的工作建立了多通道噪声加载基本理论。其目标是把信号电平(或“加载”)设置为一个给予最高NPR的数值。NPR被绘图为一个RMS噪声电平相对于系统的峰值范围的函数。对于非常低的噪声加载电平，不想要的噪声(在非数字系统中)主要是热噪声并且独立于输入加载的电平。在曲线的这个区域，噪声加载电平每增加1dB，就造成NPR增加1dB。

随着加载电平的增加，在系统中的放大器和转发器开始过载，所引起的交调积造成系统的噪声基底增加。随着输入噪声的持续增加，“过载”噪声的影响占支配地位，而NPR被极大地减小。FDM系统通常工作在低于最大NPR点以下几个dB的噪声加载电平，从而为峰值忙时间留出空间。

CCITT/CCIR在1966年形成了用于FDM系统的系统NPR建议，以测量频分多址(FDM)通信链路(见参考文献4)的传输特征。

在包含ADC的数字系统中，当低电平的输入噪声被应用时，在阻带内的噪声就是主要的量化噪声。然而，对于非常低幅度的信号(小于1-LSB峰-峰值)，所产生的噪声还原为归因于输入的ADC噪声。对于使用若干最小有效位(LSB)的ADC，NPR曲线为线性且量化噪声占支配地位。随着噪声电平的增加，在噪声电平和NPR之间存在一一对应的关系。然而，在一些电平，由ADC的硬限制行为引起的限幅噪声开始占据支配地位。

ADC的硬限幅噪声有些不同于模拟FDM的软限幅“过载”噪声，并且在限幅区域导致一种“比较陡峭”的向下斜坡。