เนื่องจากระบบ RF และระบบสื่อสารมีการพัฒนาเพื่อรองรับอัตราข้อมูลที่สูงขึ้นแบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้นและรูปแบบการมอดูเลตที่ซับซ้อนมากขึ้นการประเมินประสิทธิภาพภายใต้สภาวะการทํางานจริงจึงมีความสําคัญมากขึ้น หนึ่งในเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสําหรับการประเมินดังกล่าวคืออัตราส่วนพลังเสียง (NPR) NPR ใช้ตามเนื้อผ้าในระบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่ (FDM) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสื่อสารผ่านดาวเทียม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ป้องกัน เครือข่ายเคเบิล และแอมพลิฟายเออร์และตัวแปลง RF บรอดแบนด์

NPR ให้มุมมองบรอดแบนด์เกี่ยวกับความเป็นเส้นตรงของระบบและช่วงไดนามิก ซึ่งมักจะเผยให้เห็นข้อจํากัดด้านประสิทธิภาพที่การทดสอบแถบความถี่แคบ เช่น การวัดการบิดเบือนอินเตอร์มอดูเลตแบบทูโทน (IMD) อาจพลาดไป บทความนี้นําเสนอภาพรวมโดยละเอียดของ NPR ความสําคัญ ปัจจัยที่มีอิทธิพล วิธีการจําลอง และข้อมูลเชิงลึกในการนําไปใช้จากทั้งมุมมองการวัดและการออกแบบ

อัตราส่วนกำลังเสียงรบกวน (NPR) คืออะไร?

อัตราส่วนพลังสัญญาณรบกวน (NPR) เป็นตัวชี้วัดการทดสอบที่ใช้ในการประเมินความเป็นเส้นตรงของระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ประมวลผลสัญญาณแบบหลายพาหะหรือไวด์แบนด์ มันถูกกําหนดให้เป็นอัตราส่วนของพลังเสียงเฉลี่ยนอกรอยบากสเปกตรัมกับกําลังสัญญาณรบกวนภายในรอยบากหลังจากที่สัญญาณผ่านอุปกรณ์ที่ทดสอบ (DUT)

ในทาง

คณิตศาสตร์ NPR ในหน่วยเดซิเบลกําหนดโดย:

NPR (dB) = 10log((Ptotal−Pnotch)/Pnotch)

โดยที่ Pรวมคือกําลังสัญญาณรบกวนทั้งหมดทั่วทั้งแบนด์ และรอยบาก P คือกําลังในส่วนที่มี รอยบาก

อินพุตไปยัง DUT โดยทั่วไปจะเป็นสัญญาณรบกวนเกาส์เซียนสีขาวที่ครอบคลุมแบนด์วิดท์การทํางานของระบบ โดยมีตัวกรองรอยบากแคบที่ใช้ที่ความถี่เฉพาะ ตามหลักการแล้วระบบเชิงเส้นไม่ควรสร้างพลังงานใด ๆ ขึ้นมาใหม่ในพื้นที่ความถี่ที่มีรอยบากนี้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความไม่เชิงเส้นและเอฟเฟกต์อินเตอร์มอดูเลต การงอกใหม่ของสเปกตรัมจึงเติมเต็มรอยบาก ยิ่งการรั่วไหลของพลังงานเข้าไปในรอยบากมากเท่าใด NPR ก็จะยิ่งต่ําลง ซึ่งบ่งชี้ถึงความเป็นเส้นตรงที่แย่ลง

ความสําคัญของ NPR ในการประเมิน ระบบ

อัตราส่วนพลังเสียงรบกวน (NPR) มีบทบาทสําคัญในการประเมินประสิทธิภาพของระบบที่จําเป็นในการประมวลผลสัญญาณไวด์แบนด์ มัลติพาหะ หรือสัญญาณมอดูเลตที่ซับซ้อน ซึ่งแตกต่างจากวิธีการทดสอบแบบดั้งเดิม เช่น การทดสอบการบิดเบือนอินเตอร์มอดูเลตแบบทูโทน (IMD) ซึ่งมุ่งเน้นไปที่การสร้างผลิตภัณฑ์การบิดเบือนแบบไม่ต่อเนื่องที่ความถี่เฉพาะ การทดสอบ NPR ให้การประเมินที่ครอบคลุมว่าความไม่เชิงเส้นส่งผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณในสเปกตรัม ความถี่กว้างอย่างไร

มุมมองที่กว้างขึ้นนี้มีความสําคัญอย่างยิ่งในระบบสื่อสารสมัยใหม่ ซึ่งสัญญาณมักใช้แบนด์วิดท์ขนาดใหญ่และประกอบด้วยผู้ให้บริการหลายรายพร้อมกัน ในสถานการณ์เช่นนี้ความไม่เชิงเส้นในระบบอาจนําไปสู่การเจริญเติบโตใหม่ของสเปกตรัมสัญญาณรบกวนระหว่างมอดูเลตและพลังงานที่ไม่ต้องการกระจายไปทั่วแถบโดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่สเปกตรัมที่ไม่ได้ใช้หรือได้รับการคุ้มครอง การทดสอบ NPR ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อเปิดเผยผลกระทบเหล่านี้โดยใช้สัญญาณรบกวนสีขาวบรอดแบนด์ที่มีรอยบากสเปกตรัมจําลองสภาวะการทํางานในโลกแห่งความเป็นจริงได้แม่นยํากว่าสัญญาณทดสอบแถบความถี่แคบ

สําหรับตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) และตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก (DAC) NPR เป็นตัวบ่งชี้ที่มีประสิทธิภาพว่าตัวแปลงรักษาความเที่ยงตรงได้ดีเพียงใดเมื่อแปลงเป็นดิจิทัลหรือสร้างสัญญาณใหม่ที่ครอบคลุมแบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ เผยให้เห็นว่าสัญญาณรบกวนเชิงปริมาณ สิ่งประดิษฐ์การสุ่มตัวอย่าง และลักษณะการถ่ายโอนแบบไม่เชิงเส้นทําให้คุณภาพสัญญาณลดลงอย่างไร ในระบบสื่อสารดิจิทัลความเร็วสูง เช่น ระบบที่ใช้ใน 5G ลิงก์ไฟเบอร์ออปติก และ backhaul ไร้สายที่มีปริมาณงานสูง ADC และ DAC ต้องเผชิญกับสิ่งเร้าไวด์แบนด์อย่างต่อเนื่อง

ในระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่องสัญญาณที่ทํางานภายใต้การโหลดแบบหลายผู้ให้บริการ NPR ใช้เพื่อประเมินว่าความไม่เชิงเส้นในเพาเวอร์แอมพลิฟายเออร์หรือห่วงโซ่ช่องสัญญาณทั้งหมดส่งผลต่อความสามารถในการรักษาการแยกสัญญาณและความชัดเจนอย่างไร เนื่องจากระบบดาวเทียมจํานวนมากทํางานกับพาหะที่มีระยะห่างแคบแม้แต่การบิดเบือนแบบไม่เชิงเส้นเพียงเล็กน้อยก็อาจทําให้เกิดการรบกวนที่เป็นอันตรายระหว่างช่องสัญญาณที่อยู่ติดกันได้ NPR ช่วยวัดปริมาณความเสี่ยงนี้และเป็นแนวทางในการออกแบบสถาปัตยกรรมช่องสัญญาณเชิงเส้นและแข็งแกร่งยิ่งขึ้น

เครื่องขยายสัญญาณเคเบิลทีวี (CATV) เป็นอีกหนึ่งพื้นที่สําคัญที่มีการใช้การทดสอบ NPR อย่างกว้างขวาง แอมพลิฟายเออร์เหล่านี้ต้องจัดการโทรทัศน์และช่องข้อมูลหลายสิบหรือหลายร้อยช่องพร้อมกันในสเปกตรัมความถี่กว้าง อินเตอร์มอดูเลตหรือการบิดเบือนฮาร์มอนิกใด ๆ ในแอมพลิฟายเออร์อาจนําไปสู่การกระจายสัญญาณรบกวนไปยังช่องสัญญาณที่เงียบ ทําให้คุณภาพวิดีโอลดลงหรือทําให้เกิดข้อผิดพลาดของข้อมูล การทดสอบ NPR เหมาะอย่างยิ่งในการจําลองสภาพแวดล้อมแบบหลายช่องสัญญาณนี้และให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริงของแอมพลิฟายเออร์

Software-Defined Radios (SDR) ซึ่งใช้มากขึ้นในสภาพแวดล้อมการสื่อสารแบบไดนามิกและปรับเปลี่ยนได้ยังได้รับประโยชน์จากการทดสอบ NPR SDR ต้องสามารถประมวลผลแบนด์วิดท์แบบแปรผันและโครงสร้างช่องสัญญาณที่กําหนดค่าใหม่ได้ทันที การทดสอบ NPR ช่วยตรวจสอบว่าส่วนหน้าของวิทยุและขั้นตอนการประมวลผลสัญญาณสามารถจัดการกับการเข้าถึงสเปกตรัมแบบไดนามิกได้โดยไม่ทําให้เกิดการบิดเบือนแบบไม่เชิงเส้นอย่างมีนัยสําคัญซึ่งอาจรบกวนช่องสัญญาณข้างเคียงหรือละเมิดหน้ากากสเปกตรัม

บางทีแง่มุมที่สําคัญที่สุดประการหนึ่งของการทดสอบ NPR คือความสามารถในการจําลองสภาพการทํางานจริงโดยใช้สัญญาณรบกวนบรอดแบนด์แทนที่จะเป็นโทนเสียงที่แยกจากกันหรือรูปคลื่นที่เรียบง่าย สิ่งนี้ทําให้สามารถเปิดเผยการบิดเบือนที่ละเอียดอ่อนและข้อจํากัดของช่วงไดนามิกที่อาจตรวจไม่พบในการทดสอบ IMD หรือความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกแบบดั้งเดิม ด้วยเหตุนี้ NPR จึงช่วยให้วิศวกรมีความเข้าใจที่เป็นจริงและใช้งานได้จริงว่าระบบจะทํางานอย่างไรภายใต้สถานการณ์การใช้งานทั่วไป ซึ่งมีความสําคัญอย่างยิ่งสําหรับการใช้งานที่ความสมบูรณ์ของสัญญาณและความสะอาดของสเปกตรัมเป็นสิ่งสําคัญยิ่ง

วิธีการทดสอบ NPR

การทดสอบอัตราส่วนพลังสัญญาณรบกวน (NPR) ได้รับการออกแบบมาเพื่อประเมินว่าระบบรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณได้ดีเพียงใดเมื่ออยู่ภายใต้อินพุตไวด์แบนด์ที่สมจริง มันเกี่ยวข้องกับการฉีดสัญญาณที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษลงในอุปกรณ์ที่ทดสอบ (DUT) และการวัดว่าความไม่เชิงเส้นทําให้เกิดพลังงานบิดเบือนปรากฏภายในรอยบากสเปกตรัมที่กําหนดไว้ล่วงหน้าได้อย่างไร กระบวนการนี้เผยให้เห็นความเป็นเส้นตรงและช่วงไดนามิกของระบบภายใต้สภาวะสัญญาณที่ซับซ้อน

หลักการพื้นฐานและกระบวนการ ทดสอบ

การทดสอบ NPR เริ่มต้นด้วยการสร้างสัญญาณรบกวนสีขาวที่ครอบคลุมช่วงความถี่กว้าง โดยเลียนแบบการรับส่งข้อมูลแบบหลายผู้ให้บริการหรือบรอดแบนด์ในโลกแห่งความเป็นจริง จากนั้นจะใช้ตัวกรองรอยบากแถบความถี่แคบเพื่อขจัดพลังงานออกจากส่วนความถี่ขนาดเล็ก ซึ่งสร้างพื้นที่ "เงียบ" ในสเปกตรัมเสียงรบกวน สัญญาณรบกวนที่มีรอยบากนี้ถูกป้อนไปยัง DUT ซึ่งอาจเป็น ADC, DAC, amplifier, transponder หรือส่วนประกอบ RF แบบไวด์แบนด์อื่นๆ

หลังจากที่สัญญาณผ่าน DUT เอาต์พุตจะถูกวิเคราะห์โดยทั่วไปจะใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมเพื่อกําหนดว่ากําลังบิดเบือนรั่วไหลเข้าไปในรอยบากมากน้อยเพียงใด พลังงานใดๆ ที่พบในพื้นที่ว่างเปล่าก่อนหน้านี้เกิดจากผลิตภัณฑ์อินเตอร์มอดูเลตหรือเอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นอื่นๆ ยิ่งสังเกตพลังงานในรอยบากน้อยลง NPR ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น และความเป็นเส้นตรงของระบบก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

วิธีการวัด

1. วิธีการแบบดั้งเดิมโดยใช้เสียงสีขาวและฟิลเตอร์ 

ในการตั้งค่า NPR แบบคลาสสิก แหล่งสัญญาณรบกวนบรอดแบนด์จะใช้เพื่อสร้างสัญญาณอินพุต ตัวกรองแบนด์พาสจะจํากัดสัญญาณไว้ที่ช่วงความถี่ที่ต้องการ ในขณะที่ตัวกรองรอยบากจะสร้างช่องว่างแคบในสเปกตรัม สัญญาณที่กรองแล้วนี้จะถูกนําไปใช้กับ DUT ตัวกรองรอยบากต้องมี Q-factor สูงเพื่อให้แน่ใจว่ามีการปฏิเสธที่คมชัดและป้องกันสิ่งประดิษฐ์ในการวัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อค่า NPR สูง

วิธีนี้ตรงไปตรงมาและสะท้อนให้เห็นถึงการใช้งานการทดสอบ NPR ในช่วงต้นในระบบสื่อสารแบบแอนะล็อก อย่างไรก็ตาม ต้องใช้ฟิลเตอร์อะนาล็อกที่มีความแม่นยําและอาจมีข้อจํากัดในด้านความยืดหยุ่น เช่น ตําแหน่งหรือความลึกของรอยบากคงที่

2. วิธีการที่ทันสมัยโดยใช้สัญญาณหลายโทน

วิธีการที่ใหม่และยืดหยุ่นมากขึ้นใช้เครื่องกําเนิดสัญญาณแบบหลายโทนเพื่อสังเคราะห์โทนเสียงที่ไม่ต่อเนื่องหลายร้อยหรือหลายพันโทนเสียงทั่วทั้งแบนด์วิดท์ของระบบ ด้วยการเลือกปิดโทนเสียงเฉพาะ จะสามารถสร้างรอยบากสเปกตรัมอย่างน้อยหนึ่งรอยโดยไม่ต้องใช้ฟิลเตอร์แอนะล็อก วิธีนี้ช่วยให้สามารถควบคุมรอยบากได้อย่างแม่นยําและหลีกเลี่ยงการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับตัวกรอง

เฟสของโทนเสียงจะถูกสุ่ม ซึ่งมักใช้เทคนิคการจําลองมอนติคาร์โล เพื่อหลีกเลี่ยงอัตราส่วนพลังงานสูงสุดต่อค่าเฉลี่ยขนาดใหญ่ที่อาจทําให้ DUT เครียด วิธีการมัลติโทนช่วยให้มีรอยบากที่ลึกขึ้นและปรับปรุงความแม่นยําของสเปกตรัมแม้ว่าจะต้องใช้อุปกรณ์สร้างสัญญาณขั้นสูงและการควบคุมรูปคลื่นแบบดิจิตอล

ทั้งสองวิธีมีข้อดี: วิธีการตามเสียงรบกวนแบบดั้งเดิมนั้นง่ายต่อการนําไปใช้กับการตั้งค่าการทดสอบแบบอะนาล็อกในขณะที่วิธีการแบบมัลติโทนให้ความยืดหยุ่นมากกว่าและเหมาะสําหรับการจําลองหรือระบบทดสอบขั้นสูง

การตีความประสิทธิภาพและเกณฑ์ มาตรฐาน

ผลการทดสอบ NPR สามารถตีความเพื่อวัดคุณภาพของระบบได้ ค่า NPR สูง (เช่น สูงกว่า 50 dB) บ่งบอกถึงความเป็นเส้นตรงที่ยอดเยี่ยมและความผิดเพี้ยนต่ํา ค่า NPR ปานกลางระหว่าง 30–50 dB แนะนําประสิทธิภาพที่ยอมรับได้สําหรับการใช้งานจํานวนมาก ในขณะที่ค่าที่ต่ํากว่า 30 dB ชี้ให้เห็นถึงปัญหาความไม่เชิงเส้นหรือเสียงรบกวนที่สําคัญ สําหรับ ADC มักใช้ NPR เพื่อประเมินความละเอียดที่มีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ADC 12 บิตในอุดมคติควรให้ NPR สูงสุดประมาณ 62 dB สูตรที่มักใช้เพื่อเชื่อมโยง NPR กับความละเอียดเป็นบิตคือ:

NPR_max ≈ 6.02N + 1.76 − 10log(12)

โดยที่ N คือจํานวนบิตของความละเอียด

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อผลลัพธ์ NPR

พารามิเตอร์หลายตัวส่งผลต่อผลลัพธ์ NPR ความละเอียดของ ADC หรือ DAC มีบทบาทสําคัญ ความลึกของบิตที่สูงขึ้นส่งผลให้ NPR ดีขึ้นเนื่องจากสัญญาณรบกวนเชิงปริมาณที่ต่ําลง เทคนิคการสุ่มตัวอย่างมากเกินไปและการสร้างสัญญาณรบกวนสามารถปรับปรุง NPR ได้มากขึ้นโดยการกระจายสัญญาณรบกวนไปทั่วแบนด์วิดท์ที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งช่วยลดความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนในย่านความถี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความกว้างและตําแหน่งของรอยบากก็มีความสําคัญเช่นกัน รอยบากที่แคบมากอาจตรวจไม่พบผลิตภัณฑ์ที่บิดเบือนทั้งหมด ในขณะที่ตําแหน่งของรอยบากอาจเผยให้เห็นแง่มุมต่างๆ ของความไม่เป็นเชิงเส้น นอกจากนี้ แบนด์วิดท์สัญญาณรบกวนโดยรวมที่ใช้ในการทดสอบยังส่งผลต่อการโหลดของระบบและการตอบสนอง NPR

ข้อดีของการทดสอบ NPR

จุดแข็งที่สําคัญประการหนึ่งของการทดสอบอัตราส่วนพลังเสียงรบกวน (NPR) อยู่ที่ความสามารถในการเลียนแบบสภาวะสัญญาณในโลกแห่งความเป็นจริงอย่างใกล้ชิด ซึ่งแตกต่างจากการทดสอบอินเตอร์มอดูเลตแบบทูโทนแบบดั้งเดิม ซึ่งประเมินประสิทธิภาพของระบบโดยใช้โทนเสียงแยกคู่หนึ่ง - การทดสอบ NPR ใช้สัญญาณรบกวนบรอดแบนด์ โดยจําลองสภาพแวดล้อมแบบมัลติพาหะหรือมอดูเลตที่ซับซ้อน วิธีการนี้ให้การวัดพฤติกรรมของระบบที่สมจริงยิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งาน เช่น ช่องสัญญาณดาวเทียม เครื่องขยายสัญญาณเคเบิลทีวี และ ADC หรือ DAC ความเร็วสูง ซึ่งสัญญาณมักครอบครองสเปกตรัมความถี่ส่วนใหญ่

ด้วยการแนะนํารอยบากภายในสเปกตรัมเสียงและสังเกตว่ากําลังบิดเบือนรั่วไหลกลับเข้าไปในบริเวณที่เงียบสงบนี้มากน้อยเพียงใดการทดสอบ NPR จะจับผลกระทบสะสมของผลกระทบที่ไม่เชิงเส้นการบีบอัดและอินเตอร์มอดูเลตที่เกิดขึ้นภายใต้การโหลดบรอดแบนด์ สิ่งนี้ทําให้มีค่าอย่างยิ่งสําหรับการประเมินระบบไวด์แบนด์ ซึ่งการบิดเบือนสามารถครอบคลุมความถี่ต่างๆ และไม่สามารถเปิดเผยได้ง่ายด้วยการทดสอบแถบความถี่แคบ

ข้อได้เปรียบที่สําคัญอีกประการหนึ่งของ NPR คือการใช้งานจริงและความสะดวกในการใช้งาน การตั้งค่าโดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับแหล่งกําเนิดสัญญาณรบกวนบรอดแบนด์ ตัวกรองรอยบากที่มีความแม่นยํา และเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมหรือดิจิไทเซอร์สําหรับการวัดเอาต์พุต ทําให้การทดสอบ NPR สามารถเข้าถึงได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ทดสอบที่ซับซ้อนหรือมีราคาแพง

สุดท้าย NPR เป็นวิธีการที่เป็นที่ยอมรับและได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษาสําหรับการเปรียบเทียบช่วงไดนามิกและความเป็นเส้นตรงของส่วนประกอบ RF และสัญญาณผสมต่างๆ ความสามารถในการให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับประสิทธิภาพของระบบภายใต้สภาวะสัญญาณที่สมจริงทําให้เป็นเครื่องมือที่ต้องการในการออกแบบ การตรวจสอบความถูกต้อง และคุณสมบัติของฮาร์ดแวร์การสื่อสารที่ทันสมัย

ข้อจํากัดของวิธี NPR

แม้จะมีจุดแข็ง แต่การทดสอบ NPR ก็มีข้อจํากัด ไม่ได้แยกความแตกต่างระหว่างความไม่เชิงเส้นบางประเภท เช่น การบิดเบือนลําดับที่สองกับลําดับที่สาม นอกจากนี้ การตีความผลลัพธ์อาจใช้งานง่ายน้อยกว่าเมื่อเทียบกับเมตริกที่รู้จักกันดี เช่น SFDR (Spurious-Free Dynamic Range) การวัดค่า NPR ที่แม่นยํายังต้องการการควบคุมลักษณะตัวกรองรอยบากและการสอบเทียบอุปกรณ์วัดอย่างแม่นยํา ดังนั้น NPR จึงควรใช้ควบคู่ไปกับการทดสอบอื่นๆ เพื่อให้ลักษณะของระบบสมบูรณ์