[科普中国]-噪声加权

在通信技术中，除了传输的有用信号外，其他一切无用信号通称为噪声。

通常噪声的来源主要是操作系统的内核监控线程(Daemons)、时钟中断以及外部中断的影响，在大规模并行系统中还包括集群或分布式系统的管理软件、监控软件(包括心跳信号等)’因此如何设法消除或减小操作系统产生的噪声也是操作系统优化的重要研究内容。当前的研究主要集中在周期性噪声对高性能计算性能上的影响方面。美国洛斯阿拉莫斯实验室的Fabrizio Petrini、Darren J，Kerbyson等对ASCI Q超级计算机上的周期性噪声来源和发生频率等进行了统计，如表所示。他们针对这些噪声对ASCI O的系统软件做出了相应的改变，主要有：

1)找出共约十个对计算过程没有用处的多余后台Daemon，如envmod，lpd和niff等，将其从所有节点上移除；

2)将RMS监测Daemon的监测频率由每30秒一次降低到每60秒一次；

3)将若干个TrueCluster Daemon从每个子机群的1号和2号节点上移动到0号节点上，以将主要噪声限制在该节点上。通过以上手段消除噪声后，在使用4096个CPU进行SAGE测试时，每个循环周期的计算速度比未消除噪声影响前有高达一倍的提升。1

在Linux系统中，噪声的来源主要是内核中的守护线程和时钟中断。当前Linux内核发展有越来越多的将硬件资源管理交给内核线程来完成这样一种趋势，虽然这种做法对内核代码的可维护性有很大的帮助，同时也会显著增加系统的噪声。在United Linux1．0使用的2．4．19版本Linux内核中，产生噪声的内核线程主要有：1)migration thread，对应SMP系统中的每个处理器都有一个该线程的运行实例，它负责进程在各处理器之间的切换，具体的说也就是将位于本处理器上但不能被调度运行的进程推到其它的处理器上运行。该线程是实时线程，它在有亲和性请求时会被唤醒。

2)ksoflirqd，同样对应SMP系统中的每个处理器都有一个运行实例，该线程负责处理各处理器的软中断，即中断服务程序的底半(BottomHalf)部分。它在一个处理器有尚未处理的软中断时会被唤醒。

3)kswapd，这个线程的作用是在物理内存可用容量不足时将部分内存中的虚存页面换出到磁盘上去，它在内存紧张时会被唤醒。

4)kupdated，此线程的作用是将系统中已经改变的数据写回磁盘，它定期被唤醒。

5)bdflush，与kupdated的作用相同，它只在需要时被唤醒。

6)keventd，它的作用是为驱动程序提供一个进程上下文，使驱动程序能够将一些可能引起睡眠的例程挂入到一个队列中，然后在keventd线程的上下文中执行。而2．4版本内核中时钟中断的产生频率100Hz，即每10ms产生一次。中断的开销包括从用户态到核心态的运行模式切换，以及进程计时器的更新等，另外有可能还伴随有进程的切换。1

噪声是一种客观存在的现象。在多路电话信号和电视信号的传输中，不可避免地要产生并传输噪声，而且各种噪声最终都要落入每个话路或电视信号中。在一般情况下，这些噪声的频谱基本上是均匀连续分布的，如右图中平坦细直线所示。

但是，人耳的听觉具有一定的频率特性，如右图中的粗曲线所示。人耳的这种频率特性，表现为对音频范围内的不同频率具有不同的听觉灵敏度：对800～1000Hz的频率感觉最灵敏，对其他频率的感觉稍迟钝。

这样，话路中客观上均匀连续分布的噪声电压，与人耳主观听到的不均匀连续噪声之间产生了矛盾。为了反映入耳实际感受到的噪声大小，应当在测量噪声时，人为地计入人耳的特性，采用一种摸拟人耳频率特性的特殊的噪声计进行测量，这种人为的测量措施称为对话路的噪声加权。2

电话电路中的噪声，具有均匀分布的频率特性，但人的听觉和电话机则对各种不同的频率都有不同的响应。因此，不同频率成分对话路所造成的干扰效果则不相同。为了能够反映噪声对话路干扰的实际效果，在测量噪声时，在噪声功率计上附加一个与入的听觉和电话机的频率特性相同的网络，即加权网络。

这样测量得到的噪声功率电平的数值，称为噪声的加权值。而不使用加权网络的噪声计测得的噪声功率电平数值为非加权值。

同一噪声电平的加权值比非加权值要小2.5dB。3

这种评价制评价干扰水平采用的指标是电话谐波波形因数(THFF)。

这是一个无量钢的量，其定义为THFF=等效800Hz的干扰电压/电力系统的供电电压。

上式中电力系统的供电电压即指规定的额定电压，等效干扰电压是指当以800 Hz的电压加在电力线路上，它在附近电话线上产生的干扰影响与电力线基波和谐波电压共同作用产生的干扰效应相同。

THFF的电压计算公式为：

U为输电线路电压有效值；Uh为频率为fh的第h次谐波电压；A/800为折算系数;fh/800为噪声加权系数。

噪声电压的有效值为

Uh是电话线上频率为fh的纵向或横向电压的有效值。

CCITT导则中建议电话回路上总噪声加权电动势(即开路电压)的有效值不超过1 mV。当测量噪声电压时，可以在电话线路端部连接一个阻值等于线路特征阻抗(约为600 Q)的电阻，测量此电阻上的噪声电压。按规定，终端电阻的加权噪声电压应该低干0.5 mV。3