8-900-374-94-44
Отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal-to-noise ratio, сокр. SNR) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.
где P — средняя мощность, а A — среднеквадратичное значение амплитуды. Оба сигнала измеряются в полосе пропускания системы.
Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.
Содержание
|
Основные причины высокого уровня шума в сигнальных системах:
Чаще всего улучшения шумовых характеристик системы можно добиться правильным согласованием входов и выходов её составных частей. Тогда паразитная ЭДС помехи, включённая последовательно с высоким внутренним сопротивлением источника шума будет подавлена.
Если спектр полезного сигнала отличается от спектра шума, улучшить отношение сигнал/шум можно ограничением полосы пропускания системы.
Шум квантования устраняется повышением разрядности АЦП.
Для улучшения шумовых характеристик сложных комплексов применяются методы электромагнитной совместимости.
В аудиотехнике отношение сигнал/шум определяют путем измерения напряжения шума и сигнала на выходе усилителя или другого звуковоспроизводящего устройства среднеквадратичным милливольтметром либо анализатором спектра. Современные усилители и другая высококачественная аудиоаппаратура имеет показатель сигнал/шум около 100—120 дБ.
В системах с более высокими требованиями используются косвенные методы измерения отношения сигнал/шум, реализуемые на специализированной аппаратуре.
Отношение сигнал/шум — параметр усилителя активных колонок, показывает насколько сильно шумит усилитель (от 60 до 135,5 дБ), если в отсутствие сигнала выкрутить регулятор громкости на максимум. Чем больше значение сигнал/шум, тем более чистый звук обеспечивают колонки. Желательно, чтобы этот параметр был не менее 75 дБ, для мощных колонок с высококлассным звучанием не менее 90 дБ.
Отношение сигнал/шум — отношение уровня электрического сигнала к уровню шума этого сигнала, численно определяет содержание паразитных шумов в сигнале. Чем больше значение отношения сигнал/шум для видеосигнала, тем меньше помех и искажений имеет изображение на экране монитора. Значения отношения от 45 до 60 дБ соответствуют приемлемому качеству видеосигнала, значение менее 40 дБ означает высокий уровень шумов в видеосигнале и, как следствие, низкое качество видеоизображения.
Соотношение сигнал/шум (его часто обозначают S/N или SNR) определяет силу сигнала относительно фонового шума канала передачи данных, а также устройства обработки сигнала или электронного устройства.
Соотношение сигнал/шум (его часто обозначают S/N или SNR) определяет силу сигнала относительно фонового шума канала передачи данных, а также устройства обработки сигнала или электронного устройства. Это соотношение определяет качество передачи данных. Если уровень фонового шума в канале высок, это может привести к снижению скорости передачи данных, поскольку передающий компьютер будет вынужден многократно посылать пакеты данных, которые не были прочитаны адресатом из-за слишком высокого уровня шума.
Шум — серьезный враг систем передачи данных. В какой бы среде ни «путешествовали» электроны, они порождают определенный электромагнитный шум. Когда сигнал передается по каналу связи, например по медному проводу или при трансляции в радиочастотном диапазоне, его всегда сопровождают фоновые электромагнитные помехи, или шум.
Соотношение сигнал/шум (S/N) — это количество нежелательного электромагнитного шума, отнесенное к силе сигнала. Если фоновый шум в канале передачи данных выше, чем сигнал, это может привести к снижению скорости передачи данных или нарушению стабильности работы системы.
Вот почему пассажирам запрещают пользоваться любыми электронными устройствами (в том числе сотовыми телефонами и мобильными компьютерами) на протяжении всего авиаперелета или по крайней мере во время взлета и посадки. Это меры предосторожности, которые гарантируют, что шум от таких устройств не повредит навигационной системе самолета, хотя, по общему признанию, это маловероятно.
В проводных системах проблемы, связанные с уровнем шума, разрешаются довольно просто в силу относительной замкнутости систем. Рассмотрим обычную локальную сеть, в которой низкоуровневые шумы от радио и других устройств могут вызвать помехи. Сеть Ethernet, работающая на частоте 10 МГц, в точке приема сигналов использует фильтр, чтобы отсечь сигналы, по частоте превышающие 10 МГц. Еще один способ увеличить соотношение S/N — повысить мощность сигнала.
Стандарты задают уровень электромагнитных помех в разрешенном для производства оборудовании, с тем чтобы минимизировать помехи при передаче данных.
Целая область электросвязи посвящена способам максимального увеличения силы сигнала относительно нежелательного электромагнитного шума. В некоторых сложных устройствах, таких как радиотелескопы, для минимизации электромагнитных помех температуру микроэлектронных компонентов снижают почти до абсолютного нуля (-273°С).
Из-за высокого уровня электромагнитных помех компьютеру-отправителю, возможно, придется повторно передавать пакеты данных, которые пришли адресату искаженными из-за шума в проводном соединении. Это вызывает задержку получения передаваемых данных.
Вопросу подавления шумов в беспроводных коммуникациях уделяется особое внимание, поскольку электромагнитные помехи могут серьезно повлиять на передачу сигнала. Дело в том, что при беспроводных соединениях сигнал относительно слаб и к тому же затухает с большой скоростью — обратно пропорционально площади, «пройденной» сигналом, распространяющемуся по всем направлениям.
На качестве передачи сигнала сказывается и то, что может существовать множество источников электромагнитных помех, в том числе и окружающая среда.
Силовые кабели и ретрансляционные вышки способны порождать весьма значительные электромагнитные помехи. Стены зданий могут блокировать или ослаблять сигналы.
Отражающие поверхности, такие как металлический забор и даже облака, могут задерживать сигналы. Поэтому один и тот же сигнал может быть получен из разных направлений в разное время, что вызывает искажение.
Один из способов минимизации уровня шума при беспроводных соединениях — это смена частот (frequency hopping), используемая в Bluetooth и в стандарте IEEE 802.11.
Передатчик посылает сигнал на одной частоте в течение заранее определенного короткого промежутка времени (речь идет о миллисекундах), затем переходит на другую частоту и передает сигнал в течение другого промежутка времени и т. д. Порядок и продолжительность изменения частот определяет конкретный алгоритм, а поскольку сигнал использует каждую из задействованных частот только в течение короткого периода времени, вероятность возникновения помех или искажения сигнала снижается.
И все же вопрос о S/N не теряет своей остроты. В 2001 году стоит ожидать появления множества устройств, использующих технологию Bluetooth.
На первый взгляд Bluetooth было бы совершенно естественно использовать для получения диагностической информации от машины, но до того момента, как подобные устройства будут устанавливаться в автомобилях, пройдет еще немало времени. И все из-за электромагнитных помех.
«Нам необходимо быть уверенными в том, что подобные устройства не вызовут помех в остальных системах автомобиля, — отметил Майк Хичме из корпорации General Motors. — Всякий раз, когда микропроцессор или коммутатор передает сигнал с помощью беспроводной связи, он может вызывать помехи в других системах автомобиля».
Если сигнал слабый, то иногда его заглушет фоновый шум. Для электронных систем это может быть остаточный шум компонентов устройства, космические лучи, помехи от других электронных устройств и многое другое. Как можно видеть из представленной диаграммы, когда уровень сигнала опускается ниже фонового шума, его информационное наполнение теряется.
Если сигнал сильный, то даже его самые слабые фрагменты не искажаются из-за шума и, таким образом, может поддерживаться большее различие в интенсивности (например, громкости) между самыми низкими и самыми высокими значениями сигнала. Величина, на которую максимальная интенсивность сигнала превышает минимальный уровень, когда этот сигнал еще можно выявить (то есть шумовой порог), называется динамическим диапазоном и обычно измеряется в децибелах.
Термин сигнал/шум первоначально возник в области разработки электрических схем как специальный количественный параметр, однако саму концепцию будет вполне справедливо применить к любому методу связи.
Например, дым костров может быть эффективным средством передачи сигналов на дальние расстояния, правда, до тех пор, пока не помешает природный «шум» — скажем, туман или дождь.
Или представьте себе место, где одновременно разговаривают десятки людей. Если вы хотите поговорить с кем-нибудь, то придется встать к своему собеседнику настолько близко, чтобы ваш голос (сигнал) можно было услышать сквозь звуки разговора окружающих (шум).
Другими словами, необходимо добиться достаточно высокого соотношения S/N.
Наконец, обратите внимание на тысячи групп новостей, известных под общим названием Usenet. Мне часто приходится слышать от опытных пользователей (и, безусловно, самому сталкиваться с этим достаточно часто), что у многих групп REC (развлекательных) или ALT (альтернативных, то есть полностью неуправляемых), «недостаточно высокое соотношение сигнал/шум». Другими словами, слишком много людей публикуют сообщения, не несущие в себе, по сути, никакой информации; это часто случается, когда разгораются страсти вокруг какого-то, вообще говоря, пустякового вопроса.
Будучи подростком, изучая все тонкости автомобильной аудиосистемы, я часто наслаждался мельчайшими подробностями каждой ноты. Для меня музыка опьяняла почти так же сильно, как науки и электроника.
Однако в это время на первый план выходит появление компакт-дисков и, конечно же, автомобильного сабвуфера.
До появления компакт-дисков винил был очевидным выбором для воспроизведения звука с точки зрения удовольствия от прослушивания. Тем не менее, многие утверждают, что это все еще так, при определенных условиях. Более того, компакт-диск в то время изменил правила игры, и его четкость по сравнению с кассетной лентой была неоспоримой. Точно так же, как существовал спрос на устройства для воспроизведения нового видеостандарта 4K, то же самое было и с компакт-дисками.
Что, конечно же, положило начало автомобильному аудио CD-ресиверу. Благодаря превосходной четкости и простоте использования CD-ресивер был полным. Однако там, где есть капитализм, вы обязательно найдете прямую конкуренцию. Это, безусловно, имело место в случае с CD-ресивером, и самым высмеивающим отличием, которое высококачественные автомобильные аудиокомпоненты могли использовать, чтобы повлиять на своих клиентов, была превосходная четкость.
Четкость, о которой они говорили, была достижима только благодаря их превосходным характеристикам отношения сигнал/шум.
Единственной характеристикой, которая всегда была лучше, чем у младших брендов, было их отношение сигнал/шум (SNR). Кроме того, даже для нетренированного уха разница в чистоте и музыкальном присутствии была неоспоримой. Таким образом, если SNR может иметь такое большое значение в чистоте музыкального звука, то его важность в приложениях для передачи сигналов экспоненциально более критична. Поэтому в следующих нескольких абзацах я расскажу об отношении SNR и о том, как его рассчитать для обеспечения проектной точности.
Что такое отношение сигнал/шум?
С точки зрения определения, SNR или отношение сигнал/шум – это соотношение между полезной информацией или мощностью сигнала и нежелательным сигналом или мощностью фонового шума.
Кроме того, SNR — это параметр измерения, используемый в областях науки и техники, который сравнивает уровень полезного сигнала с уровнем фонового шума.
Другими словами, SNR представляет собой отношение мощности сигнала к мощности шума, и его единицей выражения обычно являются децибелы (дБ). Кроме того, отношение больше 0 дБ или больше 1:1 означает больше сигнала, чем шума.
Помимо технического определения SNR, я определяю его в других терминах с помощью сравнительного анализа. Например, скажите, что вы и еще один человек находитесь в большой комнате и разговариваете. Однако в комнате полно других людей, которые тоже разговаривают. Кроме того, некоторые из других людей также имеют схожие с вами и другим человеком, участвующими в вашем обсуждении, голосовые паттерны. Как вы понимаете, было бы трудно разобрать, кто что говорит.
Почему важно соотношение сигнал/шум?
В предыдущем сравнении вы можете лучше понять, что подразумевается под нежелательным сигналом или шумом. Как вы также можете себе представить, было бы почти невозможно понять другую сторону, участвующую в вашем разговоре. Кроме того, в подобном сценарии мы бы считали это проблемой отношения сигнал-шум или эквивалентом отношения сигнал-шум, которое ниже допустимых параметров.
Теперь предположим, что полезный сигнал представляет собой важные данные со строгим или узким допуском на ошибки, и есть другие сигналы, нарушающие ваш желаемый сигнал. Опять же, это сделало бы задачу приемника экспоненциально более сложной по расшифровке полезного сигнала. Таким образом, именно это делает столь важным высокое отношение сигнал/шум. Кроме того, в некоторых случаях это также может означать разницу в функционировании устройства, и во всех случаях это влияет на производительность между передатчиком и приемником.
В беспроводной технологии ключом к производительности устройства является способность устройства отличать применяемые сигналы как достоверную информацию от любого фонового шума или сигналов в спектре. Это олицетворяет определение стандартов, для установления которых используются спецификации SNR. Кроме того, стандарты, о которых я говорю, также обеспечивают надлежащую работу беспроводной сети.
Говоря простыми словами, ОСШ представляет собой разницу между полезным сигналом и минимальным шумом.
Кроме того, с точки зрения определения, минимальный уровень шума — это кажущиеся фоновые передачи, создаваемые другими устройствами или устройствами, которые непреднамеренно создают помехи на аналогичной частоте. Следовательно, чтобы установить отношение сигнал/шум, необходимо найти измеримую разницу между уровнем полезного сигнала и нежелательным шумом, вычитая значение шума из значения уровня сигнала.
Достижение желаемой целостности сигнала может быть затруднено на любом этапе проектирования.
Гипотетически, если радиоустройство вашего устройства принимает сигнал -65 дБм (децибел на милливатт), а минимальный уровень шума составляет -80 дБм, то результирующее отношение сигнал/шум составляет 15 дБ. Тогда это будет отражаться как мощность сигнала 15 дБ для этого беспроводного соединения. Как я уверен, вы знаете, что с точки зрения возможности подключения к беспроводным сетям, эксперты утверждают, что отношение сигнал-шум должно быть не менее 20 дБ, чтобы, скажем, просматривать веб-страницы.
от 5 дБ до 10 дБ : ниже минимального уровня для установления соединения из-за того, что уровень шума почти неотличим от полезного сигнала (полезная информация).
от 10 дБ до 15 дБ
: принятый минимум для установления ненадежного соединения.от 15 дБ до 25 дБ : обычно считается минимально приемлемым уровнем для установления плохой связи.
от 25 дБ до 40 дБ : считается хорошим.
41 дБ или выше : считается отличным.
Хотя SNR обычно используется для количественной оценки четкости или силы электрических сигналов, его также можно применять к любой форме сигнала (передачи).
Например, он используется для описания уровней изотопов в ледяных ядрах, биохимических сигналов между клетками или чистоты звука для автомобильных усилителей и источников (DVD, CD или цифровых). Однако для аудиокомпонентов значение SNR всегда положительное. Например, ОСШ 95 дБ означает, что уровень звукового сигнала на 95 дБ выше уровня шума. Что, в свою очередь, означает, что SNR 95 дБ лучше, чем 80 дБ.
Вычисления SNR могут быть простыми или сложными, в зависимости от рассматриваемых устройств и имеющихся у вас данных. Таким образом, если ваши измерения SNR уже представлены в децибелах, вы можете вычесть количество шума из желаемого сигнала: SNR = S — N. Это потому, что вычитание логарифмов эквивалентно делению нормальных чисел. Кроме того, разница в числах равна SNR. Например, вы измеряете радиосигнал мощностью -10 дБ и шумовой сигнал -50 дБ. -10 — (-50) = 40 дБ.
Как я уже говорил ранее, вычисление SNR также может быть задействовано.
Итак, для сложных вычислений вы делите значение полезного сигнала на количество шума, а затем берете десятичный логарифм результата, то есть log (S ÷ N). После этого, если измерения уровня сигнала выражены в ваттах (мощность), вы умножаете на 20. Однако, если они являются единицами напряжения, вы умножаете на 10.
Кроме того, для мощности SNR = 20 log ( S ÷ N), а для напряжения SNR = 10 log (S ÷ N). Кроме того, результирующий расчет представляет собой SNR в децибелах. Например, ваше измеренное значение шума (N) составляет 2 мкВ, а ваш сигнал (S) — 300 мВ. SNR составляет 10 log (0,3 ÷ 0,000002) или приблизительно 62 дБ.
Соотношение сигнал-шум влияет на все беспроводные сети, включая Bluetooth, Wi-Fi, 4G, 4G LTE и 5G, поскольку их работа зависит от радиосигналов. Кроме того, поскольку они функционируют за счет использования радиосигналов, каждый из упомянутых способов связи имеет максимальную пропускную способность канала.
Более того, с увеличением SNR увеличивается и пропускная способность канала.
В целом пропускная способность канала, полоса пропускания и отношение сигнал/шум влияют на максимальную пропускную способность каналов связи. Причем это открытие принадлежит Клоду Шеннону, и он делает эту корреляцию во время Второй мировой войны. В современных областях электроники и науки инженеры и ученые называют его законом Шеннона или теоремой Шеннона-Хартли.
В соответствии с законом Шеннона следующая формула изображает эту корреляцию, которая формирует отношение, зависящее от пропускной способности:
C = W log2(1 + S/N)
В этой формуле:
/s)
S равно средней мощности принимаемого сигнала
N равно средней мощности шума
Вт равно ширине полосы частот (Гц)
Теорема Шеннона-Хартли показывает, что значения S (средняя мощность сигнала), N ( средняя мощность шума), а W (полоса пропускания) устанавливает предел скорости передачи.
Достижение технических решений с учетом сложных требований к сигналу является полезным в современной развивающейся отрасли.
Важность точного расчета отношения сигнал/шум является обязательным условием для конечной цели эффективного и точного проектирования. Кроме того, вычисление отношения сигнал-шум также позволит получить представление о функциональных возможностях и характеристиках конструкции. Время, чтобы осознать, что дизайн неосуществим, наступает до этапа производства. Поэтому важно оценивать параметры конструкции с помощью расчетов, а также моделирования.
К счастью, благодаря набору инструментов для проектирования и анализа Cadence ваши дизайнеры и производственные группы будут работать вместе над внедрением надлежащих методов расчета отношения сигнал/шум во всех ваших проектах печатных плат. Allegro PCB Designer — это решение для компоновки, которое вы искали, и оно, несомненно, может облегчить реализацию эффективных стратегий соотношения сигнал/шум в ваших текущих и будущих проектах печатных плат.
Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Чтобы посмотреть видео по связанным темам или узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа, подпишитесь на наш канал YouTube.
Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.
Подпишитесь на LinkedIn Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions
УЗНАТЬ БОЛЬШЕ Для наилучшей работы в беспроводной среде важно, чтобы беспроводные устройства могли распознавать принимаемые сигналы как подлинную информацию, которую они должны прослушивать, и игнорировать любые фоновые сигналы в спектре.
Существует концепция, известная как отношение сигнал-шум или SNR, которая обеспечивает наилучшие функциональные возможности беспроводной сети. SNR — это разница между принятым беспроводным сигналом и уровнем шума. Минимальный уровень шума — это просто ошибочные фоновые передачи, которые излучаются либо другими устройствами, расположенными слишком далеко, чтобы сигнал был разборчивым, либо устройствами, которые непреднамеренно создают помехи на той же частоте.
Например, если радиотерминал клиентского устройства принимает сигнал на уровне -75 дБм, а минимальный уровень шума составляет -90 дБм, тогда эффективное отношение сигнал-шум составляет 15 дБ. Тогда это будет отражаться как мощность сигнала 15 дБ для этого беспроводного соединения.
Чем дальше принимаемый сигнал от минимального уровня шума, тем лучше качество сигнала. Сигналы, близкие к минимальному уровню шума, могут быть подвержены повреждению данных, что приведет к повторной передаче между передатчиком и приемником.
Это ухудшит пропускную способность беспроводной сети и задержку, поскольку повторно передаваемые сигналы будут занимать эфирное время в беспроводной среде.
Точки доступа Cisco Meraki используют соотношение сигнал-шум как показатель качества беспроводного соединения. Это дает более точное представление о состоянии беспроводных сигналов, поскольку учитывает радиочастотную среду и уровни окружающего шума. Например, принятый сигнал -65 дБм можно считать хорошим в месте с минимальным уровнем шума -90 дБм (SNR 25 дБ), но не так хорошо в месте с минимальным уровнем шума -80 дБм (SNR 15 дБ). ).
Как правило, сигнал со значением SNR 20 дБ или более рекомендуется для сетей передачи данных, тогда как значение SNR 25 дБ или более рекомендуется для сетей, использующих голосовые приложения. Узнайте больше о соотношении сигнал/шум.
Значения SNR для всех беспроводных клиентов, подключенных к точке доступа Meraki, отображаются на панели мониторинга.
Эту информацию можно просмотреть, перейдя к Для всей сети > Клиенты. Затем выберите беспроводного клиента, чтобы просмотреть дополнительные сведения о подключении этого конкретного устройства. Здесь вы увидите дополнительную информацию о точке доступа, к которой подключен клиент, используемом беспроводном канале и уровне сигнала (SNR).
Чтобы просмотреть SNR непосредственно на клиентском устройстве, просто откройте веб-браузер на этом устройстве и перейдите по адресу ap.meraki.com или my.meraki.com . Затем отобразится локальная страница состояния точки доступа, к которой в данный момент подключено клиентское устройство. Здесь вы увидите различные сведения о беспроводном соединении этого клиентского устройства, включая уровень сигнала между этим клиентом и точкой доступа.
Типичная карта WLAN в ноутбуке не предназначена для измерения уровня шума окружающей среды, поэтому требуются специальные адаптеры, такие как Wi-Spy dBx.