Çfarë është formula e raportit sinjal-mbi-zhurmë dhe si llogaritet ajo? Çfarë është raporti sinjal-mbi-zhurmë (SNR) dhe si llogaritet ai saktësisht?

1.Hyrje

2. Çfarë është saktësisht raporti sinjal-mëz?

3. Bazat e llogaritjeve të raportit sinjal-mëz

4. Pse është i rëndësishëm raporti sinjal-mëz (arsyeja)?

5. Formula e raportit sinjal-mëz dhe kapaciteti i kanalit

6. Raporti sinjal-mëz kundrejt NESR

7. Rëndësia e SNR në projektimin e PCB-ve

8. Si të përmirësohet raporti sinjal-mëz

9. Pyetje të shpeshta

Nëse keni parë ndonjëherë një stereosistemi të makinave dhe keni zbuluar një nivel të zërit të sfondit ku muzika tingullon e qartë në disa vlera, por e paqartë në të tjera, atëherë tashmë keni përjetuar në jetën reale Raportin Sinjal-zë (SNR). E njëjta ide zbatohet pavarësisht se a po dëgjoni audio, po matni rezultatin e një sensori, po dizajnoni një pllakë PCB apo po transmetoni të dhëna nëpërmjet një rrjeti pa tela. Në thelb, SNR ju tregon sa shumë nga ajo që dëshironi të dëgjoni, të shihni ose të përpunoni është e dallueshme nga gjithçka tjetër që nuk keni nevojë. Ai «gjithçka tjetër» është zëri, dhe në dizajn, zëri mund të dëmtojë në mënyrë të fshehtë performancën, të ulë saktësinë dhe të zvogëlojë besnikërinë.

Në termat më të thjeshtë, SNR i kontraston qëndrueshmërinë e një nivelu të sinjalit të dëshiruar me nivelin e interferencës historike ose të fundit të zërit. Kur sinjali është shumë më i fuqishëm se zhurma, rezultati përfundimtar është zë më i qartë, matje më të pastër, cilësi më e lartë e imazhit ose nd perhaps ndërveprim wireless më i besueshëm. Kur zëri kontrollohet, hollësitë zhduken, gabimet rriten dhe sistemet bëhen më të vështira për t’u besuar në mënyrë të plotë. Kjo është arsyeja pse SNR është një nga konceptet më të rëndësishme në pajisjet elektronike, komunikimet, imazhin dhe projektimin e PCB-ve.

SNR nuk është thjesht një formulë publikimi. Ai ka një ndikim të drejtpërdrejtë në efikasitetin e vendosjes dhe në përvojën e klientit. Në një rrjet pa tela si Wi-Fi, Bluetooth, 4G ose 5G, një SNR i papërshtatshëm mund të zvogëlojë detajet, të rrisë shkallën e gabimeve bit, dhe të zhvillojë rëniet e lidhjes së internetit. Në sistemet audio, një SNR i ulët mund të bëjë që një regjistrim audio të jetë i turbullt ose me zhurmë, edhe nëse vetë altoparlanti ose mikrofoni janë cilësi e shkëlqyer. Në sistemet e imazhit, një SNR i ulët mund të fshehë informacione të rëndësishme që janë esenciale për diagnozën mjekësore, analizën ose klasifikimin. Në pajisjet elektronike me shpejtësi të lartë, veçanërisht në dizajnimin e integritetit të sinjalit në PCB, SNR mund të përcaktojë nëse një produkt funksionon saktë apo dështon në fushë.

Individualët zakonisht krahasojnë CD-të dhe disqet plastike nga ana e cilësisë së tingullit, dhe raporti sinjal-mjegull (SNR) ndihmon të sqarojë pse ato duket ndryshe. Format e audio digjitale si CD-të mund të arrijnë një SNR shumë të lartë, i cili zakonisht tregon zbritje të zhurmës dhe riprodhim më të qëndrueshëm. Nga ana tjetër, disqet plastike zakonisht paraqesin më shumë zhurmë historike, si p.sh. krahët e sipërfaqes, pluhuri dhe defektet mekanike. Disa dëgjues e vlerësojnë atë karakter, megjithatë nga një pikëpamje teknike, disqet plastike kanë zakonisht një SNR më të ulët se format elektronike.

Kjo nuk tregon se një format është "i keq" dhe tjetri është "i mirë." Ajo thjesht tregon se cilësia e sinjalit audio varet nga sa zhurmë është e pranishme në lidhje me sinjalin e dëshiruar. Në inxhinieri dhe dizajnimin e produkteve, po të njejtat koncepte zbatohen në çdo sistem ku cilësia e sinjalit ka rëndësi.

Përpjesa Sinjal-mbi-Zhurmë (SNR) është një masë e saj që tregon sa informacion i dobishëm është i pranishëm në krahasim me zhurmën e pa dëshiruar. Në gjuhën e thjeshtë, ajo ju tregon nëse sinjali i dëshiruar është i mjaftueshëm i fortë për të dalur nga fundi i zhurmës. Nëse sinjali është shumë më i fuqishëm se zhurma, sistemi bëhet shumë më i thjeshtë për tu kontrolluar, dëgjuar, vepruar ose krahasuar. Nëse zhurma është gjithashtu e lartë, sinjali bëhet më i vështirë për tu identifikuar dhe gabimet bëhen më të mundshme.

Në termat teknikë, SNR është raporti i fuqisë së sinjalit me fuqinë e zhurmës. Meqenëse inxhinierët zakonisht duhet të krahasojnë vlera të mëdha ose shumë të vogla, SNR zakonisht shprehet në decibela (dB). Një SNR pozitive zakonisht tregon se sinjali është më i fuqishëm se zhurma. Një vlerë më e lartë tregon cilësi më të mirë, funksionim më të mirë dhe zakonisht performancë më të mirë.

Për të bërë konceptin shumë më të lehtë për t'u njohur, mendoni për një individ që flet në një zonë të qetë kundrejt një restoranti të mbushur. Në hapësirën të qetë, zëri i personit është shumë i lehtë për t'u dëgjuar si pasojë e faktit që zhurma e sfondit është e ulët. Në vendin e ushqimit, i njëjti zë mund të jetë më i vështirë për t'u dalluar sepse niveli i zhurmës është më i lartë. Zëri është sinjali. Zhurma e restorantit është zhurma.

- Stereo: zhurmë më e pastër dhe më pak sibilim

- Interaksion i pa telit: marrje më e fuqishme e informacionit

- Sistemet e imazheve: imazhe më të qarta dhe zbulime edhe më të besueshme

- Dizajni i PCB: stabilitet më i mirë i sinjalit të PCB

- Matjet shkencore: vlerësime edhe më të besueshme

SNR zakonisht shkruhet në decibel (dB), pasi dB shtyp përqindjet e mëdha në numra të lexueshëm. Në vend se të themi se një sinjal është 10 000 herë më i fuqishëm se zhurma, inxhinierët mund ta komunikojnë këtë raport me një vlerë shumë më të vogël në shkallën e dB. Kjo e bën krahasimin më të lehtë dhe ndihmon në procesin e dizajnit në komunikimet pa tela, matjen e fuqisë dhe matjen e tensionit.

Para se të llogaritni SNR-në, është e dobishme të kuptoni çfarë paraqesin numrat. Llogaritja është zakonisht e lidhur me krahasimin e forcës së sinjalit të dëshiruar me forcën e nivelit të zhurmës. Në sistemet reale, niveli i zhurmës krijohet nga shumë burime njëkohësisht, duke përfshirë zhurmën elektrike, efektet termike, pengesat nga qarqet fqinje dhe zhurmën ambientale nga mjedisi.

Në shumë kontekste dizajni, sinjali dhe zhurma nuk vlerësohen në mënyrë të ngjashme çdo herë. Periodikisht ata përcaktohen në vat si fuqi, ndërsa herët e tjera maten në "volt" si amplitudë. Ky dallim shkakton probleme, pasi formula ndryshon varësisht nga lloji i dimensionit që përdorni.

- Fuqia e sinjalit = sasia e fuqisë së dobishme në sinjalin e dëshiruar

- Fuqia e zhurmës = sasia e fuqisë të pakëndshme që konkurron me sinjalin

- Niveli i zhurmës = niveli bazë i zhurmës që ekziston në sistem

Një nivel më i lartë i zhurmës bën më të vështirë për pranuesin të zbulojë sinjalet e dobëta. Kjo është veçanërisht e rëndësishme në rrjetet pa tela (Wi-Fi, Bluetooth, 4G, 5G), sistemet digjitale me shpejtësi të lartë dhe në projektimin e pllakave të qarkut të shtypur (PCB), ku pengesa mund të kopjohet lehtë në gjurmët fqinje.

Niveli i zhurmës audio nuk është thjesht një numër në letër. Ai specifikon nivelin minimal mbi të cilin një pranues mund të identifikojë me sukses detajet. Nëse niveli i zhurmës rritet për shkak të pengesave, sigurimit të pasaktë ose një "avioni rekomandues" të dobët në një PCB, raporti i besueshëm SNR zvogëlohet edhe nëse fuqia e sinjalit mbetet e njëjtë. Kjo është arsyeja pse inxhinierët zakonisht fokusohen në reduktimin e zhurmës audio para se thjesht të rrisin qëndrueshmërinë e sinjalit.

SNR është i nevojshëm sepse ju tregon nëse një sistem mund të kryejë detyrën e tij me saktësi dhe besueshmëri. Një sinjal që duket i fortë teorikisht mund të bllokohet akoma nëse niveli i zhurmës është shumë i lartë. Thjeshtë, vetëm forca e sinjalit nuk është afër e mjaftueshme. Sistemi duhet gjithashtu të ruajë një cilësi më të mirë sinjali.

Kjo ka rëndësi në praktikisht çdo fushë që mbështetet në matje, ndërveprim ose zbulim. Nëse SNR zvogëlohet edhe më shumë, pranuesi mund të dekodojë gabimisht informacionin, një sistem imazhi mund të humbasë hollësitë, dhe një qark analog mund të prodhojë një rezultat të distorjuar. Në sistemet digjitale, një SNR e dobët shfaqet zakonisht si një shkallë më e lartë gabimesh biti, ripërdorime, shpejtësi më e ulët transmetimi ose humbje e plotë e sinjalit.

Në audio, SNR përcakton nëse dëgjoni një regjistrim të pastër apo një me sibilim, vrimë ose distorsion. Një mikrofon mund të kapë fjalën qartë në një laborator të qetë, por i njëjti mikrofon mund të prodhojë rezultate të dobëta në një ambient të zhurmshëm. Një SNR e mirë përmirëson qartësinë e sinjalit audio dhe bën zërat, instrumentet dhe hollësitë e holla më të lehta për t'u dëgjuar.

Në komunikimin pa tel, raporti SNR ndikon saktësisht në atë se sa mirë një mjet mund të marrë dhe të dekodifikojë një sinjal radio. Një sinjal më i fuqishëm zvogëlon zhurmën në audio dhe zakonisht tregon transferim informacioni më të shpejtë dhe shumë më të respektueshëm. SNR i dobët mund të zvogëlojë efikasitetin në rrjetet Wi-Fi, Bluetooth, 4G dhe 5G.

Në sistemet e imazheve, SNR ndikon saktësisht në atë se sa qartë mund të shihni objektet në një skenë. SNR i ulët mund të fsheh detaje të rëndësishme, veçanërisht në kushte me dritë të pakta ose kur kaptimi bëhet me shpejtësi të lartë. Në spektroskopinë dhe imazhin hiperspektral, SNR mund të përcaktojë nëse softueri mund të ndajë me sukses një objekt nga një tjetër.

Në dizajnimin e PCB, raporti SNR është thelbësor për ruajtjen e besueshmërisë së sinjalit në PCB. Zhurma e shkaktuar nga udhëzimi i keq, kros-talke (crosstalk), lidhja e pavlefshme me tokën ose një rrjet i papandehshëm i furnizimit me energji (PDN) mund të dëmtojë performancën e sistemit. Nëse formati nuk ruan një marzh të mjaftueshëm, pjesa mund të ndalojë të funksionojë pas prodhimit, edhe nëse funksionon gjatë një testi bazë në laborator.

Inxhinierët e kujdesen për SNR para prodhimit, pasi zgjidhja e problemeve të zhurmës më vonë është e shtrenjtë. Është më ekonomike të zgjidhen probleme të dizajnit, të mbrojtjes, të lidhjes me tokën ose të filtrimit gjatë simulimeve dhe vlerësimeve sesa pasi produkti është dërguar. Kjo është arsyeja pse shumë ekipet përdorin simulimet e PCB dhe programin Allegro PCB Designer për të kontrolluar konceptet herët.

SNR bën më shumë se sa shpjegon sinjalin e cilësisë. Në sistemet e ndërveprimit, ai ndihmon gjithashtu në përcaktimin e sasisë së të dhënave që mund të dërgohen besnikisht përmes një rrjeti. Kjo është ku teorema e Shannon-Hartley bëhet e rëndësishme.

Teorema e Shannon-Hartley

Teorema formulohet si:

C = W log2(1 + S/N).

Ku:

- C = kapaciteti i rrjetit në bitë për sekondë.

- W = gjerësia e brezit të frekuencës në herc.

- S = fuqia mesatare e sinjalit.

- N = fuqia mesatare e zhurmës.

Për zhvilluesit e sistemeve, teorema e Shannon-Hartley ofron një mesazh të qartë: nëse dëshironi një ndërveprim shumë më të besueshëm dhe më të shpejtë, duhet të përmirësoni raportin sinjal-zhurmë (SNR), të zgjeroni transferimin e të dhënave ose të dyja. Nuk mund të neglizhoni zhurmën dhe të pritni gjithsesi performancë të lartë. Kjo është veçanërisht e vërtetë në vlerësimet e saktësisë së sinjalit për lidhjet web me shpejtësi të lartë dhe në planifikimin e nivelit të sistemit për instalimet pa tela.

SNR dhe Rrezatimi Spektral Ekuivalent me Zhurmën (NESR) janë të lidhur, megjithatë nuk janë e njëjta gjë. Të dyja përdoren për të vlerësuar cilësinë e matjeve, veçanërisht në imazheri dhe spektroskopi, por ato përgjigjen pyetjeve të ndryshme.

SNR është një metodë e përdorur gjerësisht. Ajo krahason sinjalin e rëndësishëm me nivelin e zhurmës. Ju tregon sa i pastër është matja në kushtet aktuale. Në imazheri dhe në marrjen e sinjaleve, një SNR më i lartë zakonisht tregon një rezultat më të qartë dhe më të besueshëm.

NESR është një nivel i drejtpërdrejtë i sensitivitetit. Ai ju tregon shkëlqimin më të hollë që mund të zbulohet mbi zhurmën. Në termat fizikë, zakonisht jepet në njësi si W/m²/sr/nm. NESR e ulur tregon se sistemi mund të zbulojë sinjale më të dobëta.

Nëse po analizoni një njësi ndjeshmërie në kushte të përdorimit rutinë, raporti SNR mund të jetë numri më i mirë, pasi ju tregon saktësisht sa i pastër është rezultati. Nëse po përpiqeni të identifikoni objekte ekstremisht të dobëta ose të holla, NESR mund të jetë shumë më i rëndësishëm, pasi ai zbulon kufirin e zbulimit.

Në imazherin hiperspektral, dy sisteme mund të prodhojnë fotografi të përshtatshme, por njëri mund të jetë shumë më i mirë në zbulimin e karakteristikave të holla dhe të paqarta. Një sistem me SNR të lartë mund të ofrojë bande më të pastër dhe saktësi më të mirë klasifikimi. Një sistem me NESR të minimizuar mund të zbulojë sinjale të dobëta që përndryshe mund të humbasin.

- Kontrolli i cilësisë.

- Kategorizimi i produkteve.

- Monitorimi i mjedisit.

- Verifikimi i barnave.

- Vlerësimi në dritë të ulët.

Në projektimin e PCB-ve, raporti sinjal-zhurmë (SNR) është thjesht një nga treguesit më të rëndësishëm për të përcaktuar nëse një panel do të funksionojë besnikisht pas prodhimit. Nuk është mjaftueshëm thjesht të rrugëzoheni gjurmët dhe të vendosni komponentët në mënyrë të duhur. Stili i projektimit duhet gjithashtu të sigurojë sinjalin e dëshiruar, ndërkohë që zvogëlon marrjen e papërshtatshme të zhurmës, përzierjen dhe reflektimin e saj.

Një PCB mund të prodhojë zhurmë në shumë mënyra:

- Rrugëzim i keq i gjurmave.

- Shtegje të gjata kthimi.

- Zhurmë ndërmjet sinjaleve të afërta (crosstalk).

- Dekuplim i mjaftueshëm.

- Rrjetat e fuqisë të zhurmshme.

- Kthimi i tokës.

- EMI nga qarqet fqinje.

Këto probleme zvogëlojnë integritetin e sinjalit në PCB dhe mund të shkaktojnë dështime në qarqet me shpejtësi të lartë ose të ndjeshme. Po ashtu, një qark që duket i përshtatshëm në shpejtësi të ulëta mund të dështojë kur shpejtësitë rriten ose kur frekuencat anësore bëhen më të shpejta.

Në dizajnimin me frekuencë të lartë, gabimet e vogla të formatit bëhen shumë më të rëndësishme. Një vijë që duket e shkurtër në pllakë mund të veçojë akoma si një linjë transmetimi. Kjo do të thotë se shfaqen probleme të tilla si mosqëndrueshmëria, reflektimet dhe rrugët e kthimit të rrymës. Nëse SNR është shumë i ulët, qarku marrës mund të mos jetë në gjendje të identifikojë informacionin e vërtetë nga interferenca.

Llogaritjet e SNR kryhen para prodhimit, pasi ato ndihmojnë në zgjidhjen e pyetjeve si:

- A do të mbetet sinjali i mjaftueshëm i pastër në qarkun marrës?

- A është konstantja e rekomanduar e ajërplaneve adekuate për një kurs kthimi të duhur?

- A mban rrjeti i furnizimit me energji (PDN) zhurmën e furnizimit të rregulluar?

- A është përshtatja e impedancës e mjaftueshme për ndërfaqen e përdoruesit?

- A është reduktimi i kros-talkut ideal mes internetit të rrethueshëm?

Një përsëritës diferencial CMOS mbështetet në hyrje të balancuara dhe në zvogëlimin e zhurmës. Nëse ka asimetri formati, bashkim zhurme ose tokësim i keq që prek njërën anë më shumë se tjetra, performanca e përsëritësit mund të zvogëlohet në mënyrë të konsiderueshme. Në këtë rast, raporti sinjal/zhurmë (SNR) zvogëlohet dhe përsëritësi nuk funksionon më siç duhet.

Mjetet moderne për formatin e PCB ndihmojnë inxhinierët të analizojnë probleme të lidhura me SNR në fazat e hershme. Mjete si Allegro PCB Designer mund të mbajnë procese që përmirësojnë cilësinë e dizajnit, të verifikojnë metodat e transmetimit dhe të zvogëlojnë rreziqet e dizajnit. Këto mjete janë veçanërisht të dobishme kur kujdesen për:

- Ndërfaqet USB.

- Drejtimin e kujtesës DDR.

- Seksionet RF.

- Plakatë të kombinuara sinjali.

- Interfaçet e ndjeshme të sensorëve.

Përmirësimi i raportit sinjal-mbulues (SNR) zakonisht implikon kryerjen e një numri të madh të tre faktorëve: rritja e sinjalit, zvogëlimi i zhurmës ose përpunimi më i zgjuar i sinjalit. Strategjia më e mirë varet nga aplikimi, megjithatë qëllimi është gjithmonë i njëjtë: bëni sinjalin e dëshiruar më të lehtë për tu zbuluar dhe përdorur.

Nëse aplikimi e lejon, mund të rrisni nivelin e sinjalit. Në audio, kjo mund të dojë të thotë përdorimi i një preamplifikatori më të mirë. Në sistemet pa tela, kjo mund të përfshijë një transmetues më të fuqishëm ose pozicionimin e përmirësuar të antenës. Në sistemet e mbledhjes, kjo mund të dojë të thotë rritja e dritës ose optimizimi i parametrave të marrjes.

Megjithatë, kjo duhet të bëhet me kujdes të veçantë. Rritja e vetme e forcës së sinjalit mund të rrisë edhe distorsionin ose konsumin e energjisë. Prandaj, zgjidhja duhet të jetë e përshtatshme për sistem.

Zvogëlimi i zhurmës është zakonisht një nga kurset më efikase të trajnimit. Kjo mund të përfshijë:

- Sigurim më të mirë.

- Grounding më i pastër.

- Vende më të mira të PCB-së.

- Komponentë me zhurmë më të ulët.

- Filtrimi i rregullimeve të papajtueshme.

- Shtigje më të shkurtra të gjurmës.

- Izolim më i mirë midis zonave analoge dhe digjitale.

Kjo është veçanërisht e rëndësishme në dizajnimin e PCB-së, ku zhurma mund të hyjë në shumë programe njëkohësisht.

Aplikacionet softuerike dhe menaxhimi i sinjaleve mund të ndihmojnë edhe më tej. Në imazheri, algoritmet e pastrimit nga zhurma mund të pastronin pjesën e zhurmës pas kapjes. Në sistemet e matjes, balancimi mund të zvogëlojë variacionin e rastësishëm. Në interaksione, infleksioni i lëkundshëm dhe rregullimi i gabimeve mund të rrisin performancën efektive.

Një shembull i vlefshëm është mesatarja e kornizave. Nëse stabilizoni shumë korniza, zhurma e përafërt tendos të minimizohet ndërsa sinjali i vërtetë mbetet i pandryshuar. Në shumicën e rasteve, përmirësimi ndjek një lidhje me rrënjën katrore, që do të thotë se më shumë korniza rrisin raportin sinjal/zhurmë (SNR), por me kthime që zvogëlohen.

- Kohë më e gjatë përpunimi.

- Artefakte të mundshme lëvizjeje.

- Hapësirë më e madhe depozitimi ose ngarkesë shtesë llogaritjeje.

- Kohë më e gjatë efektive eksponimi drejt.

Kjo bën që stabilizimi të jetë i dobishëm, por jo falas.

Në imazherin hiperspektral, raporti sinjal-mëz (SNR) tregon se rishikimi është veçanërisht i rëndësishëm, pasi çdo bandë spektrale duhet të jetë e besueshme mjaftueshëm për vlerësim. Pajisjet që përdorin zhvillim të imazhit spektral ose kapje në kohë reale duhet të balancojnë shpejtësinë, rezolucionin dhe zhurmën. Një dizajn më i mirë i marrjes mund të përmisojë:

- Rezolucionin hapësinor.

- Rezolucionin spektral.

- Saktësinë e klasifikimit.

- Kufizimet e zbulimit.

Lloji më i thjeshtë është:

SNR = Sinjali / Zhurma.

Një «i shkëlqyeshëm» SNR varet nga aplikacioni. Në shumicën e sistemeve, sa më i lartë aq më mirë. Për shembull:

- Audio: SNR më i lartë zakonisht rekomandon zëra më të pastër.

- Komunikimi wireless: SNR më i lartë zakonisht tregon shpejtësi më të mirë të transmetimit dhe më pak gabime.

- Imazhi: SNR më i lartë zakonisht ofron informacion më të qartë dhe zbulim më të mirë.

- Projektimi i PCB: SNR më i mirë përmirëson qëndrueshmërinë dhe saktësinë e sinjalit.

SNR më i lartë është më i mirë. Një raport më i lartë tregon se sinjali i dëshiruar është më i fortë në krahasim me nivelin e zhurmës. Kjo zakonisht rezulton në efikasitet më të mirë, rezultate më të qarta dhe më pak gabime.

Ata janë saktësisht e njëjta parim. Raporti sinjal/zhurmë, raporti sinjal kundrejt zhurmës dhe SNR përcaktojnë të gjitha marrëdhënien midis fuqisë së sinjalit të dëshiruar dhe fuqisë së zhurmës së pa dëshiruar.

Duke pasur parasysh se zgjedhjet e formatit ndikojnë thjesht në sa shumë zhurmë bëhet pjesë e programit të sinjalit. Një vendosje e keqe e PCB-së mund të prodhojë kros-tolk, marrje EMI, probleme me shtegun e kthimit dhe zhurmë që bashkohet drejtpërdrejt në nyjet e ndjeshme. Përmirësimi i vendosjes është shpesh njëra nga metodat më të shpejta për të përmirësuar raportin sinjal/zhurmë (SNR) në stilin e një pajisjeje.