Соотношение сигнал шум какое лучше: Соотношение сигнал/шум | Computerworld Россия

Соотношение сигнал/шум | Computerworld Россия

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.

Определение

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.

Шум в проводах

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.

Неустойчивый сигнал

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.

---

Долой шум

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.

Рассел Кей

Соотношение сигнал/шум: Окончательное руководство

На сайте

Кейт Бруноттс

10 апреля 2023 года

Случалось ли вам записывать живую гитару или вокал только для того, чтобы получить чрезмерный фоновый шум или помехи? Возможно, у вас нарушено соотношение сигнал/шум — это значение определяет качество аудиосигнала в зависимости от верности и уровня шума.

Понимание мощности сигнала является ключом к созданию четкой, отполированной записи . Ниже мы расскажем обо всем, что вам нужно знать об оценке соотношения сигнал/шум в процессе записи.

Что такое шумовой порог в миксе?

Прежде чем мы объясним концепцию соотношения сигнал/шум, важно понять концепцию шумового порога. Когда вы используете какое-либо аппаратное оборудование, система генерирует небольшое количество шума, необходимого для функционирования устройства. Желательно иметь как можно более низкий уровень шума, чтобы этот шум был практически незаметен в записи.

Что такое точка обрезания?

Если шумовое дно — это нижний предел записанного звука по громкости, то верхний предел — это точка клиппирования. Это точка, в которой входной сигнал и звук аппаратуры становятся настолько громкими, что качество сигнала искажается , создавая резкий диссонанс с превышением уровня сигнала.

Вы, вероятно, интуитивно знаете, как звучит клиппированный звук. Расстояние между шумовым полом и точкой клиппирования — это «сладкая точка» для записи и обработки сигнала. Благодаря возможности регулировки усиления мы можем достичь идеального соотношения сигнал/шум (об этом ниже), которое не является настолько тихим, что мы слышим только сигнал и шум, или настолько громким, что аудиосигнал начинает клиппировать .

Понимание пространства для головы

Вы можете услышать, как аудиоинженеры используют термин «headroom». Под хэдрумом понимается расстояние между точкой клиппирования аудиосигнала и уровнем шума. Вообще говоря, инженерам-микшерам рекомендуется оставлять в миксе от 3 до 6 децибел хэдрума, чтобы во время мастеринга он не перешел точку клиппирования.

Что такое соотношение сигнал/шум?

Отношение сигнал/шум, также называемое SNR, — это величина измерения, используемая для оценки соотношения между желаемым аудиосигналом и нежелательным фоновым шумом в аудиозаписи. Высокое отношение сигнал/шум делает шумовой фон менее слышимым и помогает желаемому сигналу выделяться в миксе.

Самое главное — помнить, что высокое отношение сигнал/шум — это хорошо, потому что высокий SNR увеличивает звучание желаемых электрических сигналов по сравнению с нежелательным сигналом или шумом. Например, вы можете увидеть желаемое оборудование с высоким SNR.

Оборудование с низким отношением сигнал/шум производит много случайного шума, чтобы работать. Обычно это менее желательно, когда вы ищете чистую запись, но в некоторых случаях, особенно при использовании аналоговых устройств, этот шум может быть частью отличительного характера звука.

В музыке не существует жестких и быстрых правил, хотя понимание значений SNR оборудования, несомненно, является полезной информацией, которая поможет вам лучше понять, чего ожидать во время записи.

Что такое высокое соотношение сигнал/шум (SNR) и низкое соотношение сигнал/шум?

Вы увидите, что оборудование для всех типов профессионального аудио привязано к определенному соотношению сигнал/шум. Аудиоинженеры, продюсеры, подкастеры и вещатели должны понимать эти данные и использовать измерение SNR для точной настройки среды записи. Однако для различных случаев использования аудиотехники требуются различные минимальные значения SNR.

Для музыки рекомендуется иметь сигнал не менее 60 децибел по отношению к шуму, чтобы получить четкую запись. Для других случаев использования это значение может быть ниже, однако чем больше мощность сигнала, тем лучше для четкости записи.

Как рассчитать соотношение сигнал/шум

В большинстве случаев отношение сигнал/шум или SNR уже рассчитано и указано производителем оборудования. В случае если вам необходимо рассчитать соотношение сигнал/шум, используйте следующую формулу:

SNR = 10 × log(мощность сигнала / мощность шума)| Мощность сигнала представляет собой мощность сигнала, а мощность шума — мощность шума, оба показателя представлены в ваттах. Окончательное отношение SNR выражается в децибелах.

Вопросы и ответы по соотношению сигнал/шум

Вы все еще не можете понять, как работает соотношение сигнал/шум? Рассмотрите эти часто задаваемые вопросы и ответы на них:

Что такое хорошее соотношение сигнал/шум?

В большинстве случаев уровень сигнала 60 дБ или более по отношению к аудиосигналу можно считать хорошим для целей аудиотехники. Чем выше это соотношение, тем лучше, поскольку это означает, что аудиосигнал намного громче, чем уровень шума.

Почему более высокое отношение сигнал/шум лучше?

Вы хотите устранить как можно больше шума, сохранив при этом звучание аудиосигнала. Поэтому чем больше мощность сигнала по отношению к мощности шума, тем лучше.

Что такое плохое соотношение сигнал/шум?

Плохое соотношение сигнал/шум при записи звука может составлять 30 к 1 или ниже. Однако в случаях, когда вы записываете не музыку, вы можете обойтись большим количеством шума и, следовательно, более низким соотношением SNR (как в случае с разговорами по телефону, подкастами и т.

д.).

Что означает отношение сигнал/шум, равное 1?

Отношение SNR, равное 1, означает, что вы слышите 1 дБ мощности сигнала и 1 дБ мощности шума, записывается как 1:1. Это не очень хороший SNR, поскольку ваш желаемый сигнал в итоге имеет ту же мощность, что и нежелательный шум.

Следовательно, отношение сигнал/шум — это спектр, который может помочь нам понять, чего можно ожидать при записи с помощью аппаратного оборудования. Предварительное знание этого параметра может дать вам хорошее представление о том, чего ожидать в процессе записи. Используйте свои знания о соотношении SNR для создания мощного входного сигнала во всех ваших миксах.

Мощность беспроводного сигнала и уровни шума

Чтобы убедиться, что все пользователи в вашей среде получают сильный беспроводной сигнал, при установке точек доступа WatchGuard учитывайте эти рекомендации.

Уровень сигнала

Уровень сигнала — это уровень мощности беспроводного сигнала, принимаемого беспроводным клиентом.

• Сильный сигнал обеспечивает более надежное соединение и более высокую скорость.
• Уровень сигнала представлен в формате -dBm (от 0 до -100). Это отношение мощности в децибелах (дБ) к измеренной мощности относительно одного милливатт.
• Чем ближе значение к 0, тем сильнее сигнал. Например, -41 дБм лучше, чем -61 дБм.

Уровень шума

Уровень шума указывает уровень фонового шума в вашем окружении.

• Если уровень шума слишком высок, это может привести к снижению мощности и производительности вашего беспроводного сигнала.
• Уровень шума измеряется в формате -dBm (от 0 до -100). Это отношение мощности в децибелах (дБ) к измеренной мощности относительно одного милливатт.
• Чем ближе значение к 0, тем выше уровень шума.
• Отрицательные значения указывают на меньший фоновый шум. Например, -96dBm — это более низкий уровень шума, чем
  -20dBm.

Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум (SNR) – это отношение мощностей между силой сигнала и уровнем шума.

• Это значение представлено в децибелах (дБ).
• Как правило, отношение сигнал/шум должно быть не менее +25 дБ. Значения ниже +25 дБ приводят к ухудшению производительности и скорости.

Например:

• Если у вас уровень сигнала -41 дБм и уровень шума -50 дБм, это приводит к плохому отношению сигнал/шум +9 дБ.
• Если у вас уровень сигнала -41 дБм и уровень шума -96 дБм, это дает превосходное отношение сигнал/шум +55 дБ.

См. также

Факторы окружающей среды для беспроводной связи

Беспроводные режимы и каналы

Беспроводное размещение

Что такое отношение сигнал/шум и как его рассчитать? | Блог Advanced PCB Design

 

Будучи подростком, изучая все тонкости автомобильной аудиосистемы, я часто наслаждался мельчайшими деталями 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 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.

Основы расчета отношения сигнал-шум

Говоря простыми словами, ОСШ представляет собой разницу между полезным сигналом и уровнем шума. 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. Однако ниже приведены требования к SNR в сравнении со значениями SNR:

• 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 мощности 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 Digital). 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.

Как рассчитать отношение сигнал-шум

Вычисления SNR могут быть как простыми, так и 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, также может быть задействовано вычисление SNR. 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 мощности 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.

Формула соотношения сигнал-шум и пропускная способность канала

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:

C равно пропускной способности канала (биты /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 требований к сигналу является полезным в современной развивающейся отрасли.

 

Важность точного расчета отношения сигнал/шум является обязательным условием эффективной и точной разработки. 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.