วิธีการคำนวณอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน

เนื้อหา

• สัญญาณอิเล็กทรอนิกส์และเสียงรบกวน
• เกี่ยวกับหน่วยเดซิเบล
• การวัดและวิเคราะห์สัญญาณ
• การคำนวณ SNR - ง่าย
• การคำนวณ SNR - ซับซ้อน
• ความหมายของ SNR

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวิทยุอัตราส่วนของสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการต่อสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์อาจแตกต่างกันในช่วงกว้างมากถึงพันล้านเท่าหรือมากกว่า การคำนวณอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) เป็นความแตกต่างของสองลอการิทึมหรือลอการิทึมของอัตราส่วนของสัญญาณหลักและสัญญาณรบกวน

สัญญาณอิเล็กทรอนิกส์และเสียงรบกวน

เสียงที่ไม่พึงประสงค์จะดีขึ้นหรือแย่ลงเป็นสัญญาณที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและหลีกเลี่ยงไม่ได้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์และคลื่นวิทยุที่ส่งผ่าน ส่วนประกอบของวงจรทุกประเภทตั้งแต่ทรานซิสเตอร์ไปจนถึงตัวต้านทานไปจนถึงการเดินสายประกอบด้วยอะตอมที่สั่นสะเทือนแบบสุ่มเพื่อตอบสนองต่ออุณหภูมิแวดล้อม การสั่นสะเทือนแบบสุ่มจะสร้างสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ในอากาศการส่งสัญญาณวิทยุผ่านสภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วยสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) จากสายไฟอุปกรณ์อุตสาหกรรมดวงอาทิตย์และแหล่งอื่น ๆ อีกมากมาย วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ต้องการทราบว่าอุปกรณ์ของเธอได้รับสัญญาณเสียงรบกวนเท่าใดและต้องการข้อมูลมากน้อยเพียงใด

เกี่ยวกับหน่วยเดซิเบล

นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่ทำงานกับสัญญาณมักจะใช้การวัดในรูปแบบเดซิเบล (dB) แทนหน่วยเชิงเส้นมาตรฐานเช่นโวลต์หรือวัตต์ เพราะในระบบเชิงเส้นคุณจะต้องเขียนเลขศูนย์ที่ยุ่งยากในรูปของคุณหรือใช้สัญลักษณ์ทางวิทยาศาสตร์ ในทางกลับกันหน่วยเดซิเบลพึ่งพาลอการิทึม แม้ว่าหน่วยเดซิเบลจะมีความคุ้นเคย แต่ก็ทำให้ชีวิตง่ายขึ้นโดยให้คุณใช้ตัวเลขที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ตัวอย่างเช่นแอมพลิฟายเออร์มีช่วงไดนามิกที่ 100 เดซิเบล นี่หมายความว่าสัญญาณที่แรงที่สุดนั้นแข็งแกร่งกว่าสัญญาณที่อ่อนแอที่สุดถึง 10 พันล้านเท่า การทำงานกับ“ 100 เดซิเบล” นั้นง่ายกว่า“ 10,000 ล้าน”

การวัดและวิเคราะห์สัญญาณ

ก่อนทำการคำนวณ SNR คุณจะต้องมีค่าที่วัดได้ของสัญญาณหลัก S และเสียงรบกวน N คุณอาจใช้เครื่องวิเคราะห์ความแรงของสัญญาณที่แสดงสัญญาณบนจอแสดงผลกราฟิก โดยทั่วไปแล้วหน้าจอเหล่านี้จะแสดงความแรงของสัญญาณในหน่วยเดซิเบล (dB) ในทางกลับกันคุณอาจได้รับสัญญาณ "ดิบ" และค่าเสียงในหน่วยเช่นโวลต์หรือวัตต์ สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่หน่วย dB แต่คุณสามารถไปยังหน่วย dB ได้โดยใช้ฟังก์ชันลอการิทึม

การคำนวณ SNR - ง่าย

หากการวัดสัญญาณและสัญญาณรบกวนของคุณอยู่ในรูปแบบ dB เพียงแค่ลบตัวเลขเสียงออกจากสัญญาณหลัก: S - N เพราะเมื่อคุณลบลอการิทึมมันก็เหมือนกับการหารตัวเลขปกติ ความแตกต่างของตัวเลขคือ SNR ตัวอย่างเช่นคุณวัดสัญญาณวิทยุด้วยความแรง -5 dB และสัญญาณรบกวนที่ -40 dB -5 - (-40) = 35 dB

การคำนวณ SNR - ซับซ้อน

ในการคำนวณ SNR ให้หารค่าของสัญญาณหลักด้วยค่าเสียงรบกวนจากนั้นนำลอการิทึมสามัญของผลลัพธ์: log (S ÷ N) มีอีกหนึ่งขั้นตอน: หากตัวเลขความแรงของสัญญาณของคุณเป็นหน่วยของกำลัง (วัตต์) ให้คูณด้วย 20 ถ้าพวกเขาเป็นหน่วยของแรงดันไฟฟ้าคูณด้วย 10 สำหรับพลังงาน SNR = 20 บันทึก (S ÷ N); สำหรับแรงดันไฟฟ้า SNR = 10 บันทึก (S ÷ N) ผลลัพธ์ของการคำนวณนี้คือ SNR ในหน่วยเดซิเบล ตัวอย่างเช่นค่าเสียงที่คุณวัดได้ (N) คือ 1 ไมโครโวลต์และสัญญาณของคุณ (S) คือ 200 มิลลิโวลต์ SNR คือบันทึก 10 รายการ (.2 ÷ .000001) หรือ 53 dB

ความหมายของ SNR

ตัวเลขอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนนั้นเกี่ยวกับความแรงของสัญญาณที่ต้องการเมื่อเปรียบเทียบกับเสียงรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ ยิ่งจำนวนที่มากขึ้นสัญญาณที่ต้องการ“ โดดเด่น” ก็ยิ่งมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับเสียงรบกวนซึ่งหมายถึงการส่งสัญญาณที่ชัดเจนขึ้นด้วยคุณภาพทางเทคนิคที่ดีขึ้น ตัวเลขติดลบหมายถึงเสียงดังกว่าสัญญาณที่ต้องการซึ่งอาจทำให้เกิดปัญหาเช่นการสนทนาทางโทรศัพท์มือถือที่อ่านไม่ออก สำหรับการส่งสัญญาณเสียงที่มีคุณภาพอย่างยุติธรรมเช่นสัญญาณโทรศัพท์มือถือ SNR จะมีค่าเฉลี่ยประมาณ 30 เดซิเบลหรือสัญญาณที่แรงกว่าสัญญาณรบกวนถึง 1,000 เท่า อุปกรณ์เครื่องเสียงบางรุ่นมี SNR 90 dB หรือดีกว่า ในกรณีนั้นสัญญาณมีความแรงกว่าเสียง 1 พันล้านเท่า