Отношение сигнал шум что это

Основы радиолокации

Отношение «сигнал/шум» – это отношение средней мощности сигнала к средней мощности шумов. В англоязычной литературе отношение «сигнал/шум» обозначают аббревиатурой SNR (signal-to-noise ratio) . Поскольку входящие величины имеют одну и ту же размерность, отношение «сигнал/шум» является безразмерной величиной и используется для оценки качества приема и предельной чувствительности приемника. В радиолокации отношение «сигнал/шум» представляют в логарифмическим масштабе:

SNR = 10 log	мощность сигнала	= 10 log	P_S	(1)
	мощность шума		P_R

Поскольку в отношение входят усредненные величины, то измерение их проводится в одинаковом временном промежутке. Если для измерений используется осциллограф, то измеряются значения не мощности, а напряжения сигнала и шума. В таком случае результаты измерения нужно возвести в квадрат перед тем, как рассчитывать значение отношения «сигнал/шум». Это корректно, поскольку и сигнал, и шум присутствуют в одной и той же линии, т.е. выражения для мощности сигнала и для мощности шума будут иметь множителем одинаковые импедансы, которые взаимно сократятся при вычислении отношения:

SNR = 10 log	(U_сигнал ) 2	(2)
	(U_шум ) 2

Поэтому вместо отношения «сигнал/шум» в регламенте настройки можно указывать непосредственно значения амплитуды (несмотря на то, что отношение “сигнал/шум определено как отношение мощностей”. В примере, показанном на Рисунке 1, меньшему эхо-сигналу соответствует значение отношения «сигнал/шум» ровно 3 дБ. Мощность сигнала вдвое превышает мощность шума, хотя амплитуда сигнала (0,6) превышает шум (0,42) менее, чем в два раза: 2·0,42 2 ≈0,6 2 .

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Отношение сигнал/шум (Signal to Noise Ratio)

Отношение сигнал-шум у камер видеонаблюдения указывает на степень проявления на изображении так называемого «снега» (цифровой шум) и говорит о качестве выходного видеосигнала камеры видеонаблюдения. Оно измеряется в децибелах (дБ) и численно равно десятичному логарифму отношения амплитуды напряжения видеосигнала к среднеквадратичному значению напряжения фона, умноженному на 20. При отношении сигнал/шум 45 дБ шум практически не заметен.

Высокое соотношение сигнал/шум камеры, а, следовательно, и качественное изображение, достигаются достаточным уровнем освещенности объекта наблюдения, светосильной оптикой, использованием высококачественной матрицы ПЗС и цифровой фильтрацией шумов в электронных схемах камеры наблюдения. Кроме влияния на качество изображения, а значит, на эффективность работы оператора системы охранного телевидения, параметр сигнал/шум существенно влияет и на размер файла сжатого изображения в цифровых системах.

Заказать обратный звонок —>

Компания

Каталог

Машинное зрение
Видеонаблюдение
Интеллектуальные транспортные системы (ITS)
Объективы для коротковолнового инфракрасного диапазона
ТВ камеры
Аксессуары

Информация

Новости
Статьи
Рекламные материалы
Моторизация объективов
Глоссарий
Политика конфиденциальности

Контакты

Адрес офиса:
Санкт-Петербург, ул. Бумажная, дом 9, корп.1, офис 201-209, Схема проезда
Время работы:
Пн-чт 9.30-18.00, пт 9.30-17.00
Тел: +7 (812) 447-95-55
E-mail: info@cctvlens.ru

Отношение сигнал/шум

Отношение сигнал/шум (ОСШ; signal-to-noise ratio, сокр. S/N Ratio, 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.

Основные причины низких шумовых характеристик [ править ]

Основные причины высокого уровня шума в сигнальных системах:

рассогласованные линии передачи сигнала,
тепловой шум и дробовой шум в компонентах системы,
недостаточная разрядность АЦП,
резонансные явления,
паразитные связи (паразитная ёмкость),
самовозбуждение системы.
нелинейность передаточных характеристик.

Методы улучшения характеристик [ править ]

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.

Снижение собственных шумов усилительного тракта достигается соответствующими схемотехническими решениями, в частности применением активных и пассивных компонентов с низким уровнем шума.

Если спектр полезного сигнала отличается от спектра шума, улучшить отношение сигнал/шум можно ограничением полосы пропускания системы.

Шум квантования устраняется повышением разрядности АЦП.

В видео [ править ]

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.

Отношение Сигнал/Шум

Портрет

Обратите внимание, что у нас есть прямоугольный сигнал, а поверх него — шум, то о чём мы говорили раньше — это шестерёнки. Как можно измерить его? По сути, это отношение энергии сигнала к энергии шума в данном диапазоне, или иногда вводят понятия отношение мощности сигнала к мощности шума, так называемый параметр S/N.

Когда мы говорим про сигнал, то имеем в виду тот сигнал, который регистрируем, который пришёл к приёмнику. Мощность этого сигнала зависит от расстояния, причём зависимость обратно пропорциональная квадрату расстояния, то есть чем дальше передатчик находится от приёмника, тем меньше принимаемая мощность. Ещё мощность принятого сигнала зависит от мощности излучённого сигнала, то есть чем больше излучим, тем больше примем, но в первой степени.

Обратите внимание на два интересных параметра, которые обозначаются латинскими буквами G, — это коэффициенты усиления передающей и принимающей антенны. Они показывают во сколько раз в данном направлении антенна, которую используем, сильнее излучает сигнал по сравнению с антенной, которая во все стороны излучает равномерно — изотропной антенной.

Фактически антенна фокусирует энергию радиоволны в каком-то направлении, а в остальных ослабляет. Соответственно G — это коэффициент усиления антенны в данном направлении. Но мы предполагаем, что сейчас антенны смотрят друг на друга так, что их коэффициент усиления максимальный.

Вообще говоря, антенны и теория антенн — это довольно интересная вещь, которой можно посвятить отдельный семинар или лекцию.

Обратите внимание на уравнение:

В выражении для мощности принятого сигнала (P_{пр.сигнала}) в числителе находится излучаемая мощность (P_пер), коэффициент усиления передающей (G₁) и приёмной (G₂) антенны, λ — это длина волны, в знаменателе r — расстояние между передающей и приемной антеннами. Это уравнение фактически определяет дальность связи, поскольку оно связывает между собой параметры передатчика и приёмника.

Формула 2. Уравнение мощности шума

Это уравнение мощности шума, обратите внимание, что в нём только три множителя: k, T и Δf.

k — это постоянная Больцмана, знакомая с уроков термодинамики. Обратите внимание: в радиосигнале присутствует постоянная Больцмана, которая была введена на уроках физики, когда вы проходили термодинамику, она была необходима в тот момент, когда вы определяли температуру и энергию, и мощность.

T — это температура шумов в Кельвинах.

Δf — это та полоса частот, в которой мы работаем. Я уже говорил про эти 3000 Гц, вот это они.

Тогда, чтобы понять, что такое отношение сигнал/шум, нужно мощность принятого сигнала поделить на мощность шума, получим уравнение в следующем виде, где в знаменателе появился множитель kTΔf:

Формула 3 (уравнение отношения Сигнал/Шум)

Это то уравнение, которое определяет дальность радиосвязи. Когда у вас слабый сигнал, а шум сильный, то есть когда это отношение становится единицей и меньше, то разобрать то, что говорится в толпе, услышать другой голос или, стоя у водопада, услышать кого-то достаточно сложно.

Если соотношение сигнал/шум больше единицы, например, два, три, то уже с этим можно работать и какую-то связь обеспечивать. Когда отношение становится намного меньше единицы, то выделить сигнал на фоне шумов становиться очень не простой, но интересной задачей.

Например, давайте посмотрим такой вариант. В 1977 году, 43 года назад, 5 сентября был запущен в открытый космос Вояджер 1. Когда его запускали, на него установили трёхметровую антенну и передатчик 20 Ватт.

Чтобы вы понимали, мощность сотовой вышки тоже примерно 20 Ватт. Через ряд гравитационных манёвров Вояджер сумел набрать третью космическую скорость и вылететь за пределы Солнечной системы. В настоящее время расстояние между Землёй и Вояджером примерно двадцать два миллиарда километров (22 000 000 000 км).

Чтобы было понимание, расстояние между Землёй и Солнцем сто пятьдесят миллионов километров (150 000 000 км), одна астрономическая единица.

Обратите внимание на формулу 3, которую рассмотрели, что дальность (r) стоит не в первой степени, а во второй, то есть мощность сигнала падает обратно пропорционально второй степени от дальности. За счёт чего тогда мы слышим Вояджер?

За счёт того, что антенны остро направлены, то есть имеют высокий коэффициент усиления. Оценим длину волны, на которой работает Вояджер, вспомним скорость света равна 3·10 8 м/с, частота, на которой Вояджер связывается с Землёй — 8 ГГц (8·10 9 Гц), так называемый икс-диапазон, таким образом, несложно посчитать требуемую величину.

Коэффициент усиления передающей антенны на Вояджере на этой длине волны шестьдесят три тысячи (63 000), то есть он фокусирует всю энергию в очень узкий диапазон, около четверти градуса. А коэффициент усиления антенны, которая расположена на Земле, двадцать один с половиной миллион (21 500 000). Вот за счёт таких мощных коэффициентов усиления передающей и приёмной антенны и за счёт точного наведения одной на другую и возможно обеспечение устойчивой связи.

Например, если подставить все данные параметры в уравнение, мы получим отношение сигнал-шум примерно равное двум, что позволяет обеспечить связь.

К сожалению, Вояджер улетает от нас всё дальше и дальше, и, конечно, в какой-то момент это отношение уменьшится ещё больше, примерно лет через десять. Но есть предположение, что Вояджер ещё раньше потеряется, потому что он находится на таком большом расстоянии от Земли, что Солнце становится всё меньше и меньше, а он позиционируется как раз по изображению Солнца. Если он потеряет Солнце, то может переключиться на какую-то другую звезду и перенаправит свою приёмную антенну, и мы, к сожалению, потеряем с ним связь.

Для размышления

Попробуйте вычисления для радиоканала между Вояджером и Землёй выполнить самостоятельно!