Inhalt
- Elektronische Signale und Rauschen
- Über Dezibeleinheiten
- Signalmessung und -analyse
- SNR-Berechnung - einfach
- SNR-Berechnung - kompliziert
- Bedeutung von SNR
In der Elektronik und im Radio kann das Verhältnis von gewünschten elektronischen Signalen zu unerwünschtem Rauschen über einen extrem weiten Bereich variieren, bis zu einer Milliarde Mal oder mehr. Die Berechnung für das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist entweder die Differenz zweier Logarithmen oder der Logarithmus des Verhältnisses von Haupt- und Rauschsignal.
Elektronische Signale und Rauschen
Ob gut oder schlecht, unerwünschtes Rauschen ist ein natürlich vorkommender und unvermeidlicher Bestandteil von Signalen in allen elektronischen Schaltkreisen und übertragenen Funkwellen. Jede Schaltungskomponente, von den Transistoren über die Widerstände bis zur Verkabelung, besteht aus Atomen, die in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zufällig vibrieren. Die zufälligen Vibrationen erzeugen elektrisches Rauschen. In der Luft durchlaufen Funkübertragungen eine Umgebung voller elektromagnetischer Interferenzen (EMI) von Stromleitungen, Industrieanlagen, der Sonne und vielen anderen Quellen. Ein Elektronikingenieur möchte wissen, welches Signal sein Gerät empfängt, wie viel Rauschen ist und wie viel Information gewünscht wird.
Über Dezibeleinheiten
Wissenschaftler und Ingenieure, die mit Signalen arbeiten, verwenden häufig Messungen im Dezibel-Format (dB) anstelle von Standard-Lineareinheiten wie Volt oder Watt. Dies liegt daran, dass Sie in einem linearen System entweder viele umständliche Nullen in Ihre Zahlen schreiben oder auf die wissenschaftliche Notation zurückgreifen. Dezibel-Einheiten hingegen basieren auf Logarithmen. Obwohl dB-Einheiten gewöhnungsbedürftig sind, erleichtern sie das Leben, indem Sie Zahlen verwenden, die kompakter sind. Beispielsweise hat ein Verstärker einen Dynamikbereich von 100 dB; Dies bedeutet, dass die stärksten Signale 10 Milliarden Mal stärker sind als die schwächsten. Mit „100 dB“ zu arbeiten ist einfacher als mit „10 Milliarden“.
Signalmessung und -analyse
Vor der SNR-Berechnung benötigen Sie Messwerte des Hauptsignals S und des Rauschens N. Möglicherweise verwenden Sie einen Signalstärkeanalysator, der die Signale auf einem Grafikdisplay anzeigt. Diese Anzeigen zeigen normalerweise die Signalstärke in Dezibel (dB) an. Auf der anderen Seite erhalten Sie möglicherweise „rohe“ Signal- und Rauschwerte in Einheiten wie Volt oder Watt. Dies sind keine dB-Einheiten, aber Sie können zu dB-Einheiten gelangen, indem Sie eine Logarithmusfunktion anwenden.
SNR-Berechnung - einfach
Wenn Ihre Signal- und Rauschmessungen bereits in dB vorliegen, subtrahieren Sie einfach die Rauschzahl vom Hauptsignal: S - N. Wenn Sie Logarithmen subtrahieren, entspricht dies der Division normaler Zahlen. Der Unterschied der Zahlen ist das SNR. Beispiel: Sie messen ein Funksignal mit einer Stärke von -5 dB und einem Rauschsignal von -40 dB. -5 - (-40) = 35 dB.
SNR-Berechnung - kompliziert
Teilen Sie zur Berechnung des SNR den Wert des Hauptsignals durch den Wert des Rauschens und nehmen Sie dann den gemeinsamen Logarithmus des Ergebnisses: log (S ÷ N). Es gibt noch einen Schritt: Wenn Ihre Signalstärkewerte Leistungseinheiten (Watt) sind, multiplizieren Sie diese mit 20. Wenn es sich um Spannungseinheiten handelt, multiplizieren Sie mit 10. Für Leistung gilt SNR = 20 log (S S N); für die Spannung ist SNR = 10 log (S ÷ N). Das Ergebnis dieser Berechnung ist das SNR in Dezibel. Beispielsweise beträgt Ihr gemessener Rauschwert (N) 1 Mikrovolt und Ihr Signal (S) 200 Millivolt. Das SNR beträgt 10 log (.2 ÷ .000001) oder 53 dB.
Bedeutung von SNR
Bei den Signal-Rausch-Verhältnis-Zahlen handelt es sich um die Stärke des gewünschten Signals im Vergleich zum unerwünschten Rauschen. Je größer die Zahl, desto mehr „fällt“ das gewünschte Signal im Vergleich zum Rauschen auf, was eine klarere Übertragung von besserer technischer Qualität bedeutet. Eine negative Zahl bedeutet, dass das Rauschen stärker ist als das gewünschte Signal. Dies kann zu Problemen führen, z. Für eine Sprachübertragung mit angemessener Qualität, wie z. B. ein Mobilfunksignal, beträgt der SNR-Durchschnitt etwa 30 dB oder ein Signal, das 1000-mal stärker als das Rauschen ist. Einige Audiogeräte haben ein SNR von 90 dB oder besser. In diesem Fall ist das Signal 1 Milliarde Mal stärker als das Rauschen.