Jako teenager, když se učím vstupy a výstupy audiosystému v autě, často vyhříval se v naprostém detailu každé noty. Hudba pro mě byla opojná, téměř stejně jako oblasti vědy a elektroniky. Během této doby se však do centra pozornosti dostal nástup kompaktního disku a samozřejmě subwooferu do auta.
Před kompaktním diskem byl vinyl jasnou volbou pro reprodukci zvuku, pokud jde o potěšení z poslechu. Mnoho lidí by však tvrdilo, že za určitých podmínek stále je. Kromě toho bylo CD v té době herním měničem a jeho jasnost oproti kazetě byla nepopiratelná. Stejně jako dnes existovala poptávka po zařízeních pro přehrávání nového standardu videa 4K, totéž platilo i pro kompaktní disky.
Což samozřejmě zavedlo audio CD přehrávač do auta. Díky vynikající čistotě a snadnému použití byla vláda CD přijímače kompletní. Pokud však existuje kapitalismus, určitě najdete přímou konkurenci. To zcela jistě platilo pro CD přijímač a nejvíce vyčítaným rozdílem, který mohli špičkové automobilové audio komponenty použít k ovlivnění svých zákazníků, byla vynikající čistota. Jasnost, o které mluvili, byla dosažitelná pouze díky jejich vynikajícím specifikacím poměru signálu k šumu.
Jedna specifikace, která byla vždy lepší než u menších značek, byla jejich poměr signálu k šumu (SNR). Navíc i pro netrénované ucho byl rozdíl v jasnosti a hudební přítomnosti nepopiratelný. Pokud tedy SNR může udělat tolik změn v čistotě hudebního zvuku, pak je jeho význam v aplikacích přenosu signálu exponenciálně kritičtější. V následujících několika odstavcích proto budu diskutovat o SNR a o tom, jak jej vypočítat, aby byla zajištěna přesnost návrhu.
Co je poměr signálu k šumu?
Z hlediska definice SNR odstup signálu od šumu je poměr mezi požadovanou informací nebo výkonem signálu a nežádoucím signálem nebo výkonem šumu pozadí.
SNR je také parametr měření používaný v polích vědy a techniky, která porovnává úroveň požadovaného signálu s úrovní šumu v pozadí. Jinými slovy, SNR je poměr síly signálu k výkonu šumu a jeho výrazová jednotka je obvykle decibely (dB). Poměr větší než 0 dB nebo vyšší než 1: 1 znamená více signálu než šumu.
Kromě technické definice SNR je způsob, jakým ji definuji jinými slovy, srovnávací. Řekněme například, že vy a jedna další osoba jste ve velké místnosti a máte konverzaci. Místnost je však plná dalších lidí, kteří také konverzují. Kromě toho několik dalších osob má také podobné hlasové vzorce jako vy a další osoby zapojené do vaší diskuse. Jak si dokážete představit, bylo by obtížné dešifrovat, která osoba co říká.
Proč je důležitý poměr signálu k šumu?
V předchozím srovnání můžete lépe porozumět co je míněno nežádoucím signálem nebo šumem. Jak si také dokážete představit, bylo by téměř nemožné pochopit druhou stranu zapojenou do vaší konverzace. V scénáři, jako je tento, bychom to považovali za problém signálu k šumu nebo ekvivalent poměru signálu k šumu, který je pod přijatelnými parametry.
Předpokládejme, že požadovaným signálem jsou nezbytná data s přísnou nebo úzkou tolerancí chyb a existují další signály narušující váš požadovaný signál. Opět by bylo dešifrovat požadovaný signál exponenciálně náročnější úkol přijímače. Stručně řečeno, právě proto je důležité mít vysoký poměr signálu k šumu. Kromě toho to v některých případech může znamenat také rozdíl ve fungování zařízení či nikoli a ve všech případech to ovlivňuje výkon mezi vysílačem a přijímačem.
V bezdrátové technologii je klíčem k výkonu zařízení schopnost zařízení rozlišit použité signály jako legitimní informace od jakéhokoli šumu pozadí nebo signálů ve spektru. To ztělesňuje definici standardů, které se používají ke stanovení specifikací SNR. Standardy, na které odkazuji, zajišťují také správnou bezdrátovou funkčnost.
Základy výpočtu poměru signálu k šumu
SNR je v zásadě rozdíl mezi požadovaným signálem a hlučná podlaha. Pokud jde o definici, šumová podlaha je zvláštní přenosy pozadí, které produkují jiná zařízení nebo zařízení, která neúmyslně generují rušení na podobné frekvenci. Proto, aby se zjistil poměr signálu k šumu, je třeba najít měřitelný rozdíl mezi požadovanou silou signálu a nežádoucím šumem odečtením hodnoty šumu od hodnoty síly signálu.
Dosažení požadované integrity signálu může být obtížné v jakékoli fázi navrhování.
Hypoteticky řečeno, pokud rádio vašeho zařízení přijímá signál na -65 dBm (decibelů na miliwatt) a úroveň šumu je -80 dBm, pak výsledný signál poměr hluku k šumu je 15 dB. To by se pak projevilo jako síla signálu 15 dB pro toto bezdrátové připojení. Jak jsem si jistý, víte, pokud jde o konektivitu v bezdrátových sítích, odborníci uvádějí požadavek SNR alespoň 20 dB, řekněme, procházejte web. Následující požadavky jsou SNR oproti hodnotám SNR:
-
5 dB až 10 dB: je pod minimální úrovní pro navázání připojení, kvůli úroveň hluku je téměř nerozeznatelná od požadovaného signálu (užitečné informace).
-
10 dB až 15 dB: je přijatelné minimum pro vytvoření nespolehlivého spojení.
-
15 dB až 25 dB: je obvykle nevýhoda pro dosažení špatné konektivity stanovili minimálně přijatelnou úroveň.
-
25 dB až 40 dB: je považováno za dobré.
-
41 dB nebo vyšší: je považováno za vynikající.
Ačkoli se SNR běžně používá ke kvantifikaci jasnosti nebo síly elektrických signálů, může se také použít na jakoukoli formu signál (přenos). Například se používá k popisu úrovní izotopů v ledových jádrech, biochemické signalizace mezi buňkami nebo jasnosti zvukového zvuku pro automobilové zesilovače a zdrojové jednotky (DVD, CD nebo Digital). U zvukových komponent je však SNR vždy kladnou hodnotou. Například SNR 95 dB znamená, že úroveň zvukového signálu je o 95 dB vyšší než úroveň šumu. Což zase znamená, že SNR 95 dB je lepší než ten, který má 80 dB.
Jak vypočítat poměr signálu k šumu
Výpočty SNR mohou být jednoduché nebo složité a záleží na dotyčných zařízeních a vašich dostupných datech. Pokud jsou tedy vaše měření SNR již v decibelové formě, můžete odečíst množství šumu od požadovaného signálu: SNR = S – N. Je to proto, že když odečtete logaritmy, je to ekvivalent dělení normálních čísel. Rozdíl v číslech se také rovná SNR. Například měříte rádiový signál o síle -10 dB a šumový signál -50 dB. -10 – (-50) = 40 dB.
Jak jsem uvedl dříve, může být zahrnut i výpočet SNR. Pro složité výpočty tedy vydělíte hodnotu požadovaného signálu množstvím šumu a poté použijete společný logaritmus výsledku, tj. Log (S ÷ N). Poté, pokud jsou měření síly signálu ve wattech (výkonech), pak se vynásobíte číslem 20. Pokud však jde o jednotky napětí, vynásobíte číslem 10.
Vzorec poměru signálu k šumu a kapacita kanálu
Poměr signálu k šumu ovlivňuje všechny bezdrátové sítě, včetně Bluetooth, Wi-Fi, 4G, 4G LTE a 5G, protože jejich provoz závisí na rádiových signálech. Protože fungují také pomocí rádiových signálů, má každá ze zmíněných komunikačních metod také maximální kapacitu kanálu. Se zvyšováním SNR se zvyšuje také kapacita kanálu.
Celková kapacita kanálu, šířka pásma a poměr signálu k šumu ovlivňují celkovou kapacitu komunikačních kanálů. Navíc tento objev patří Claudovi Shannonovi a tuto korelaci provádí během druhé světové války. V dnešních oborech elektroniky a vědy jej inženýři i vědci označují jako Shannonův zákon nebo Shannon-Hartleyova věta.
Podle Shannonova zákona následující vzorec popisuje tuto korelaci, která formuje kapacitu závislý vztah:
C = W log2 (1 +)
V tomto vzorci:
C se rovná kapacitě kanálu (bitů / s)
S se rovná průměrnému výkonu přijímaného signálu
N se rovná průměrné hodnotě šumu
W se rovná šířce pásma (Hertz)
Shannon-Hartleyova věta ukazuje, že hodnoty S (průměrný výkon signálu), N (průměrný výkon šumu) a W (šířka pásma) nastavuje limit přenosové rychlosti.
Dosažení technických návrhů s náročnými výzvami signálu se v současném rozvíjejícím se odvětví vyplatí.
Th Pro přesný výpočet efektivních a přesných návrhů je důležitý přesný výpočet poměru signálu k šumu. Výpočet SNR dále také poskytne pohled na funkčnost a výkon designu. Čas uvědomit si, že design není proveditelný, je před fází výroby. Proto je zásadní posoudit konstrukční parametry pomocí výpočtů i simulací.
Díky sadě návrhových a analytických nástrojů společnosti Cadence si budete jisti, že vaše designéry a produkční týmy budou spolupracovat na implementaci vhodných technik pro výpočet poměru signálu k šumu ve všech vašich deskách plošných spojů. Allegro PCB Designer je řešení rozvržení, které jste hledali, a může nepochybně usnadnit implementaci efektivních strategií poměru signálu k šumu do vašich současných i budoucích návrhů PCB.
Pokud se chcete dozvědět více o tom, jak má Cadence řešení pro vás, promluvte si s námi a naším týmem odborníků.
O autorovi
Cadence PCB solutions is a complete front to back design tool to allow quick and efficient product creation. Cadence umožňuje uživatelům přesně zkrátit návrhové cykly a předat je výrobě prostřednictvím moderního průmyslového standardu IPC-2581.
Sledujte na Linkedin Navštivte web Další obsah od Cadence PCB Solutions