PCB Design & Analysis

Als Teenager habe ich oft die Vor- und Nachteile von Car-Audio gelernt sonnte sich im Detail jeder Note. Musik war für mich fast genauso berauschend wie die Bereiche Wissenschaft und Elektronik. Während dieser Zeit stand jedoch der Beginn der CD und natürlich des Auto-Subwoofers im Mittelpunkt.

Vor der CD war Vinyl die klare Wahl für die Audiowiedergabe des Hörvergnügens. Viele würden jedoch argumentieren, dass dies unter bestimmten Bedingungen immer noch der Fall ist. Darüber hinaus war die CD damals ein Game-Changer, und die Klarheit, die sie gegenüber der Kassette bot, war unbestreitbar. Genauso wie es eine Nachfrage nach Geräten gab, um den neuen 4K-Videostandard von heute abzuspielen, galt dies auch für die CD.

Was natürlich den Car-Audio-CD-Receiver einleitete. Mit seiner überragenden Klarheit und Benutzerfreundlichkeit war die Regierungszeit des CD-Receivers vollständig. Wo es jedoch Kapitalismus gibt, werden Sie mit Sicherheit direkten Wettbewerb finden. Dies war mit Sicherheit der Fall für den CD-Receiver, und der verspottete Unterschied, den die High-End-Car-Audio-Komponenten nutzen konnten, um ihre Kunden zu beeinflussen, war die überragende Klarheit. Die Klarheit, von der sie sprachen, war nur durch ihre überlegenen Signal-Rausch-Verhältnis-Spezifikationen erreichbar.

Die einzige Spezifikation, die immer besser war als die der kleineren Marken, war ihr Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Selbst für das ungeübte Ohr war der Unterschied in der Klarheit und musikalischen Präsenz unbestreitbar. Wenn also das SNR einen so großen Unterschied in der musikalischen Klangklarheit bewirken kann, ist seine Bedeutung bei Signalübertragungsanwendungen exponentiell kritischer. Daher werde ich in den nächsten Absätzen das SNR und seine Berechnung zur Sicherstellung der Entwurfsgenauigkeit erörtern.

Was ist das Signal-Rausch-Verhältnis?

In Bezug auf die Definition SNR oder Das Signal-Rausch-Verhältnis ist das Verhältnis zwischen der gewünschten Information oder der Leistung eines Signals und dem unerwünschten Signal oder der Leistung des Hintergrundrauschens.

Auch SNR ist ein Messparameter, der in den Feldern verwendet wird der Wissenschaft und Technik, die den Pegel des gewünschten Signals mit dem Pegel des Hintergrundrauschens vergleicht. Mit anderen Worten, SNR ist das Verhältnis von Signalleistung zu Rauschleistung, und seine Ausdruckseinheit ist typischerweise Dezibel (dB). Ein Verhältnis von mehr als 0 dB oder mehr als 1: 1 bedeutet auch mehr Signal als Rauschen.

Abgesehen von der technischen Definition des SNR definiere ich es anders, indem ich einen Vergleich verwende. Angenommen, Sie und eine andere Person befinden sich in einem großen Raum und führen ein Gespräch. Der Raum ist jedoch voll von anderen Personen, die ebenfalls Gespräche führen. Darüber hinaus haben einige der anderen Personen ähnliche Stimmmuster wie Sie und die andere Person, die an Ihrer Diskussion beteiligt ist. Wie Sie sich vorstellen können, ist es schwierig zu entschlüsseln, welche Person was sagt.

Warum ist das Verhältnis von Signal zu Rauschen wichtig?

Im vorherigen Vergleich können Sie ein besseres Verständnis erhalten von dem, was mit einem unerwünschten Signal oder Rauschen gemeint ist. Wie Sie sich auch vorstellen können, ist es fast unmöglich, die andere Partei zu verstehen, die an Ihrem Gespräch beteiligt ist. In einem solchen Szenario würden wir dies auch als Signal-Rausch-Problem oder als Äquivalent eines Signal-Rausch-Verhältnisses betrachten, das unter akzeptablen Parametern liegt.

Nehmen wir nun an, das gewünschte Signal sind wesentliche Daten mit einer strengen oder engen Toleranz für Fehler, und es gibt andere Signale, die Ihr gewünschtes Signal stören. Wiederum würde es die Aufgabe des Empfängers exponentiell schwieriger machen, das gewünschte Signal zu entschlüsseln. Zusammenfassend ist dies der Grund, warum ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis so wichtig ist. Darüber hinaus kann dies in einigen Fällen auch bedeuten, dass ein Gerät anders funktioniert oder nicht, und in allen Fällen wirkt es sich auf die Leistung zwischen Sender und Empfänger aus.

In der drahtlosen Technologie ist der Schlüssel zur Geräteleistung die die Fähigkeit des Geräts, die angelegten Signale als legitime Informationen von Hintergrundgeräuschen oder Signalen im Spektrum zu unterscheiden. Dies ist der Inbegriff der Definition der Standards, für deren Festlegung SNR-Spezifikationen verwendet werden. Darüber hinaus stellen die Standards, auf die ich mich beziehe, auch die ordnungsgemäße drahtlose Funktionalität sicher.

Grundlagen der Berechnung des Signal-Rausch-Verhältnisses

Grundsätzlich ist das SNR die Differenz zwischen dem gewünschten Signal und das Grundrauschen. In Bezug auf die Definition ist das Grundrauschen auch die speziellen Hintergrundübertragungen, die von anderen Geräten oder von Geräten erzeugt werden, die unbeabsichtigt Interferenzen auf einer ähnlichen Frequenz erzeugen. Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu ermitteln, muss daher der quantifizierbare Unterschied zwischen der gewünschten Signalstärke und dem unerwünschten Rauschen durch Subtrahieren des Rauschwerts vom Signalstärkewert ermittelt werden.

Das Erreichen Ihrer gewünschten Signalintegrität kann Dies ist in jeder Phase des Entwurfs schwierig.

Wenn das Funkgerät Ihres Geräts ein Signal mit -65 dBm (Dezibel pro Milliwatt) empfängt und der Grundrauschen -80 dBm beträgt, ist das resultierende Signal hypothetisch Das Rauschverhältnis beträgt 15 dB. Dies würde sich dann als Signalstärke von 15 dB für diese drahtlose Verbindung widerspiegeln. Wie Sie sicher wissen, geben die Experten in Bezug auf die Konnektivität in drahtlosen Netzwerken an, dass ein SNR von mindestens erforderlich ist 20 dB, um im Internet zu surfen. Im Folgenden sind jedoch die SNR-Anforderungen im Vergleich zu den SNR-Werten aufgeführt:

• 5 dB bis 10 dB: liegt aufgrund des fälligen Mindestpegels zum Herstellen einer Verbindung bis der Rauschpegel vom gewünschten Signal kaum zu unterscheiden ist (nützliche Informationen).

• 10 dB bis 15 dB: ist das akzeptierte Minimum, um eine unzuverlässige Verbindung herzustellen.

• 15 dB bis 25 dB: ist in der Regel Nachteile idered den minimal akzeptablen Pegel, um eine schlechte Konnektivität herzustellen.

• 25 dB bis 40 dB: wird als gut angesehen.

• 41 dB oder höher: wird als ausgezeichnet angesehen.

Obwohl SNR routinemäßig zur Quantifizierung der Klarheit oder Stärke elektrischer Signale verwendet wird, kann es auch für jede Form von verwendet werden Signal (Übertragung). Zum Beispiel wird es verwendet, um Isotopenpegel in Eisbohrkernen, biochemische Signale zwischen Zellen oder die Klangqualität von Autoverstärkern und Quelleneinheiten (DVD, CD oder Digital) zu beschreiben. Bei Audiokomponenten ist das SNR jedoch immer ein positiver Wert. Zum Beispiel bedeutet ein SNR von 95 dB, dass der Pegel des Audiosignals 95 dB höher ist als der Pegel des Rauschens. Dies bedeutet wiederum, dass ein SNR von 95 dB besser ist als ein SNR von 80 dB.

Berechnen des Signal-Rausch-Verhältnisses

SNR-Berechnungen können entweder einfach oder komplex sein Dies hängt von den betreffenden Geräten und Ihren verfügbaren Daten ab. Wenn Ihre SNR-Messungen also bereits in Dezibelform vorliegen, können Sie die Rauschgröße vom gewünschten Signal subtrahieren: SNR = S – N. Dies liegt daran, dass beim Subtrahieren von Logarithmen dies der Division normaler Zahlen entspricht. Auch der Unterschied in den Zahlen entspricht dem SNR. Sie messen beispielsweise ein Funksignal mit einer Stärke von -10 dB und einem Rauschsignal von -50 dB. -10 – (-50) = 40 dB.

Wie bereits erwähnt, kann auch die Berechnung des SNR beteiligt sein. Für komplexe Berechnungen dividieren Sie also den Wert des gewünschten Signals durch den Betrag des Rauschens und nehmen dann den gemeinsamen Logarithmus des Ergebnisses, d. H. Log (S ÷ N). Wenn danach die Signalstärkemessungen in Watt (Leistung) angegeben sind, multiplizieren Sie mit 20. Wenn es sich jedoch um Spannungseinheiten handelt, multiplizieren Sie mit 10.

Signal-Rausch-Verhältnis-Formel und Kanalkapazität

Das Signal-Rausch-Verhältnis wirkt sich auf alle drahtlosen Netzwerke aus. Dies schließt Bluetooth, Wi-Fi, 4G, 4G LTE und 5G ein, da deren Betrieb von Funksignalen abhängt. Da sie durch die Verwendung von Funksignalen funktionieren, hat jedes der genannten Kommunikationsverfahren eine maximale Kanalkapazität. Wenn das SNR zunimmt, nimmt auch die Kanalkapazität zu.

Insgesamt beeinflussen die Kanalkapazität, die Bandbreite und das Signal-Rausch-Verhältnis die maximale Kapazität von Kommunikationskanälen. Darüber hinaus gehört diese Entdeckung Claude Shannon und er macht diese Korrelation während des Zweiten Weltkriegs. In den heutigen Bereichen der Elektronik und Wissenschaft wird es von Ingenieuren und Wissenschaftlern als Shannonsches Gesetz oder als Shannon-Hartley-Theorem bezeichnet.

Nach dem Shannonschen Gesetz zeigt die folgende Formel diese Korrelation, die die Kapazität bildet abhängige Beziehung:

C = W log2 (1 +)

Innerhalb dieser Formel:

C entspricht der Kapazität des Kanals (Bits / s)

S entspricht der durchschnittlichen empfangenen Signalleistung

N entspricht der durchschnittlichen Rauschleistung

W entspricht der Bandbreite (Hertz)

Das Shannon-Hartley-Theorem zeigt, dass die Werte von S (durchschnittliche Signalleistung), N (durchschnittliche Rauschleistung) und W (Bandbreite) legt die Grenze der Übertragungsrate fest.

Das Erreichen technischer Konstruktionen mit anspruchsvollen Signalherausforderungen lohnt sich in der sich derzeit entwickelnden Branche.

Th Die Wichtigkeit einer genauen Berechnung des Signal-Rausch-Verhältnisses ist für das ultimative Ziel effizienter und genauer Konstruktionen unerlässlich. Darüber hinaus bietet die Berechnung des SNR Einblicke in die Entwurfsfunktionalität und die Entwurfsleistung. Die Zeit, um zu erkennen, dass ein Design nicht realisierbar ist, liegt vor der Herstellungsphase. Daher ist es wichtig, die Entwurfsparameter sowohl durch Berechnungen als auch durch Simulationen zu bewerten.

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