Som tenåring lærte jeg ofte når jeg lærte inn og ut av billyd solet seg i den rene detaljene i hvert notat. For meg var musikk berusende, nesten like mye som vitenskap og elektronikk. I løpet av denne tiden begynte CD-platen og selvfølgelig bilsubwooferen i sentrum.
Før CD-platen var vinyl det klare valget for lydgjengivelse, når det gjelder av lytteglede. Imidlertid vil mange hevde at det fortsatt er det, under visse forhold. Dessuten var CDen en spillveksler den gang, og klarheten den ga i forhold til kassetten var ubestridelig. Akkurat som det var et behov for enheter for å spille den nye 4K-videostandarden i dag, var det samme for CD-en.
Som selvfølgelig innledet CD-mottakeren til billyden. Med sin overlegne klarhet og brukervennlighet var CD-mottakerens regjeringstid fullstendig. Men der det er kapitalisme, er du sikker på å finne direkte konkurranse. Dette var absolutt tilfelle for CD-mottakeren, og den mest hånlige forskjellen high-end billydkomponentene kunne bruke for å svinge kundene var overlegen klarhet. Klarheten som de snakket om, var bare oppnåelig gjennom deres overlegne spesifikasjoner for signal til støyforhold.
Den ene spesifikasjonen som alltid var bedre enn de mindre merkene var deres signal / støyforhold (SNR). Videre, selv for det utrente øret, var forskjellen i klarhet og musikalsk tilstedeværelse ubestridelig. Så hvis SNR kan gjøre så stor forskjell i musikalsk lydklarhet, er dens betydning i signaloverføringsapplikasjoner eksponentielt mer kritisk. Derfor vil jeg i løpet av de neste par avsnittene diskutere SNR og hvordan man beregner det for å sikre designnøyaktighet.
Hva er signal / støyforhold?
Når det gjelder definisjon, SNR eller signal-til-støy-forhold er forholdet mellom ønsket informasjon eller kraften til et signal og det uønskede signalet eller effekten til bakgrunnsstøyen.
SNR er også en måleparameter som brukes i feltene vitenskap og ingeniørfag som sammenligner nivået på ønsket signal med nivået på bakgrunnsstøy. SNR er med andre ord forholdet mellom signaleffekt og støyeffekt, og uttrykksenheten er typisk desibel (dB). Også et forhold større enn 0 dB eller høyere enn 1: 1, betyr mer signal enn støy.
Bortsett fra den tekniske definisjonen av SNR, er måten jeg definerer det med andre ord ved å bruke en komparativ. Si for eksempel at du og en annen person er i et stort rom og har en samtale. Rommet er imidlertid fullt av andre mennesker som også har samtaler. Videre har noen få av de andre individene lignende stemmemønstre som deg og den andre personen som er involvert i diskusjonen. Som du kan forestille deg, ville det være vanskelig å dechiffrere hvilken person som sier hva.
Hvorfor er signal til støyforhold viktig?
I forrige sammenligning kan du få en bedre forståelse av hva som menes med et uønsket signal eller støy. Som du også kan forestille deg, ville det være nesten umulig å forstå den andre parten som er involvert i samtalen din. I et scenario som dette vil vi også betrakte dette som et signal til støyproblem eller tilsvarende et signal til støy-forhold som er under akseptable parametere.
Anta at det ønskede signalet er viktige data med en streng eller smal toleranse for feil, og det er andre signaler som forstyrrer ønsket signal. Igjen vil det gjøre oppgaven til mottakeren eksponentielt mer utfordrende å dechiffrere ønsket signal. Oppsummert er dette det som gjør det å ha et høyt signal / støyforhold så viktig. I noen tilfeller kan dette også bety forskjellen i at en enhet fungerer eller ikke, og i alle tilfeller påvirker den ytelsen mellom sender og mottaker.
I trådløs teknologi er nøkkelen til enhetsytelse enhetens evne til å skille de anvendte signalene som legitim informasjon fra bakgrunnsstøy eller signaler på spekteret. Dette illustrerer definisjonen av standardene SNR-spesifikasjoner brukes til å sette. Videre skal standardene jeg henviser også sikre riktig trådløs funksjonalitet.
Basics of Signal to Noise Ratio Calculations
I grunnleggende termer er SNR forskjellen mellom ønsket signal og støygulvet. Også når det gjelder definisjon er støygulvet de spesielle bakgrunnsoverføringene som produseres av andre enheter eller av enheter som utilsiktet genererer forstyrrelser på en lignende frekvens. Derfor, for å fastslå signal / støyforholdet, må man finne den kvantifiserbare forskjellen mellom ønsket signalstyrke og uønsket støy ved å trekke støyverdien fra signalstyrkeverdien.
Å oppnå ønsket signalintegritet kan være vanskelig når som helst i utformingen.
Hypotetisk sett, hvis enhetens radio mottar et signal på -65 dBm (desibel per milliwatt), og støynivået er -80 dBm, så blir det resulterende signalet forhold til støy er 15 dB. Dette vil da reflektere som en signalstyrke på 15 dB for denne trådløse tilkoblingen. Som jeg er sikker på at du er klar over, når det gjelder tilkobling i trådløse nettverk, oppgir ekspertene et krav om en SNR på minst 20 dB for å si, surfe på nettet. Imidlertid er følgende SNR-krav versus SNR-verdier:
-
5 dB til 10 dB: er under minimumsnivået for å opprette en forbindelse, pga. til at støynivået nesten ikke skiller seg fra ønsket signal (nyttig informasjon).
-
10 dB til 15 dB: er det aksepterte minimumet for å opprette en upålitelig forbindelse.
-
15 dB til 25 dB: er vanligvis ulemper idered det minimalt akseptable nivået for å etablere dårlig tilkobling.
-
25 dB til 40 dB: anses å være god.
-
41 dB eller høyere: anses å være utmerket.
Selv om SNR rutinemessig brukes til å kvantifisere klarheten eller styrken til elektriske signaler, kan den også gjelde for enhver form for signal (overføring). For eksempel er det i bruk for å beskrive isotopenivåer i iskjerner, biokjemisk signalering mellom celler eller lydlydklarhet for bilforsterkere og kildeenheter (DVD, CD eller Digital). Imidlertid, med lydkomponenter, er SNR alltid en positiv verdi. For eksempel betyr en SNR på 95 dB at lydsignalets nivå er 95 dB høyere enn støynivået. Som igjen betyr at en SNR på 95 dB er bedre enn en som er 80 dB.
Hvordan beregne signal / støyforhold
SNR-beregninger kan være enkle eller komplekse , og det avhenger av de aktuelle enhetene og tilgjengelige data. Så hvis SNR-målingene dine allerede er i desibelform, kan du trekke støymengden fra ønsket signal: SNR = S – N. Dette er fordi når du trekker logaritmer, tilsvarer det å dele normale tall. Også forskjellen i tallene er lik SNR. For eksempel måler du et radiosignal med en styrke på -10 dB og et støysignal på -50 dB. -10 – (-50) = 40 dB.
Som jeg sa tidligere, kan også beregning av SNR være involvert. Så for komplekse beregninger, deler du verdien av ønsket signal med mengden støy og tar deretter den vanlige logaritmen til resultatet, dvs. logg (S ÷ N). Etter dette, hvis målingene av signalstyrken er i watt (effekt), vil du deretter multiplisere med 20. Men hvis de er spenningsenheter, vil du multiplisere med 10.
Formel for signal til støyforhold og kanalkapasitet
Signal / støyforhold påvirker alle trådløse nettverk, og dette inkluderer Bluetooth, Wi-Fi, 4G, 4G LTE og 5G, siden driften avhenger av radiosignaler. Siden de fungerer gjennom bruk av radiosignaler, har hver av de nevnte kommunikasjonsmetodene også en maksimal kanalkapasitet. Når SNR øker, øker dessuten kanalkapasiteten.
Totalt sett påvirker kanalkapasiteten, båndbredden og signal / støyforholdet maksimal kapasitet for kommunikasjonskanaler. Dessuten tilhører denne oppdagelsen Claude Shannon, og han gjør denne sammenhengen under andre verdenskrig. I dagens felt innen elektronikk og vitenskap refererer ingeniører og forskere til det som Shannons lov eller Shannon-Hartley-teoremet.
I følge Shannons lov viser følgende formel denne sammenhengen som danner kapasiteten avhengig forhold:
C = W log2 (1 +)
Innenfor denne formelen:
C tilsvarer kapasiteten til kanalen (bits / s)
S tilsvarer den gjennomsnittlige mottatte signaleffekten
N tilsvarer gjennomsnittlig støyeffekt
W tilsvarer båndbredden (Hertz)
The Shannon-Hartley theorem shows that the values av S (gjennomsnittlig signaleffekt), N (gjennomsnittlig støyeffekt) og W (båndbredde) setter grensen for overføringshastigheten.
Å oppnå tekniske design med krevende signalutfordringer er givende i dagens bransje i utvikling.
Th viktigheten av å beregne signal / støy-forholdet nøyaktig er avgjørende for det endelige målet om effektiv og nøyaktig design. Videre vil databehandling av SNR også gi innsikt i designfunksjonalitet og designytelse. Tiden til å innse at et design ikke er mulig er før produksjonsfasen. Derfor er det viktig å vurdere designparametere gjennom beregninger samt simulering.
Heldigvis, med Cadences serie med design- og analyseverktøy, vil du være sikker på at designerne og produksjonsteamene dine jobber sammen for å implementere riktige teknikker for å beregne signal / støyforholdet i alle PCB-designene dine. Allegro PCB Designer er layoutløsningen du har sett etter, og det kan utvilsomt lette implementeringen av effektive signal / støyforholdsstrategier i din nåværende og fremtidige PCB-design.
Hvis du ønsker å lære mer om hvordan Cadence har løsningen for deg, kan du snakke med oss og vårt team av eksperter.
Om forfatteren
Cadence PCB-løsninger er et komplett design-for-bak-verktøy som muliggjør rask og effektiv produktoppretting. Cadence gjør det mulig for brukere å forkorte designsyklusene nøyaktig for å levere til produksjon gjennom moderne IPC-2581 industristandard.
Følg på Linkedin Besøk nettsted Mer innhold fra Cadence PCB Solutions