Som tonåring lär jag mig ofta när jag lär mig bilens ljud solade sig i detaljens detaljer. För mig var musik berusande, nästan lika mycket som vetenskap och elektronik. Under denna tid kom dock CD-skivan och naturligtvis bilsubwoofern i centrum.
Innan CD-skivan var vinyl det tydliga valet för ljudåtergivning, i termer av av lyssnande nöje. Men många skulle hävda att det fortfarande är det, under vissa förhållanden. Dessutom var CD-skivan en spelväxlare då, och den tydlighet som den gav gentemot kassettbandet var obestridlig. Precis som det fanns en efterfrågan på enheter för att spela den nya 4K-videostandarden i dag, var detsamma sant för CD-skivan.
Som naturligtvis inledde bil-ljud-CD-mottagaren. Med sin överlägsna tydlighet och användarvänlighet var CD-mottagarens regeringstid fullständig. Men där det finns kapitalism är du säker på att du hittar direkt konkurrens. Detta var absolut fallet för CD-mottagaren, och den mest hånade skillnaden som avancerade billjudkomponenter kunde använda för att svänga sina kunder var överlägsen tydlighet. Tydligheten som de talade om kunde endast uppnås genom deras överlägsna specifikationer för signal / brusförhållande.
Den enda specifikationen som alltid var bättre än de mindre märkena var deras signal / brusförhållande (SNR). Dessutom, även för det otränade örat, var skillnaden i klarhet och musikalisk närvaro obestridlig. Så om SNR kan göra så stor skillnad i musikalisk tydlighet är dess betydelse i signalöverföringsapplikationer exponentiellt mer kritisk. Under de närmaste styckena kommer jag därför att diskutera SNR och hur man beräknar det för att säkerställa designens noggrannhet.
Vad är signal / brusförhållande?
När det gäller definition, SNR eller signal-brus-förhållandet är förhållandet mellan den önskade informationen eller effekten hos en signal och den oönskade signalen eller effekten hos bakgrundsbruset.
SNR är också en mätparameter som används i fälten vetenskap och teknik som jämför nivån för den önskade signalen med nivån för bakgrundsbrus. Med andra ord är SNR förhållandet mellan signaleffekt och bruseffekt, och dess uttrycksenhet är vanligtvis decibel (dB). Ett förhållande som är större än 0 dB eller högre än 1: 1 betyder också mer signal än brus.
Bortsett från den tekniska definitionen av SNR, är det som jag definierar det i andra termer genom att använda en jämförelse. Säg till exempel att du och en annan person är inne i ett stort rum och har en konversation. Rummet är dock fullt av andra människor som också har samtal. Dessutom har några av de andra individerna liknande röstmönster som du och den andra individen som är involverad i din diskussion. Som du kan föreställa dig skulle det vara svårt att dechiffrera vilken person som säger vad.
Varför är signal / brusförhållande viktigt?
I den tidigare jämförelsen kan du få en bättre förståelse vad som menas med en oönskad signal eller brus. Som ni också kan föreställa er det nästan omöjligt att förstå den andra parten som är inblandad i ditt samtal. I ett sådant scenario skulle vi också betrakta detta som ett signal-brus-problem eller motsvarande ett signal-brusförhållande som ligger under acceptabla parametrar.
Antag nu att den önskade signalen är väsentlig data med en strikt eller snäv tolerans för fel, och det finns andra signaler som stör din önskade signal. Återigen skulle det göra mottagarens uppgift exponentiellt mer utmanande att dechiffrera den önskade signalen. Sammanfattningsvis är det så viktigt att ha ett högt signal / brusförhållande. I vissa fall kan detta också betyda skillnaden i att en enhet fungerar eller inte, och i alla fall påverkar den prestandan mellan sändare och mottagare.
I trådlös teknik är nyckeln till enhetsprestanda enhetens förmåga att skilja de tillämpade signalerna som legitim information från bakgrundsbrus eller signaler i spektrumet. Detta symboliserar definitionen av standarderna SNR-specifikationer används för att ställa in. Dessutom säkerställer de standarder som jag hänvisar också till rätt trådlös funktionalitet.
Grunderna för beräkningar av signal till brusförhållande
I grundläggande termer är SNR skillnaden mellan önskad signal och bullergolvet. När det gäller definition är bullergolvet också de speciella bakgrundsöverföringar som produceras av andra enheter eller av enheter som oavsiktligt genererar störningar på en liknande frekvens. För att fastställa signal / brusförhållandet måste man därför hitta den kvantifierbara skillnaden mellan den önskade signalstyrkan och det oönskade bruset genom att subtrahera brusvärdet från signalstyrkan.
Uppnå önskad signalintegritet kan vara svårt i alla skeden av designen.
Hypotetiskt sett, om din enhets radio tar emot en signal vid -65 dBm (decibel per milliwatt) och bullergolvet är -80 dBm, då blir den resulterande signalen förhållandet mellan brus och brus är 15 dB. Detta återspeglas sedan som en signalstyrka på 15 dB för denna trådlösa anslutning. Som jag är säker på att du är medveten om, när det gäller anslutning i trådlösa nätverk, säger experterna ett krav på en SNR på minst 20 dB för att säga, surfa på nätet. Följande är dock SNR-krav kontra SNR-värden:
-
5 dB till 10 dB: är under miniminivån för att upprätta en anslutning, på grund av till att bullernivån nästan inte kan skiljas från den önskade signalen (användbar information).
-
10 dB till 15 dB: är det accepterade minimumet för att upprätta en opålitlig anslutning.
-
15 dB till 25 dB: är vanligtvis nackdelar uppskattade den minimalt acceptabla nivån för att skapa dålig anslutning.
-
25 dB till 40 dB: anses vara bra.
-
41 dB eller högre: anses vara utmärkt.
Även om SNR rutinmässigt används för att kvantifiera klarheten eller styrkan hos elektriska signaler, kan den också gälla alla former av signal (överföring). Det används till exempel för att beskriva isotopenivåer i iskärnor, biokemisk signalering mellan celler eller ljudljudskärpa för bilförstärkare och källenheter (DVD, CD eller Digital). Men med ljudkomponenter är SNR alltid ett positivt värde. Till exempel betyder en SNR på 95 dB att nivån på ljudsignalen är 95 dB högre än bullernivån. Vilket i sin tur betyder att en SNR på 95 dB är bättre än en som är 80 dB.
Hur man beräknar signal / brusförhållande
SNR-beräkningar kan vara antingen enkla eller komplexa , och det beror på enheterna i fråga och din tillgängliga data. Så om dina SNR-mätningar redan är i decibelform kan du subtrahera brusmängden från den önskade signalen: SNR = S – N. Detta beror på att när du subtraherar logaritmer, motsvarar det att dela normala tal. Skillnaden i siffrorna är också lika med SNR. Till exempel mäter du en radiosignal med en styrka på -10 dB och en brussignal på -50 dB. -10 – (-50) = 40 dB.
Som jag nämnde tidigare kan beräkning av SNR också vara involverad. Så för komplexa beräkningar delar du värdet på den önskade signalen med storleken på bruset och tar sedan den gemensamma logaritmen för resultatet, dvs. loggen (S ÷ N). Efter detta, om signalstyrkemätningarna är i watt (effekt), kommer du att multiplicera med 20. Men om de är spänningsenheter, kommer du att multiplicera med 10.
Signal-brus-formel och kanalkapacitet
Signal / brusförhållande påverkar alla trådlösa nätverk, och detta inkluderar Bluetooth, Wi-Fi, 4G, 4G LTE och 5G, eftersom deras funktion är beroende av radiosignaler. Eftersom de också fungerar genom användning av radiosignaler har var och en av de nämnda kommunikationsmetoderna en maximal kanalkapacitet. När SNR ökar, ökar dessutom kanalkapaciteten.
Sammantaget påverkar kanalens kapacitet, bandbredd och signal / brusförhållandet kommunikationskanalernas maximala kapacitet. Dessutom tillhör denna upptäckt Claude Shannon, och han gör denna korrelation under andra världskriget. I dagens elektronik- och vetenskapsfält hänvisar ingenjörer och forskare till det som Shannons lag eller Shannon-Hartleys teorem.
Enligt Shannons lag visar följande formel denna korrelation som bildar kapaciteten beroende förhållande:
C = W log2 (1 +)
Inom denna formel:
C är lika med kanalens kapacitet (bitar / s)
S är lika med den genomsnittliga mottagna signaleffekten
N motsvarar den genomsnittliga bruseffekten
W är lika med bandbredden (Hertz)
The Shannon-Hartley theorem shows that the values av S (genomsnittlig signaleffekt), N (genomsnittlig bruseffekt) och W (bandbredd) anger gränsen för överföringshastigheten.
Att uppnå teknisk design med krävande signalutmaningar är givande i den nuvarande utvecklande branschen.
Th vikten av att noggrant beräkna signal / brusförhållandet är absolut nödvändigt för det slutgiltiga målet för effektiva och exakta konstruktioner. Dessutom kommer beräkning av SNR också att ge insikt i designfunktionalitet och designprestanda. Tiden att inse att en design inte är genomförbar är innan tillverkningsfasen. Därför är det viktigt att bedöma designparametrar genom både beräkningar och simuleringar.
Tack och lov, med Cadences svit av design- och analysverktyg, kommer du att se till att dina designers och produktionsteam arbetar tillsammans för att implementera rätt teknik för att beräkna signal / brusförhållandet i alla dina PCB-mönster. Allegro PCB Designer är den layoutlösning du letat efter och det kan utan tvekan underlätta implementeringen av effektiva signal / brusförhållandestrategier i din nuvarande och framtida PCB-design.
Om du vill veta mer om hur Cadence har lösningen för dig, prata med oss och vårt team av experter.
Om författaren
Cadence PCB-lösningar är ett komplett designverktyg från front till bak för att möjliggöra snabb och effektiv produktskapning. Cadence gör det möjligt för användare att korta ner designcyklerna för att överlämnas till tillverkning genom modern IPC-2581 industristandard.
Följ på Linkedin Besök webbplats Mer innehåll från Cadence PCB-lösningar