Sinyal Gürültü Oranı

Sinyal-gürültü oranı (kısaltılmış SNR veya S / N) bilim ve mühendislikte kullanılan, istenen bir sinyalin seviyesini arka plandaki gürültü seviyesiyle karşılaştıran bir ölçüdür. SNR, sinyal gücünün gürültü gücüne oranı olarak tanımlanır, genellikle desibel cinsinden ifade edilir. 1: 1'den yüksek bir oran (0 dB'den büyük bir oran) gürültüden daha fazla sinyal olduğunu gösterir.

SNR, elektrik sinyalleri için yaygın olarak alıntılanırken, herhangi bir sinyal formuna, örneğin bir buz çekirdeğindeki izotop seviyelerine, hücreler arasındaki biyokimyasal sinyale veya finansal ticaret sinyallerine uygulanabilir. Sinyal-gürültü oranı bazen yararlı bilgilerin bir konuşma veya takastaki yanlış veya alakasız verilere oranını ifade etmek için mecazi olarak kullanılır. Örneğin, çevrimiçi tartışma forumlarında ve diğer çevrimiçi topluluklarda, konu dışı gönderiler ve spam, uygun tartışmanın "sinyaline" müdahale eden "gürültü" olarak kabul edilir.

burada ortalama güçtür. Hem sinyal hem de gürültü gücü, bir sistemdeki aynı veya eşdeğer noktalarda ve aynı sistem bant genişliği içinde ölçülmelidir.

Sinyal-gürültü oranı ve dinamik aralık kavramları yakından ilişkilidir. Dinamik aralık, bir kanaldaki en güçlü bozulmamış sinyal ile çoğu durumda gürültü seviyesi olan minimum fark edilebilir sinyal arasındaki oranı ölçer. SNR, rastgele bir sinyal seviyesi (mümkün olan en güçlü sinyal olması gerekmez) ile gürültü arasındaki oranı ölçer. Sinyal-gürültü oranlarının ölçülmesi, bir temsili veya referans sinyalinin seçilmesini gerektirir. Ses mühendisliğinde referans sinyali genellikle standart bir nominal veya hizalama seviyesinde sinüs dalgasıdır, örneğin 1   kHz +4 dBu'da (1.228 V RMS).

SNR genellikle, ortalama bir sinyal / gürültü oranını belirtmek için alınır, çünkü anlık sinyal / gürültü oranlarının (neredeyse) oldukça farklı olması mümkündür. Kavram, gürültü seviyesini 1 (0 dB) seviyesine normalize etmek ve sinyalin 'ne kadar öne çıktığını' ölçmek olarak anlaşılabilir.

Ancak sinyal işleme ve iletişimde, genellikle bir sinyalin güç ya da enerji ölçüm sırasında bu faktör genellikle dahil değildir bu Bu, okuyucular arasında biraz karışıklığa neden olabilir, ancak direnç faktörü, sinyal işlemede gerçekleştirilen tipik işlemler veya güç oranlarının hesaplanması için önemli değildir. Çoğu durumda, bir sinyalin gücü basit olarak kabul edilir.

burada sinyal ortalaması veya beklenen değerdir, ise gürültünün standart sapması veya bunun bir tahminidir. Böyle bir alternatif tanımın sadece her zaman negatif olmayan değişkenler için yararlı olduğuna dikkat edin (foton sayısı ve parlaklık gibi). Genellikle görüntü işlemede kullanılır, burada bir görüntünün SNR'si genellikle ortalama piksel değerinin belirli bir mahalle üzerindeki piksel değerlerinin standart sapmasına oranı olarak hesaplanır.

Bu tanım, sinyalin sinyal genliği ile ayrılmış iki durumu olduğunu varsayarsak hassasiyet indeksi veya d ile yakından ilgilidir. ve gürültü standart sapması iki durum arasında değişmez.

Rose kriteri (Adını Albert Rose'dan almıştır), görüntü özelliklerini kesin olarak ayırt edebilmek için en az 5 SNR'ye ihtiyaç duyulduğunu belirtir. 5'ten düşük bir SNR, görüntü ayrıntılarının tanımlanmasında % 100'den az kesinlik anlamına gelir.

Görüntüleme sistemlerinin duyarlılığını karakterize etmek için başka bir alternatif, çok spesifik ve farklı SNR tanımı kullanılır; bkz. Sinyal-gürültü oranı (görüntüleme) .

Tüm gerçek ölçümler gürültüden rahatsız olur. Bu, elektronik gürültüyü içerir, ancak ölçülen fenomeni etkileyen dış olayları da içerebilir - rüzgar, titreşimler, ayın kütleçekim etkisi, sıcaklık değişimleri, nem değişimleri, vb., Ölçülen ve cihazın hassasiyetine bağlı olarak . Ortamı kontrol ederek gürültüyü azaltmak genellikle mümkündür. Aksi takdirde, gürültünün özellikleri bilindiğinde ve sinyallerden farklı olduğunda, sesi filtrelemek veya sinyali işlemek mümkündür.

Örneğin, bazen çok dar bir bant genişliği içinde sinyali modüle etmek ve sınırlamak için bir kilitleme amplifikatörü kullanmak ve daha sonra tespit edilen sinyali bulunduğu dar banda filtrelemek, böylece geniş bant gürültüsünün çoğunu ortadan kaldırmak mümkündür.

Sinyal sabit veya periyodik olduğunda ve gürültü rastgele olduğunda, ölçümlerin ortalamasını alarak SNR'yi geliştirmek mümkündür. Bu durumda gürültü, ortalama örnek sayısının kare kökü olarak azalır.

Bir ölçüm dijitalleştirildiğinde, ölçümü temsil etmek için kullanılan bit sayısı, olası maksimum sinyal / gürültü oranını belirler. Bunun nedeni, mümkün olan en düşük gürültü seviyesinin, bazen nicemleme gürültüsü olarak adlandırılan sinyalin nicelleştirilmesinden (kuantalama) kaynaklanan hata olmasıdır . Bu gürültü seviyesi doğrusal değildir ve sinyale bağlıdır; farklı sinyal modelleri için farklı hesaplamalar mevcuttur. Nicemleme gürültüsü, nicemlemeden önceki sinyalle toplanan bir analog hata sinyali olarak modellenmiştir ("ilave gürültü").

Bu teorik maksimum SNR mükemmel bir giriş sinyali olduğunu varsayar. Giriş sinyali zaten gürültülü ise (genellikle olduğu gibi), sinyalin gürültüsü nicemleme gürültüsünden daha büyük olabilir. Gerçek analogdan dijitale dönüştürücüler ayrıca, kasıtlı renk taklidi de dahil olmak üzere ideal kuantizasyon gürültüsünden teorik maksimuma kıyasla SNR'yi daha da azaltan başka gürültü kaynaklarına da sahiptir.

Bu ilişki " 16-bit ses 96 dB dinamik aralığa sahiptir" gibi ifadelerin kökenidir. Her ekstra niceleme biti, dinamik aralığı kabaca 6 dB artırır.

Dinamik aralığın sabit noktadan çok daha büyük olduğunu, ancak daha kötü bir sinyal gürültü oranına mal olacağını unutmayın. Bu, dinamik aralığın büyük veya öngörülemediği durumlarda kayan noktayı tercih edilebilir hale getirir. Sabit noktanın daha basit uygulamaları, dinamik aralığın 6.02m'den az olduğu sistemlerde sinyal kalitesi dezavantajı olmadan kullanılabilir. Çok geniş dinamik kayan nokta aralığı dezavantaj olabilir, çünkü algoritma tasarımında daha fazla öngörü gerektirir.

Optik sinyaller, modülasyon frekansından çok daha yüksek bir taşıyıcı frekansa sahiptir (yaklaşık 200 THz ve daha fazlası). Bu şekilde gürültü, sinyalin kendisinden çok daha geniş bir bant genişliğini kapsar. Ortaya çıkan sinyal etkisi esas olarak gürültünün filtrelenmesine dayanır. Alıcıyı dikkate almadan sinyal kalitesini tanımlamak için optik SNR (OSNR) kullanılır. OSNR, belirli bir bant genişliğindeki sinyal gücü ile gürültü gücü arasındaki orandır. En yaygın olarak 0.1 referans bant genişliği   nm kullanılır. Bu bant genişliği modülasyon formatından, frekanstan ve alıcıdan bağımsızdır. Örneğin, 20 OSNR   dB / 0.1   nm verilebilir, 40 GBit DPSK sinyali bile bu bant genişliğine sığmaz. OSNR bir optik spektrum analizörü ile ölçülür.

Sinyal-gürültü oranı SNR olarak kısaltılır ve daha az sıklıkla S / N olarak kısaltılabilir. PSNR en yüksek sinyal / gürültü oranını temsil eder . GSNR, geometrik sinyal-gürültü oranını temsil eder. SINR, sinyal / parazit artı gürültü oranıdır .