ОТНОШЕНИЯ

Что такое отношение сигнал шум

Отношение сигнал/шум, ОСШ

– заметки или учебник раскрывающие суть отношения сигнал/шум, ОСШ, измерения отношения сигнал/шум, и формулы отношения сигнал/шум.

Шумовые характеристики а, следовательно, и отношение сигнал/шум – это ключевые параметры для любого радиоприемника. Отношение сигнал/шум, или ОСШ, как его часто называют – это характеристика чувствительности приемника. Это имеет первостепенную важность для всех приложений, от простых радиопередающих устройств, до тех, которые используются в сотовой или беспроводной связи, а также в фиксированной или подвижной радиотелефонной связи, двусторонней радиосвязи, систем спутниковой связи и многих других.

Существует ряд способов, при которых шумовая характеристика, и, следовательно, чувствительность радиоприемника могут быть измерены. Наиболее очевидным методом является сравнение сигнала и шума для известного уровня сигнала, т. е. отношение сигнал/шум (С/Ш) или ОСШ. Очевидно, что чем больше разница между сигналом и нежелательным шумом, т. е. чем больше соотношение С/Ш или ОСШ, тем лучше чувствительность радиоприемного устройства.

Как и в случае измерения любой чувствительности, производительность радиоприемника в целом определяется производительностью последнего каскада УРЧ. Любые шумы, которые поступили на вход первого каскада УРЧ, будут суммироваться с сигналом и усиливаться в последующих усилительных каскадах приемника. В случае, когда шумы, поступившие в первые каскады УРЧ, будут в наибольшей степени усиливаться, этот УРЧ станет наиболее критичным, с точки зрения чувствительности приемника, по производительности. Таким образом, первый усилитель любого радиоприемника должен быть малошумящим.

Концепция отношение сигнал/шум ОСШ.

Хотя существует множество способов измерения чувствительности радиоприемника, отношение C/Ш или ОСШ является одним из самых простых и применяется во множестве приложений. Однако оно имеет ряд ограничений и, несмотря на то, что оно широко используется, другие методы, в том числе коэффициент шума, также часто используются. Тем не менее, отношение С/Ш или ОСШ является важным показателем и широко используемой мерой чувствительности приемника.

Отношение сигнал/шум для радиоприемника

Разница обычно определяется как отношение сигнала к шуму (С/Ш) и, как правило, выражается в децибелах. Так как уровень входного сигнала, очевидно, имеет влияние на это отношение, уровень входного сигнала должен быть известен. Он обычно выражается в микровольт. Как правило, определенный уровень входного сигнала, необходимый, чтобы величина отношения сигнал/шум составляла 10 дБ, задан.

Формула отношения сигнал/шум

Отношение сигнал/шум – это отношение между полезным сигналом и нежелательным мешающим шумом.

Более привычно видеть отношение сигнал/шум, выраженное в логарифмических единицах с использованием децибел:

Если все составляющие выразить в децибелах, то формула может быть упрощена до:

Значение мощности может быть выражено в таких уровнях, как дБм (децибел относительно милливатта или каких-то других величин, уровни которых можно сравнить).

Влияние ширины полосы пропускания на ОСШ

Ряд других факторов, помимо основных показателей, могут повлиять на отношение сигнал/шум, ОСШ. Первый фактор – это реальная пропускная способность приемника. Поскольку шум распространяется во всем диапазоне частот, то обнаружили, что чем шире полоса пропускания приемника, тем выше уровень шума. Соответственно полоса пропускания приемника должна быть определена.

Кроме того, установлено, что использование амплитудной модуляции влияет на уровень модуляции. Чем выше уровень модуляции, тем выше аудиосигнал на выходе приемника. При измерении уровня шума измеряется и выходной аудиосигнал приемника и, соответственно, уровень модуляции AM на него влияет. Обычно коэффициент модуляции, соответствующий 30 %, выбран для этого измерения.

Спецификация отношения сигнал/шум

Данный метод измерения эффективности, наиболее часто используется для ВЧ приемников. Как правило, можно ожидать фигуру отношение С/Ш в районе 0,5 мкВ на 10 дБ полосой частот в 3 кГц с ОБП или Морзе. Для АМ можно ожидать отношение С/Ш в 1,5 мкВ на 10 дБ и полосой частот в 6 кГц при уровне модуляции (АМ) 30 %.

На что следует обратить внимание при измерении отношения сигнал/шум

ОСШ – это очень удобный способ количественной оценки чувствительности приемника, но существуют некоторые моменты, которые следует учитывать при интерпретации и измерения отношения сигнал/шум. При исследовании этого необходимо обратить внимание на способ измерения отношения сигнал/шум, ОСШ. Откалиброванный генератор ВЧ сигналов используется в качестве источника сигнала для приемника. Он должен иметь точный метод настройки выходного уровня до очень низких уровней сигнала. Затем на выходе приемника универсальным вольтметром переменного тока, измеряется уровень выходного сигнала.

С/Ш и (С+Ш)/Ш. При измерении отношения сигнал/шум имеются две основные величины измерения. Одна – это уровень шума, а другая – уровень сигнала. Как результат способа, с помощью которого сделаны измерения, часто измерение полезного сигнала также включает в себя шум, т. е. это измерение сигнал + шум. Это, как правило, не является слишком большой проблемой, так как уровень сигнала, как и предполагалось, будет намного выше, чем уровень шума. В связи с этим некоторые производители приемников будут указывать несколько иное отношение: а именно сигнала и шума к шуму (С+Ш)/Ш. На практике разница не большая, но отношение (С+Ш)/Ш является более корректным.

РП и ЭДС. Иногда в спецификации генератора сигналов упоминается, что это либо генератор разности напряжений, либо генератор ЭДС. На самом деле это очень важно, потому что существует коэффициент, равный 2 : 1 между двумя уровнями. Например, 1 мкВ ЭДС и 0,5 мкВ РП одинаковы. ЭДС (электродвижущая сила) – это напряжение холостого хода генератора, в то время как РП (разность потенциалов) измеряется при нагруженности генератора. Результат способа работы схемы генератора предполагает, что приложена действительная нагрузка (50 Ом). Если нагрузка не равна этому значению, то возникнет ошибка. Несмотря на это, большая часть оборудования будет принимать значения в PП, если не указано иное.

Хотя существует много параметров, которые используются для указания характеристики чувствительности радиоприемников, отношение сигнал/шум является одним из основных и легко понимаемых. Поэтому широко используется для различных радиоприемников, используемых в приложениях, начиная от радиоприема до фиксированной или подвижной радиосвязи.

Источник

FAQ по Звуку

Что такое FAQ?

FAQ (Frequently Asked Questions) — часто задаваемые вопросы. FAQ по звуку — часто задаваемые вопросы о звуке.

Как читать этот FAQ?

Для удобства читателей, ответ на каждый вопрос разбит на три категории по степени сложности материала.

Н: Новичок — ещё многого не знает и не слишком хочет разбираться в мудрёных терминах.

П: Продвинутый — владеет основами обращения с техникой, в том числе с компьютером, и хочет всё знать.

З: Задвинутый — думает, что знает всё и любит докапываться до всяких научных и псевдонаучных мелочей. 🙂

Тем самым мы постарались избежать перекрёстных обвинений в чрезвычайной простоте при одновременной сложности изложения материала.

Что такое звук?

Н: Звук — это всё то, что мы слышим ушами.

П: Звук — это невидимые глазом волны, которые распространяются в воздухе, чаще всего из-за того, что где-то происходят колебания. С помощью нервных окончаний в нашем ухе мы их и слышим.

З: Звуковые волны — это физическое явление, происходящее в различных агрегатных состояниях вещества. При распространении имеют конечную скорость, характеризующую сжимаемость среды. Скорость распространения малых возмущений в общем случае равна: . Для адиабатических и изоэнтропических процессов , где k — показатель адиабаты. В каждом элементарном объёме при этом происходит колебание избыточного давления. Энергия звуковой волны характеризуется акустическим давлением и интенсивностью звука. Звуковым волнам присущи все волновые свойства. Это выражается, например, в возникновении явлений интерференции и дифракции при их распространении.

Что такое громкость звука?

Н: Делая громче или тише свой магнитофон или телевизор, мы изменяем громкость с помощью ручки с надписью «громкость».

П: Громкость — это кажущаяся сила звука. Для оценки громкости заумные дяди придумали специальную единицу измерения и назвали её децибел [дБ] (не путать с «децл» и «дебил»). Это — относительная величина, показывающая насколько увеличилась или уменьшилась громкость звука. Если принять за ноль еле слышимые звуки, то можно привести такую таблицу:

Громкость звукаУровень громкости, дБ
Граница слуха0
Шепот20
Разговорная речь50
Шум улицы80
Взлёт самолёта120

З: Кажущуюся громкость звука оценивают её уровнем: [дБ]. Согласно психо-физическому закону Вебера-Фехнера, эта величина для человека прямо пропорциональна субъективному ощущению изменения громкости. Где — интенсивность звука, — плотность, a — скорость звука. Но чаще измеряют уровень громкости через звуковое давление: . L 0 — его усиление.

Что такое высота звука?

Н: Высокий звук это когда поют птички: пи-пи-пи-пи-пи. Звук средней высоты это разговор людей: ла-ла-ла-ла-а. Низкий звук это когда рычит медведь: рэ-э-э-ы-ы.

П: К примеру, если дернуть за струну на гитаре, она начнет колебаться и колебать окружающий ее воздух. Чем больше число колебаний, тем выше звук. Количество этих колебаний в секунду, называют частотой и измеряют в Герцах [Гц].

З: Взглянем на график колебания во временнОй области — U(t). Наибольшее среднее значение напряжения — это амплитуда сигнала, A. Временной диапазон между двумя соседними колебаниями носит название периода (Т). Величина, обратная периоду, называется частотой: .

  • область слышимых частот
  • инфразвук
  • ультразвук

Что такое тембр звука?

Н: То, чем отличается в Вашем любимом сериале голос Хуаниты, от ее злобной соперницы Канчиты.

П: Возьмем звук одинаковой высоты, сыгранный на двух разных музыкальных инструментах — на трубе и на фортепиано. На слух он будет отличаться по ряду характерных признаков. Их совокупность называется тембром.

Давайте вспомним наши ощущения при вращении ручки «громкость» на аудио аппаратуре. С изменением громкости субъективно меняется тембр. На советской аппаратуре была кнопка «тон корректор». Она выправляла ощущение громкости звуков разной частоты, в соответствии с психо-физическими особенностями восприятия.

В жизни мы часто сталкиваемся с понятием регулятор тембра, в том числе эквалайзер. Этот термин имеет немного другой смысл. Регулятор тембра и эквалайзер раздельно регулируют громкость различных частотных составляющих звука.

З: Рассмотрим фрагменты графиков записей двух музыкальных инструментов — трубы и фортепиано:

Они были получены перезаписью через кодек ноты ля первой октавы в WAV редакторе. Воспроизведением занималась звуковая карта SoundBlaster Live! со стандартным 8 МБ банком памяти (GM-инструмент №56 Trumpet и GM-инструмент №0 Acoustic Grand Piano). Период основного колебания характеризует высоту звука, а вид определяет тембральную окраску.

Какой путь проходит звук?

Н: Сначала Ваш любимый «певун» завывает на звукозаписывающей студии в микрофон. Потом, этот звук обрабатывается и записывается на компакт-диск. Купив этот компакт в киоске и поставив запись в свой любимый пузатый «бумбоксик», Вы слушаете то, что осталось от музыки (если она там, конечно, была).

П: При помощи микрофона звуковые волны преобразуются в электрический сигнал. Либо звуки синтезируются модуляцией напряжением или током на электромузыкальных инструментах. А также в компьютерах, сразу же получаясь в цифровом виде (семплерные технологии). Этот сигнал проходит через ряд устройств (компрессор, лимитер, эквалайзер, ревербератор), как железных, так и виртуальных. Впоследствии все оцифрованные звуки в современной студии суммируются («сводятся») в один звуковой файл, который подготавливается и записывается на CD-DA. При проигрывании на бытовом Hi-Fi CD-плеере цифровой сигнал преобразуется в аналоговый ЦАП-ом (цифро-аналоговым преобразователем) и, после усиления, подаётся на акустические системы. Последние преобразуют электрический сигнал обратно в звуковые колебания. Заумные весь этот путь называют звуковым трактом. Не исключено, что пройдя через все эти составляющие, качество звука, получаемого в конечном итоге, будет значительно отличаться от первоначального (по крайней мере, не улучшится). В какой мере — зависит от качества абсолютно всех звеньев этой цепи. К примеру, при покупке колонок мы отдаем предпочтение той системе, которая звучит «чище», определяя это «на слух». Заумные придумали некоторые стандартные показатели для измерения степени ухудшения звука (АЧХ, SNR, THD, и т.д.). Но никакие мудреные интегральные показатели не могут служить основанием для заочного суждения о «звучании» какого либо устройства.

З: В компьютере располагаются обрабатывающая и воспроизводящая часть звукового тракта. Самым качественным форматом кодирования звуковых данных на сегодня в общем случае является PCM (pulse code modulation — импульсно кодовая модуляция). Чаще всего этот формат на PC хранят в файлах с расширением wav. Но само по себе расширение wav не является гарантией PCM, это может быть и файл с данными в формате MPEG Layer 3 (в просторечье «MP3»).

Что такое Амплитудно-частотная Характеристика (АЧХ)?

Н: Это одни из загадочных циферок (к примеру, 20-20000), которые Вы видите на последней странице в руководстве пользователя. Не обращайте на них особого внимания. 🙂

П: При рассмотрении АЧХ обратите особое внимание не на нижнюю и верхнюю границы воспроизводимых частот, а на величину неравномерности. Большая величина неравномерности приводит сильному к искажению тембра звучания. Если приведён график, то в первую очередь важно, что бы он был как можно ровней без резких взлетов и провалов. На высоких частотах в провалах звук будет тусклым, не ясным, в подъемах — присутствие раздражающих неприятных шипящих и свистящих призвуков. На низких частотах в провалах звук теряет «насыщенность», а в подъемах возникает ощущение «бубнящего» звучания и «гудения».

В высококачественных звуковых системах неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот составляет не более +1..-1 дБ. Для компьютерных колонок +10..-10 дБ — вполне приемлемые цифры.

З: Рассмотрим типичную АЧХ дешевой пластмассовой колонки (по оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложена частота, по оси ординат — относительная амплитуда):

По нему ясно, что акустическая система имеет наименьшие искажения в полосе частот от 100 до 10 000 Гц. Человеческая речь имеет диапазон от 80 до 10 000 Гц, а, к примеру, диапазон симфонического оркестра от 30 до 20 000 Гц. Отсюда видно, что данная акустическая система пригодна в лучшем случае для прослушивания человеческой речи. Разумеется, это не говорит о том, что музыку, исполняемую симфоническим оркестром, нельзя будет слушать на данной системе. Просто такое звучание будет ненатуральным.

Так как амплитуда сигнала, измеренная в логарифмах, величина относительная, цифру 0 по оси амплитуды можно поставить где угодно. К примеру, в -80 дБ (по отношению к 0 на данном графике). Потом можно гордо писать в паспорте, что акустика имеет диапазон воспроизводимых частот 20-20000 Гц — и это действительно так. Только вот неравномерность +90 дБ будет очень трудно объяснить, поэтому неравномерность в таких случаях просто не указывается!

Что такое THD?

Н: Страшная аббревиатура, которой Вас хотят запутать. Но не пугайтесь, это всего лишь цифры. И если Вы действительно не испугались, наслаждайтесь звуком (или тем, что от него осталось при указанных в паспорте THD).

П: Это оценка нелинейных искажений. THD — это довольно осредненный показатель, который не определяет однозначно качество звучания, т.е. аппаратура даже с одним и тем же значением THD может звучать по-разному. Аббревиатура Hi-Fi (высокая верность) подразумевает: чем меньше искажений, тем лучше звучание. Требования по THD в Hi-Fi системах: не более 1,5% (на частоте 1000 Гц).

З: Это некий интегральный показатель, который характеризует нелинейные искажения для данной системы. Для акустических систем характерно применение фильтра для измеряемого сигнала, при подачи тестового сигнала (обычно синусоида частотой 1 кГц), с целью измерения всех дополнительных гармоник, возникающих из-за нелинейности системы. Обычно измеряют мощность второй и третьей гармоник, как вносящих наиболее существенный вклад. Для перевода из процентов в децибелы используют следующую формулу:

Что такое шумы (SNR)?

Н: Шумы — это когда пш-ш-ш-ш-ш, и это плохо. Чем меньше пш-ш-ш-ш-ш, тем лучше.

П: Шумы можно представить как некий случайный звуковой сигнал малой громкости, который примешан к основному (изначальному) сигналу.

Отношение сигнал/шум (SNR) показывает превышение уровня сигнала над уровнем шума. Шумы можно также разложить по частотам. В области средних частот шумы наиболее заметны на слух. Наименее неприятен шум, равномерно распределенный по всем частотам (белый шум).

Человек имеет от природы способность отфильтровывать сигнал от шумов, поэтому шумы не так неприятны для восприятия, как искажения (см. THD). Отношение сигнал/шум (SNR) измеряется в дБ.

З: Для показателя SNR можно привести следующую ориентировочную табличку:

10-20 дБАбонентская радиоточка, телефон
20-50 дБКолоночки для плеера
50-60 дБПереносные радиоприёмники, 8 битные звуковые карты
60-80 дБHi-Fi аппаратура
80-100 дБСтудийная и Hi-End аппаратура

Существует некоторое разночтение в понятии сигнал/шум. Фирмы производители любят указывать вместо SNR немного другой показатель, а именно — уровень шумов при отсутствии сигнала (Zero Signal Noise). Чем плохо такое измерение? А тем, что производителям достаточно легко реализовать внутри аппаратуры так называемый «гейт». Скажем, при уровне входного сигнала -80 дБ сработает выключатель, и уровень шумов падает до фантастических величин, на гране реальности. Отсюда все заявления о 96-97 дБ SNR в дешевой аппаратуре. На поверку, при подаче сигнала с небольшим уровнем, эти характеристики резко падают, становясь хуже на 20 дБ (а то и все 30!).

Коэффициент Нелинейных Искажений + Шум (THD+N)

Н: Чем больше THD+N, тем хуже качество в общем случае.

П: Этот показатель объединяет два предыдущих и существует для одновременной оценки уровня шумов и коэффициента нелинейных искажений.

З: THD+N — это более удачный показатель для цифровой аппаратуры, так как не позволяет выбрать наилучший уровень сигнала для SNR и для THD по отдельности.

Мощность

Н: Мощность — это не громкость.

П: Указанное производителем значение мощности не имеет особого практического смысла при выборе аппаратуры в магазине. Если Вы до конца не представляете, что она обозначает, не смотрите на мощность вовсе. Например, про акустическую систему можно сказать: ее мощность равна 10 Вт. Или: ее мощность равна 1000 Вт. Оба значения будут правильными. В первом случае мощность может быть указана «в RMS», а во втором «в PMPO». Поэтому не надо воспринимать близко к сердцу значение мощности, указанное в PMPO. Если попытаться хоть как-то сравнить два устройства по их мощностным характеристикам, то особое внимание следует обратить на уровень искажений (THD) при измерении мощности. Например, набор колонок 300 Вт RMS при 10% THD будет менее предпочтителен и, с очень большой вероятностью, будет звучать много хуже, чем колонки мощностью всего лишь 50 Вт RMS при 0,1% THD.

Динамический диапазон (DR)

Н: Разница между самым тихим и самым громким звуками.

П: Для аудио аппаратуры это запас по динамике звука между порогом из шумов и началом перегрузки акустических систем и усилителя. Для уменьшения динамического диапазона и облегчения воспроизведения музыки и речи на дешевой аппаратуре, применяют так называемую компрессию звука (не путать со сжатием размера звукового файла). Таким образом, поп и рок музыка звучит довольно сносно даже на дешевой бытовой аппаратуре и компьютерных колоночках, т.к. динамический диапазон подобных записей очень «узкий» — не больше 10-15 дБ. Для классики значение динамического диапазона значительно «шире» — около 50 дБ. Соответственно, требования ко всему звуковому тракту для «серьёзной музыки» гораздо выше.

З: Для цифровой аппаратуры — это максимальный SNR, где шумами считаются шумы квантования в теории и порог из цифровых шумов дизеринга и субгармонических искажений (noise floor + harmonic distortion) на практике. Для акустической системы — это чувствительность, [дБ/Вт*м]. Для усилителей — это, если грубо, линейная часть кривой усиления.

Источник

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Закрыть