25/09/11În orice sistem de măsurare — de la comunicațiile wireless la fotografia digitală — raportul semnal-zgomot (SNR) este un criteriu fundamental de calitate. Indiferent dacă analizați imagini cu telescop, îmbunătățiți înregistrările cu microfon sau depanați o legătură wireless, raportul semnal-zgomot vă spune câte informații utile ies în evidență față de zgomotul de fundal nedorit.
Însă calcularea corectă a raportului semnal-zgomot (SNR) nu este întotdeauna simplă. În funcție de sistem, pot fi necesari luarea în considerare a unor factori suplimentari, cum ar fi curentul de întuneric, zgomotul de citire sau blocarea pixelilor. Acest ghid vă prezintă teoria, formulele de bază, greșelile frecvente, aplicațiile și modalitățile practice de îmbunătățire a SNR-ului, asigurându-vă că îl puteți aplica cu precizie într-o gamă largă de contexte.
Ce este raportul semnal-zgomot (SNR)?
În esență, raportul semnal-zgomot măsoară relația dintre intensitatea unui semnal dorit și zgomotul de fundal care îl ascunde.
● Semnal = informația semnificativă (de exemplu, o voce într-un apel, o stea într-o imagine cu telescopul).
● Zgomot = fluctuații aleatorii, nedorite, care distorsionează sau ascund semnalul (de exemplu, electricitate statică, zgomotul senzorului, interferențe electrice).
Matematic, raportul semnal-zgomot (SNR) este definit ca:
Deoarece aceste raporturi pot varia pe mai multe ordine de mărime, raportul semnal-zgomot (SNR) este de obicei exprimat în decibeli (dB):
● SNR ridicat (de exemplu, 40 dB): semnalul este dominant, rezultând informații clare și fiabile.
● Raport semnal-zgomot (SNR) scăzut (de exemplu, 5 dB): zgomotul depășește semnalul, ceea ce face dificilă interpretarea.
Cum se calculează raportul semnal-zgomot (SNR)
Calculul raportului semnal-zgomot poate fi efectuat cu diferite niveluri de precizie, în funcție de sursele de zgomot incluse. În această secțiune, vor fi introduse două forme: una care ia în considerare curentul de întuneric și una care presupune că acesta poate fi neglijat.
Notă: Adăugarea valorilor independente de zgomot necesită adunarea lor în cuadratură. Fiecare sursă de zgomot este ridicată la pătrat, însumată și se calculează rădăcina pătrată a totalului.
Raportul semnal-zgomot cu curent de întuneric
Următoarea este ecuația care trebuie utilizată în situațiile în care zgomotul curentului întunecat este suficient de mare pentru a necesita includerea:
Iată definiția termenilor:
Semnal (e-): Acesta este semnalul de interes pentru fotoelectroni, din care s-a scăzut semnalul curentului de întuneric.
Semnalul total (e-) va fi numărul de fotoelectroni din pixelul de interes – strict nu valoarea pixelului în unități de niveluri de gri. A doua instanță a semnalului (e-), în partea de jos a ecuației, este zgomotul fotonic.
Curent de întuneric (DC):Valoarea curentului de întuneric pentru pixelul respectiv.
t: Timpul de expunere în secunde
σr:Citește zgomotul în modul cameră.
Raportul semnal-zgomot pentru curent de întuneric neglijabil
În cazurile de scurtă durată (< 1 secundă), plus camere răcite de înaltă performanță, zgomotul curentului întunecat va fi, în general, mult sub zgomotul de citire și va fi neglijat în siguranță.
Unde termenii sunt din nou așa cum sunt definiți mai sus, cu excepția faptului că semnalul curentului de întuneric nu trebuie calculat și scăzut din semnal, deoarece acesta ar trebui să fie egal cu zero.
Limitările acestor formule și termenii lipsă
Formulele opuse vor oferi răspunsuri corecte doar pentru CCD șiCamere CMOSDispozitivele EMCCD și cele intensificate introduc surse suplimentare de zgomot, deci aceste ecuații nu pot fi utilizate. Pentru o ecuație mai completă a raportului semnal-zgomot care să țină cont de aceste și de altele contribuții, consultați secțiunea dedicată raportului semnal-zgomot.
Un alt termen de zgomot care este (sau era) inclus în mod obișnuit în ecuațiile SNR este cel al neuniformității foto-răspunsului (PRNU), denumit uneori și „zgomot de model fix” (FPN). Acesta reprezintă neuniformitatea câștigului și a răspunsului semnalului pe senzor, care poate deveni dominantă la semnale mari dacă este suficient de mare, reducând SNR-ul.
În timp ce primele camere aveau un PRNU suficient de semnificativ pentru a necesita includerea sa, majoritatea camerelor modernecamere științificeau un PRNU suficient de scăzut pentru a-și face contribuția mult sub cea a zgomotului fotonic, în special după aplicarea corecțiilor la bord. Prin urmare, acum este de obicei neglijat în calculele SNR. Cu toate acestea, PRNU este încă important pentru unele camere și aplicații și este inclus în ecuația SNR mai avansată pentru completitudine. Aceasta înseamnă că ecuațiile furnizate sunt utile pentru majoritatea sistemelor CCD/CMOS, dar nu ar trebui tratate ca fiind universal aplicabile.
Tipuri de zgomot în calculele SNR
Calcularea raportului semnal-zgomot (SNR) nu înseamnă doar compararea unui semnal cu o singură valoare a zgomotului. În practică, mai multe surse independente de zgomot contribuie, iar înțelegerea lor este esențială.
Zgomot de împușcătură
● Origine: sosirea statistică a fotonilor sau electronilor.
● Se scalează cu rădăcina pătrată a semnalului.
● Dominant în imagistica limitată de fotoni (astronomie, microscopie cu fluorescență).
Zgomot termic
● Se mai numește și zgomot Johnson-Nyquist, produs de mișcarea electronilor în rezistențe.
● Crește odată cu temperatura și lățimea de bandă.
● Important în electronică și comunicații fără fir.
Zgomot de curent întunecat
● Variație aleatorie a curentului de întuneric în cadrul senzorilor.
● Mai semnificativ în cazul expunerilor lungi sau al detectoarelor calde.
● Redus prin răcirea senzorului.
Citiți zgomotul
● Zgomot de la amplificatoare și conversie analog-digitală.
● Fix per citire, atât de critic în regimurile de semnal slab.
Zgomot de cuantizare
● Introdus prin digitalizare (rotunjire la niveluri discrete).
● Important în sistemele cu adâncime de biți redusă (de exemplu, audio pe 8 biți).
Zgomot de mediu/de sistem
● EMI, diafonie, ondulație a alimentării.
● Poate domina dacă ecranarea/împământarea este slabă.
Înțelegerea care dintre acestea este dominantă ajută la alegerea formulei și metodei de atenuare potrivite.
Greșeli frecvente în calcularea semnalului semnal (SNR)
Este ușor să întâlnești numeroase metode „scurtături” pentru a estima raportul semnal-zgomot în imagistică. Acestea tind să fie fie mai puțin complexe decât ecuațiile opuse, fie permit o derivare mai ușoară din imaginea în sine, în loc să necesite cunoașterea parametrilor camerei, cum ar fi zgomotul de citire, fie ambele. Din păcate, este probabil ca fiecare dintre aceste metode să fie incorectă și să ducă la rezultate distorsionate și inutile. Se recomandă insistent utilizarea ecuațiilor opuse (sau a versiunii avansate) în toate cazurile.
Unele dintre cele mai frecvente scurtături false includ:
1. Compararea intensității semnalului cu intensitatea fundalului, în niveluri de gri. Această abordare încearcă să evalueze sensibilitatea camerei, puterea semnalului sau raportul semnal-zgomot prin compararea intensității de vârf cu intensitatea fundalului. Această abordare este profund defectuoasă, deoarece influența decalajului camerei poate seta arbitrar intensitatea fundalului, amplificarea poate seta arbitrar intensitatea semnalului și nu se ia în considerare nicio contribuție a zgomotului, nici la semnal, nici la fundal.
2. Împărțirea vârfurilor semnalului la deviația standard a unei zone de pixeli de fundal. Sau, compararea valorilor vârfurilor cu zgomotul vizual din fundal, dezvăluit de un profil de linie. Presupunând că offset-ul este scăzut corect din valori înainte de împărțire, cel mai semnificativ pericol în această abordare este prezența luminii de fundal. Orice lumină de fundal va domina de obicei zgomotul din pixelii de fundal. În plus, zgomotul din semnalul de interes, cum ar fi zgomotul de imagine, nu este deloc luat în considerare.
3. Semnalul mediu în pixelii de interes vs. deviația standard a valorilor pixelilor: Compararea sau observarea modului în care un semnal de vârf se modifică între pixelii vecini sau cadrele succesive este mai aproape de a fi corectă decât alte metode rapide, dar este puțin probabil să evite alte influențe care distorsionează valorile, cum ar fi o modificare a semnalului care nu derivă din zgomot. Această metodă poate fi, de asemenea, inexactă din cauza numărului mic de pixeli în comparație. De asemenea, nu trebuie uitată scăderea valorii offset.
4. Calcularea raportului semnal-zgomot (SNR) fără conversia în unități de intensitate ale fotoelectronilor sau fără eliminarea decalajului: Deoarece zgomotul generat de fotoni este de obicei cea mai mare sursă de zgomot și se bazează pe cunoașterea decalajului și a câștigului camerei pentru măsurare, nu este posibil să se evite calcularea înapoi la fotoelectroni pentru calculele SNR.
5. Evaluarea vizuală a raportului semnal-zgomot (SNR): Deși în anumite circumstanțe evaluarea sau compararea SNR-ului vizual poate fi utilă, există și capcane neașteptate. Evaluarea SNR-ului în pixeli cu valoare mare poate fi mai dificilă decât în pixeli cu valoare mai mică sau de fundal. De asemenea, pot juca un rol efecte mai subtile: De exemplu, diferite monitoare de computer pot reda imagini cu un contrast foarte diferit. În plus, afișarea imaginilor la diferite niveluri de zoom în software poate influența semnificativ aspectul vizual al zgomotului. Acest lucru este problematic în special dacă se încearcă compararea camerelor cu dimensiuni diferite ale pixelilor din spațiul obiectului. În cele din urmă, prezența luminii de fundal poate anula orice încercare de a evalua vizual SNR-ul.
Aplicații ale raportului semnal-relație (SNR)
Raportul semnal-zgomot (SNR) este o metrică universală cu aplicații largi:
● Înregistrare audio și muzică: Determină claritatea, gama dinamică și fidelitatea înregistrărilor.
● Comunicație wireless: Raportul semnal-zgomot (SNR) este direct legat de ratele de eroare pe biți (BER) și de debitul de date.
● Imagistică științifică: În astronomie, detectarea stelelor slabe pe fundalul strălucirii cerului necesită un raport semnal-zgomot (SNR) ridicat.
● Echipamente medicale: ECG, RMN și CT scanează pe baza unui raport semnal-zgomot (SNR) ridicat pentru a distinge semnalele de zgomotul fiziologic.
● Camere foto și fotografie: Atât camerele foto pentru consumatori, cât și senzorii CMOS științifici utilizează raportul semnal-zgomot (SNR) pentru a testa performanța în condiții de lumină slabă.
Îmbunătățirea semnalului sonor (SNR)
Întrucât raportul semnal-zgomot (SNR) este o măsură atât de importantă, se depun eforturi semnificative pentru îmbunătățirea acesteia. Strategiile includ:
Abordări hardware
● Folosiți senzori mai buni cu curent de întuneric mai mic.
● Aplicați ecranare și împământare pentru a reduce EMI.
● Răciți detectoarele pentru a suprima zgomotul termic.
Abordări software
● Aplicați filtre digitale pentru a elimina frecvențele nedorite.
● Folosește medierea pe mai multe cadre.
● Utilizarea algoritmilor de reducere a zgomotului în procesarea imaginilor sau a sunetului.
Pixel Binning și efectul său asupra semnalului sonor (SNR)
Efectul binning-ului asupra raportului semnal-zgomot depinde de tehnologia camerei și de comportamentul senzorului, deoarece performanța la zgomot a camerelor binned și nebinned poate varia semnificativ.
Camerele CCD pot însuma sarcinile pixelilor adiacenți „pe cip”. Zgomotul de citire apare o singură dată, deși semnalul de curent întunecat de la fiecare pixel va fi, de asemenea, însumat.
Majoritatea camerelor CMOS efectuează binning off-chip, ceea ce înseamnă că valorile sunt mai întâi măsurate (și se introduce zgomot de citire) și apoi însumate digital. Zgomotul de citire pentru astfel de însumări crește prin înmulțire cu rădăcina pătrată a numărului de pixeli însumați, adică cu un factor de 2 pentru binning 2x2.
Deoarece comportamentul senzorilor la zgomot poate fi complicat, pentru aplicații cantitative este recomandabil să se măsoare offset-ul, amplificările și zgomotul de citire al camerei în modul binned și să se utilizeze aceste valori pentru ecuația raportului semnal-zgomot.
Concluzie
Raportul semnal-zgomot (SNR) este una dintre cele mai importante valori de măsurare în știință, inginerie și tehnologie. De la definirea clarității în apelurile telefonice până la permiterea detectării galaxiilor îndepărtate, SNR stă la baza calității sistemelor de măsurare și comunicare. Stăpânirea SNR nu înseamnă doar memorarea formulelor - ci și înțelegerea ipotezelor, limitărilor și compromisurilor din lumea reală. Din această perspectivă, inginerii și cercetătorii pot face măsurători mai fiabile și pot proiecta sisteme care extrag informații semnificative chiar și în condiții zgomotoase.
Vrei să afli mai multe? Aruncă o privire la articolele conexe:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Toate drepturile rezervate. Când citați, vă rugăm să menționați sursa:www.tucsen.com
