25/09/11Sa bisan unsang sistema sa pagsukod - gikan sa wireless nga komunikasyon hangtod sa digital nga litrato - ang signal-to-noise ratio (SNR) usa ka sukaranan nga sukaranan sa kalidad. Kung nag-analisar ka sa mga imahe sa teleskopyo, nagpauswag sa mga pagrekord sa mikropono, o nag-troubleshoot sa usa ka wireless nga link, gisultihan ka sa SNR kung unsa ka daghang mapuslanon nga kasayuran ang makita gikan sa dili gusto nga kasaba sa background.
Apan ang pagkalkulo sa SNR sa husto dili kanunay nga prangka. Depende sa sistema, ang dugang nga mga hinungdan sama sa ngitngit nga sulog, pagbasa sa kasaba, o pixel binning mahimong kinahanglan nga tagdon. Kini nga giya naggiya kanimo sa teorya, kinauyokan nga mga pormula, sagad nga mga sayup, aplikasyon, ug praktikal nga mga paagi aron mapaayo ang SNR, pagsiguro nga mahimo nimo kini magamit sa tukma sa daghang mga konteksto.
Unsa ang Signal-to-Noise Ratio (SNR)?
Sa kinauyokan niini, ang ratio sa signal-to-noise nagsukod sa relasyon tali sa kalig-on sa gitinguha nga signal ug sa background nga kasaba nga nagtago niini.
● Signal = ang makahuluganon nga impormasyon (pananglitan, usa ka tingog sa usa ka tawag, usa ka bitoon sa usa ka teleskopyo nga hulagway).
● Kasaba = random, dili gusto nga pag-usab-usab nga nagtuis o nagtago sa signal (pananglitan, static, sensor noise, electrical interference).
Sa matematika, ang SNR gihubit ingon:
Tungod kay kini nga mga ratios mahimong magkalahi sa daghang mga order sa magnitude, ang SNR kasagarang gipahayag sa decibels (dB):
● Taas nga SNR (pananglitan, 40 dB): ang signal nagpatigbabaw, nga miresulta sa tin-aw ug kasaligan nga impormasyon.
● Ubos nga SNR (pananglitan, 5 dB): ang kasaba mopatigbabaw sa signal, nga makapalisod sa paghubad.
Unsaon Pagkalkulo sa SNR
Ang kalkulasyon sa signal-to-noise ratio mahimong ipahigayon sa lain-laing lebel sa katukma depende sa unsa nga mga tinubdan sa kasaba ang gilakip. Niini nga seksyon, duha ka porma ang ipaila: ang usa nga nag-asoy sa ngitngit nga kasamtangan ug ang usa nga nagtuo nga kini mahimong mapasagdan.
Mubo nga sulat: Ang pagdugang sa independente nga mga kantidad sa kasaba kinahanglan nga idugang kini sa quadrature. Ang matag tinubdan sa kasaba gikuwadrado, gisumada, ug ang square root sa kinatibuk-an gikuha.
Signal-to-noise ratio nga adunay ngitngit nga kasamtangan
Ang mosunud mao ang equation nga gamiton sa mga sitwasyon diin ang ngitngit nga kasaba sa kasaba igo nga kinahanglan nga ilakip:
Ania ang kahulugan sa mga termino:
Signal (e-): Kini ang signal sa interes sa mga photoelectron, nga ang ngitngit nga kasamtangan nga signal gikuha
Ang Kinatibuk-ang signal (e-) mao ang ihap sa photoelectron sa pixel nga interes - dili gyud ang pixel nga kantidad sa mga yunit sa gray nga lebel. Ang ikaduhang higayon sa Signal (e-), sa ubos sa equation, mao ang photonshot noise.
Mangitngit nga kasamtangan (DC):Ang mangitngit nga kasamtangan nga bili alang sa pixel.
t: Ang oras sa pagkaladlad sa mga segundo
σr:Basaha ang kasaba sa camera mode.
Signal-to-noise ratio alang sa dili kaayo ngitngit nga sulog
Sa mga kaso sa mubo (< 1 segundos) nga mga oras sa pagkaladlad, dugang ang gipabugnaw, taas nga performance nga mga camera, ang mangitngit nga kasaba sa kasaba kasagaran nga ubos sa pagbasa sa kasaba, ug luwas nga mapasagdan.
Diin ang mga termino sa makausa pa ingon sa gihubit sa ibabaw, gawas nga ang mangitngit nga kasamtangan nga signal dili kinahanglan nga kalkulahon ug ipaubos gikan sa signal ingon nga kini kinahanglan nga katumbas sa zero.
Mga limitasyon sa kini nga mga pormula ug nawala nga mga termino
Ang kaatbang nga mga pormula maghatag lamang ug saktong mga tubag alang sa CCD ugCMOS nga mga kamera. Ang EMCCD ug gipakusog nga mga himan nagpaila sa dugang nga mga tinubdan sa kasaba, mao nga kini nga mga equation dili magamit. Para sa mas kompleto nga signal-to-noise ratio equation nga maoy hinungdan niini ug uban pang kontribusyon.
Ang laing termino sa kasaba nga (o kaniadto) kasagarang gilakip sa mga equation sa SNR mao ang photo-response non-uniformity (PRNU), usahay gimarkahan usab nga 'fixed pattern noise' (FPN). Kini nagrepresentar sa dili patas nga ganansya ug sa tubag sa signal sa sensor, nga mahimong dominante sa taas nga mga signal kung igo ang kadako, pagkunhod sa SNR.
Samtang ang unang mga kamera adunay igo nga PRNU nga gikinahanglan aron ilakip kini, labing modernosiyentipikanhong mga kameraadunay igo nga ubos nga PRNU aron mahimo ang kontribusyon niini nga mas ubos kaysa sa kasaba sa photon shot, labi na pagkahuman gipadapat ang mga pagtul-id sa board. Kini karon, busa, kasagaran napasagdan sa mga kalkulasyon sa SNR. Bisan pa, ang PRNU importante gihapon alang sa pipila ka mga kamera ug aplikasyon, ug gilakip sa mas abante nga equation sa SNR alang sa pagkakompleto. Kini nagpasabot nga ang mga equation nga gihatag mapuslanon alang sa kadaghanan sa mga sistema sa CCD/CMOS apan dili angay isipon nga magamit sa tanan.
Mga Matang sa Kasaba sa SNR Calculations
Ang pagkalkula sa SNR dili lang bahin sa pagtandi sa usa ka signal batok sa usa ka kantidad sa ingay. Sa praktis, daghang mga independente nga gigikanan sa kasaba ang nakatampo, ug ang pagsabut niini hinungdanon.
Saba nga Gipusil
● Sinugdanan: estadistika nga pag-abot sa mga photon o electron.
● Mga timbangan nga adunay square root sa signal.
● Dominant sa photon-limited imaging (astronomy, fluorescence microscopy).
Thermal Noise
● Gitawag usab kini nga Johnson–Nyquist noise, nga gihimo sa electron motion sa mga resistor.
● Pagtaas sa temperatura ug bandwidth.
● Importante sa electronics ug wireless nga komunikasyon.
Ngitngit nga Kasaba
● Random nga kausaban sa ngitngit nga kasamtangan sulod sa mga sensor.
● Mas importante sa taas nga exposure o warm detector.
● Gipakunhod pinaagi sa pagpabugnaw sa sensor.
Basaha ang Saba
● Kasaba gikan sa mga amplifier ug analog-to-digital nga pagkakabig.
● Giayo matag pagbasa, kritikal kaayo sa mga rehimen nga ubos ang signal.
Kasaba sa Quantization
● Gipaila pinaagi sa digitization (paglibot ngadto sa discrete nga lebel).
● Importante sa low-bit-depth nga sistema (pananglitan, 8-bit audio).
Kasaba sa Kalikopan/Sistema
● EMI, crosstalk, power supply ripple.
● Mahimong modominar kung dili maayo ang panagang/grounding.
Ang pagsabut kung hain niini ang nagpatigbabaw makatabang sa pagpili sa husto nga pormula ug pamaagi sa pagpaminus.
Kasagarang mga sayop sa pagkalkulo sa SNR
Sayon nga makit-an ang daghang 'shortcut' nga mga pamaagi aron mabanabana ang ratio sa signal-to-noise sa imaging. Kini lagmit nga dili kaayo komplikado kaysa sa kaatbang nga mga equation, gitugotan ang labi ka dali nga gigikanan gikan sa usa ka imahe mismo kaysa nanginahanglan kahibalo sa mga parameter sa camera sama sa pagbasa sa kasaba, o pareho. Ikasubo, lagmit nga ang matag usa niini nga mga pamaagi dili husto, ug mosangput sa mga liko ug dili makatabang nga mga sangputanan. Kusog nga gitambagan nga ang mga equation nga kaatbang (o ang advanced nga bersyon kinahanglan gamiton sa tanan nga mga kaso.
Ang pipila sa labing kasagaran nga sayup nga mga shortcut naglakip sa:
1, Pagkumpara sa signal intensity vs background intensity, sa gray nga lebel. Kini nga pamaagi mosulay sa paghukom sa pagkasensitibo sa camera, kusog sa signal o ratio sa signal sa kasaba pinaagi sa pagtandi sa peak intensity sa background intensity. Ang kini nga pamaagi labi ka sayup tungod kay ang impluwensya sa offset sa camera mahimo’g arbitraryong itakda ang intensity sa background, ang ganansya mahimo’g arbitraryong magtakda sa intensity sa signal, ug wala’y kontribusyon sa kasaba sa signal o background nga gikonsiderar.
2, Pagbahin sa mga taluktok sa signal pinaagi sa standard deviation sa usa ka lugar sa background pixels. O, pagtandi sa peak values sa biswal nga kasaba sa background nga gipadayag sa usa ka line profile. Sa paghunahuna nga ang offset husto nga gikuha gikan sa mga kantidad sa wala pa ang pagbahin, ang labing hinungdanon nga peligro sa kini nga pamaagi mao ang presensya sa kahayag sa background. Ang bisan unsang kahayag sa background kasagarang mopatigbabaw sa kasaba sa mga pixel sa background. Dugang pa, ang kasaba sa signal sa interes, sama sa shot noise, wala gyud gikonsiderar.
3, Mean signal sa pixels of interest vs standard deviation sa pixel values: Pagkumpara o pag-obserbar kung unsa kadaghan ang pagbag-o sa peak signal sa mga silingang pixel o sunodsunod nga mga frame mas duol sa husto kaysa ubang pamaagi sa shortcut, apan dili malikayan ang ubang mga impluwensya nga makatuis sa mga bili, sama sa pagbag-o sa signal nga dili makuha gikan sa kasaba. Kini nga pamaagi mahimo usab nga dili tukma tungod sa ubos nga pixel count sa pagtandi. Kinahanglang dili usab kalimtan ang pagkunhod sa offset value.
4, Pagkuwenta sa SNR nga walay pag-convert sa intensity units sa photoelectrons, o walay pagtangtang sa offset: Ingon nga ang photon shot noise kasagaran ang pinakadako nga tinubdan sa kasaba ug nagsalig sa kahibalo sa offset sa camera ug nakuha alang sa pagsukod, dili posible nga malikayan ang pagkalkula balik sa photoelectrons alang sa mga kalkulasyon sa SNR.
5, Paghukom sa SNR pinaagi sa mata: Samtang sa pipila ka mga kahimtang ang paghukom o pagtandi sa SNR pinaagi sa mata mahimong mapuslanon, adunay usab wala damha nga mga lit-ag. Ang paghukom sa SNR sa taas nga kantidad nga mga piksel mahimong mas lisud kaysa sa mas ubos nga kantidad o mga piksel sa background. Ang labi ka maliputon nga mga epekto mahimo usab nga adunay papel: Pananglitan, ang lainlaing mga monitor sa kompyuter mahimo’g maghatag mga imahe nga lahi kaayo ang kalainan. Dugang pa, ang pagpakita sa mga imahe sa lainlaing lebel sa pag-zoom sa software mahimong makaimpluwensya sa biswal nga hitsura sa kasaba. Labi na kini nga problema kung mosulay sa pagtandi sa mga camera nga adunay lainlaing mga gidak-on sa pixel space sa butang. Sa katapusan, ang presensya sa kahayag sa background mahimong makawala sa bisan unsang pagsulay sa paghukom sa SNR nga biswal.
Mga aplikasyon sa SNR
Ang SNR usa ka unibersal nga sukatan nga adunay daghang mga aplikasyon:
● Pagrekord sa Audio ug Musika: Gitino ang katin-aw, dinamikong range, ug pagkamatinud-anon sa mga rekording.
● Wireless Communication: Ang SNR direktang may kalabotan sa bit error rates (BER) ug data throughput.
● Scientific Imaging: Sa astronomiya, ang pag-detect sa hanap nga mga bituon batok sa background nga kahayag sa langit nagkinahanglan ug taas nga SNR.
● Medical Equipment: Ang ECG, MRI, ug CT scan nagsalig sa taas nga SNR aron mailhan ang mga signal gikan sa physiological noise.
● Mga Camera & Photography: Ang mga konsumidor nga kamera ug siyentipikong CMOS sensor parehong naggamit sa SNR aron i-benchmark ang performance sa ubos nga kahayag.
Pagpauswag sa SNR
Tungod kay ang SNR usa ka kritikal nga sukdanan, hinungdanon nga paningkamot aron mapaayo kini. Ang mga estratehiya naglakip sa:
Mga Pamaagi sa Hardware
● Gamita ang mas maayo nga mga sensor nga adunay ubos nga ngitngit nga kasamtangan.
● Ibutang ang panagang ug grounding aron makunhuran ang EMI.
● Mga cool detector aron masumpo ang thermal noise.
Mga Pamaagi sa Software
● Ibutang ang mga digital filter aron matangtang ang dili gusto nga mga frequency.
● Gamita ang aberids sa daghang mga frame.
● Gamita ang mga algorithm sa pagkunhod sa kasaba sa imaging o pagproseso sa audio.
Pixel Binning ug ang Epekto Niini sa SNR
Ang epekto sa binning sa signal-to-noise ratio nagdepende sa teknolohiya sa kamera ug kinaiya sa sensor, tungod kay ang performance sa kasaba sa binned ug unbinned nga mga camera mahimong magkalahi kaayo.
Ang mga kamera sa CCD mahimong magsumada sa kasikbit nga mga pixel' charge 'on-chip'. Ang kasaba sa pagbasa usa ra ka higayon, bisan kung ang ngitngit nga signal gikan sa matag pixel masumada usab.
Kadaghanan sa mga camera sa CMOS naghimo sa off-chip binning, nagpasabut nga ang mga kantidad una nga gisukod (ug gipaila ang kasaba), ug dayon gisumada sa digital. Ang gibasa nga kasaba alang sa ingon nga mga pagsuma nagdugang bisan pa sa pagpadaghan sa square root sa gidaghanon sa mga pixel nga gisumada, ie sa usa ka hinungdan nga 2 alang sa 2x2 binning.
Ingon nga ang pamatasan sa kasaba sa mga sensor mahimong komplikado, alang sa quantitative nga mga aplikasyon gitambagan nga sukdon ang offset, makuha, ug basahon ang kasaba sa camera sa binned mode, ug gamiton kini nga mga kantidad alang sa signal-to-noise ratio equation.
Panapos
Ang signal-to-noise ratio (SNR) usa sa labing hinungdanon nga sukdanan sa syensya, engineering, ug teknolohiya. Gikan sa pagpatin-aw sa katin-aw sa mga tawag sa telepono hangtod sa pagpagana sa pag-ila sa lagyong mga galaksiya, ang SNR nagpasiugda sa kalidad sa mga sistema sa pagsukod ug komunikasyon. Ang pag-master sa SNR dili lang mahitungod sa pagsag-ulo sa mga pormula - kini mahitungod sa pagsabot sa mga pangagpas, limitasyon, ug tinuod nga kalibutan nga trade-off. Gikan sa kini nga panan-aw, ang mga inhenyero ug tigdukiduki makahimo og mas kasaligan nga mga pagsukod ug mga sistema sa pagdesinyo nga makakuha og makahuluganon nga mga panabut bisan sa saba nga mga kahimtang.
Gusto nga makakat-on pa? Tan-awa ang may kalabutan nga mga artikulo:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Tanang katungod gigahin. Sa pagkutlo, palihog ilha ang tinubdan:www.tucsen.com
