25/09/11En iu ajn mezursistemo — de sendrata komunikado ĝis cifereca fotografio — la signalo-bruo-rilatumo (SNR) estas fundamenta normo pri kvalito. Ĉu vi analizas teleskopajn bildojn, plibonigas mikrofonajn registradojn aŭ solvas problemojn pri sendrata ligo, SNR montras al vi kiom da utilaj informoj elstaras el nedezirata fona bruo.
Sed ĝuste kalkuli la signalan kurenton (SNR) ne ĉiam estas simpla. Depende de la sistemo, eble necesos konsideri pliajn faktorojn kiel malhela kurento, legbruo aŭ rastrumeraro. Ĉi tiu gvidilo gvidos vin tra la teorio, kernajn formulojn, oftajn erarojn, aplikojn kaj praktikajn manierojn plibonigi la SNR, certigante, ke vi povas apliki ĝin precize en vasta gamo da kuntekstoj.
Kio estas la signalo-bruo-rilatumo (SNR)?
Esence, la rilatumo signalo-bruo mezuras la rilaton inter la forto de dezirata signalo kaj la fona bruo, kiu obskuras ĝin.
● Signalo = la senchava informo (ekz., voĉo en alvoko, stelo en teleskopa bildo).
● Bruo = hazardaj, nedezirataj fluktuoj kiuj distordas aŭ kaŝas la signalon (ekz., statika, sensora bruo, elektra interfero).
Matematike, SNR estas difinita kiel:
Ĉar tiuj proporcioj povas varii super multaj ordoj de magnitudo, SNR estas kutime esprimita en decibeloj (dB):
● Alta signal-bruo (ekz., 40 dB): la signalo dominas, rezultante en klara kaj fidinda informo.
● Malalta signal-bruo (ekz., 5 dB): bruo superfortas la signalon, malfaciligante la interpretadon.
Kiel Kalkuli SNR-on
Kalkulo de la signalo-bruo-rilatumo povas esti farita kun malsamaj niveloj de precizeco depende de kiaj bruofontoj estas inkluditaj. En ĉi tiu sekcio, du formoj estos prezentitaj: unu kiu konsideras malhelan kurenton kaj unu kiu supozas ke ĝi povas esti neglektita.
Noto: Aldoni sendependajn bruovalorojn postulas adicii ilin en kvadraturo. Ĉiu fonto de bruo estas kvadratigita, sumigita, kaj la kvadrata radiko de la tuto estas prenita.
Signalo-bruo-proporcio kun malhela kurento
Jen la ekvacio uzebla en situacioj kie malhela kurenta bruo estas sufiĉe granda por postuli inkludon:
Jen la difino de terminoj:
Signalo (e-): Ĉi tiu estas la signalo de intereso en fotoelektronoj, kun la malluma kurenta signalo subtrahita
La Totala signalo (e-) estos la nombro de fotoelektronoj en la interesata pikselo - strikte ne la piksela valoro en unuoj de grizaj niveloj. La dua ekzemplo de la Signalo (e-), ĉe la fundo de la ekvacio, estas la fotona bruo.
Malluma kurento (DC):La valoro de la malhela kurento por tiu pikselo.
t: Ekspona tempo en sekundoj
σr:Legu bruon en kamera reĝimo.
Signalo-bruo-proporcio por nekonsiderinda malhela fluo
En la kazoj de mallonga (< 1 sekundo) eksponaj tempoj, kaj plie malvarmigitaj, alt-efikecaj fotiloj, malluma kurenta bruo ĝenerale estos multe sub legita bruo, kaj sekure ignorata.
Kie termoj estas denove kiel difinite supre, kun la escepto ke la malluma kurenta signalo ne bezonas esti kalkulita kaj subtrahita de la signalo ĉar ĝi devus egali nulon.
Limigoj de ĉi tiuj formuloj kaj mankantaj terminoj
La kontraŭaj formuloj nur donos ĝustajn respondojn por CCD kajCMOS-fotilojEMCCD kaj intensigitaj aparatoj enkondukas pliajn bruofontojn, do ĉi tiuj ekvacioj ne povas esti uzataj. Por pli kompleta signalo-bruo-rilatumo ekvacio, kiu konsideras ĉi tiujn kaj aliajn kontribuojn.
Alia bruo-termino, kiu estas (aŭ iam estis) ofte inkludita en SNR-ekvacioj, estas tiu de la fotoresponda ne-homogeneco (PRNU), ankaŭ foje nomata la "fiksa padronbruo" (FPN). Ĉi tio reprezentas la malebenaĵon de gajno kaj de signalrespondo trans la sensilo, kiu povas fariĝi domina ĉe altaj signaloj se sufiĉe granda, reduktante SNR-on.
Dum fruaj fotiloj havis sufiĉe signifan PRNU por postuli ĝian inkludon, plej modernajsciencaj fotilojhavas sufiĉe malaltan PRNU por fari sian kontribuon multe sub tiun de fotona bruo, precipe post kiam surŝipaj korektoj estas aplikitaj. Ĝi nun estas tial kutime neglektita en kalkuloj de SNR. Tamen, PRNU ankoraŭ gravas por iuj fotiloj kaj aplikoj, kaj estas inkludita en la pli progresinta SNR-ekvacio por kompleteco. Ĉi tio signifas, ke la provizitaj ekvacioj estas utilaj por la plej multaj CCD/CMOS-sistemoj, sed ne devus esti traktataj kiel universale aplikeblaj.
Tipoj de Bruo en Kalkuloj de SNR
Kalkuli signal-bruon (SNR) ne nur temas pri komparado de signalo kontraŭ ununura bruovaloro. En praktiko, pluraj sendependaj bruofontoj kontribuas, kaj kompreni ilin estas esenca.
Pafa Bruo
● Origino: statistika alveno de fotonoj aŭ elektronoj.
● Skaliĝas laŭ la kvadrata radiko de la signalo.
● Domina en foton-limigita bildigo (astronomio, fluoreska mikroskopio).
Termika Bruo
● Ĝi ankaŭ nomiĝas bruo de Johnson–Nyquist, produktita de elektrona moviĝo en rezistiloj.
● Pliiĝas kun temperaturo kaj bendlarĝo.
● Grava en elektroniko kaj sendrata komunikado.
Malhela Nuna Bruo
● Hazarda vario en malluma kurento ene de sensiloj.
● Pli signifa ĉe longaj eksponoj aŭ varmaj detektiloj.
● Reduktita per malvarmigo de la sensilo.
Legu Bruon
● Bruo de amplifiloj kaj analog-cifereca konvertado.
● Fiksita por ĉiu rezulto, do kritika en malalt-signalaj reĝimoj.
Kvantiga Bruo
● Enkondukita per ciferecigo (rondigo al diskretaj niveloj).
● Grava en sistemoj kun malalta bitprofundo (ekz., 8-bita aŭdio).
Media/Sistema Bruo
● EMI, krucparolado, ondeto de la elektroprovizo.
● Povas domini se ŝirmado/terkonekto estas malbona.
Kompreni kiu el ĉi tiuj estas domina helpas elekti la ĝustan formulon kaj mildigmetodon.
Oftaj eraroj en kalkulado de signala signalo-bruo (SNR)
Estas facile trovi multajn "mallongigajn" metodojn por taksi la rilatumon signalo-bruo en bildigo. Ĉi tiuj tendencas esti aŭ malpli kompleksaj ol la kontraŭaj ekvacioj, permesas pli facilan derivadon de la bildo mem anstataŭ postuli scion pri fotilparametroj kiel ekzemple legada bruo, aŭ ambaŭ. Bedaŭrinde, estas probable, ke ĉiu el ĉi tiuj metodoj estas malĝusta, kaj kondukos al distorditaj kaj nehelpemaj rezultoj. Estas forte rekomendinde uzi la kontraŭajn ekvaciojn (aŭ la altnivelan version) en ĉiuj kazoj.
Jen kelkaj el la plej oftaj falsaj mallongigoj:
1. Komparo de signalintenseco kontraŭ fonintenseco, en grizaj niveloj. Ĉi tiu aliro provas taksi kameraan sentemon, signalforton aŭ signalo-bruo-rilatumon komparante pintan intensecon kun fonintenseco. Ĉi tiu aliro estas profunde mankhava, ĉar la influo de kameraa delokigo povas arbitre agordi la fonintensecon, gajno povas arbitre agordi la signalintensecon, kaj neniu kontribuo de bruo, nek en signalo nek en fono, estas konsiderata.
2. Dividante signalajn pintojn per la norma devio de areo de fonaj pikseloj. Aŭ, komparante pintajn valorojn kun la vida bruo en la fono rivelita per linia profilo. Supozante, ke la delokigo estas ĝuste subtrahita de la valoroj antaŭ la divido, la plej signifa danĝero en ĉi tiu aliro estas la ĉeesto de fona lumo. Ĉiu fona lumo tipe dominos la bruon en fonaj pikseloj. Plue, la bruo en la interesata signalo, kiel ekzemple pafbruo, tute ne estas konsiderata.
3、Meza signalo en interesaj pikseloj kontraŭ norma devio de pikselaj valoroj: Kompari aŭ observi kiom multe ŝanĝiĝas pinta signalo trans najbaraj pikseloj aŭ sinsekvaj kadroj estas pli proksima al ĝusta ol aliaj mallongigaj metodoj, sed verŝajne ne evitas aliajn influojn, kiuj distordas valorojn, kiel ekzemple ŝanĝo en la signalo, kiu ne devenas de bruo. Ĉi tiu metodo ankaŭ povas esti malpreciza pro malaltaj pikselaj nombroj en la komparo. Subtraho de la ofseta valoro ankaŭ ne devas esti forgesita.
4. Kalkulado de SNR sen konverti al intensecaj unuoj de fotoelektronoj, aŭ sen forigi la delokigon: Ĉar fotona pafbruo estas tipe la plej granda bruofonto kaj dependas de scio pri la delokigo kaj gajno de la fotilo por mezurado, ne eblas eviti kalkuladon reen al fotoelektronoj por SNR-kalkuloj.
5. Juĝado de SNR per okulo: Kvankam en iuj cirkonstancoj juĝi aŭ kompari SNR per okulo povas esti utila, ekzistas ankaŭ neatenditaj kaptiloj. Juĝi SNR en altvaloraj pikseloj povas esti pli malfacila ol en malaltvaloraj aŭ fonaj pikseloj. Pli subtilaj efikoj ankaŭ povas ludi rolon: Ekzemple, malsamaj komputilaj ekranoj povas bildigi bildojn kun tre malsama kontrasto. Plue, montri bildojn je malsamaj zomniveloj en programaro povas signife influi la vidan aspekton de bruo. Ĉi tio estas aparte problema se oni provas kompari fotilojn kun malsamaj pikselaj grandecoj de objektospaco. Fine, la ĉeesto de fonlumo povas nuligi ajnan provon juĝi SNR vide.
Aplikoj de SNR
SNR estas universala metriko kun vastaj aplikoj:
● Registrado de Aŭdio kaj Muziko: Determinas klarecon, dinamikan gamon kaj fidelecon de registradoj.
● Sendrata komunikado: SNR rilatas rekte al bitaj eraro-tarifoj (BER) kaj datumtrairo.
● Scienca Bildigo: En astronomio, detekti malfortajn stelojn kontraŭ fona ĉiela brilo postulas altan signal-brulan rilatumon (SNR).
● Medicina Ekipaĵo: EKG, MR, kaj CT-skanadoj dependas de alta SNR por distingi signalojn de fiziologia bruo.
● Fotiloj kaj Fotografio: Konsumantaj fotiloj kaj sciencaj CMOS-sensiloj ambaŭ uzas SNR por taksi rendimenton en malalta lumo.
Plibonigante SNR
Ĉar signal-bruo (SNR) estas tia kritika mezuro, signifa peno estas uzata por plibonigi ĝin. Strategioj inkluzivas:
Aparataj Aliroj
● Uzu pli bonajn sensilojn kun pli malalta malluma kurento.
● Apliku ŝirmadon kaj terkonekton por redukti EMI-on.
● Malvarmigu detektilojn por subpremi termikan bruon.
Programaraj Aliroj
● Apliku ciferecajn filtrilojn por forigi nedeziratajn frekvencojn.
● Uzu averaĝadon trans pluraj kadroj.
● Uzu bruoreduktajn algoritmojn en bildigo aŭ aŭdio-prilaborado.
Piksela Binadado kaj Ĝia Efiko sur SNR
La efiko de kombinado sur la signalo-bruo-proporcio dependas de fotilteknologio kaj sensilkonduto, ĉar la bruoprezento de kombinitaj kaj nekombinitaj fotiloj povas varii signife.
CCD-fotiloj povas sumigi la ŝargon de apudaj pikseloj "sur-ĉipo". La bruo de la legado okazas nur unufoje, kvankam la signalo de malhela kurento de ĉiu pikselo ankaŭ estos sumigita.
Plej multaj CMOS-fotiloj faras ekster-ĉipan binningon, kio signifas, ke valoroj unue estas mezurataj (kaj legbruo enkondukita), kaj poste ciferece sumigitaj. La legbruo por tiaj sumigoj pliiĝas per multipliko per la kvadrata radiko de la nombro da pikseloj sumigitaj, t.e. per faktoro de 2 por 2x2 binningo.
Ĉar la bruokonduto de sensiloj povas esti komplika, por kvantaj aplikoj estas konsilinde mezuri la delokigon, gajnon kaj legadan bruon de la fotilo en dividita reĝimo, kaj uzi ĉi tiujn valorojn por la ekvacio de la signalo-bruo-rilatumo.
Konkludo
La signalo-bruo-rilatumo (SNR) estas unu el la plej gravaj metrikoj en scienco, inĝenierarto kaj teknologio. De difinado de klareco en telefonvokoj ĝis ebligado de la detekto de malproksimaj galaksioj, SNR subtenas la kvaliton de mezurado- kaj komunikaj sistemoj. Majstri SNR ne nur temas pri parkerigado de formuloj - ĝi temas pri komprenado de supozoj, limigoj kaj realmondaj kompromisoj. El ĉi tiu perspektivo, inĝenieroj kaj esploristoj povas fari pli fidindajn mezuradojn kaj desegni sistemojn, kiuj eltiras signifajn komprenojn eĉ en bruaj kondiĉoj.
Ĉu vi volas lerni pli? Rigardu rilatajn artikolojn:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Ĉiuj rajtoj rezervitaj. Kiam vi citas, bonvolu agnoski la fonton:www.tucsen.com
