25/09/11 IBHauv txhua qhov kev ntsuas - los ntawm kev sib txuas lus wireless mus rau kev yees duab digital - lub teeb liab-rau-nruj piv (SNR) yog qhov tseem ceeb ntawm qhov zoo. Txawm hais tias koj tab tom tshuaj xyuas cov duab tsom iav, txhim kho microphone kaw, lossis teeb meem kev sib txuas wireless, SNR qhia koj tias cov ntaub ntawv tseem ceeb npaum li cas sawv tawm ntawm lub suab nrov tom qab tsis xav tau.
Tab sis xam SNR kom raug tsis yog ib txwm ncaj nraim. Nyob ntawm qhov system, lwm yam xws li tam sim no tsaus nti, nyeem suab nrov, lossis pixel binning tej zaum yuav xav tau. Phau ntawv qhia no coj koj los ntawm txoj kev xav, cov qauv tseem ceeb, kev ua yuam kev, kev siv, thiab cov tswv yim zoo los txhim kho SNR, kom ntseeg tau tias koj tuaj yeem siv nws kom raug thoob plaws ntau yam ntsiab lus.
Dab tsi yog Signal-to-Noise Ratio (SNR)?
Ntawm nws qhov tseem ceeb, teeb liab-rau-suab nrov piv ntsuas kev sib raug zoo ntawm lub zog ntawm lub teeb liab xav tau thiab lub suab nrov tom qab uas ua rau nws tsis pom.
● Teeb liab = cov ntaub ntawv tseem ceeb (piv txwv li, lub suab hauv kev hu, lub hnub qub hauv daim duab tsom iav).
● Suab nrov = random, tsis xav hloov pauv uas cuam tshuam lossis zais lub teeb liab (xws li, zoo li qub, suab nrov sensor, cuam tshuam hluav taws xob).
Ua lej, SNR txhais tau tias:
Vim tias cov piv txwv no tuaj yeem sib txawv ntawm ntau qhov kev txiav txim ntawm qhov loj, SNR feem ntau qhia hauv decibels (dB):
● High SNR (piv txwv li, 40 dB): teeb liab dominates, ua rau cov ntaub ntawv meej thiab txhim khu kev qha.
● Tsawg SNR (piv txwv li, 5 dB): suab nrov dhau lub teeb liab, ua rau kev txhais lus nyuaj.
Yuav ua li cas xam SNR
Kev suav cov teeb liab-rau-suab nrov piv tuaj yeem ua nrog ntau theem ntawm qhov tseeb nyob ntawm seb lub suab nrov twg suav nrog. Hauv seem no, ob daim ntawv yuav raug qhia: ib qho uas suav rau qhov tsaus ntuj tam sim no thiab ib qho uas xav tias nws tuaj yeem tsis quav ntsej.
Nco tseg: Ntxiv cov suab nrov nrov yuav tsum tau ntxiv rau hauv plaub fab. Txhua lub suab nrov yog squared, summed, thiab lub hauv paus square ntawm tag nrho yog coj.
Teeb liab-rau-nruab piv nrog tsaus tam sim no
Cov hauv qab no yog qhov sib npaug rau siv nyob rau hauv cov xwm txheej uas tsaus nti tam sim no suab nrov loj txaus kom muaj xws li:
Nov yog lub ntsiab lus txhais:
Teeb liab (e-): Qhov no yog lub teeb liab ntawm kev txaus siab hauv photoelectrons, nrog rau cov teeb liab tsaus nti tam sim no rho tawm
Tag nrho cov teeb liab (e-) yuav yog photoelectron suav hauv pixel ntawm kev txaus siab - nruj me ntsis tsis yog tus nqi pixel hauv units ntawm qib grey. Qhov thib ob piv txwv ntawm lub teeb liab (e-), nyob rau hauv qab ntawm qhov sib npaug, yog lub suab nrov photonshot.
Tsaus tam sim no (DC):Tus nqi tam sim no tsaus nti rau qhov pixel ntawd.
t: Lub sijhawm nthuav tawm hauv vib nas this
s r:Nyeem cov suab nrov hauv lub koob yees duab hom.
Lub teeb liab-rau-nruab piv rau qhov tsis pom qhov tsaus ntuj tam sim no
Hauv cov xwm txheej luv luv (< 1 thib ob) lub sij hawm raug, ntxiv rau qhov txias, lub koob yees duab ua tau zoo, lub suab nrov tam sim no feem ntau yuav ua tau zoo hauv qab nyeem suab nrov, thiab tsis saib xyuas yam xyuam xim.
Qhov twg cov ntsiab lus yog ib zaug ntxiv raws li tau hais tseg saum toj no, tshwj tsis yog tias lub teeb liab tsaus nti tam sim no yuav tsum tsis txhob suav thiab rho tawm ntawm lub teeb liab vim nws yuav tsum sib npaug zero.
Cov kev txwv ntawm cov qauv no thiab cov ntsiab lus uas ploj lawm
Cov qauv sib txawv tsuas yog muab cov lus teb raug rau CCD thiabCMOS koob yees duab. EMCCD thiab cov cuab yeej siv zog qhia cov suab nrov ntxiv, yog li cov kev sib npaug no siv tsis tau. Rau qhov ua tiav cov teeb liab-rau-lub suab sib npaug sib npaug uas suav rau cov no thiab lwm yam kev koom tes.
Lwm lub suab nrov uas yog (los yog siv los ua) feem ntau suav nrog hauv SNR qhov sib npaug yog cov duab teb tsis sib xws (PRNU), qee zaum kuj tau sau tias 'taw suab nrov' (FPN). Qhov no sawv cev rau qhov tsis sib xws ntawm qhov nce thiab cov teeb liab teb thoob plaws lub sensor, uas tuaj yeem dhau los ua qhov tseem ceeb ntawm cov teeb liab siab yog tias loj txaus, txo SNR.
Thaum lub koob yees duab thaum ntxov muaj qhov tseem ceeb txaus PRNU kom nws suav nrog, feem ntau niaj hnubkoob yees duab scientificmuaj PRNU tsawg txaus los ua kom nws txoj kev koom tes zoo hauv qab ntawm photon txhaj tshuaj suab nrov, tshwj xeeb tshaj yog tom qab kev kho ntawm lub rooj tsavxwm. Nws yog tam sim no, yog li ntawd, feem ntau tsis saib xyuas hauv SNR suav. Txawm li cas los xij, PRNU tseem yog ib qho tseem ceeb rau qee lub koob yees duab thiab cov ntawv thov, thiab suav nrog kev sib npaug SNR ntau dua rau kev ua tiav. Qhov no txhais tau hais tias qhov sib npaug muab tau zoo rau feem ntau CCD / CMOS systems tab sis yuav tsum tsis txhob raug kho raws li kev siv thoob ntiaj teb.
Hom suab nrov hauv SNR suav
Kev suav SNR tsis yog hais txog kev sib piv cov teeb liab tawm tsam tus nqi suab nrov nkaus xwb. Hauv kev xyaum, ntau lub suab nrov nrov pab txhawb, thiab nkag siab lawv yog qhov tseem ceeb.
Phom Suab nrov
● Keeb Kwm: statistical tuaj txog ntawm photons lossis electrons.
● Nplai nrog lub hauv paus square ntawm lub teeb liab.
● Dominant nyob rau hauv photon-limited imaging (astronomy, fluorescence microscopy).
Thermal suab nrov
● Nws tseem hu ua Johnson-Nyquist suab nrov, ua los ntawm electron motion nyob rau hauv resistors.
● Nce nrog kub thiab bandwidth.
● Ib qho tseem ceeb hauv kev siv hluav taws xob thiab kev sib txuas lus wireless.
Tsaus Tam Sim Noise
● Random variation nyob rau hauv maub tam sim no nyob rau hauv sensors.
● Tseem ceeb dua nyob rau hauv qhov ntev ntev los yog sov so detectors.
● Txo los ntawm cua txias lub sensor.
Nyeem Noise
● Suab nrov ntawm amplifiers thiab analog-rau-digital conversion.
● Tsau ib qho kev nyeem ntawv, yog li qhov tseem ceeb hauv kev tswj hwm qis.
Quantization Noise
● Qhia los ntawm digitization (rounding to discrete levels).
● Ib qho tseem ceeb hauv cov tshuab qis-ntsis tob (piv txwv li, 8-ntsis suab).
Environmental/System Suab nrov
● EMI, crosstalk, fais fab mov ripple.
● Muaj peev xwm tswj tau yog tias thaiv thaiv / hauv av tsis zoo.
Kev nkag siab qhov twg ntawm cov no yog qhov tseem ceeb hauv kev xaiv cov qauv tsim nyog thiab kev txo qis.
Feem ntau yuam kev hauv kev suav SNR
Nws yog ib qho yooj yim los hla ntau 'shortcut' txoj hauv kev los kwv yees lub teeb liab-rau-lub suab sib piv hauv kev duab. Cov no zoo li yuav tsis yooj yim dua li qhov sib npaug sib npaug, tso cai yooj yim dua los ntawm cov duab nws tus kheej es tsis xav tau kev paub txog lub koob yees duab tsis xws li nyeem suab nrov, lossis ob qho tib si. Hmoov tsis zoo, nws zoo li txhua txoj hauv kev no tsis raug, thiab yuav ua rau cov txiaj ntsig tsis zoo thiab tsis muaj txiaj ntsig. Nws yog ib qho tseem ceeb qhia tias qhov sib npaug sib npaug (lossis cov ntawv tshaj tawm yuav tsum siv rau txhua kis.
Qee qhov shortcuts cuav feem ntau suav nrog:
1, Sib piv cov teeb liab siv zog vs tom qab siv, hauv qib grey. Txoj hauv kev no sim txiav txim siab lub koob yees duab rhiab heev, teeb liab lub zog lossis lub teeb liab rau lub suab nrov piv los ntawm kev sib piv qhov siab tshaj plaws rau qhov kev siv tom qab. Txoj hauv kev no yog qhov tsis txaus ntseeg vim qhov cuam tshuam ntawm lub koob yees duab offset tuaj yeem tsim teeb meem keeb kwm yav dhau los, kev nce tuaj yeem tsim teeb meem siv zog, thiab tsis muaj kev koom tes ntawm lub suab nrov hauv lub teeb liab lossis keeb kwm yav dhau.
2, Sib faib cov teeb liab peaks los ntawm tus qauv sib txawv ntawm thaj tsam ntawm keeb kwm yav dhau pixels. Los yog, muab piv rau qhov tseem ceeb tshaj plaws rau cov suab nrov pom hauv keeb kwm yav dhau los qhia los ntawm kab profile. Piv txwv tias qhov offset raug muab rho tawm los ntawm qhov tseem ceeb ua ntej faib, qhov txaus ntshai tshaj plaws hauv txoj hauv kev no yog qhov pom ntawm lub teeb tom qab. Txhua lub teeb tom qab feem ntau yuav ua rau lub suab nrov hauv qab pixels. Tsis tas li ntawd, lub suab nrov hauv lub teeb liab ntawm kev txaus siab, xws li cov suab nrov nrov, tsis tau txiav txim siab hlo li.
3, Lub ntsiab lus ntawm pixels ntawm kev txaus siab vs tus qauv sib txawv ntawm pixel qhov tseem ceeb: Sib piv lossis saib ntau npaum li cas lub cim ncov hloov pauv ntawm cov pixels nyob sib ze lossis cov thav ntawv txuas ntxiv yog ze rau qhov tseeb dua li lwm txoj hauv kev luv luv, tab sis tsis zoo li yuav tsum zam lwm yam cuam tshuam cuam tshuam qhov tseem ceeb, xws li kev hloov pauv ntawm lub teeb liab uas tsis muaj suab nrov. Txoj kev no kuj tuaj yeem ua tsis raug vim qhov tsawg pixel suav hauv qhov sib piv. Kev rho tawm ntawm tus nqi offset yuav tsum tsis txhob hnov qab.
4 、 Xam SNR yam tsis hloov mus rau qhov siv zog ntawm photoelectrons, lossis tsis tshem tawm cov offset: Raws li photon txhaj tshuaj nrov nrov yog feem ntau yog lub suab nrov tshaj plaws thiab tso siab rau kev paub txog lub koob yees duab offset thiab nce rau kev ntsuas, nws tsis tuaj yeem zam kev suav rov qab rau photoelectrons rau SNR suav.
5 、 Kev txiav txim SNR los ntawm qhov muag: Thaum qee qhov xwm txheej txiav txim lossis sib piv SNR los ntawm lub qhov muag tuaj yeem muaj txiaj ntsig, kuj tseem muaj qhov tsis xav txog. Kev txiav txim SNR hauv cov pixels siab yuav nyuaj dua li tus nqi qis lossis tom qab pixels. Cov teebmeem hloov maj mam kuj tuaj yeem ua lub luag haujlwm: Piv txwv li, cov khoos phis tawj sib txawv tuaj yeem ua cov duab nrog qhov sib txawv heev. Tsis tas li ntawd, kev nthuav tawm cov duab ntawm ntau qib zoom hauv software tuaj yeem cuam tshuam qhov pom ntawm lub suab nrov. Qhov no yog qhov teeb meem tshwj xeeb yog tias sim sib piv cov koob yees duab nrog cov khoom sib txawv qhov chaw pixel qhov ntau thiab tsawg. Thaum kawg, qhov pom ntawm lub teeb tom qab tuaj yeem ua rau tsis muaj kev sim los txiav txim SNR qhov muag pom.
Kev siv ntawm SNR
SNR yog ib qho kev ntsuas thoob ntiaj teb nrog kev siv dav dav:
● Audio & Music Recording: Txiav txim siab meej, muaj ntau yam, thiab kev ncaj ncees ntawm kev kaw.
● Kev sib txuas lus wireless: SNR cuam tshuam ncaj qha rau tus nqi yuam kev me ntsis (BER) thiab cov ntaub ntawv dhau los.
● Kev Tshawb Fawb Txog Kev Tshawb Fawb: Hauv astronomy, tshawb pom cov hnub qub faint tiv thaiv lub ntuj tom qab ci yuav tsum muaj SNR siab.
● Cov Khoom Siv Kho Mob: ECG, MRI, thiab CT scans cia siab rau SNR siab kom paub qhov txawv ntawm lub suab nrov ntawm lub cev.
● Lub Koob Yees Duab & Kev Yees Duab: Cov neeg siv koob yees duab thiab kev tshawb fawb CMOS sensors ob leeg siv SNR los ntsuas kev ua haujlwm hauv lub teeb qis.
Txhim kho SNR
Txij li SNR yog qhov kev ntsuas tseem ceeb, kev siv zog tseem ceeb mus rau hauv kev txhim kho nws. Cov tswv yim muaj xws li:
Hardware Approaches
● Siv cov sensors zoo dua nrog qis qis tam sim no.
● Siv cov ntaub thaiv npog thiab hauv av kom txo tau EMI.
● Cov cuab yeej txias kom txo cov suab nrov thermal.
Cov txheej txheem software
● Siv cov ntxaij lim dej digital tshem tawm cov zaus tsis xav tau.
● Siv qhov nruab nrab ntawm ntau lub thav duab.
● Siv cov suab nrov txo cov algorithms hauv kev yees duab lossis ua suab.
Pixel Binning thiab Nws Cov nyhuv ntawm SNR
Cov nyhuv ntawm binning ntawm lub teeb liab-rau-nruab piv yog nyob ntawm lub koob yees duab technology thiab sensor tus cwj pwm, raws li lub suab nrov ntawm binned thiab unbinned koob yees duab yuav txawv heev.
CCD cov koob yees duab tuaj yeem suav cov pixels nyob ib sab 'them 'on-chip'. Lub suab nrov nyeem tsuas yog tshwm sim ib zaug xwb, txawm hais tias lub teeb liab tsaus nti tam sim no los ntawm txhua pixel kuj tseem yuav suav nrog.
Feem ntau CMOS lub koob yees duab ua haujlwm off-chip binning, lub ntsiab lus tseem ceeb yog thawj zaug ntsuas (andread nrov nrov qhia), thiab tom qab ntawd summed digitally. Cov suab nrov nyeem rau cov kev suav no nce ntxiv txawm tias qhov sib npaug los ntawm lub hauv paus square ntawm tus lej ntawm pixels summed, piv txwv li los ntawm ib qho ntawm 2 rau 2x2 binning.
Raws li tus cwj pwm suab nrov ntawm cov sensors tuaj yeem nyuaj, rau cov ntawv thov ntau nws yog ib qho tsim nyog los ntsuas qhov offset, nce, thiab nyeem cov suab nrov ntawm lub koob yees duab hauv hom binned, thiab siv cov txiaj ntsig no rau qhov sib npaug ntawm lub teeb liab-rau-nruab nrab.
Xaus
Lub teeb liab-rau-lub suab sib piv (SNR) yog ib qho kev ntsuas tseem ceeb tshaj plaws hauv kev tshawb fawb, engineering, thiab thev naus laus zis. Los ntawm kev txhais kom meej meej hauv kev hu xov tooj kom ua kom pom cov galaxies nyob deb, SNR txhawb nqa qhov zoo ntawm kev ntsuas thiab kev sib txuas lus. Mastering SNR tsis yog hais txog kev nco cov qauv - nws yog hais txog kev nkag siab txog kev xav, kev txwv, thiab kev lag luam tawm hauv ntiaj teb tiag. Los ntawm qhov kev xav no, engineers thiab cov kws tshawb fawb tuaj yeem ua qhov kev ntsuas txhim khu kev qha thiab tsim cov tshuab uas tshem tawm cov kev pom muaj txiaj ntsig txawm tias muaj suab nrov.
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