25/09/11Dina sistem pangukuran naon waé - tina komunikasi nirkabel ka fotografi digital - rasio sinyal-to-noise (SNR) mangrupikeun patokan dasar kualitas. Naha anjeun nganalisa gambar teleskop, ningkatkeun rekaman mikropon, atanapi ngarengsekeun masalah tautan nirkabel, SNR nyarioskeun ka anjeun sabaraha inpormasi anu mangpaat tina sora latar anu teu dihoyongkeun.
Tapi ngitung SNR leres henteu salawasna lugas. Gumantung kana sistem, faktor tambahan sapertos arus poék, sora baca, atanapi binning piksel panginten kedah dipertimbangkeun. Pituduh ieu ngajalanan anjeun kana téori, rumus inti, kasalahan umum, aplikasi, sareng cara praktis pikeun ningkatkeun SNR, mastikeun anjeun tiasa ngalarapkeunana sacara akurat dina rupa-rupa kontéks.
Naon Rasio Sinyal-to-Noise (SNR)?
Dina inti na, rasio signal-to-noise ngukur hubungan antara kakuatan sinyal nu dipikahoyong jeung noise latar tukang nu obscures eta.
● Sinyal = informasi anu bermakna (contona, sora dina telepon, béntang dina gambar teleskop).
● Noise = acak, fluctuations teu dihoyongkeun nu distort atawa nyumputkeun sinyal (misalna statik, noise sensor, gangguan listrik).
Sacara matematis, SNR dihartikeun salaku:
Kusabab babandingan ieu bisa rupa-rupa dina sababaraha ordo gedena, SNR biasana dinyatakeun dina decibel (dB):
● SNR tinggi (misalna 40 dB): sinyal ngadominasi, hasilna informasi jelas tur dipercaya.
● Low SNR (misalna 5 dB): noise overwhelms sinyal, nyieun interpretasi hésé.
Kumaha Ngitung SNR
Itungan rasio signal-to-noise bisa dipigawé kalawan tingkat precision béda gumantung kana naon sumber noise kaasup. Dina bagian ieu, dua bentuk bakal diwanohkeun: hiji akun pikeun arus poék jeung hiji nu nganggap eta bisa neglected.
Catetan: Nambahkeun nilai noise bebas merlukeun nambahkeun aranjeunna dina quadrature. Unggal sumber noise kuadrat, dijumlahkeun, sarta akar kuadrat tina total dicokot.
Babandingan sinyal-to-noise sareng arus poék
Ieu mangrupikeun persamaan anu dianggo dina kaayaan dimana noise ayeuna poék cukup ageung pikeun peryogi kalebet:
Ieu definisi istilah:
Sinyal (e-): Ieu mangrupikeun sinyal anu dipikaresep ku fotoéléktron, kalayan sinyal ayeuna poék dikurangan
Sinyal Total (e-) bakal jadi itungan fotoéléktron dina piksel anu dipikaresep - leres-leres sanés nilai piksel dina unit tingkat abu-abu. Conto kadua Sinyal (e-), di handapeun persamaan, nyaéta noise photonshot.
Arus poék (DC):Nilai ayeuna poék pikeun piksel éta.
t: Waktu paparan dina detik
σr:Baca noise dina modeu kaméra.
Babandingan sinyal-ka-noise pikeun arus poék anu teu kaduga
Dina kasus pondok (< 1 detik) waktos paparan, tambah tiis, kaméra-kinerja tinggi, noise ayeuna poék umumna bakal handap noise maca, sarta aman diabaikan.
Dimana istilah sakali deui sakumaha didefinisikeun di luhur, iwal yén sinyal ayeuna poék teu perlu diitung sarta dikurangan tina sinyal sakumaha kudu sarua jeung nol.
Watesan rumus ieu sareng istilah anu leungit
Rumus sabalikna ngan bakal nyadiakeun jawaban nu bener keur CCD nakaméra CMOS. EMCCD jeung alat inténsif ngenalkeun sumber noise tambahan, jadi persamaan ieu teu bisa dipaké. Pikeun persamaan rasio sinyal-ka-noise anu langkung lengkep anu nyababkeun ieu sareng kontribusi anu sanés.
Istilah noise séjén anu (atawa baheula) ilahar kaasup kana persamaan SNR nya éta poto-réspon non-uniformity (PRNU), ogé kadang dilabélan 'noise pola tetep' (FPN). Ieu ngagambarkeun unevenness gain sarta respon sinyal sakuliah sensor, nu bisa jadi dominan dina sinyal tinggi lamun cukup badag, ngurangan SNR.
Bari kaméra mimiti miboga cukup signifikan PRNU merlukeun citakan na, paling modernkaméra ilmiahboga PRNU cukup low pikeun nyieun kontribusi na leuwih handap tina noise poton shot, utamana sanggeus koreksi on-board diterapkeun. Ieu ayeuna, kituna, biasana neglected dina itungan SNR. Sanajan kitu, PRNU masih penting pikeun sababaraha kaméra jeung aplikasi, sarta kaasup kana persamaan SNR leuwih canggih pikeun completeness. Ieu hartosna persamaan anu disayogikeun mangpaat pikeun kalolobaan sistem CCD/CMOS tapi henteu kedah diperlakukeun sacara universal.
Jenis Noise dina Itungan SNR
Ngitung SNR henteu ngan ukur ngabandingkeun sinyal sareng nilai noise tunggal. Dina prakna, sababaraha sumber noise bebas nyumbang, sarta pamahaman aranjeunna penting.
Ditémbak Noise
● Asal: statistik datangna foton atawa éléktron.
● Skala jeung akar kuadrat sinyal.
● Dominan dina pencitraan kawates foton (astronomi, mikroskop fluoresensi).
Noise termal
● Disebut oge Johnson–Nyquist noise, dihasilkeun ku gerak éléktron dina résistor.
● Ngaronjat kalawan suhu jeung rubakpita.
● Penting dina éléktronika jeung komunikasi nirkabel.
Gelap Ayeuna Noise
● variasi acak dina ayeuna poék dina sensor.
● Leuwih signifikan dina paparan panjang atawa detéktor haneut.
● Ngurangan ku cooling sensor.
Baca Noise
● Noise tina amplifier jeung konversi analog-to-digital.
● Maneuh per readout, jadi kritis dina rezim low-sinyal.
Noise Kuantisasi
● Diwanohkeun ku digitalisasi (rounding ka tingkat diskrit).
● Penting dina sistem low-bit-depth (contona, audio 8-bit).
Lingkungan/Sistem Noise
● EMI, crosstalk, catu daya ripple.
● Bisa ngadominasi lamun shielding / grounding goréng.
Ngartos anu mana anu dominan ngabantosan dina milih rumus anu leres sareng metode mitigasi.
Kasalahan umum dina ngitung SNR
Gampang mendakan seueur metode 'pintasan' pikeun ngira-ngira rasio sinyal-ka-noise dina pencitraan. Ieu condong jadi boh kirang kompleks tinimbang persamaan sabalikna, ngidinan pikeun derivasi gampang tina hiji gambar sorangan tinimbang merlukeun pangaweruh parameter kaméra kayaning noise dibaca, atawa duanana. Hanjakal, éta kamungkinan yén unggal salah sahiji metodeu ieu salah, sarta bakal ngakibatkeun hasil skewed jeung unhelpful. Disarankeun pisan yén persamaan sabalikna (atanapi versi canggih kedah dianggo dina sadaya kasus.
Sababaraha potong kompas palsu anu paling umum nyaéta:
1, Ngabandingkeun inténsitas sinyal vs inténsitas latar, dina tingkat kulawu. Pendekatan ieu nyobian nangtoskeun sensitipitas kaméra, kakuatan sinyal atanapi rasio sinyal sareng bising ku ngabandingkeun inténsitas puncak sareng inténsitas latar. Pendekatan ieu cacad pisan sabab pangaruh offset kaméra tiasa sacara wenang ngeset inténsitas latar, gain tiasa wenang nyetél inténsitas sinyal, sareng henteu aya kontribusi noise boh dina sinyal atanapi latar anu dianggap.
2, Ngabagi puncak sinyal ku simpangan baku wewengkon piksel tukang. Atawa, ngabandingkeun nilai puncak jeung noise visual dina latar tukang wangsit ku profil garis. Anggap offset dikurangan bener tina nilai saméméh division, bahaya paling signifikan dina pendekatan ieu ayana lampu latar. Sakur lampu latar biasana bakal ngadominasi sora dina piksel latar. Salajengna, noise dina sinyal dipikaresep, kayaning noise shot, sabenerna teu dianggap pisan.
3, Mean sinyal dina piksel dipikaresep vs simpangan baku tina nilai piksel: Ngabandingkeun atawa niténan sabaraha hiji sinyal puncak robah sakuliah piksel tatanggana atawa pigura saterusna leuwih deukeut ka bener ti métode potong kompas lianna, tapi saperti teu mirip pikeun nyingkahan pangaruh séjén distorting nilai, kayaning parobahan dina sinyal nu teu diturunkeun tina noise. Métode ieu ogé tiasa henteu akurat kusabab jumlah piksel anu rendah dina ngabandingkeun. Pangurangan nilai offset ogé teu kedah hilap.
4, Ngitung SNR tanpa ngarobah kana unit inténsitas fotoéléktron, atawa tanpa miceun offset: Kusabab noise poton shot ilaharna sumber noise panggedéna jeung ngandelkeun pangaweruh offset kaméra sarta gain pikeun pangukuran, teu mungkin pikeun nyingkahan itungan balik ka photoelectrons pikeun itungan SNR.
5, Nangtoskeun SNR ku panon: Sedengkeun dina sababaraha kaayaan ditilik atawa ngabandingkeun SNR ku panon bisa mangpaat, aya ogé pitfalls kaduga. Ditilik SNR dina piksel nilai luhur tiasa harder ti di nilai handap atawa piksel tukang. Épék anu langkung halus ogé tiasa maénkeun peran: Contona, monitor komputer anu béda tiasa ngajantenkeun gambar anu kontras pisan. Salajengna, mintonkeun gambar dina tingkat zum béda dina software bisa nyata mangaruhan penampilan visual noise. Ieu hususna masalah upami nyobian ngabandingkeun kaméra sareng ukuran piksel rohangan objék anu béda. Tungtungna, ayana lampu latar bisa batal sagala usaha pikeun nangtoskeun SNR visually.
Aplikasi SNR
SNR mangrupikeun métrik universal sareng aplikasi anu lega:
● Rekaman Audio & Musik: Nangtukeun kajelasan, rentang dinamis, sareng kasatiaan rekaman.
● Komunikasi Nirkabel: SNR hubungan langsung jeung ongkos kasalahan bit (BER) jeung throughput data.
● Imaging Ilmiah: Dina astronomi, detecting béntang samar ngalawan latar tukang glow langit merlukeun SNR tinggi.
● Equipment Médis: ECG, MRI, sarta CT scan ngandelkeun SNR tinggi keur ngabedakeun sinyal ti noise fisiologis.
● Kaméra & Fotografi: Kaméra konsumen sareng sénsor CMOS ilmiah duanana ngagunakeun SNR pikeun patokan kinerja dina cahaya remen.
Ngaronjatkeun SNR
Kusabab SNR mangrupikeun ukuran kritis, usaha anu penting pikeun ningkatkeun éta. Strategi ngawengku:
Pendekatan hardware
● Paké sensor hadé kalawan arus poék handap.
● Larapkeun shielding na grounding pikeun ngurangan EMI.
● Cool detéktor pikeun ngurangan bising termal.
Pendekatan Software
● Larapkeun saringan digital pikeun ngaleungitkeun frékuénsi anu teu dihoyongkeun.
● Anggo rata-rata dina sababaraha pigura.
● Employ algoritma pangurangan bising dina pencitraan atawa ngolah audio.
Pixel Binning sareng Pangaruhna dina SNR
Pangaruh binning dina rasio sinyal-ka-noise gumantung kana téknologi kaméra sareng paripolah sensor, sabab kinerja noise kaméra binned sareng unbinned tiasa béda-béda sacara signifikan.
Kaméra CCD tiasa nyimpulkeun muatan piksel anu padeukeut 'on-chip'. Noise readout ngan lumangsung sakali, sanajan sinyal ayeuna poék ti unggal piksel ogé bakal dijumlahkeun.
Kalolobaan kaméra CMOS ngalakukeun off-chip binning, hartina nilai munggaran diukur (jeung maca noise diwanohkeun), lajeng dijumlahkeun digital. Noise dibaca pikeun summations misalna naek sanajan multiplication ku akar kuadrat tina jumlah piksel dijumlahkeun, nyaéta ku faktor 2 pikeun 2x2 binning.
Kusabab paripolah noise sensor tiasa pajeulit, pikeun aplikasi kuantitatif disarankeun pikeun ngukur offset, gain, sareng maca noise kaméra dina modeu binned, sareng nganggo nilai-nilai ieu pikeun persamaan rasio signal-to-noise.
kacindekan
Rasio sinyal-to-noise (SNR) mangrupikeun salah sahiji métrik anu paling penting dina élmu, rékayasa, sareng téknologi. Tina ngahartikeun kajelasan dina sauran telepon nepi ka ngaktifkeun deteksi galaksi anu jauh, SNR ngadukung kualitas pangukuran sareng sistem komunikasi. Ngawasaan SNR sanés ngan ukur ngapalkeun rumus - éta ngeunaan ngartos asumsi, watesan, sareng perdagangan dunya nyata. Tina sudut pandang ieu, insinyur sareng panalungtik tiasa ngadamel pangukuran anu langkung dipercaya sareng sistem desain anu nimba wawasan anu bermakna sanajan dina kaayaan ribut.
Hoyong diajar langkung seueur? Tingali kana tulisan anu aya hubunganana:
Tucsen Photonics Co., Ltd Sadaya hak ditangtayungan. Nalika ngutip, mangga terang sumberna:www.tucsen.com
