25/09/11Дар ҳама гуна системаи андозагирӣ - аз алоқаи бесим то аксбардории рақамӣ - таносуби сигнал ба садо (SNR) як меъёри асосии сифат аст. Новобаста аз он ки шумо тасвирҳои телескопро таҳлил мекунед, сабтҳои микрофонро такмил медиҳед ё мушкилоти истиноди бесимро ҳал мекунед, SNR ба шумо мегӯяд, ки чӣ қадар иттилооти муфид аз садои пасзаминаи номатлуб фарқ мекунад.
Аммо дуруст ҳисоб кардани SNR на ҳамеша осон аст. Вобаста аз система, омилҳои иловагӣ ба монанди ҷараёни торик, садои хондан ё печонидани пикселҳо метавонанд ба назар гирифта шаванд. Ин дастур ба шумо тавассути назария, формулаҳои асосӣ, хатогиҳои умумӣ, барномаҳо ва роҳҳои амалии такмил додани SNR роҳнамоӣ мекунад ва кафолат медиҳад, ки шумо метавонед онро дар доираи васеи контекстҳо дуруст истифода баред.
Таносуби сигнал ба садо (SNR) чист?
Дар асл, таносуби сигнал ба садо муносибати байни қувваи сигнали дилхоҳ ва садои заминаро, ки онро пӯшидааст, чен мекунад.
● Сигнал = иттилооти пурмазмун (масалан, овоз дар занг, ситора дар тасвири телескоп).
● Садо = Тағйирёбии тасодуфӣ, номатлуб, ки сигналро таҳриф ё пинҳон мекунанд (масалан, садои статикӣ, садои сенсор, дахолати барқ).
Аз ҷиҳати математикӣ SNR чунин муайян карда мешавад:
Азбаски ин таносубҳо метавонанд аз рӯи миқдори зиёди миқдорҳо фарқ кунанд, SNR одатан бо децибелҳо (дБ) ифода карда мешавад:
● SNR баланд (масалан, 40 дБ): сигнал бартарӣ дорад, ки дар натиҷа иттилооти равшан ва боэътимод ба даст меояд.
● SNR-и паст (масалан, 5 дБ): садо аз сигнал зиёд шуда, тафсирро мушкил мекунад.
Чӣ тавр ҳисоб кардани SNR
Ҳисобкунии таносуби сигнал ба садоро метавон бо сатҳҳои гуногуни дақиқ вобаста ба он, ки кадом манбаъҳои садо дохил карда шудаанд, анҷом дод. Дар ин бахш ду шакл ҷорӣ карда мешавад: яке, ки ҷараёни торикро ҳисоб мекунад ва дигаре, ки онро беэътиноӣ кардан мумкин аст.
Эзоҳ: Илова кардани арзишҳои садои мустақил илова кардани онҳоро дар чоркунҷа талаб мекунад. Ҳар як манбаи садо квадратӣ карда, ҷамъбаст карда мешавад ва решаи квадратии умумӣ гирифта мешавад.
Таносуби сигнал ба садо бо ҷараёни торик
Ин муодилаест, ки дар ҳолатҳое истифода мешавад, ки садои ҷараёни торик кофӣ аст, то дохилкуниро талаб кунад:
Ин аст таърифи истилоҳот:
Сигнал (e-): Ин сигнали таваҷҷӯҳ ба фотоэлектронҳо мебошад, ки сигнали ҷараёни торик хориҷ карда шудааст
Сигнали умумӣ (e-) ҳисоби фотоэлектронҳо дар пиксели таваҷҷӯҳ хоҳад буд - ба таври қатъӣ арзиши пиксел дар воҳидҳои сатҳҳои хокистарӣ нест. Намунаи дуюми сигнал (e-), дар поёни муодила садои фотон аст.
Ҷараёни торик (DC):Арзиши ҷории торикӣ барои ин пиксел.
t: Вақти экспозиция дар сонияҳо
с:Садо дар ҳолати камера хонед.
Таносуби сигнал ба садо барои ҷараёни торикии ночиз
Дар ҳолатҳои кӯтоҳ (< 1 сония) вақти экспозиция, илова бар камераҳои хунуккардашуда ва баландмаъно, садои ҷараёни торик одатан аз садои хондашуда хеле паст хоҳад буд ва ба таври бехатар беэътиноӣ карда мешавад.
Дар ҳолате, ки истилоҳҳо бори дигар тавре ки дар боло муайян карда шудаанд, ба истиснои он ки сигнали ҷараёни торикро аз сигнал ҳисоб кардан ва хориҷ кардан лозим нест, зеро он бояд ба сифр баробар бошад.
Маҳдудиятҳои ин формулаҳо ва истилоҳҳои гумшуда
Формулаҳои муқобил танҳо ҷавобҳои дурустро барои CCD ваКамераҳои CMOS. EMCCD ва дастгоҳҳои пурқувват манбаъҳои иловагии садоро ҷорӣ мекунанд, аз ин рӯ ин муодилаҳоро истифода бурдан мумкин нест. Барои муодилаи мукаммалтари таносуби сигнал ба садо, ки ин ва дигар саҳмҳоро ҳисоб мекунад.
Истилоҳи дигари садо, ки маъмулан ба муодилаҳои SNR дохил мешавад (ё пештар буд) ин якрангии акс ба аксҳо (PRNU) мебошад, ки инчунин баъзан "сағви собит" (FPN) номгузорӣ шудааст. Ин нобаробарии фоида ва вокуниши сигналро дар тамоми сенсор ифода мекунад, ки метавонад дар сигналҳои баланд бартарӣ дошта, SNR-ро коҳиш диҳад.
Ҳангоме ки камераҳои барвақт PRNU-и кофӣ доштанд, ки ворид кардани онро талаб кунанд, муосиртаринкамераҳои илмӣдорои PRNU ба қадри кофӣ паст аст, то саҳми худро аз садои тирандозии фотон хеле пасттар гузорад, махсусан пас аз татбиқи ислоҳи борт. Аз ин рӯ, ҳоло одатан дар ҳисобҳои SNR сарфи назар карда мешавад. Аммо, PRNU то ҳол барои баъзе камераҳо ва барномаҳо муҳим аст ва ба муодилаи пешрафтаи SNR барои пуррагӣ дохил карда шудааст. Ин маънои онро дорад, ки муодилаҳои пешниҳодшуда барои аксари системаҳои CCD/CMOS муфиданд, аммо набояд ҳамчун универсал татбиқ карда шаванд.
Намудҳои садо дар ҳисобҳои SNR
Ҳисоб кардани SNR танҳо дар бораи муқоисаи сигнал бо як арзиши садо нест. Дар амал, сарчашмаҳои сершумори мустақили садо саҳм мегузоранд ва фаҳмидани онҳо муҳим аст.
Садои тир
● Пайдоиш: омадани омории фотонҳо ё электронҳо.
● Тарозу бо решаи квадратии сигнал.
● Дар тасвири фотонҳои маҳдуд (астрономия, микроскопияи флуоресцентӣ) ҳукмфармост.
Садои гармидиҳӣ
● Онро садои Ҷонсон-Никвис низ меноманд, ки дар натиҷаи ҳаракати электронҳо дар резисторҳо ҳосил мешавад.
● Бо ҳарорат ва фарохмаҷро зиёд мешавад.
● Дар соҳаи электроника ва алоқаи бесим муҳим аст.
Садои ҷараёни торик
● Тағйирёбии тасодуфии ҷараёни торик дар дохили сенсорҳо.
● Дар таъсири дуру дароз ё детекторҳои гарм муҳимтар аст.
● Бо хунуккунии сенсор кам карда мешавад.
Садо-ро хонед
● Садо аз пурқувваткунандаҳо ва табдили аналогӣ ба рақамӣ.
● Дар як хониш собит шудааст, ки дар реҷаҳои сигнали паст хеле муҳим аст.
Садои квантизатсия
● Бо рақамикунонӣ ҷорӣ карда шудааст (як мудаввар ба сатҳҳои дискретӣ).
● Дар системаҳои амиқи паст (масалан, аудиои 8-битӣ) муҳим аст.
Садои муҳити зист/система
● EMI, crosstalk, ripple таъминоти барқ.
● Дар сурати суст будани муҳофизат/заминсозӣ метавонад бартарӣ диҳад.
Фаҳмидани кадоме аз инҳо бартарият дорад, барои интихоби формулаи дуруст ва усули сабукгардонӣ кӯмак мекунад.
Хатогиҳои умумӣ дар ҳисоб кардани SNR
Барои баҳодиҳии таносуби сигнал ба садо дар тасвир бо усулҳои "миёнабур" дучор шудан осон аст. Инҳо одатан нисбат ба муодилаҳои муқобил мураккабтаранд ва имкон медиҳанд, ки аз худи тасвир осонтар ба даст оранд, ба ҷои талаб кардани дониши параметрҳои камера ба монанди садои хондан ё ҳарду. Мутаассифона, эҳтимол дорад, ки ҳар яке аз ин усулҳо нодурустанд ва ба натиҷаҳои каҷ ва нодаркор оварда расонанд. Ба таври қатъӣ тавсия дода мешавад, ки муодилаҳои муқобил (ё версияи пешрафта бояд дар ҳама ҳолатҳо истифода шаванд.
Баъзе аз миёнабурҳои бардурӯғ маъмултарин инҳоянд:
1、Муқоисаи шиддати сигнал бо шиддати замина, дар сатҳи хокистарӣ. Ин равиш кӯшиш мекунад, ки ҳассосияти камера, қувваи сигнал ё сигнал ба таносуби садоро тавассути муқоисаи шиддати қулла бо шиддати замина муайян кунад. Ин равиш хеле ноқис аст, зеро таъсири ҷуброни камера метавонад шиддатнокии заминаро худсарона муқаррар кунад, фоида метавонад шиддатнокии сигналро худсарона муқаррар кунад ва саҳми садо дар сигнал ё замина ба назар гирифта намешавад.
2、Тақсим кардани қуллаҳои сигнал аз рӯи инҳирофи стандартии майдони пикселҳои замина. Ё, муқоиса кардани арзишҳои баланд бо садои визуалӣ дар замина, ки аз ҷониби профили хат ошкор мешавад. Фарз мекунем, ки ҷуброн аз арзишҳо пеш аз тақсим дуруст тарҳ карда шудааст, хатари аз ҳама муҳим дар ин равиш мавҷудияти нури замина мебошад. Ҳама гуна нури замина одатан садоро дар пикселҳои замина бартарӣ медиҳад. Ғайр аз он, садо дар сигнали таваҷҷӯҳ, ба монанди садои тир, аслан ба назар гирифта намешавад.
3、Сигнали миёна бо пикселҳои мавриди таваҷҷӯҳ ва инҳирофи стандартии арзишҳои пиксел: Муқоиса ё мушоҳидаи чӣ қадар тағирёбии сигнали қулла дар байни пикселҳои ҳамсоя ё чаҳорчӯбаи пайдарпай ба дурустӣ нисбат ба дигар усулҳои миёнабур наздиктар аст, аммо аз эҳтимол дур нест, ки аз дигар таъсироти таҳрифкунандаи арзишҳо, ба монанди тағирёбии сигнал, ки аз садо ба вуҷуд намеояд. Ин усул инчунин метавонад аз сабаби кам будани шумораи пикселҳо дар муқоиса нодуруст бошад. Тарҳи арзиши ҷубронро низ набояд фаромӯш кард.
4、Ҳисоб кардани SNR бидуни табдил додан ба воҳидҳои шиддатнокии фотоэлектронҳо ё бе бартараф кардани ҷуброн: Азбаски садои тирандозии фотонҳо маъмулан бузургтарин манбаи садо аст ва ба дониши ҷуброни камера ва фоида барои андозагирӣ такя мекунад, аз ҳисоб кардан ба фотоэлектронҳо барои ҳисобҳои SNR имконнопазир аст.
5、Муҳокимаи SNR аз рӯи чашм: Гарчанде ки дар баъзе ҳолатҳо доварӣ ё муқоисаи SNR аз рӯи чашм муфид буда метавонад, инчунин домҳои ғайричашмдошт мавҷуданд. Муайян кардани SNR дар пикселҳои баландсифат метавонад нисбат ба пикселҳои пасттар ё пасзамина душвортар бошад. Эффектҳои нозуктар низ метавонанд нақш бозанд: Масалан, мониторҳои гуногуни компютер метавонанд тасвирҳоро бо контрасти хеле гуногун пешкаш кунанд. Ғайр аз он, намоиш додани тасвирҳо дар сатҳҳои гуногуни масштаб дар нармафзор метавонад ба намуди зоҳирии садо таъсир расонад. Ин махсусан мушкил аст, агар кӯшиш кунед, ки камераҳоро бо андозаи пикселҳои гуногуни фазои объект муқоиса кунед. Ниҳоят, мавҷудияти нури замина метавонад ҳама гуна кӯшиши доварӣ кардани SNR-ро ба таври визуалӣ бекор кунад.
Барномаҳои SNR
SNR як метрикаи универсалӣ бо барномаҳои васеъ мебошад:
● Сабти аудио ва мусиқӣ: Возеҳи, диапазони динамикӣ ва дурустии сабтҳоро муайян мекунад.
● Алоқаи бесим: SNR мустақиман ба сатҳи хатогиҳои бит (BER) ва интиқоли маълумот алоқаманд аст.
● Тасвирҳои илмӣ: Дар астрономия барои ошкор кардани ситораҳои суст дар муқобили дурахши замина SNR-и баландро талаб мекунад.
● Таҷҳизоти тиббӣ: Сканҳои ЭКГ, MRI ва КТ барои фарқ кардани сигналҳо аз садои физиологӣ ба SNR-и баланд такя мекунанд.
● Камераҳо ва аксбардорӣ: Камераҳои истеъмолӣ ва сенсорҳои илмии CMOS ҳам SNR-ро барои санҷиши иҷроиш дар нури кам истифода мебаранд.
Беҳтар кардани SNR
Азбаски SNR чунин як тадбири муҳим аст, кӯшиши зиёд барои такмил додани он равона карда мешавад. Стратегияҳо дар бар мегиранд:
Равишҳои сахтафзор
● Сенсорҳои беҳтарро бо ҷараёни торикии камтар истифода баред.
● Барои кам кардани EMI, муҳофизаткунанда ва ба замин пайваст кунед.
● Детекторҳои сард барои пахш кардани садои гармӣ.
Равишҳои нармафзор
● Барои нест кардани басомадҳои номатлуб филтрҳои рақамиро истифода баред.
● Миёнаро дар чаҳорчӯбаи сершумор истифода баред.
● Алгоритмҳои коҳиши садоро дар коркарди тасвир ё аудио истифода баред.
Binning пиксел ва таъсири он ба SNR
Таъсири басташавӣ ба таносуби сигнал ба садо аз технологияи камера ва рафтори сенсорҳо вобаста аст, зеро иҷрои садои камераҳои бандшуда ва ҷудонашуда метавонад ба таври назаррас фарқ кунад.
Камераҳои CCD метавонад заряди пикселҳои ҳамсояро "дар чип" ҷамъ оваранд. Садои хониш танҳо як маротиба ба амал меояд, гарчанде ки сигнали ҷории торик аз ҳар як пиксел низ ҷамъбаст карда мешавад.
Аксари камераҳои CMOS ҷудокунии берун аз чипро иҷро мекунанд, яъне арзишҳо аввал чен карда мешаванд (садои ва хондан ҷорӣ карда мешаванд) ва сипас ба таври рақамӣ ҷамъбаст карда мешаванд. Садои хондан барои чунин ҷамъбастҳо бо зарб ба решаи квадратии шумораи пикселҳои ҷамъшуда, яъне ба 2 маротиба барои 2x2 банд зиёд мешавад.
Азбаски рафтори садои сенсорҳо метавонад мураккаб бошад, барои барномаҳои миқдорӣ тавсия дода мешавад, ки ҷуброн, фоида ва хондани садои камераро дар ҳолати бинӣ чен кунед ва ин арзишҳоро барои муодилаи таносуби сигнал ба садо истифода баред.
Хулоса
Таносуби сигнал ба садо (SNR) яке аз муҳимтарин ченакҳо дар илм, муҳандисӣ ва технология мебошад. Аз муайян кардани возеҳи зангҳои телефонӣ то имкон додани ошкор кардани галактикаҳои дурдаст, SNR сифати системаҳои андозагирӣ ва иртиботро дастгирӣ мекунад. Азхудкунии SNR на танҳо дар бораи аз ёд кардани формулаҳо - он дар бораи фаҳмидани пиндоштҳо, маҳдудиятҳо ва мубодилаи воқеии ҷаҳон аст. Аз ин нуқтаи назар, муҳандисон ва муҳаққиқон метавонанд ченакҳо ва системаҳои тарроҳии боэътимодтареро анҷом диҳанд, ки ҳатто дар шароити пурғавғо фаҳмиши пурмазмунро ба даст оранд.
Мехоҳед маълумоти бештар гиред? Ба мақолаҳои марбут нигаред:
Tucsen Photonics Co., Ltd. Ҳама ҳуқуқҳо ҳифз шудаанд. Ҳангоми истинод, лутфан манбаъро тасдиқ кунед:www.tucsen.com
