A | B | C | D | E | F | G | H | CH | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
Jel-zaj viszony, angol kifejezéssel Signal-to-noise ratio (rövidítésekben SNR vagy S/N) a hasznos és a zavaró jel (zaj) aránya dB-ben kifejezve. Általában a villamosmérnöki gyakorlatban használatos, de informálisan, a kifejezést használják különböző internet szolgáltatásokkal kapcsolatosan tágabb értelemben is, például Usenet.
Technikai értelmezése
A jel-zaj viszony egy műszaki kifejezés, és két teljesítmény hányadosát jelenti. A jel (információ) és a háttérzaj teljesítményének hányadosa:
Mivel sok jelváltozás nagyon dinamikus, az egyes jelértékek széles tartományokba eshetnek, a jel/zaj meghatározásánal a logaritmikus decibelskálát használják. Decibelekben mérve, a jel-zaj viszony az amplitúdók hányadosának 10-es alapú logaritmusának 20-szorosa vagy a teljesítményarány logaritmusának 10-szerese:
ahol P az átlagos teljesítmény, A az amplitúdók négyzetes átlaga. A jeleket és a zajokat azonos sávszélességi rendszerben mérik.
Elektronikus és akusztikus jel-zaj viszonyok
Az összehasonítandó jelek gyakran elektromágneses jellegűek, de azért nagyjából alkalmazhatók rájuk a hangokra vonatkozó megállapítások. A decibel definíciójának megfelelően a jel-zaj viszony azonos eredményt ad függetlenül attól, hogy a jel milyen jellemzői alapján számítjuk ki (teljesítmény, áram, feszültség).
A jel-zaj viszony nagyon közeli kapcsolatban áll a dinamikatartomány (dynamic range) koncepcióval, ahol a dinamikatartományt egy kommunikációs csatornára a zaj és a legnagyobb, még nem torzított jel viszonyaként definiálják. A jel-zaj viszony mérésénél a csatornán a zajnak és a jelnek nem kell maximális teljesítményűnek lennie. Ezért a jel-zaj viszonyok mérésénél egy referenciajelet kell kijelölni, amely a mérések alapjául szolgál. Az audiomérnökök ezt a referenciajelet szinuszhullámnak választották, egy hallható hangnak, ami szabványos erősségű, mint például 1 kHz +4 dBu-nál (1,228 VRMS). Az RMS a négyzetes átlag angol nyelvű rövidítése (Root mean square).
A jel-zaj viszonyt gyakran használják egy átlagos jel-zaj viszony indikátorának, ezért lehetséges, hogy egy pillanatnyi jel-zaj viszonyt teljesen eltérően értékelnek. Általában a magasabb jelszint azonos zaj mellett kedvezőbb; ilyenkor a jel „tisztább”.
A koncepciót úgy foglahatjuk röviden össze, hogy a normalizált zajszintet 1-nek (0 dB) tekintik, és vizsgálják, hogy milyen messze van a jel az „elviselhetőtől” (az emberi fájdalomküszöb 120 dB). A következő táblázat a gyakorlatban használt hangerősségeket mutatja. A táblázatban a mért hangnyomásszintek (Sound Pressure Level – SPL) összehasonlításával határozták meg a megfelelő dB-értékeket.
dB(SPL) | Forrás (távolsággal) |
---|---|
194 | Elméleti határ a hanghullámokra, 1 atmoszféra környezeti nyomás esetén |
180 | rakéta hajtómű 30 méterről; A Krakatau vulkán felrobbanása 160 km-ről (100 mérföld) a levegőben |
150 | sugárhajtómű 30 méterről |
140 | lövés 1 méterről |
120 | fájdalomküszöb; vasúti kürt 10 méterről |
110 | gyorsuló motorkerékpár 5 méterről; láncfűrész 1 méterről |
100 | légkalapács 2 méterről; diszkó belül |
90 | zajos üzem, nehéz teherautó 1 méterről |
80 | porszívó 1 méterről, forgalmas utca járdája |
70 | sűrű forgalom 5 méterről |
60 | hivatal vagy vendéglő belül |
50 | csendes vendéglő belül |
40 | lakott terület éjjel |
30 | színház, beszéd nélkül |
10 | emberi lélegzet 3 méterről |
0 | emberi hallásküszöb (egészséges fül esetén); egy szúnyog repülésének hangja 3 méterről |
Képfeldolgozás és torzítások
A képfeldolgozás esetén, egy kép jel-zaj viszonyát általában úgy definiálják, mint a pixel átlagértékének és a pixel szórás értékének a hányadosát. Ez a „kontrasztarány” és a „kontraszt-zaj viszony”-méréseknél fontos.
Az optikai teljesítmény és a feszültség közötti kapcsolat képkezelő rendszerekben általában lineáris. Ez általában azt jelenti, hogy az elektronikus jelek jel-zaj viszonyának számítása a 10 log szabály szerint történhet. A torzításmérésnél azonban optikai teljesítményt vagy intenzitást kell elektromos úton mérni és összehasonlítani, és ebben az esetben az eltérő arányosságok miatt a 20 log számításokat használják.
Digitális jelek
Ha digitálisan tároljuk a jelet, akkor a tároláshoz felhasznált bitek száma egyértelműen meghatározza a maximális jel-zaj viszonyt. Ebben az esetben a zaj nem más, mint egy kvantálás okozta hiba jel, ami főleg az A/D átalakítók esetén jellemző. A zajszint nemlineáris és jelfüggő; a különféle jelekhez különféle számítási módszerekkel határozhatók meg. A kvantálási zaj zavaró hatása csökkentésének egyik módja az, hogy egy analóg zajt adunk a jelhez még a kvantálás előtt. Ezt az eljárást nevezik ditherelésnek (dithering).
Fixpontos ábrázolás esetén
Egyenletes kvantálás esetén, ha az adatokat n-bites egészekben tároljuk, akkor a dinamikatartomány (dynamic range – DR) is meghatározott.
Tételezzünk fel egyenletes kvantálást egyenletes bejövő jeleloszlást, ekkor egy kvantálási szinten a kvantálási zaj is egy egyenletes eloszlású, véletlenszerű, csúcstól csúcsig amplitúdójú, az amplitúdóarány pedig 2n/1. A képlet ekkor:
A fenti számítás miatt igaz „A 16-biten kódolt hangjel dinamika tartománya 96 dB” mondat. Minden extra bit, amit a kvantáláskor használni lehet, durván 6 dB-lel csökkenti a kvantálási zaj szintjét.
Tételezzünk fel teljes kiterjedtségű (full scale) szinuszos jelet, a kvantálási zajt közelítsük fűrészjellel, csúcstól csúcsig, egy kvantálási szinten. A jel-zaj viszony ekkor:
(Ez azt jelenti, hogy egy 16 biten tárolt jel jel-zaj viszonya 98,1 dB lesz.)
Lebegőpontos ábrázolás esetén
A lebegőpontos ábrázolás lehetőséget ad a jel-zaj viszony csökkentésére, megnövelt dinamika tartomány mellett. N bites lebegőpontos számok esetében, amikor a mantissza n-m bit és a kitevő m bites:
Meg kell ugyanakkor jegyezni, hogy a lebegőpontos ábrázolás nagyobb dinamika tartományt biztosít, viszont a jel-zaj viszony költségei lényegesen rosszabbak. Ezért a lebegőpontos ábrázolás előnyös ott, ahol a dinamika nagy vagy nem becsülhető előre. A fixpontos megvalósítás egyszerűbb, és jól használható, ha a rendszer dinamikatartománya kisebb, mint 6,02 m, valamint ha a minőséggel szemben nincsenek különösebb elvárások. A nagy dinamikatartomány esetében a lebegőpontos ábrázolás hátrányos is lehet, főleg tervezési szempontból, mivel olyan algoritmust kell találni, amely a dinamikatartomány szélső tartományaiban is megfelelően működik.[1]
Megjegyzések
- analóg-digitális átalakítók esetében egyéb zajforrások miatt nem lehet elérni az elméleti ideális jel/zaj viszonyt.
- Gyakran speciális szűrőket használnak egyes zajok „súlyozásához”, ilyen a DIN-A, a DIN-B, a DIN-C, a DIN-D, és a CCIR-601, illetve a videotechnikában használatos, úgynevezett „Kammfilter”.
- A teljes terjedelmű jeleket (full scale) két módon értelmezhetjük: csúcstól csúcsig (peak-to-peak, P-P), vagy mint négyzetes középérték/effektív érték. A hangtechnikában, audió területen az effektív érték az elterjedt, a videotechnikában a P-P, ami +9 dB jel/zaj viszonyt ad videojelekre.
- A jel-zaj viszony kifejezésére elterjedt még a digitális rendszerek esetében az Eb/No hányados (az energia per bit per zajteljesítményspektrum-sűrűség – the Energy per bit per noise power spectral density).
Általánosabb, informális használata
A „jel-zaj viszony” általánosan elterjedt használata a hasznos információ és a hibás vagy nem releváns információ viszonyát adja meg, ezt a jelentést használják többnyire az internetes fórumokon is.
A kifejezést használja a Usenet is, abban az értelemben, hogy a témához nem tartozó (off-topic) üzenetek, a spam-ok mint „zajok” jelentkeznek, szemben a „jellel”, az érdemi információval, a levelezéssel.
Sok internethasználó előnyben részesíti a moderált fórumokat, mert a moderáció javítja a fórum jel-zaj viszonyát. A Wiki együttműködési modellje másként közelít a kérdéshez: minden felhasználó megkapja a „moderálás” lehetőségét, hogy a „jel” növelésével vagy a „zaj” csökkentésével javíthatja a jel-zaj viszonyt. Az a feltételezés, hogy a felhasználók nagyobb része hisz a projekt sikerében, ami arra motiválja őket, hogy a hozzájárulásaikkal javítsák a projekt jel-zaj viszonyát.
Jegyzetek
- ↑ Fixed-Point vs. Floating-Point DSP for Superior Audio Archiválva 2006. május 15-i dátummal a Wayback Machine-ben – Rane Corporation technical library
Források
- A digitális hangtechnika alapjai
- Learning by Simulations A simulation showing the improvement of the SNR by time averaging
- ADC and DAC Glossary Archiválva 2009. november 18-i dátummal a Wayback Machine-ben – Maxim IC
- Understand SINAD, ENOB, SNR, THD, THD + N, and SFDR so You Don't Get Lost in the Noise Floor – Analog Devices
- The Relationship of Dynamic Range to Data Word Size in Digital Audio Processing
Kapcsolódó szócikkek
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.
Analóg multiméterek túlterhelés elleni védelme
Egyenáram
Egyenáram mérése
Egyenirányítós lengőtekercses műszer
Elektromágnes (fizika)
Elektromos feszültség
Elektromos térerősség
Fáziseltolódás
Fázismutató
Fajlagos ellenállás
Feszültséggenerátor
Feszültségváltó
Forgó mágneses tér
Háromfázisú hálózat
Hőelektromosság
Hatásos ellenállás
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.