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不要忽视信噪比

作者:Bill McGovern,Dataforth 公司项目经理2006.07.19阅读 3575

  无论是自动过程控制系统还是太空飞行器,信噪比SNR)都是信息通信上衡量系统质量的一个度量CONTROL ENGINEERING China版权所有,也是系统设计中的一个参数。显而易见的是:SNR值越大,系统或器件的性能就越好,但是维持高的信号水平通常是不现实,所以解决方案一般都是抑制电子噪声
  提高信噪比绝不是一项简单的任务,因为系统中存在有大量噪声源,常见的包括传感器噪声、信号调节电子噪声、模数转换误差(可建模为噪声)、以及从信号中提取数据的软件算法错误(可建模为噪声)。
  旅行者二号宇宙飞船是SNR管理的一个极端例子。这艘飞船于27年前发射CONTROL ENGINEERING China版权所有,已经飞出了我们的太阳系70多亿英里,预计还将继续传送数据直到2020年为止(飞行43年)。它向NASA发送了数万亿比特的数据,其信号发射器功率仅与地球上的广播和电视基站相当,但NASA仍然可以从几十亿英里外接收到这些信息,而它使用的还是1977年制造的古老的宇宙飞船电子设备。由于距离遥远,这些以接近光速(18.6万英里每秒)传播的无线电波信号的延迟有10个小时之多。

信噪比定义的详细描述
图:SNR通常被表示为电压比值,这是从最初的功率比值定义转换而来
的,关系为:功率= V2/R。电阻项是多余的可以去掉,因为

测量时信号
和噪声电压通过的电阻值通常是相等的,所以有Log10(1)= 0。

  旅行者二号还要抵抗其它噪声源的干扰,例如发射器内部产生的噪声、空间电磁波、天线和接收器电子噪声等。从“嘈杂”的通信系统信号中提取信息需要大量的滤波处理和精密复杂的软件算法。
  数学运算
  计算总的系统SNR的算法是很复杂的,但是以分贝(dB)表示的基本定义还是非常直观的(请参见所附方程式)。SNR的这个原始定义一般和音频、广播或电视通信信号相关。如今的自动过程控制系统需要现代的SNR定义,以表征使用高速模数转换器(ADC)拓扑结构的数据采集系统。
  通常控制工程网版权所有,过程控制系统里的ADC决定了采集传感器数据的精度和速度。典型的规格参数www.cechina.cn,比如分辨率、精度、线性度、转换时间、采样速率、单调响应、元件噪声,等等,对于系统设计者来说仍然非常重要。但是,如今N位分辨率的高速ADC的SNR规格更准确表征了过程控制数据采集模块的动态行为,为比较数据采集系统的行为提供了有效的工具。
  一个转换误差为±LSB/2(“量化”噪声)的理想N位ADC模块的信噪比可以由SNR的电压形式推导得到,即SNR=6.02×N+1.76 dB。现在,通过使用快速傅立叶变换(FFT)算法来计算离散傅立叶变换(DFT),制造商可以测量ADC模块的SINAD——信号(SI)与噪声及失真(NAD)的dB电压比。测量的SINAD(直流除外)值被用来计算有效位数(ENOB),这是更真实表征ADC模块总体性能的规格参数,ENOB=(SINAD-1.76)/6.02。
  例如,考虑一个包含前置放大器、多路复用器、采样保持、ADC和输出缓冲的16位ADC模块,其测量的SINAD值为86.3dB。使用上面的公式可以算得ENOB=14,意味着该16位模块的性能在这种SINAD条件下相当于一个理想的14位ADC。SINAD的FFT测量受信号频率、幅度、以及采样速率的影响,ENOB值因此也当然会受到影响,所以过程控制设计者应该向制造商进行咨询www.cechina.cn,再决定SINAD和ENOB的测量方法。









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