отношение сигнал шум по напряжению

Отношение сигнал/шум, ОСШ

– заметки или учебник раскрывающие суть отношения сигнал/шум, ОСШ, измерения отношения сигнал/шум, и формулы отношения сигнал/шум.

Шумовые характеристики а, следовательно, и отношение сигнал/шум – это ключевые параметры для любого радиоприемника. Отношение сигнал/шум, или ОСШ, как его часто называют – это характеристика чувствительности приемника. Это имеет первостепенную важность для всех приложений, от простых радиопередающих устройств, до тех, которые используются в сотовой или беспроводной связи, а также в фиксированной или подвижной радиотелефонной связи, двусторонней радиосвязи, систем спутниковой связи и многих других.

Существует ряд способов, при которых шумовая характеристика, и, следовательно, чувствительность радиоприемника могут быть измерены. Наиболее очевидным методом является сравнение сигнала и шума для известного уровня сигнала, т. е. отношение сигнал/шум (С/Ш) или ОСШ. Очевидно, что чем больше разница между сигналом и нежелательным шумом, т. е. чем больше соотношение С/Ш или ОСШ, тем лучше чувствительность радиоприемного устройства.

Как и в случае измерения любой чувствительности, производительность радиоприемника в целом определяется производительностью последнего каскада УРЧ. Любые шумы, которые поступили на вход первого каскада УРЧ, будут суммироваться с сигналом и усиливаться в последующих усилительных каскадах приемника. В случае, когда шумы, поступившие в первые каскады УРЧ, будут в наибольшей степени усиливаться, этот УРЧ станет наиболее критичным, с точки зрения чувствительности приемника, по производительности. Таким образом, первый усилитель любого радиоприемника должен быть малошумящим.

Концепция отношение сигнал/шум ОСШ.

Хотя существует множество способов измерения чувствительности радиоприемника, отношение C/Ш или ОСШ является одним из самых простых и применяется во множестве приложений. Однако оно имеет ряд ограничений и, несмотря на то, что оно широко используется, другие методы, в том числе коэффициент шума, также часто используются. Тем не менее, отношение С/Ш или ОСШ является важным показателем и широко используемой мерой чувствительности приемника.

Отношение сигнал/шум для радиоприемника

Разница обычно определяется как отношение сигнала к шуму (С/Ш) и, как правило, выражается в децибелах. Так как уровень входного сигнала, очевидно, имеет влияние на это отношение, уровень входного сигнала должен быть известен. Он обычно выражается в микровольт. Как правило, определенный уровень входного сигнала, необходимый, чтобы величина отношения сигнал/шум составляла 10 дБ, задан.

Формула отношения сигнал/шум

Отношение сигнал/шум – это отношение между полезным сигналом и нежелательным мешающим шумом.

Более привычно видеть отношение сигнал/шум, выраженное в логарифмических единицах с использованием децибел:

Если все составляющие выразить в децибелах, то формула может быть упрощена до:

Значение мощности может быть выражено в таких уровнях, как дБм (децибел относительно милливатта или каких-то других величин, уровни которых можно сравнить).

Влияние ширины полосы пропускания на ОСШ

Ряд других факторов, помимо основных показателей, могут повлиять на отношение сигнал/шум, ОСШ. Первый фактор – это реальная пропускная способность приемника. Поскольку шум распространяется во всем диапазоне частот, то обнаружили, что чем шире полоса пропускания приемника, тем выше уровень шума. Соответственно полоса пропускания приемника должна быть определена.

Кроме того, установлено, что использование амплитудной модуляции влияет на уровень модуляции. Чем выше уровень модуляции, тем выше аудиосигнал на выходе приемника. При измерении уровня шума измеряется и выходной аудиосигнал приемника и, соответственно, уровень модуляции AM на него влияет. Обычно коэффициент модуляции, соответствующий 30 %, выбран для этого измерения.

Спецификация отношения сигнал/шум

Данный метод измерения эффективности, наиболее часто используется для ВЧ приемников. Как правило, можно ожидать фигуру отношение С/Ш в районе 0,5 мкВ на 10 дБ полосой частот в 3 кГц с ОБП или Морзе. Для АМ можно ожидать отношение С/Ш в 1,5 мкВ на 10 дБ и полосой частот в 6 кГц при уровне модуляции (АМ) 30 %.

На что следует обратить внимание при измерении отношения сигнал/шум

ОСШ – это очень удобный способ количественной оценки чувствительности приемника, но существуют некоторые моменты, которые следует учитывать при интерпретации и измерения отношения сигнал/шум. При исследовании этого необходимо обратить внимание на способ измерения отношения сигнал/шум, ОСШ. Откалиброванный генератор ВЧ сигналов используется в качестве источника сигнала для приемника. Он должен иметь точный метод настройки выходного уровня до очень низких уровней сигнала. Затем на выходе приемника универсальным вольтметром переменного тока, измеряется уровень выходного сигнала.

С/Ш и (С+Ш)/Ш. При измерении отношения сигнал/шум имеются две основные величины измерения. Одна – это уровень шума, а другая – уровень сигнала. Как результат способа, с помощью которого сделаны измерения, часто измерение полезного сигнала также включает в себя шум, т. е. это измерение сигнал + шум. Это, как правило, не является слишком большой проблемой, так как уровень сигнала, как и предполагалось, будет намного выше, чем уровень шума. В связи с этим некоторые производители приемников будут указывать несколько иное отношение: а именно сигнала и шума к шуму (С+Ш)/Ш. На практике разница не большая, но отношение (С+Ш)/Ш является более корректным.

РП и ЭДС. Иногда в спецификации генератора сигналов упоминается, что это либо генератор разности напряжений, либо генератор ЭДС. На самом деле это очень важно, потому что существует коэффициент, равный 2 : 1 между двумя уровнями. Например, 1 мкВ ЭДС и 0,5 мкВ РП одинаковы. ЭДС (электродвижущая сила) – это напряжение холостого хода генератора, в то время как РП (разность потенциалов) измеряется при нагруженности генератора. Результат способа работы схемы генератора предполагает, что приложена действительная нагрузка (50 Ом). Если нагрузка не равна этому значению, то возникнет ошибка. Несмотря на это, большая часть оборудования будет принимать значения в PП, если не указано иное.

Хотя существует много параметров, которые используются для указания характеристики чувствительности радиоприемников, отношение сигнал/шум является одним из основных и легко понимаемых. Поэтому широко используется для различных радиоприемников, используемых в приложениях, начиная от радиоприема до фиксированной или подвижной радиосвязи.

Источник

ВАЖНЫЕ СИГНАЛЫ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ВАШЕГО АНГЕЛА-ХРАНИТЕЛЯ (Ноябрь 2021).

Table of Contents:

Возможно, вы столкнулись с указанной спецификацией продукта или, возможно, даже услышали или прочитали дискуссию о соотношении сигнал / шум. Часто сокращается как SNR или S / N, эта спецификация может показаться загадочной для среднего потребителя. В то время как математика за отношением сигнал / шум является технической, концепция не является, и это значение может повлиять на общее качество звука системы.

Объяснение отношения сигнал-шум

Отношение сигнал / шум сравнивает уровень мощности сигнала с уровнем мощности шума. Это чаще всего выражается как измерение децибел (дБ). Более высокие числа обычно означают лучшую спецификацию, так как есть более полезная информация (сигнал), чем есть нежелательные данные (шум).

Например, когда аудиокомпонент отображает отношение сигнал / шум 100 дБ, это означает, что уровень аудиосигнала на 100 дБ выше уровня шума. Соотношение сигнал-шум 100 дБ значительно лучше, чем значение, равное 70 дБ (или меньше).

Почему отношение сигнал-шум важно

Спецификации для соотношения сигнал / шум можно найти во многих продуктах и ​​компонентах, которые касаются аудио, таких как динамики, телефоны (беспроводные или другие), наушники, микрофоны, усилители, приемники, проигрыватели, радиоприемники, CD / DVD / медиаплееры, Звуковые карты ПК, смартфоны, планшеты и многое другое. Однако не все производители легко знают это значение.

Пока входящий сигнал силен и значительно превышает уровень шума, звук будет поддерживать более высокое качество. Это то хорошее отношение сигнал-шум, которое люди предпочитают для четкого и точного звука.

Но если сигнал оказывается слабым, некоторые могут подумать просто увеличить громкость, чтобы увеличить выход. К сожалению, регулировка громкости вверх и вниз влияет как на уровень шума, так и на сигнал. Музыка может стать громче, но так же будет основной шум. Для достижения желаемого эффекта вам нужно будет увеличить только уровень сигнала источника. Некоторые устройства оснащены аппаратными и / или программными элементами, которые предназначены для улучшения отношения сигнал / шум.

К сожалению, все компоненты, даже кабели, добавляют некоторый уровень шума к звуковому сигналу. Это лучшие, которые предназначены для обеспечения минимального уровня шума, чтобы максимизировать коэффициент. Аналоговые устройства, такие как усилители и проигрыватели, обычно имеют более низкое отношение сигнал / шум, чем цифровые устройства.

Конечно, стоит избегать продуктов с очень слабыми отношениями сигнал-шум. Однако отношение сигнал / шум не должно использоваться в качестве единственной спецификации для измерения качества звука компонентов. Следует также учитывать частотную характеристику и гармонические искажения.

Что такое импеданс спикера и почему это имеет значение

Динамики имеют спецификацию импеданса, измеренную в омах. Узнайте, как 4-омные и 8-омные динамики создают аудио и как они используются.

Альянс Ultra HD: что это такое и почему это имеет значение

Ultra HD Premium: что это значит и почему это имеет значение? Наконец, миры технологий UHD и HDR TV получают определенную ясность.

Источник

Аудиофилькина грамота: немного букв о критериях качества, характеристиках и классах HI-FI усилителей

В комментариях к предыдущим статьям возникало масса вопросов относительно выбора HI-FI усилителя. Судя по комментариям и специфическим форумам, на текущий момент актуальны вопросы о критериях качества звука при выборе современных усилителей, о паспортных характеристиках, значимых при покупке, о зависимости качества (верности воспроизведения) от класса усилителя. Отдельно спрашивают о том, действительно ли все усилители класса D хуже, чем усилители других классов. Под катом краткие ответы на эти вопросы.

Критерии качества и проблема компетенций потребителя

Существует несколько подходов потребительского определения качества, но ни один не дает гарантию удачной покупки. Если верность воспроизведения и мощность (громкость) можно оценить субъективно, то с надежностью и стабильностью параметров могут возникнуть проблемы. Сталкивался даже со случаями, когда очень прилично звучащие дорогие усилители малоизвестных high end производителей начинали работать как генераторы, начинали издавать гул в приступе самовозбуждения.

Если не вдаваться в подробности, то для понимания качества продукта следует обладать минимальными познаниями в схемотехнике усилителей и физике процессов, на которых они построены, иметь на руках схему конкретного усилителя и знать об особенностях элементов, использованных в конструкции устройства. Т.е. в идеале для такой оценки нужно быть инженером или как минимум опытным радиолюбителем. Большинство покупателей такими компетенциями не обладает. Это дает возможность для многочисленных маркетинговых манипуляций, начиная от внешнего вида устройства, заканчивая манипулятивным подходом к измерениям базовых параметров.

Формальными критериями качества усилителя для потребителя являются данные мануалов или даташитов. Следует помнить, что они отражают реальную картину лишь в том случае, если измерения проведены в рамках принятых стандартов и там обязательно должна быть указана мощность устройства, диапазон воспроизводимых частот и неравномерность АЧХ, коэффициент нелинейных искажений, соотношение сигнал/взвешенный шум, перечислены аналоговые и цифровые интерфейсы. Реже в документации можно встретить данные о демпфинг-факторе, переходном затухании между каналами и различии усиления каналов.

Мощность

Любые данные в даташитах могут искажаться с целью маркетингового манипулирования. Чаще это происходить с мощностью, о чем мы писали здесь. Так, вместо RMS и DIN, которые имеют четкие критерии расчета, могут использоваться термины вроде program power, которые, по сути, ничего не значат, так как методика расчета мощности известна только создателям усилителя. Тут имеет смысл посмотреть на значение потребляемой мощности, если она приблизительно равна, незначительно больше, и тем более, если меньше заявленной program power, то данные о мощности явно искажены, а использованная методика измерения не дает увидеть сколько-нибудь реальной картины.

Для потребителя это означает, что следует искать в указание RMS и то, что ориентироваться на значение Program power нельзя, т.к. это значение фактически означает т.н. маркетинговую мощность устройства. Достоверные значения это:

DIN — значение мощности на реальной нагрузке (для усилителя), ограниченной появлением нелинейных искажений. Измеряется подачей сигнала с частотой 1 кГц на вход устройства в течение 10 минут. Мощность замеряется при достижении 1 % THD (КНИ). Этот стандарт расчета мощности идентичен японскому стандарту EIAJ, принятому Electronic Industries Association of Japan.

DIN Music Power описывает значение длительной нагрузки музыкальным сигналом без риска повреждения. IEC Power — тот же DIN Music Power, но со строго определённой длительностью измерений в 100 часов.

RMS (Rated Maxmum Sinusoidal) — максимальная (предельная) синусоидальная мощность, при которой усилитель или колонка может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. Обычно на 20 — 25 % выше DIN. RMS практически аналогичен AES power, определённый стандартом AES2-1984.

В советской и российской документации также можно встретить параметр “Номинальная мощность” — он определяется при среднем положении регулятора громкости усилителя, при которой остальные параметры устройства соответствуют заявленным в техническом описании. Это манипулятивный показатель, как и program power, так как может измеряться при наиболее выгодном значении нелинейных искажений и может подгоняться под действующие стандарты. Что интересно, при всей манипулятивности “Советский номинал”, как правило, ниже прочих значений, например, номинальная мощность 35 Вт приблизительно соответствует 110 Вт RMS (AES power), 90 Вт — IEC Power (DIN Music Power). Значения Program power обычно в два раза (и более) больше RMS, т.е. 35 Вт номинала могут соответствовать 220 Вт Program power.

АЧХ и частотный диапазон

Ещё интересней с частотным диапазоном. Известно, что человек способен слышать частоты от 20 Гц до 20 кГц, при этом в музыкальном сигнале HiRes форматов могут сохраняться ультразвуковые составляющие записи. При этом, очевидно, что широкий частотный диапазон усилителя создается не просто так. Повышение верхнего порога частотного диапазона — это способ улучшить переходную характеристику усилителя, так как области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен. Подробнее об этом здесь.

Так, действующие до настоящего времени ГОСТ 24388-88. Усилители сигналов звуковой частоты бытовые. Общие технические условия, частично заимствованный из немецкого стандарта DIN 45500 1977 года и доработанный, предполагает для усилителей нулевой группы сложности (т.е. высокой верности воспроизведения) частотный диапазон 10 до 40000 Гц, а для усилителей первой группы сложности — от 20 до 25000 Гц.

При этом неравномерность в стандарте указывается как раз в диапазоне слышимых частот и должна составлять не больше ±0,3 дБ для нулевой и ±0,5 для первой группы. Актуальным международным стандартом для усилителей является IEC 60268-3: 2018, нормы стандарта относительно АЧХ практически идентичны российскому (советскому) ГОСТ и немецкому DIN 45500.

Для потребителя это означает, что имеет смысл выбирать усилитель с диапазоном воспроизводимых частот как минимум от 20 Гц до 20 кГц с неравномерностью АЧХ не более ±0,5 дБ. Также, если верность воспроизведения очень критична, имеет смысл выбирать усилитель с диапазоном от 10 Гц до 40 кГц (и выше) и неравномерностью в слышимом спектре (от 20 Гц до 20 кГц) не более ±0,3 дБ. Подчеркну, не потому, что покупатель стал летучей мышью и слышит выше 20 кГц, а от того, что расширение частотного диапазона улучшает переходную характеристику.

КНИ (THD)

К значимой характеристике усилителя, которая объективно говорит о качестве, относится коэффициент гармонических (нелинейных) искажений (total harmonic distortion), согласно того же советского стандарта для предварительных и интегральных усилителей (как отдельных устройств) он должен составлять до 0,005% и для усилителей мощности до 0,007% для нулевой группы. А также 0,05% и 0,07%, соответственно, для первой группы. Как и в случае с АЧХ, аналогичные требования существуют во всех современных (и не очень) мировых стандартах для аудиоаппаратуры высокой верности воспроизведения.

Для потребителя это означает, что имеет смысл искать усилитель со значением КНИ с максимальным значением КНИ от 0,07%, а при высоких притязаниях и аудиофильских требованиях к верности воспроизведения 0,007% и ниже. Надо сказать, что найти такой усилитель достаточно просто, так как большинство современных могут похвастаться сравнительно низким КНИ.

Надо отметить, что помимо гармонических искажений, усилительная аппаратура является источником интермодуляционных, которые крайне редко попадают в даташиты, а между тем, серьезно вредят верности воспроизведения, воспринимаются, как замыленность звука. Стандарт DIN 45500, считающийся источником норм для аппаратуры HI-FI-класса, определял, что для усилителей высокой верности воспроизведения “коэффициент интермодуляционных искажений (IMD) в полосе воспроизводимых частот 250—8000 Гц (также вне этой полосы при снижении уровня звукового давления на 6 дБ)”, не должен превышать 3 %.

Из 400 даташитов и мануалов усилителей, которые мне доводилось видеть за последнее время, значения IMD были указаны в пяти, все они стояли больше 100К рублей. И дело даже не в том, что производитель во чтобы-то ни стало пытается скрыть истину, а в том, что измерение дополнительного параметра, о котором знает от силы 0,1% потребителей массовой техники, расценивается как не очень рациональное решение.

Для потребителя это означает, что скорее всего даже в документах достаточно дорогих устройств он этого параметра не найдёт. Определить интермодуляции можно на слух для этого достаточно использовать записи детского и женского дикант хора. Нужно постараться сконцентрировать внимание на отдельных голосах, если этого сделать не удаётся, а отдельные голоса слышаться не четко — вероятно, речь идёт о достаточно большом коэффициенте интермодуляционных искажений. Важно также понимать, что их источником может быть не усилитель, а акустическая система, поэтому для этого субъективного теста имеет смысл использовать лучшую из возможных акустических систем либо сравнение с неким эталонным усилителем на одной акустической системе.

Отношение сигнал/взвешенный шум

Отношение сигнал/взвешенный шум — параметр усилителей, демонстрирующий уровень шума при отсутствии сигнала. В соответствии с упоминавшимися стандартами, соотношение сигнал/взвешенный шум должно быть не менее 80 — 90 дБ для предварительных и интегральных HI-FI усилителей и 100 — 110 для усилителей мощности высокой верности. Минимальным значением для предварительных и интегральных усилителей является 63 дБ и для усилителей мощности — 86 дБ. Надо сказать, что с этим параметром у большинства современных усилителей полный порядок, и если значения существенно отличаются от приведённых выше, можно говорить, что речь идёт явно об устройстве низкого качества.

Потребителю имеет смысл обратить внимание на соотношение сигнал/взвешенный шум, так как попытки сделать схемотехническое решение дешевле или не очень профессиональный подход к разводке печатной платы в современной аппаратуре иногда дают плачевные результаты. Важно, чтобы значение было как минимум 60-80 дБ, для притязательных меломанов следует ориентироваться на 90 дБ и выше.

Ламповые чудеса

Иногда в дорогих ламповых устройствах показатель сигнал/взвешенный шум ниже, в силу несовершенства архаичных схемотехнических решений, когда этот параметр отдается в “жертву” ради каких-либо других полезных, с точки зрения создателей или эксцентричных потребителей, эффектов, например, какого-то характерного звучания, которое оценивают, как более “музыкальное”, “тёплое”, “жанрово совместимое”. К слову, аналогичная история происходит с нелинейными искажениями. Так, коэффициент гармоник даже в сверхдорогих ламповых усилителях может достигать 3 и даже 5%.

Классы усилителей

Традиционно считается, что наибольшей верностью воспроизведения обладают усилители класса A. В теории, простая схемотехника и, как правило, однотактный режим работы без отсечки сигнала позволяет свести к минимуму нелинейные искажения (как THD, так и IMD), а также уменьшить порядок гармоник. Обратной стороной решения являются крошечные КПД, которые редко превышают 15 — 17%, а соответственно, дополнительными проблемами становятся громадные размеры и масса. Закономерно растет и энергопотребление.

Для потребителей, стремящихся к максимальной верности воспроизведения, не стесненных в средствах и не опасающихся огромной массы и габаритов — этот вариант идеален. Для всех остальных не рационален и неприемлем.

В классе B, режим работы двухтактный, элемент (лампа, npn-транзистор) воспроизводит либо положительные, либо отрицательные(pnp-транзисторы) входные сигналы. При этом угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину, в связи с чем растут IMD и THD. Достоинством режима является сравнительно высокий КПД, который в теории может достигать 75%. Сегодня этот класс почти полностью заменили усилители класса D класса A/B.

Из класса АВ, понятно, что это попытка объединить высокий КПД и низкий коэффициент нелинейных искажений. Чтобы отказаться от ступенчатого перехода, существующего в классе B, применяют угол отсечки 90 градусов и более при переключении усилительных элементов. Соответственно, рабочая точка находится в начале линейного участка вольтамперной характеристики. По этой причине исключается запирание усилительных элементов и через них протекает ток покоя, порой достаточно значительный. Это несколько снижает КПД, по сравнению с классом B, но значительно уменьшает нелинейные искажения. Недостатком этого класса является незначительная проблема стабилизации тока покоя, которая решается различными способами.

Самым распространенным, дешевым и высокопроизводительным, а также одним из самых спорных классов усилителей, является класс D. Такие усилители часто называют цифровыми, так как для усиления используется ШИМ-модуляция. Они состоят из блока фильтрации, 4-х канального ШИМ-контроллера, усилителя тока, выходного НЧ-фильтра, блока защит и блока питания. Ключевое достоинство: предельно высокий, по сравнению с другими классами КПД, в теории способный достигать 90% и более. Также класс D имеет ряд проблем, а именно:

Сухой остаток

Основными критериями качества для усилителей являются такие параметры, как мощность, АЧХ, THD. Также имеет смысл обратить внимание на IMD и соотношение сигнал/взвешенный шум. Стандартами, созданными в разных странах за после 40 лет описаны значения этих, которым должны соответствовать усилители высокой верности воспроизведения, к таким стандартам относятся DIN 45500, ГОСТ 24388-88, IEC 60581, IEC 60268-3: 2018, в соответствии с нормами которых созданы большинство современных усилителей. Усилитель высокой верности воспроизведения можно построить в любом классе, в том числе и в классе D, которые в настоящий момент являются наиболее распространёнными. Я постарался выбрать критерии наиболее значимые для верности воспроизведения усилителя. Описал безусловно не все, так демпфинг фактор, разделение каналов по усилению и переходное затухание между стереоканалами я оставил для других материалов. Если вам есть, что добавить — буду искренне признателен за дополнительные сведения в комментариях.

В нашем каталоге представлен широкий ассортимент разнообразной электроники: наушников, усилителей, акустических систем, телевизоров и других устройств, мы также не обошли стороной приверженцев божественного звука.

Источник