Не забывайте об отношении сигнал/шум

Это непростая задача, поскольку в системе может присутствовать множество источников шума, например, шум датчиков, шум преобразователей сигналов, неопределенность при аналого-цифровом преобразовании (представлена в виде шума) и погрешность программного алгоритма при выделении полезной информации из сигнала (также может быть представлена в виде шума).

Ярким примером системы с отличным отношением сигнал-шум является космический аппарат Voyager 2. Он был запущен 27 лет назад и удалился от Солнца более чем на 11 миллиардов километров. Ожидается, что передача сигнала с аппарата не прервется до 2020 года (43 года в полете), и НАСА получит триллионы бит информации от передатчика исключительно малой мощности по сравнению с теле- и радиостанциями на Земле. НАСА до сих пор успешно получает данные от источника, находящегося на расстоянии миллиардов километров от приемника и использующего электронику 1977 года, хотя данные и приходят с десятичасовой задержкой из-за огромного расстояния, несмотря на близкую к световой скорость (300000 км/с).

Voyager 2 вынужден бороться с дополнительными источниками шума, такими как внутренние шумы передатчика, космические электромагнитные шумы, шумы антенны, а также шумы приемника. Выделение полезной информации из зашумленного сигнала требует мощной фильтрации и применения сложных программных алгоритмов.

Определение отношения сигнал-шум, выраженного в децибелах

Отношение сигнал-шум часто выражается через десятичный логарифм отношения напряжений, полученный из логарифма отношения мощностей сигнала и шума (P=U2/R). Поскольку сигнал и шум проходят по одной цепи, сопротивления равны. Таким образом, логарифм их отношения равен нулю Log10( 1)=0

Немного расчетов

Расчет суммарного отношения сигнал-шум системы достаточно сложен, однако основное соотношение, определяющее значение в децибелах (дБ), довольно очевидно (см. уравнение). Этот способ определения отношения сигнал-шум обычно ассоциируется с теле- и радиосистемами связи. Современные автоматизированные системы управления нуждаются в новом определении отношения сигнал-шум, характеризующем системы сбора данных на основе высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Скорость и точность получения данных с датчика в автоматических системах управления технологически ми процессами чаще всего зависят от АЦП. Типичные значения разрешающей способности, точности, линейности, времени преобразования, скоростей дискретизации, монотонности характеристик, компонентных шумов составляющих и т.д. остаются важными для разработчиков систем. Тем не менее, для современных высокоскоростных АЦП с N-разрядным разрешением указывается параметр сигнал-шум, который более полно отражает динамические характеристики модулей сбора данных и является удобным параметром для сравнения качества различных систем сбора данных.

Отношение сигнал-шум идеального N-разрядного модуля АЦП с погрешностью неопределенности ±LSB/2 (LSB — значение младшего значащего разряда, шум «квантования»), выражается из основного соотношения и составляет 6,02*N+1,76 дБ. В настоящее время разработчики применяют дискретное преобразование Фурье (ДПФ) на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ), для вычисления параметра SINAD, равного отношению суммы мощностей сигнала, шума и искажений к сумме мощностей шума и искажений (SINAD) — выраженное в децибелах отношение уровня сигнала (SI) к уровню шума и искажений (NAD) модуля АЦП. Измеренные значения SINAD (исключая постоянную составляющую напряжения) используются для определения числа значащих разрядов (ENOB), которое является более практичной характеристикой, отражающей общее качество модуля АЦП. ENOB = (SINAD-1,76)/6,02. К примеру, рассмотрим 16-разрядный модуль АЦП с предусилителем, мультиплексором, устройством выборки-хранения, АЦП и выходным буфером, измеренное значение SINAD которого составляет 86,3 дБ. Используя вышеуказанную формулу, получим число значащих разрядов (ENOB) равное 14, которое означает, что данный 16-разрядный модуль соответствует идеальному 14-разрядному АЦП по значению SINAD. Частота, амплитуда и скорость дискретизации сигнала влияют на значение SINAD, измеряемое при помощи БПФ, и, следовательно, на значение ENOB. Разработчики систем управления технологическими процессами должны обязательно согласовывать методы измерения SINAD и ENOB с производителями.