Отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal-to-noise ratio , сокр. SNR ) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.
S N R = P s i g n a l P n o i s e = ( A s i g n a l A n o i s e ) 2 <displaystyle mathrm
ight)^<2>>
где P — средняя мощность, а A — среднеквадратичное значение амплитуды. Оба сигнала измеряются в полосе пропускания системы.
Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.
S N R ( d B ) = 10 log 10 ( P s i g n a l P n o i s e ) = 20 log 10 ( A s i g n a l A n o i s e ) <displaystyle mathrm =10log _<10>left(
ight)=20log _<10>left(
ight)>
Содержание
Основные причины низких шумовых характеристик [ править | править код ]
Основные причины высокого уровня шума в сигнальных системах:
- рассогласованные линии передачи сигнала,
- тепловой шум и дробовой шум в компонентах системы,
- недостаточная разрядность АЦП,
- резонансные явления,
- паразитные связи (паразитная ёмкость),
- самовозбуждение системы,
- нелинейность передаточных характеристик [уточнить] .
Методы улучшения характеристик [ править | править код ]
Чаще всего улучшения шумовых характеристик системы можно добиться правильным согласованием входов и выходов её составных частей. Тогда паразитная ЭДС помехи, включённая последовательно с высоким внутренним сопротивлением источника шума будет подавлена.
Снижение собственных шумов усилительного тракта (малошумящие усилители) достигается соответствующими схемотехническими решениями, в частности применением активных и пассивных компонентов с низким уровнем шума.
Если спектр полезного сигнала отличается от спектра шума, улучшить отношение сигнал/шум можно ограничением полосы пропускания системы.
Шум квантования устраняется повышением разрядности АЦП.
Для улучшения шумовых характеристик сложных комплексов применяются методы электромагнитной совместимости.
Измерение [ править | править код ]
В аудиотехнике отношение сигнал/шум определяют путём измерения напряжения шума и сигнала на выходе усилителя или другого звуковоспроизводящего устройства среднеквадратичным милливольтметром либо анализатором спектра. Современные усилители и другая высококачественная аудиоаппаратура имеет показатель сигнал/шум около 100—120 дБ.
В системах с более высокими требованиями используются косвенные методы измерения отношения сигнал/шум, реализуемые на специализированной аппаратуре.
В звукотехнике [ править | править код ]
Отношение сигнал/шум — параметр АЦП, ЦАП, микшера, микрофонного, предварительного или оконечного усилителя, например усилителя активных колонок. Он показывает, насколько сильно шумит звуковое устройство (обычно от 60 до 135,5 дБ) при отсутствии сигнала. Чем выше значение сигнал/шум, тем более чистый звук и больший динамический диапазон обеспечивается системой. Для музыкальных целей желательно, чтобы этот параметр был не менее 75 дБ, а для систем с высококачественным звучанием не менее 90 дБ. Телефонный речевой канал имеет С/Ш около 30 дБ.
В видео [ править | править код ]
Отношение сигнал/шум — отношение уровня электрического сигнала к уровню шума этого сигнала, численно определяет содержание паразитных шумов в сигнале. Чем больше значение отношения сигнал/шум для видеосигнала, тем меньше помех и искажений имеет изображение на экране монитора. Значения отношения от 45 до 60 дБ соответствуют приемлемому качеству видеосигнала, значение менее 40 дБ означает высокий уровень шумов в видеосигнале и, как следствие, низкое качество видеоизображения.
Динамический диапазон и сигнал/шум
Пэт Браун раскрывает важнейшие понятия в оптимизации работы аудио-системы.
Достаточное отношение сигнал/шум является одной из характеристик профессионально разработанной системы звукоусиления. Термины «динамический диапазон» и «сигнал-шум» часто используются как синонимы, но при ближайшем рассмотрении оказывается, что они совсем не то же самое.
Динамический диапазон звуковой системы это разница в уровне между высшим пиком сигнала, который может быть воспроизведен системой (или устройством в системе) и амплитудой высшей спектральной составляющей шума.
Каждый электронный прибор имеет свой динамический диапазон, который определяется, прежде всего, ограничениями электропитания и уровнем остаточного шума прибора. Сильная узкополосная компонента порога шума устройства ограничивает динамический диапазон системы.
Соотношение сигнал/шум это разница между средним уровнем сигнала и средним уровнем шума. Устройство, которое работает на некоем среднем выходном уровне программного материала, должно иметь пики, которые превышают этот уровень на 10-20 дБ.
Именно поэтому мы держим средний уровень около «0» на RMS-индикации на мастере, а весь остальной размах напряжения резервируется для пиков в программном материале. Средний уровень (average level) имеет важное значение — это то, по чему мы, как слушатели, судим о программной громкости.
Если использовать вольтметр для измерения RMS-значений остаточного шума устройства, отношение сигнал/шум будет равно разнице в уровне между этим значением (обычно выраженным в dBV или dBu) и номинальным «нулевым» выходным уровнем (также выраженным в dBV или dBu). При этом предпочтительно, чтобы устройство работало на уровне «около ноля», подобно тому, как большинство микшерных консолей для оптимизации их структуры усиления.
Динамический диапазон системы (или компонента системы) не зависит от присутствия сигнала. Это просто разница между максимально возможным неискаженным выходным уровнем и самым высоким уровнем собственного шума (обычно А-взвешенного) какого-либо компонента в системе. Соотношение «сигнал/шум» требует наличия сигнала, поэтому оно должно измеряться при фактическом использовании системы или компонента системы.
Система с широким динамическим диапазоном может иметь плохое соотношение «сигнал/шум» из-за неудачного способа её эксплуатации. «Динамический диапазон» можно использовать для описания производительности, которой можно добиться от системы или устройства, в то время как «сигнал/шум» может использоваться для описания того, что фактически достигнуто на практике.
На практике
Для измерения уровня звукового давления (SPL) при живом выступлении SPL-метр должен использовать А-взвешивание, а измерительный микрофон должен находиться в типичной позиции слушателя, на высоте около метра.
А-взвешивание обычно используют, поскольку эта шкала, как и люди, наиболее чувствительна к части спектра от 1 кГц до 4 кГц. Поскольку большинство измерителей звукового давления имеют возможность усреднения измерений, то это дает средний уровень звукового давления при исполнении.
На графике справа — кривые А-, В-, и С-взвешиваний.
Конечно, пики в программном материале повышают это среднее значение, хотя измеритель не может реагировать достаточно быстро, чтобы прочитать их. Этот «лаг измерения» составляет обычно порядка 10 дБ, но может быть выше (или ниже) в зависимости от программного материала.
Теперь, если все источники звука на сцене замолчат (но микрофоны останутся открытыми), то можно будет измерить уровень собственных шумов системы, тем же SPL-метром, и тем же способом. В правильно спроектированной звуковой системе этот шум будет создаваться окружающей средой из открытых микрофонов (но не остаточными шумами электронных компонентов).
В аудитории с собственным уровнем шума 40 дБА, отношение сигнал/шум с типичным «лекторским» микрофоном будет только порядка 37 дБ со «средним» спикером (77 dBA), стоящим на расстоянии 1 фут от микрофона. Десять открытых микрофонов могут повысить минимальный уровень шума еще на 10 дБ, если их чувствительность и настройки такие же, как у первого микрофона, исходя их 10 log (количество открытых микрофонов) = 10 дБ.
К сожалению, для повышения отношение сигнал/шум системы в данном случае нет никакого выбора, увеличение уровня полезного сигнала также приведет к увеличению шума. Это очевидное последствие применения дальних микрофонов и невозможности отключения ненужных микрофонов.
Теперь, если сильный вокалист способен произвести 120 dBA в ручной микрофон в этой же системе (что не редкость для вокалистов, поющих в ручные, ближние микрофоны), то сигнал/шум будет порядка 80 dB (120 dB — 40 dB = 80 dB). Вот почему мы настаиваем, что правильная микрофонная техника имеет важное значение для хорошей производительности, поскольку, в конечном счете, влияет на соотношение сигнал/шум системы.
Мы используем минимальное значение в 25 dB для отношения сигнал/шум в звуковой системе в аудитории с большим количеством открытых микрофонов.
Скажем, в той же системе самый громкий звук, который система может произвести линейным способом, будет 110 dBA в том же положении слушателя.
Даже если система эксплуатируется на среднем уровне в 90 dBA, пики такого масштаба, безусловно, возможны. Наивысший программный пик будет определяться используемым громкоговорителем и усилителем мощности, подключенным к нему. Мы сейчас имеем один ингредиент, который требуется, чтобы найти динамический диапазон системы.
Если самым громким компонентом шума является гул от кондиционера, который находится на уровне 35 dBA, то динамический диапазон системы некуда увеличивать (110 dBA — 35 dBA = 75 dBA). Динамический диапазон может быть увеличен только путем отключения кондиционера, чтобы удалить гул.
Как вы можете видеть из этих примеров, среда определяет и динамический диапазон, и отношение сигнал/шум звуковой системы. Поскольку большинство электронных компонентов в системе имеют динамический диапазон порядка 100 dB или больше, звуковая система сама по себе никогда не должна быть слабым звеном, когда дело доходит до конечного результата для слушателя. Профессиональная система должна иметь динамический диапазон не менее 96 dB со всеми работающими электронными устройствами.
Только для студии или домашнего кинотеатра порог шума электронных устройств должен быть фактором, определяющим динамический диапазон или отношение сигнал/шум в положении слушателя. Поэтому можно спроектировать акустическую систему с очень широким динамическим диапазоном, но в целом соотношение сигнал/шум может быть довольно низким из-за особенностей самого помещения.
Можно даже спроектировать систему с более чем 100 dB динамического диапазона в каждом компоненте, и обнаружить, что сигнал/шум резко уменьшается во время фактического использования из-за неверно установленной структуры усиления (диаграммы уровней) при настройке системы. Наиболее распространенной причиной этого является применение усилителей, открытых «на-полную», что приходится компенсировать, держа средний уровень на мастере микшерной консоли на уровне -20 dBV.
При проектировании системы мы выбираем отдельные компоненты, которые имеют широкий динамический диапазон, и затем калибруем систему, чтобы достичь максимального соотношения сигнал/шум.
Пэт и Бренда Браун
Электретные микрофоны
Начиная с 1970-х годов, получили широкое распространение. Для диафрагмы применяется специальная металлизированная поляризованная пленка, способная удерживать длительное время заряд, что позволяет не использовать поляризующее напряжение
Из новых направлений можно отметить активно проводимые в последние годы на фирме Sennheiser работы по созданию оптических микрофонов, принцип действия которых показан на рис. 6.3.8: луч лазера падает на диафрагму, при колебаниях которой модулируется отраженный световой поток, затем с помощью фотодиода он преобразуется в переменный электрический сигнал. Первые образцы таких микрофонов уже были продемонстрированы фирмой Sennheiser на конгрессах AES.
Широкое распространение в современной практике звукозаписи получили радиомикрофоны, обеспечивающие передачу сигналов за счет частотной модуляции высокочастотных волн (обычно в диапазоне 450-950 МГц) звуковыми колебаниями. Это позволяет обеспечить беспроводную передачу сигналов на расстоянии до 100 м и более. Аналогично используется система беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне.
По областям применения микрофоны разделяются на множество групп, отличающихся конструктивными особенностями и параметрами, — например, студийные, репортажные, для служебной связи, для систем озвучивания и т. д.
Чувствительность, SPL, соотношение сигнал шум, выходное сопротивление, размеры мембраны. Приемники давления и градиента давления. Коммутация, предварительное усиление.
К микрофонам предъявляются очень жесткие требования: — по техническим параметрам (большой динамический диапазон — до 100 дБ; широкий частотный диапазон — не менее 20- 20000 Гц; малые нелинейные искажения — меньше 1% и др.);
— по эстетическим критериям (т. к. микрофон постоянно виден зрителям на сцене, на экране телевизора, и др.);
— по надежности (поскольку микрофон подвергается различным климатическим и механическим воздействиям: ветер, влажность, температура, тряска, удары и др.);
— по качеству звучания (для сохранения естественного тембра при передаче музыки различных жанров, пения, речи и др.)
Основные параметры микрофонов, обычно указываемые в современных каталогах и технической документации, следующие:
номинальный диапазон частот (frequency range) — частотный диапазон, в котором определяются параметры микрофона (задается производителем). Для современных конденсаторных микрофонов он обычно равен 20-20000 Гц. Внутри этого диапазона определяется зависимость уровня чувствительности от частоты и другие параметры;
— чувствительность (sensitivity) — («среднеквадратичное (RSM) значение напряжения на выходе микрофона на нагрузочном сопротивлении 1 кОм на частоте 1 кГц, когда на него действует давление 1 Па (94 дБ) в условиях свободного поля (угол приема 0°)»; — определяет способность микрофона преобразовывать акустическое давление в электрическое напряжение. Она определяется отношением сигнала на выходе микрофона к сигналу на входе микрофона.
В зависимости от способа измерения различаются следующие виды чувствительности: чувствительность по свободному полю («отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению в свободном звуковом поле в рабочей точке, занимаемой микрофоном, на данной частоте. Если угол приема не указан, то имеется в виду, что угол приема (между осью микрофона и направлением падения звуковой волны) 0°», чувствительность по давлению, чувствительность по диффузному полю, чувствительность на холостом ходу, чувствительность на номинальной нагрузке. Они все имеют несколько разные значения.
— уровень чувствительности (L ДБ) — двадцать логарифмов отношения чувствительности микрофона к значению 1 В/Па. Обычно чувствительность современных конденсаторных микрофонов находится в пределах от 8 до 40 мВ/Па. Например, микрофон DPA Туре 3530 имеет чувствительность 10 мВ/Па и уровень чувствительности (- 40 дБ) (на холостом ходу), микрофон С-3000В фирмы AKG — 25 мВ/Па (-32 дБ);
— частотная характеристика чувствительности микрофона (Frequency Response) — зависимость чувствительности или уровня чувствительности от частоты в номинальном диапазоне частот.
Зависимость чувствительности микрофона от угла падения звуковой волны определяется с помощью следующих параметров:
— характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона на заданной частоте в свободном поле от угла падения звуковой волны. Частотные характеристики направленности определяются как семейство частотных характеристик чувствительности измеренных при разных углах падения звуковой волны в свободном поле. Эти же характеристики могут быть записаны в полярных координатах (рис. 6.3.4), показывающих зависимость уровня чувствительности (дБ) от угла падения волны (на рис. 6.3.4 окружности соответствуют различному уровню чувствительности в дБ — обычно выбирается шаг 5 дБ, — а диаметры — углу падения звуковой волны по отношению к оси в градусах). Полярные диаграммы (polar pattern) также записываются в заглушённой камере, микрофон при этом вращается вокруг оси относительно излучателя;
— коэффициент осевой концентрации определяет отношение звуковой энергии, падающей на микрофон вдоль оси, к энергии со всех остальных направлений.
Выбор микрофонов с различными характеристиками направленности определяется условиями записи: расположением источников (например, инструментов в оркестре), шириной звуковой панорамы, уровнем шумов в окружающем пространстве, стремлением получить специальные звуковые эффекты и др. Именно поэтому в настоящее время промышленностью выпускается огромное многообразие микрофонов с различными (часто переключаемыми на одном микрофоне) видами характеристик направленности;
— уровень максимального звукового давления (max SPL) — уровень звукового давления, при котором коэффициент гармонических искажений не превосходит заданного значения;
— полный коэффициент гармонических искажений (THD) определяется по методике, используемой для определения чувствительности, но при этом с помощью анализатора спектра измеряется напряжение на выходе микрофона, соответствующее первой гармонике U1, второй U2 и т. д. Обычно величина коэффициента гармонических искажений для современных микрофонов задается -5 Па». Это означает, что измеряется напряжение на выходе микрофона в отсутствие звукового давления, обусловленное только внутренними шумами, и затем определяется, какому звуковому давлению оно могло бы соответствовать.
В международных каталогах на микрофоны обычно указываются следующие величины: эквивалентный уровень шума (Equivalent Noise Level) и отношение «сигнал/шум» (Signal/Noise ratio). Способы измерения несколько отличаются в разных стандартах, поэтому обычно в современных каталогах приводятся два значения эквивалентного уровня шумов: по стандарту DIN 45412 (IEC 651) и по стандарту DIN 45405 (CCIR 468-2). Например, для конденсаторного микрофона С-3000В фирмы AKG эквивалентный уровень шумов по стандарту IEC-651(DIN45-412) составляет 14 дБ-А, а по стандарту CCIR468-2(DIN45-405) — 25 дБ.
Для характеристики собственных шумов микрофонов используется также отношение «сигнал/шум», которое тоже рассчитывается двумя способами:
1) S/N ratio (DIN/IEC651) — отношение «сигнал/шум», рассчитанное как разница между опорным уровнем звукового давления 94 дБ (1 Па) и эквивалентным уровнем шума, измеренным по IEC 651;
2) S/N ratio (CCIR 468-2) — отношение «сигнал/шум», рассчитанное как разница между уровнем 94 дБ и эквивалентным уровнем шума, измеренным по CCIR 468-2. Для студийных конденсаторных микрофонов эти величины находятся в пределах 74-84 дБ ( DIN/IEC 651) и 64-74 дБ (CCIR). Например, для того же микрофона С-3000В эти отношения составляют 80 дБ и 69 дБ;
— динамический диапазон (dynamical range) — разность между максимальным уровнем звукового давления (max SPL), при котором нелинейные искажения на выходе микрофона не превышают заданную величину, и эквивалентным уровнем шума. Например, для микрофона фирмы С-3000В он равен 120 дБ;
— полное электрическое сопротивление микрофона определяется как отношение величины напряжения на выходе к результирующему току. Величина выходного электрического импеданса (output electrical impedance), т. е. модуля полного электрического сопротивления, в большинстве современных конденсаторных микрофонов находится в диапазоне 50-200 Ом, у динамических микрофонов до 600 Ом. При этом входное сопротивление предусилителей (input recommended load impedance) должно быть больше выходного сопротивления микрофона в 5-10 раз и составляет обычно 1000-2000 Ом. При таком соотношении сопротивлений обеспечиваются минимальные потери в кабеле.
Электродинамические микрофоны всех групп сложности имеют рабочий диапазон, как правило, – 40°. + 50° по температуре и 95% влажности при 20°, конденсаторные -10°. +35° и 85% влажности при 20°.
По видам характеристики направленности все микрофоны могут быть разделены на три группы: ненаправленные (omnidirectional) — приемники давления; двунаправленные (bidirectional) — приемники градиента давления; однонаправленные (unidirectional) — комбинированные.
Ненаправленные микрофоны — приемники давления (pressure microphone). Если условно изобразить микрофон (это относится к любому типу преобразования) в виде гибкой диафрагмы (мембраны) в корпусе с жесткими стенками, то переменное звуковое давление от источника звука будет воздействовать на диафрагму только с одной стороны (рис. 6.3.9а). На низких частотах, когда длина волны много больше размеров микрофона, звуковые волны со всех направлений приходят в одинаковой фазе на мембрану в пределах ее площади, т. е. микрофон как бы «не чувствует» направление их прихода. Чувствительность такого микрофона одинакова для всех направлений прихода звуковой волны; следовательно, характеристика направленности представляет собой шар, в центре которого находится ненаправленный микрофон (рис. 6.3.10). Микрофоны — Приемники давления являются ненаправленными только в области низких частот, с увеличением частоты их направленность обостряется. Такие микрофоны находят широкое применение в технике звукозаписи, особенно для записи звуков окружающего (реверберационного) пространства и шумов.
Двунаправленные микрофоны — приемники градиента давления (pressure gradient microphone). Схематически принцип работы микрофона — приемника градиента давления показан на рис. 6.3.96. В таком микрофоне независимо от принципа преобразования должен быть обеспечен доступ звуковой волны как с лицевой, так и с тыльной стороны мембраны (в корпусе микрофона делаются отверстия для доступа звуковых волн к задней части мембраны). При этом мембрана находится под действием разности (т. е. градиента) сил.
Когда угол падения звуковой волны 0° или 180°, то разность (градиент) сил воздействия максимальна, а когда угол падения 90°, то она равна нулю; отсюда зависимость чувствительности от угла падения имеет вид, показанный на рис. 6.3.10. Характеристика направленности такого типа обычно называется «восьмерка» («figure eight»). Микрофоны с такой характеристикой направленности чувствительны к звуковым волнам, падающим вдоль оси, и практически нечувствительны к звуковым волнам, падающим под углом 90° к оси. Они находят достаточно широкое применение при стереозаписи, например по системе MS.
Направленные микрофоны обладают еще одним свойством — зависимостью их уровня чувствительности от расстояния до источника. Это свойство называется «эффектом близости» (proximity effect) и объясняется тем, что на близком расстоянии микрофон находится в «ближней зоне» действия источника, т. е. в зоне распространения сферической волны. В сферической волне звуковое давление изменяется с расстоянием: р – 1/г, поэтому разность давления, которое действует на лицевую сторону мембраны, и давления, действующего на ее тыльную сторону, увеличивается за счет дополнительной разности (градиента) давлений, возникающих в сферической волне из-за разницы расстояний. За счет этого чувствительность направленного микрофона на низких частотах возрастает; по мере повышения частоты эффект перестает сказываться. Поэтому при использовании направленных микрофонов на близких расстояниях необходимо учитывать подъем частотной характеристики на низких частотах (вводя при записи необходимую коррекцию).
К числу интересных конструкций, получивших широкое распространение в студийной практике, можно отнести микрофоны пограничного слоя (PZM). Конструкция микрофона (рис. 6.3.14) включает в себя экран с установленным параллельно ему на близком расстоянии капсюлем микрофона (обычно конденсаторного). Такая установка позволяет увеличить на 6 дБ уровень звукового давления, действующего на микрофон за счет отраженной волны, и сформировать полусферическую диаграмму направленности, практически не зависящую от частоты (примером может служить модель Neumann GFM 132).
Чувствительность конденсаторного капсюля зависит как от размеров мембраны, расстояния между ней и базовым электродом, так и от поляризующего напряжения. Микрофоны для музыкального применения чаще всего имеют диаметр мембраны в пределах от 15 до 30 мм. Измерительные микрофоны имеют мембраны меньшего диаметра, вплоть до 2 – 3 мм. Микрофоны с мембраной большого диаметра (25 – 35 мм), как правило, имеют сильно зависящую от частоты диаграмму направленности, более ярко выраженную направленность в области высших частот, вследствие чего они окрашивают диффузный звук.