Signal to Noise Ratio——信噪比

信噪比(SNR or S/N),即放大器輸出信號的功率,與同時輸出的噪聲功率的比值,常常用分貝數表示。設備的信噪比越高表明它產生的雜音越少。一般來說,信噪比越大,說明混在信號裏的噪聲越小,聲音回放的音質量越高,否則相反。

信噪比是音箱回放的正常聲音信號與無信號時噪聲信號(功率)的比值。用dB表示。例如,某音箱的信噪比爲80dB,即輸出信號功率比噪音功率大80dB。信噪比數值越高,噪音越小。

國際電工委員會對信噪比的最低要求是前置放大器大於等於63dB,後級放大器大於等於86dB,合併式放大器大於等於63dB。合併式放大器信噪比的最佳值應大於90dB,CD機的信噪比可達90dB以上,高檔的更可達110dB以上。信噪比低時,小信號輸入時噪音嚴重,整個音域的聲音明顯感覺是混濁不清,所以信噪比低於80dB的音箱不建議購買,而低於70dB的低音炮同樣原因不建議購買。

人的耳朵對於不同頻率的聲音敏感性是不同的,同樣多的噪聲,如果都是集中在幾百到幾千Hz,和集中在20KHz以上是完全不同的效果,後者我們可能根本就察覺不到。因此就引入了一個"權"的概念。這是一個統計學上的概念,它的核心思想是,在進行統計的時候,應該將有效的、有用的數據進行保留,而無效和無用的數據應該儘量排除,使得統計結果接近最準確,每個統計數據都由一個"權","權"越高越有用,"權"越低就越無用,毫無用處的數據的"權"爲0。


噪聲的種類、來源及電磁兼容

噪聲的來源和種類:

噪聲的來源分爲內部和外部兩種,由於實驗室的測試條件通常都十分優越,所以在這種條件下測試的信噪比指標實際是設備內部噪聲的反應,內部噪聲主要是由於電路設計、製造工藝等因素,由設備自身產生的,而外部噪聲是由設備所在的電子環境和物理化學環境(自然環境)所造成的,外部噪聲是不可能反映在信噪比指標中的。這一點通常會被很多人所忽略,經常聽到有人說:這唱機的信噪比指標不是挺高的嗎?這就是沒有搞清楚信噪比指標含義所造成的誤解。

外部噪聲通常被稱爲"干擾",這種干擾可能是電磁干擾,也可能是機械振動干擾,也可能來自溫度變化的干擾……總之,都不是器材自身產生的。於是此時另一個不太起眼的指標凸現出了它的意義:電磁兼容性。

電磁兼容性有兩個層次的含義,一是設備在運行時不會對其它設備產生干擾,二是耐受干擾的能力強,在一定的外界干擾下仍能正常工作。

噪聲的來源很複雜,可以把它們大致歸結爲三種,一種是元器件產生的固有噪聲,電路中幾乎所有的元器件在工作時都會產生一定的噪聲,晶體管、電阻、電容,這種噪聲是連續的,基本上是固定不變的,並且頻譜分佈很廣泛,這種噪聲除了改進元器件的材料和生產工藝外,幾乎沒有任何辦法消除,也就是說,這種噪聲幾乎可以不用實驗,在圖紙上進行計算就可以推算出來。好在現在很多優質元器件的固有噪聲都很小,在設計電路時選擇優質元器件就可以把這種噪聲壓制到非常小的水平,小到我們根本不會聽見。

第二種噪聲來源於電路本身的設計失誤或者安裝工藝上的缺陷,電路設計失誤往往會導致電路的輕微自激(一種自由振盪狀態),這種自激一般在可以聽到的聲音範圍之外,但是在某些特定條件下它們會對聲音的中高頻產生斷續的影響,從而產生噪聲。

第三種噪聲則是非常廣泛的,也是經常被提起的干擾噪聲。這種噪聲來源很複雜,主要包括幾個方面:

  •              空間輻射干擾噪聲:任何導體通過交變電流的時候都會引起周圍電場強度的變化,這種變化就是電場輻射,同樣,像變壓器這樣的磁體也會引起周圍磁場強度的交替變化。我們知道,交變電場和磁場中的閉合導體會產生和電場磁場變化頻率相同的交變電流,也叫感應電流。音響設備中所有的元器件、導線、電路板上的銅箔都是電導體,因此不可避免地會產生感應電流。這種感應電流疊加在信號中就會產生噪聲。
  •             線路串擾噪聲:某些電氣設備會產生干擾信號,這些干擾信號通過電源、信號線等線路直接竄入音響設備中。
  •            傳輸噪聲:這種噪聲是信號在傳輸過程中由於傳輸介質的問題產生的,比如接插件的接觸不良、信號線材質不佳、地電流串擾等等。

 

爲什麼圖像去噪一般採用高斯白噪聲?

限功率最大熵定理:如果平均功率受限,那麼當信源符合高斯分佈時,信源的熵最大(噪聲的不確定性最大,對信源的干擾最大)。即如果假定功率受限,高斯白噪聲是最干擾信息的噪聲。

因此不僅僅是深度學習,很多其它的通信系統都使用了高斯白噪聲作爲噪聲。

白噪聲:頻域是均勻分佈的,沒有bias.

當隨機分佈的噪聲源無限多時,根據中心極限定理,其加和符合高斯分佈。

y= x + e,  已知y(觀測值)且已知 e符合一定的分佈,求x的過程,並沒有唯一正解。

 

圖像信噪比:

圖像的信噪比應該等於信號與噪聲的功率譜之比,但通常功率譜難以計算,有一種方法可以近似估計圖像信噪比,即信號與噪聲的方差之比。首先計算圖像所有象素的局部方差,將局部方差的最大值認爲是信號方差,最小值是噪聲方差,求出它們的比值,再轉成dB數,最後用經驗公式修正。

如果是灰度圖像的話,SNR=(潔淨圖片中的像素點的灰度值之和)/abs(噪聲圖片的灰度值之和-潔淨圖片中的灰度值之和)爲該圖像的信噪比。

在MR圖像信噪比中,平均次數增加,可以增加信噪比,但也增回掃描時間;層厚增加,可以增加信噪比,但降低了垂直分辨力;FOV增加,可以增加信噪比,但降低了空間分辨力;相位編碼增加,雖降低信噪比,但增加空間分辨力,掃描時間,僞影出現的機率;頻率編碼增加,降低信噪比,減少磁化僞影,增加空間分辨力;還有部分採集,並行採集技術的應用等等都會有影響的TR越短,信號越差,信噪比就差,但可以減少掃描時間;帶寬變窄,信噪比增加。

音頻信噪比

音頻信噪比是指音響設備播放時,正常聲音信號強度與噪聲信號強度的比值。當信噪比低,小信號輸入時噪音嚴重,在整個音域的聲音明顯變得渾濁不清,不知發的是什麼音,嚴重影響音質。信噪比的大小是用有用信號功率(或電壓)和噪聲功率(或電壓)比值的對數來表示的。這樣計算出來的單位稱爲"貝爾"。實用中因爲貝爾這個單位太大,所以用它的十分之一做計算單位,稱爲"分貝"。對於便攜式DVD來說,信噪比至少應該在70dB(分貝)以上,纔可以考慮。

音頻信噪比又指音響系統對音源的重放聲與整個系統產生的新的噪聲的比值,其噪聲主要有熱噪聲、交流噪聲、機械噪聲等等。一般檢測此項指標以重放信號的額定輸出功率與無信號輸入時系統噪聲輸出功率的對數比值分貝(dB)來表示。信噪比越高表示音頻產品越好,設備的信噪比越高表明它產生的雜音越少。例如CD機的信噪比可達90dB以上,高檔的更可達110dB以上。

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