25/09/11في أي نظام قياس - من الاتصالات اللاسلكية إلى التصوير الرقمي - تُعدّ نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) معيارًا أساسيًا للجودة. سواء كنت تُحلّل صور التلسكوب، أو تُحسّن تسجيلات الميكروفون، أو تُحاول إصلاح مشاكل الاتصال اللاسلكي، فإن نسبة الإشارة إلى الضوضاء تُبيّن لك مدى بروز المعلومات المفيدة من بين ضوضاء الخلفية غير المرغوب فيها.
لكن حساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بشكل صحيح ليس دائمًا سهلًا. وحسب النظام، قد يلزم مراعاة عوامل إضافية، مثل التيار المظلم، أو ضوضاء القراءة، أو تجميع وحدات البكسل. يشرح هذا الدليل النظرية، والصيغ الأساسية، والأخطاء الشائعة، والتطبيقات، والطرق العملية لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، مما يضمن إمكانية تطبيقها بدقة في سياقات متنوعة.
ما هي نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)؟
في الأساس، تقيس نسبة الإشارة إلى الضوضاء العلاقة بين قوة الإشارة المطلوبة والضوضاء الخلفية التي تحجبها.
● الإشارة = المعلومات ذات المعنى (على سبيل المثال، صوت في مكالمة، نجم في صورة تلسكوب).
● الضوضاء = تقلبات عشوائية غير مرغوب فيها تعمل على تشويه الإشارة أو إخفائها (على سبيل المثال، الضوضاء الثابتة، ضوضاء المستشعر، التداخل الكهربائي).
رياضيا، يتم تعريف نسبة الإشارة إلى الضوضاء على النحو التالي:
نظرًا لأن هذه النسب يمكن أن تختلف على مدى العديد من أوامر الحجم، يتم التعبير عن نسبة الإشارة إلى الضوضاء عادةً بالديسيبل (dB):
● نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية (على سبيل المثال، 40 ديسيبل): تهيمن الإشارة، مما يؤدي إلى الحصول على معلومات واضحة وموثوقة.
● نسبة الإشارة إلى الضوضاء منخفضة (على سبيل المثال، 5 ديسيبل): تطغى الضوضاء على الإشارة، مما يجعل تفسيرها صعبًا.
كيفية حساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)
يمكن حساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء بمستويات دقة مختلفة تبعًا لمصادر الضوضاء المُستخدمة. في هذا القسم، سيتم تقديم نموذجين: أحدهما يُراعي التيار المظلم، والآخر يفترض إمكانية إهماله.
ملاحظة: تتطلب إضافة قيم الضوضاء المستقلة جمعها بشكل تربيعي. يُربّع كل مصدر ضوضاء، ويُجمع، ثم يُؤخذ الجذر التربيعي للمجموع.
نسبة الإشارة إلى الضوضاء مع التيار المظلم
فيما يلي المعادلة التي يجب استخدامها في المواقف التي يكون فيها ضوضاء التيار المظلم كبيرة بما يكفي لتتطلب التضمين:
وهنا تعريف المصطلحات:
الإشارة (e-): هذه هي الإشارة التي تهم الإلكترونات الضوئية، مع طرح إشارة التيار المظلم
ستكون الإشارة الكلية (e-) هي عدد الإلكترونات الضوئية في البكسل المعني - وليست قيمة البكسل بوحدات مستويات الرمادي. المثال الثاني للإشارة (e-)، في أسفل المعادلة، هو ضوضاء الفوتون.
التيار المظلم (DC):القيمة الحالية المظلمة لتلك البكسل.
t: وقت التعرض بالثواني
σr:قراءة الضوضاء في وضع الكاميرا.
نسبة الإشارة إلى الضوضاء للتيار المظلم المهمل
في حالات القصيرة (في أوقات التعرض (<1 ثانية)، بالإضافة إلى الكاميرات المبردة عالية الأداء، فإن ضوضاء التيار المظلم ستكون عمومًا أقل بكثير من ضوضاء القراءة، ويتم إهمالها بأمان.
حيث تكون المصطلحات مرة أخرى كما هو محدد أعلاه، باستثناء أن إشارة التيار المظلم لا يلزم حسابها وطرحها من الإشارة حيث يجب أن تساوي صفرًا.
حدود هذه الصيغ والمصطلحات المفقودة
الصيغ المعاكسة سوف توفر فقط الإجابات الصحيحة لـ CCD وكاميرات CMOSتُدخل أجهزة EMCCD المُكثّفة مصادر ضوضاء إضافية، لذا لا يُمكن استخدام هذه المعادلات. للحصول على معادلة أكثر شمولاً لنسبة الإشارة إلى الضوضاء تُراعي هذه المساهمات وغيرها.
من مصطلحات الضوضاء الشائعة (أو التي كانت تُستخدم) في معادلات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) مصطلح عدم تجانس الاستجابة الضوئية (PRNU)، والذي يُطلق عليه أحيانًا اسم "ضوضاء النمط الثابت" (FPN). يُمثل هذا التفاوت في الكسب واستجابة الإشارة عبر المستشعر، والذي قد يُصبح سائدًا عند الإشارات العالية إذا كان كبيرًا بما يكفي، مما يُقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
في حين أن الكاميرات المبكرة كانت تحتوي على PRNU كبيرة بما يكفي لتتطلب تضمينها، فإن معظم الكاميرات الحديثةالكاميرات العلميةتتمتع هذه الكاميرات بمعامل PRNU منخفض بما يكفي لجعل مساهمتها أقل بكثير من ضوضاء طلقات الفوتون، خاصةً بعد تطبيق التصحيحات الداخلية. لذلك، عادةً ما يتم إهمالها في حسابات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR). ومع ذلك، لا يزال معامل PRNU مهمًا لبعض الكاميرات والتطبيقات، وهو مُدرج في معادلة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الأكثر تقدمًا لضمان اكتمالها. هذا يعني أن المعادلات المُقدمة مفيدة لمعظم أنظمة CCD/CMOS، ولكن لا ينبغي اعتبارها قابلة للتطبيق عالميًا.
أنواع الضوضاء في حسابات نسبة الإشارة إلى الضوضاء
لا يقتصر حساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) على مقارنة إشارة بقيمة ضوضاء واحدة. عمليًا، تساهم مصادر ضوضاء مستقلة متعددة في ذلك، وفهمها أمر بالغ الأهمية.
ضجيج الطلقات
● الأصل: الوصول الإحصائي للفوتونات أو الإلكترونات.
● المقاييس مع الجذر التربيعي للإشارة.
● مهيمن في التصوير المحدود بالفوتون (علم الفلك، المجهر الفلوري).
الضوضاء الحرارية
● يطلق عليه أيضًا اسم ضوضاء جونسون-نايكويست، والتي تنتجها حركة الإلكترونات في المقاومات.
● يزداد مع درجة الحرارة وعرض النطاق الترددي.
● مهم في مجال الإلكترونيات والاتصالات اللاسلكية.
ضوضاء التيار المظلم
● تغير عشوائي في التيار المظلم داخل أجهزة الاستشعار.
● أكثر أهمية في التعرضات الطويلة أو الكواشف الدافئة.
● يتم تقليله عن طريق تبريد المستشعر.
قراءة الضوضاء
● الضوضاء الناتجة عن مكبرات الصوت والتحويل من التناظرية إلى الرقمية.
● ثابت لكل قراءة، لذا فهو أمر بالغ الأهمية في أنظمة الإشارة المنخفضة.
ضوضاء التكميم
● تم تقديمه عن طريق الرقمنة (التقريب إلى مستويات منفصلة).
● مهم في الأنظمة ذات عمق البت المنخفض (على سبيل المثال، الصوت 8 بت).
الضوضاء البيئية/النظامية
● التداخل الكهرومغناطيسي، والتداخل، وتموج مصدر الطاقة.
● يمكن أن تهيمن إذا كانت الحماية/التأريض ضعيفة.
إن فهم أي من هذه العوامل هو السائد يساعد في اختيار الصيغة الصحيحة وطريقة التخفيف.
الأخطاء الشائعة في حساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء
من السهل العثور على العديد من الطرق المختصرة لتقدير نسبة الإشارة إلى الضوضاء في التصوير. تميل هذه الطرق إما إلى أن تكون أقل تعقيدًا من المعادلات المقابلة، أو تُسهّل الاستخلاص من الصورة نفسها بدلًا من الحاجة إلى معرفة معلمات الكاميرا مثل ضوضاء القراءة، أو كليهما. للأسف، من المرجح أن تكون جميع هذه الطرق غير صحيحة، وستؤدي إلى نتائج غير دقيقة وغير مفيدة. يُنصح بشدة باستخدام المعادلات المقابلة (أو النسخة المتقدمة) في جميع الحالات.
تتضمن بعض الاختصارات الخاطئة الأكثر شيوعًا ما يلي:
١. مقارنة شدة الإشارة بشدّة الخلفية، بمستويات الرمادي. يحاول هذا النهج تقييم حساسية الكاميرا، أو قوة الإشارة، أو نسبة الإشارة إلى الضوضاء من خلال مقارنة شدة الذروة بشدّة الخلفية. هذا النهج معيبٌ للغاية، إذ يُمكن لتأثير إزاحة الكاميرا أن يُحدّد شدة الخلفية بشكلٍ عشوائي، كما يُمكن لكسب الإشارة أن يُحدّد شدة الإشارة بشكلٍ عشوائي، ولا يُؤخذ في الاعتبار أيّ مساهمة للضوضاء في الإشارة أو الخلفية.
٢. قسمة قمم الإشارة على الانحراف المعياري لمنطقة بكسلات الخلفية. أو مقارنة قيم القمم بالضوضاء البصرية في الخلفية التي يكشفها مخطط الخطوط. بافتراض طرح الإزاحة بشكل صحيح من القيم قبل القسمة، فإن الخطر الأكبر في هذه الطريقة هو وجود ضوء خلفي. عادةً ما يهيمن أي ضوء خلفي على الضوضاء في بكسلات الخلفية. علاوة على ذلك، لا يُؤخذ الضوضاء في الإشارة المعنية، مثل ضوضاء اللقطة، في الاعتبار إطلاقًا.
٣. متوسط الإشارة بالبكسلات المطلوبة مقابل الانحراف المعياري لقيم البكسل: تُعدّ مقارنة أو ملاحظة مدى تغير إشارة الذروة عبر البكسلات المجاورة أو الإطارات المتتالية أقرب إلى الدقة من الطرق المختصرة الأخرى، ولكنها من غير المرجح أن تتجنب تأثيرات أخرى تُشوّه القيم، مثل تغير الإشارة غير الناتج عن الضوضاء. قد تكون هذه الطريقة غير دقيقة أيضًا بسبب انخفاض عدد البكسلات في المقارنة. يجب أيضًا عدم إغفال طرح قيمة الإزاحة.
4. حساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء دون تحويلها إلى وحدات شدة الفوتونات الإلكترونية، أو دون إزالة الإزاحة: نظرًا لأن ضوضاء لقطة الفوتون هي عادةً أكبر مصدر للضوضاء وتعتمد على معرفة إزاحة الكاميرا ومكسبها للقياس، فمن غير الممكن تجنب الحساب مرة أخرى إلى الفوتونات الإلكترونية لحسابات نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
٥. تقييم نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بالعين المجردة: مع أن تقييم نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بالعين المجردة قد يكون مفيدًا في بعض الحالات، إلا أن هناك أيضًا بعض العيوب غير المتوقعة. قد يكون تقييم نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في وحدات البكسل عالية القيمة أصعب منه في وحدات البكسل منخفضة القيمة أو وحدات البكسل الخلفية. كما تلعب التأثيرات الأكثر دقة دورًا: على سبيل المثال، قد تعرض شاشات الكمبيوتر المختلفة صورًا بتباين مختلف تمامًا. علاوة على ذلك، قد يؤثر عرض الصور بمستويات تكبير مختلفة في البرامج بشكل كبير على المظهر المرئي للضوضاء. ويمثل هذا مشكلة خاصة عند محاولة مقارنة كاميرات ذات أحجام بكسل مختلفة لمساحة الكائن. وأخيرًا، قد يُعيق وجود ضوء خلفي أي محاولة لتقييم نسبة الإشارة إلى الضوضاء بصريًا.
تطبيقات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)
SNR هو مقياس عالمي ذو تطبيقات واسعة النطاق:
● تسجيل الصوت والموسيقى: يحدد الوضوح والنطاق الديناميكي ودقة التسجيلات.
● الاتصالات اللاسلكية: ترتبط نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بشكل مباشر بمعدلات خطأ البت (BER) ومعدل نقل البيانات.
● التصوير العلمي: في علم الفلك، يتطلب اكتشاف النجوم الخافتة في خلفية توهج السماء نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية.
● المعدات الطبية: تعتمد فحوصات تخطيط القلب والرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي المحوسب على نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية للتمييز بين الإشارات والضوضاء الفسيولوجية.
● الكاميرات والتصوير الفوتوغرافي: تستخدم كاميرات المستهلك وأجهزة استشعار CMOS العلمية نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لقياس الأداء في الإضاءة المنخفضة.
تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء
نظرًا لأهمية نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، يُبذل جهد كبير لتحسينها. تشمل الاستراتيجيات ما يلي:
أساليب الأجهزة
● استخدم أجهزة استشعار أفضل ذات تيار مظلم أقل.
● تطبيق الحماية والتأريض لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي.
● أجهزة الكشف الباردة لقمع الضوضاء الحرارية.
مناهج البرمجيات
● تطبيق المرشحات الرقمية لإزالة الترددات غير المرغوب فيها.
● استخدام المتوسط عبر إطارات متعددة.
● استخدام خوارزميات تقليل الضوضاء في معالجة الصور أو الصوت.
تجميع البكسل وتأثيره على نسبة الإشارة إلى الضوضاء
يعتمد تأثير التجميع على نسبة الإشارة إلى الضوضاء على تقنية الكاميرا وسلوك المستشعر، حيث يمكن أن يختلف أداء الضوضاء في الكاميرات المجمعة وغير المجمعة بشكل كبير.
تستطيع كاميرات CCD جمع شحنات البكسلات المتجاورة على الشريحة. يحدث تشويش القراءة مرة واحدة فقط، مع أن إشارة التيار المظلم من كل بكسل تُجمع أيضًا.
تُجري معظم كاميرات CMOS تجميعًا خارج الشريحة، أي أن القيم تُقاس أولًا (مع إضافة تشويش القراءة)، ثم تُجمع رقميًا. يزداد تشويش القراءة الناتج عن هذه التجميعات بضرب الجذر التربيعي لعدد البكسلات المُجمعة، أي بعامل 2 في حالة التجميع 2×2.
نظرًا لأن سلوك الضوضاء في أجهزة الاستشعار قد يكون معقدًا، فمن المستحسن بالنسبة للتطبيقات الكمية قياس الإزاحة والمكسب وقراءة الضوضاء للكاميرا في الوضع المجمع، واستخدام هذه القيم لمعادلة نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
خاتمة
تُعد نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) من أهم المقاييس في العلوم والهندسة والتكنولوجيا. فمن تحديد وضوح المكالمات الهاتفية إلى تمكين رصد المجرات البعيدة، تُعزز نسبة الإشارة إلى الضوضاء جودة أنظمة القياس والاتصالات. ولا يقتصر إتقان نسبة الإشارة إلى الضوضاء على حفظ المعادلات فحسب، بل يشمل فهم الافتراضات والقيود والحلول الواقعية. ومن هذا المنظور، يمكن للمهندسين والباحثين إجراء قياسات أكثر موثوقية وتصميم أنظمة تُستخلص رؤى قيّمة حتى في ظل ظروف الضوضاء.
هل تريد معرفة المزيد؟ اطلع على المقالات ذات الصلة:
جميع الحقوق محفوظة لشركة توكسين فوتونيكس المحدودة. يُرجى ذكر المصدر عند الاقتباس.www.tucsen.com
