Was ist das Signal-Rausch-Verhältnis und wie funktioniert es?

What Is Signal-to-Noise Ratio And How It Work?

Vielleicht haben Sie in einer Diskussion oder in einer Liste von Produktspezifikationen schon einmal etwas über das Signal-Rausch-Verhältnis gelesen. Diese Kennzahl, die oft mit SNR oder S/N abgekürzt wird, kann für den durchschnittlichen Nutzer verwirrend sein. Obwohl die mathematischen Grundlagen des Signal-Rausch-Verhältnisses komplex sind, ist das Prinzip dahinter einfach, und es kann die Gesamtklangqualität eines Systems beeinflussen.

Definition des Signal-Rausch-Verhältnisses

Der Begriff „Signal-Rausch-Verhältnis“ beschreibt das Verhältnis von Signal zu Rauschen in einem elektronischen System oder Gerät. Die Begriffe „Signal“ und „Rauschen“ bezeichnen das unregelmäßige Zusatzsignal (bzw. die zusätzliche Information), das nicht im ursprünglichen, vom Gerät erzeugten Signal enthalten ist, sowie das elektronische Signal von außerhalb des Geräts, das vom Gerät verarbeitet werden muss. Das Signal ändert sich nicht, wenn sich das ursprüngliche Signal ändert.

Obwohl „das Originalsignal nicht mehr existiert“ und „Verzerrung“ dasselbe bedeuten, besteht tatsächlich ein Zusammenhang zwischen ihnen. Der Unterschied liegt darin, dass Rauschen unregelmäßig, Verzerrung hingegen regelmäßig ist.

Das Signal-Rausch-Verhältnis wird in Dezibel (dB) gemessen und nach der Formel 10 lg (Ps/Pn) berechnet, wobei Ps und Pn die effektive Leistung des Signals bzw. des Rauschens darstellen. Alternativ lässt es sich auch als Verhältnis der Spannungsamplituden ausdrücken: Der „Effektivwert“ der Signal- und Rauschspannungen wird als 20 lg (Vs/Vn) dargestellt, wobei Vs und Vn die entsprechenden Werte sind. Von einem Audioverstärker erwarten wir, dass er das Signal lediglich verstärkt, ohne weitere Effekte hinzuzufügen. Daher ist ein möglichst hohes Signal-Rausch-Verhältnis von Vorteil.

Im engeren Sinne bezeichnet das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) das Verhältnis der Ausgangsleistung eines Verstärkers zur gleichzeitig erzeugten Rauschleistung, üblicherweise in Dezibel (dB) angegeben. Je höher das SNR eines Geräts ist, desto geringer ist sein Rauschen. Generell gilt: Je höher das SNR, desto geringer das Rauschen im Signal und desto besser die Klangqualität der Wiedergabe – und umgekehrt. Im Allgemeinen sollte das SNR nicht unter 70 dB liegen, bei HiFi-Lautsprechern sogar über 110 dB.

Wie das Signal-Rausch-Verhältnis funktioniert

Es dient als eine Art Ausgleichsmaß zwischen der Stärke Ihres Signals und der Stärke des Rauschens. Ihr Gesamt-SNR-Wert ist höher oder niedriger, je nachdem, wie hoch der eine Wert im Verhältnis zum anderen ist.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) gibt in seiner einfachsten Form an, wie gut Ihr Signal nutzbar ist.

Das Signal ist umso klarer, je höher der SNR-Wert ist. Gaußsches Rauschen, auch als statisches Rauschen bekannt, tritt bereits bei niedrigen SNR-Werten im Netzwerk auf und verstärkt sich mit Annäherung des Wertes an 1. Die Signalverarbeitungsfähigkeit des Netzwerks wird durch das Rauschen beeinträchtigt, was zu Amplitudenmodulation und zufälligem Rauschen führt. Fällt der SNR-Wert unter 1, ist das Signal nicht mehr nutzbar. Dieser Wert wird als „Rauschpegel“ bezeichnet.

Datenbeeinträchtigungen in Signalen nahe dem Rauschpegel können erneute Übertragungen zwischen Sender und Empfänger erforderlich machen. Da die erneut übertragenen Signale Sendezeit im Funknetz beanspruchen, verringern sich Durchsatz und Latenz. Der Datendurchsatz des Kanals steigt hingegen mit zunehmendem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Dies bedeutet, dass ein Anstieg des Rauschens den Datendurchsatz bei einem gegebenen Signalpegel verringert. Je mehr Rauschen vorhanden ist, desto weniger Kapazität steht auf dem Kanal für die eigentlich zu übertragenden Daten zur Verfügung.

Je nach Umgebungsgeräuschpegel ändert sich der Rauschpegel. Eine der größten Herausforderungen bei der Bereitstellung von Mobilfunk-, Funk- und WLAN-Diensten besteht darin, sicherzustellen, dass das Signal stark genug ist, um alle anderen Störungen zu überwinden. In solchen Fällen ist eine Erhöhung der Signalstärke von Vorteil.

Berechnung des Signal-Rausch-Verhältnisses

Die Berechnung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) kann je nach Gerät und verfügbaren Daten einfach oder kompliziert sein. Liegen Ihre SNR-Daten bereits in Dezibel vor, können Sie das SNR berechnen, indem Sie das Nutzsignal durch den Rauschpegel teilen: SNR = S - N. Dies liegt daran, dass die Subtraktion von Logarithmen der Division ganzer Zahlen entspricht.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) entspricht der Differenz der Signalstärken. Beispielsweise könnte man ein Funksignal mit einer Stärke von -30 dB und ein Rauschsignal mit einer Stärke von -90 dB messen. -30 - (-90) = 60 dB.

Wie bereits erwähnt, kann auch die Bestimmung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) eine Rolle spielen. Der Hersteller eines Geräts hat das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in der Regel bereits berechnet und angegeben. Um Ihr Signal-Rausch-Verhältnis zu ermitteln, verwenden Sie die folgende Formel:

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) entspricht 10 log(Signalleistung / Rauschleistung). Sowohl die Signalleistung als auch die Rauschleistung werden in Watt gemessen und geben die Leistung des jeweiligen Signals bzw. des Rauschens an. Das endgültige SNR-Verhältnis wird in Dezibel angegeben.

Mindestanforderung an das Signal-Rausch-Verhältnis

Die Art des Signals, mit dem Sie arbeiten, bestimmt, ob Sie einen guten SNR-Wert erzielen. Im Allgemeinen ist ein möglichst hoher SNR-Wert wünschenswert.

Hier eine kurze Zusammenfassung:

>10 dB bis 15 dB

Wird als absolutes Minimum angesehen, um eine unzuverlässige Verbindung herzustellen.

15 dB bis 25 dB

Oft wird dies als absoluter Mindeststandard für die Herstellung schwacher Verbindungen angesehen.

25 dB bis 40 dB

Als gut angesehen

41 dB oder höher Als herausragend angesehen

Niedrige Signal-Rausch-Verhältnisse verursachen bei kleinen Eingangssignalen erhebliches Rauschen. Daher sind Lautsprecher mit einem Signal-Rausch-Verhältnis unter 80 dB nicht empfehlenswert. Aus demselben Grund sind auch Subwoofer mit einem Signal-Rausch-Verhältnis unter 70 dB nicht zu empfehlen.

Was ist das Signal-Rausch-Verhältnis im Audiobereich?

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beschreibt das Verhältnis der Stärke des Nutzsignals zur Stärke des Rauschens bei der Audiowiedergabe. Ist das SNR niedrig, ist das Rauschen bei schwachen Eingangssignalen so stark, dass das eigentliche Signal nicht mehr erkennbar ist, was die Klangqualität erheblich beeinträchtigt.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wird durch den Logarithmus des Verhältnisses von Nutzsignalleistung (oder -spannung) zu Rauschleistung (oder -spannung) ausgedrückt. Die so berechnete Einheit heißt „Bell“. Da die Bell-Einheit in der Praxis sehr groß ist, wird üblicherweise ein Zehntel davon als Berechnungseinheit verwendet, nämlich „Dezibel“. Für tragbare DVD-Player sollte das SNR mindestens 70 dB (Dezibel) betragen, um als sinnvoll zu gelten. Das sollte stimmen.

Abschluss

Wenn also das Signal-Rausch-Verhältnis niedrig ist und das Rauschen bei einem kleinen Eingangssignal stark ist, kann ich nicht erkennen, welcher Ton gesendet wird, was die Klangqualität erheblich beeinträchtigt. 
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