Signal-Rausch-Verhältnis, Signal-Rausch-Abstand
Was ist das Signal-Rausch-Verhältnis?
In der analogen und digitalen Kommunikation ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV, S/R), englisch Signal-to-Noise Ratio (SNR, S/N),oder der Signal-Rausch-Abstand ein Maß für die Stärke des gewünschten Signals im Verhältnis zum Hintergrundrauschen (unerwünschtes Signal). Das Signal-Rausch-Verhältnis kann mit einer festen Formel bestimmt werden, die die beiden Pegel vergleicht und das Verhältnis angibt, das zeigt, ob der Rauschpegel das gewünschte Signal beeinträchtigt.
Das Verhältnis wird in der Regel als einzelner numerischer Wert in Dezibel (dB) angegeben. Das Verhältnis kann Null, eine positive oder eine negative Zahl sein. Ein Signal-Rausch-Verhältnis über 0 dB bedeutet, dass der Signalpegel größer ist als der Rauschpegel. Je höher das Verhältnis ist, desto besser ist die Signalqualität.
Ein WLAN-Signal mit einem Rauschabstand von 40 dB liefert beispielsweise bessere Netzwerkdienste als ein Signal mit einem Rauschabstand von 20 dB. Ist der Signalrauschabstand eines WLAN-Signals zu niedrig, kann die Netzwerkleistung beeinträchtigt werden, da es für Geräte schwieriger wird, das gewünschte Signal vom Rauschen zu unterscheiden. Dies kann zu Paketverlusten und erneuten Datenübertragungen führen, was einen geringeren Durchsatz und höhere Latenzzeiten zur Folge hat.
Unter Rauschen versteht man jede unerwünschte Störung, die die Qualität des gewünschten Signals verschlechtert. Es kann thermisches, Quanten-, elektronisches, Impuls- oder Intermodulationsrauschen sowie andere Formen von Rauschen umfassen. Auch Umweltfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit können den Rauschpegel beeinflussen.
Wenn das Rauschen im Vergleich zum gewünschten Signal groß genug ist, also der Signal-Rausch-Abstand gering ist, kann es eine Vielzahl von Datenübertragungen stören, darunter die von Textdateien, Grafiken, Telemetrie, Anwendungen sowie Audio- und Videoströme.
Kommunikationstechniker sind stets bestrebt, den Rauschabstand zu maximieren. Traditionell wird dies durch die Verwendung einer möglichst geringen Bandbreite des Empfangssystems erreicht, die mit der gewünschten Datengeschwindigkeit vereinbar ist. Es gibt jedoch auch andere Methoden. So können Ingenieure beispielsweise Spreizspektrumtechniken einsetzen, um die Systemleistung zu verbessern, oder sie können die Signalausgangsleistung erhöhen, um den Rauschabstand zu vergrößern.
In einigen hochentwickelten Systemen, zum Beispiel in Radioteleskopen, wird das interne Rauschen minimiert, indem die Temperatur der Empfangsschaltkreise fast auf den absoluten Nullpunkt gesenkt wird (-273,15 Grad Celsius). Bei drahtlosen Systemen ist es immer wichtig, die Leistung der Sende- und Empfangsantennen zu optimieren.
Wie berechnet man das Signal-Rausch-Verhältnis?
Das Signal-Rausch-Verhältnis wird in der Regel in Dezibel angegeben und kann mit einem Logarithmus zur Basis 10 (log10) berechnet werden. Die genaue Formel hängt jedoch davon ab, wie die Signal- und Rauschpegel gemessen wurden.
Wenn sie zum Beispiel in Mikrovolt gemessen werden, kann die folgende Formel verwendet werden:
S/R = 20 log10(Us/Ur)
Us ist das Signal in Mikrovolt und Ur ist das Rauschen in Mikrovolt.
Wenn das Signal und das Rauschen jedoch in Watt gemessen werden, ist die Formel etwas anders:
S/R = 10 log10(Ps/Pr)
Der Buchstabe P wird in diesen Formeln häufig zur Angabe der Leistung verwendet.
Wenn Ps gleich Pr ist, ist S/R gleich 0. Ein Verhältnis von 0 dB bedeutet, dass das Signal direkt mit dem Rauschpegel konkurriert, was zu einem Signal führt, das fast nicht mehr lesbar ist. In der digitalen Kommunikation kann dies zu einer Verringerung der Datengeschwindigkeit führen, da häufig Fehler auftreten, die das Übertragungssystem dazu zwingen, Datenpakete erneut zu senden.
Wenn Ps größer als Pr ist, ist das S/R positiv. Idealerweise sollte Ps viel größer als Pr sein, um Rauschstörungen zu minimieren. Nehmen wir als Beispiel an, dass Ps gleich 10 Mikrovolt und Pr gleich 1 Mikrovolt ist. Da 10 geteilt durch 1 gleich 10 ist, kann die folgende Formel zur Berechnung von S/R verwendet werden:
S/R = 20 log10(10) = 20 dB
Ein Verhältnis von 20 dB bedeutet, dass das Signal deutlich lesbar ist. Wenn das Signal viel schwächer ist, aber immer noch über dem Rauschpegel liegt, zum Beispiel 1,3 Mikrovolt, ist das S/R viel geringer, in diesem Fall nur 2,28 dB:
S/R = 20 log10(1,3) = 2,28 dB
Dies ist eine marginale Situation, die sich auf die Leistung des Netzwerks auswirken kann, obwohl sie nicht die schlechtest mögliche Lage ist. Wenn Ps kleiner als Pr ist, ist S/R negativ, das heißt, das Signal-Rausch-Verhältnis ist niedrig. In einer solchen Situation ist eine zuverlässige Kommunikation nahezu unmöglich, und es sollten Maßnahmen ergriffen werden, um den Signalpegel zu erhöhen, den Rauschpegel zu verringern oder eine Kombination aus beidem zu implementieren.
