Signal-Rausch-Verhältnis – Was ist SNR?

Bei dem sogenannten Signal-Rausch-Verhältnis handelt es sich um den Störabstand, welcher als Maß für die technische Qualität eines Signals verwendet wird. Es spielt vor allem in Verbindung mit Nutzsignalen, wie Video oder Sprache, eine wichtige Rolle. Die Abkürzung SNR oder auch der Begriff Signal-to-noise ratio (snr) beschreiben beide dieses Maß. 

Was sich hinter dem Signal-Rausch-Verhältnis verbirgt

Die Bezeichnung SNR kommt aus der Hochfrequenz-, Mess- und Nachrichtentechnik, wird aber auch in der Akustik und in weiteren Bereichen eingesetzt, in denen Signalverarbeitung wichtig ist. Die verwendeten Größen sind das Träger-Rausch-Verhältnis (C/N) oder auch das Signal-Rausch-Verhältnis (PSNR), sowie das Träger-Interferenz-Verhältnis (C/I+N) oder auch (C/I)

Verbesserung des SNR und Anwendung

Anhand dieser Bewertungszahl kann man die Qualität eines Kommunikationspfades und eines Nutzsignals bewerten und einstufen. Damit die übertragenen Informationen aus dem Signal nutzbar sind, müssen sie sich deutlich vom Hintergrundrauschen abheben, sonst sind die Daten unzureichend und nicht brauchbar. Um eine Fehlerrate bei Digitalübertragungen möglichst gering zu halten, muss das SNR eine ausreichende Größe aufweisen. Ein Kennwert hierfür ist der Zeitpunkt, ab dem der Empfänger ein Rauschen vom Signal unterscheiden kann. Ebenso wird das SNR eingesetzt, um Analog-digital-Umsetzer bewerten zu können, hierbei wird das Rauschen erfasst und im Verhältnis zum Signal gesetzt. Verläuft diese Analyse linear, so kann man den Wert einsetzen, um die Anzahl der Bits zu bestimmen. Innerhalb der elektromagnetischen Verträglichkeit ist der Störabstand ein Gütekriterium in der Signalübertragung. 

Definition SNR 

Beim Signal-Rausch-Verhältnis definiert man das Verhältnis vorhandener Signalleistung zur Rauschleistung, das Verhältnis ist dimensionslos bei der Messung. Die Signalleistung der meisten technischen Anwendungen ist oftmals größer als die Rauschleistung, in diesem Fall wird das Pseudonym Dezibel (db) eingesetzt, um die Größe zu bestimmen. 

Auch in der Bildverarbeitung oder der Spektroskopie spielt der Rauschpegel eine Rolle, vor allem in der medizinischen Bildgebung. In diesem Fall definiert SNR das Verhältnis der mittleren Signalamplitude des Rauschens. So wird zunächst die Leistung mithilfe der quadrierten Amplituden berechnet. In diesem Fall wird die Größe nicht in db angegeben, sondern als einheitslose Größe in der Dimension 1. 

Es gibt somit verschiedene Definitionen und Möglichkeiten, um ein Nutzsignal und das Rauschsignal zu bewerten, abhängig von der Nutzung und dem Einsatz. 

Träger-Rausch- und Träger-Interferenz-Verhältnis

Nicht immer kann man die Signal- und Trägerleistung voneinander trennen, beispielsweise bei Modulationsverfahren, wie Phasenmodulation oder Frequenzmodulation. Daher wird das Rauschen nicht auf das Signal bezogen, sondern auf den Träger, dieses Verhältnis ist eine wichtige Kennzahl, das Träger-Rausch-Verhältnis ist definiert. 

Weitere Faktoren können ein Signal überlagern und die Signal-Rausch-Verhältnisse stören. In dieser Situation kommt es schnell dazu, dass Reflexionen verursacht werden. Auch eine Überschneidung mit ähnlichen Signalen oder Nachbarfunkzellen kann dafür sorgen, dass das Signal unbrauchbar wird.

Das Signal-Rausch-Verhältnis ist definiert als Gütekriterium einer Signalübertragung und gilt als wichtiger Faktor solcher Übertragungen.

GPS und die Nutzung von Signalen

Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, es existieren mehrere Verfahren zur SNR-Verbesserung. Zum einen kann man die Signalstärke anheben, bei einem konstanten Rauschanteil steigt der SNR an, wenn das Nutzsignal vergrößert wird. Das kann man vergleichen mit leisem Flüstern oder lautem Rufen in einer großen Menschansammlung.

Auch eine Verminderung der Quellimpedanz sorgt für eine maximal mögliche Signalintensität. Denn das Rauschsignal ist vor allem von der Impedanz der Quelle abhängig, daher muss beim SNR auch zwingend der Quellwiderstand berücksichtigt und definiert werden. 

Durch eine Verminderung der Frequenzbandbreite kann die Leistung ebenso verbessert werden, in diesem Fall mindert man die Bandbreite und erhält eine geringere Rauschleistung. Diese Faktoren ergeben sich entweder aus einem Hinweis eines technischen Datums oder durch die Festsetzung einer Norm. Die Angabe eines Rauschabstandes ohne Bewertung der Frequenz ist ohne Sinn und kann nicht eingesetzt werden. 

Es ist wichtig zu unterscheiden, ob der Bandbreitebedarf des Nutzsignals gemindert werden kann oder ob man die Messung mit einer verminderten Bandbreite durchführt. Für Tonfrequenzen setzt man in diesem Fall Bewertungsfilter ein, die die Messwerte begünstigen. 

Konstantes Rauschen sorgt dafür, dass das SNR klein ausfällt, mithilfe sogenannter Kompander kann der Dynamikbereich entsprechend reduziert werden. So ist es möglich, dass auch leise Abschnitte in hoher Lautstärke abgespielt werden können. 

Ebenso ist es beim GPS-System wichtig, dass unnötige Signale reduziert und die wichtigen verstärkt werden. Denn auch diese Signale können überschattet oder verfälscht werden, vor allem durch starke Bewaldung, Gebirge oder Menschenmassen. Die Qualität dieser Übertragung hängt maßgeblich von ab, ob Sender und Empfänger in guter Verbindung stehen, das setzt einen Ort mit freier Sicht voraus. Innerhalb von Gebäuden oder Wäldern wird das Signal verfälscht oder kommt nur schwach an. In Gebirgen ist es möglich, dass das GPS-Signal durch Berge gespiegelt wird, das führt ebenfalls zu einer inkorrekten Berechnung. 

Moderne GPS-Tracker nutzen fortschrittliche Techniken, um die notwendigen Signale zu empfangen, so ist auch eine Signalverbreitung unter erschwerten Bedingungen besser möglich, als noch zu den Anfängen der GPS-Technologie. Mit einem guten SRV ist es möglich, ein nutzbares Signal zu erhalten, somit werden schwache Signale effektiv genutzt, um eine genaue Ortung durchzuführen. 

 

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