Was bedeutet “12 dB SINAD”?

Einführung

In diesem Artikel befassen wir uns mit SINAD (Signal plus Noise and Distortion = Signal plus Rauschen und Verzerrung). Dies ist eine Methode, die Empfindlichkeit eines Radioempfängers zu messen. Sie wird in erster Linie bei Funkempfängern für Sprache verwendet, insbesondere bei FM-Empfängern (AM und SSB sind ebenfalls anwendbar), und die Messung wird am Ausgang des Empfängers (z. B. einem Audiosignal) durchgeführt.

Was ist Verzerrung?

Mit SINAD kann nicht nur Rauschen gemessen werden, sondern auch Verzerrung. Aber was ist mit “Verzerrung” gemeint?

In der obigen Abbildung ist das zu übertragende Signal f1 (z. B. ein Audiosignal). Der Empfänger liefert jedoch auch Rauschen und die Oberwellen des Hauptsignals, f2 und f3 usw., die als Verzerrungen bezeichnet werden. Während das Rauschen ein unabhängiger Vorgang ist, sind die Oberwellen Nebenprodukte, die durch die Wechselwirkung zwischen Signal und Empfänger entstehen. Bei Audioempfängern müssen diese minimiert werden, um ein angenehmes Hören zu ermöglichen, insbesondere bei Sendungen wie Musik. Beim Empfang von Datensignalen (auf die wir später in diesem Artikel eingehen) erhöht jede Verzerrung die Wahrscheinlichkeit eines Bitfehlers, so dass wir auch hier eine entsprechende Reduzierung vornehmen müssen.

SINAD-Ermittlung

Wie bereits erwähnt, ist das zu messende Signal das Ausgangssignal des Empfängers. Im Folgenden wird ein Beispiel mit einem FM-Handfunkempfänger verwendet, dessen Ausgangssignal über den NF-Ausgang oder die Kopfhörerbuchse abgerufen werden kann.

Einstellungsparameter

Das HF-Signal, das in den Radioempfänger eingespeist werden soll, kann z. B. von einem Signalgenerator kommen. Der Signalgenerator muss in der Lage sein, einen modulierten Träger auszugeben, dessen Pegel eingestellt werden kann.

1. Testsignal (kHz): Das ist das Testsignal, das am Empfängerausgang ausgegeben wird (z. B. 1 kHz).
2. Modulation (z.B. FM): Dies ist die Art und Weise, wie das Testsignal auf den Träger aufmoduliert wird. FM (für FM-Empfänger) ist typisch. Bei der Verwendung von AM- oder SSB-Funkgeräten kann diese Modulation genutzt werden.
3. Frequenzhub (kHz): Bei FM-Signalen ist dies der Frequenzhub (z. B. 3 kHz Spitzenfrequenzhub für Schmalband-FM-Signale, wie sie in der Amateurfunkkommunikation verwendet werden).

Vorgehensweise

Der Signalgenerator gibt einen durch das Testsignal modulierten Träger aus. Dieser Pegel muss einstellbar sein und vorzugsweise in Volt (z. B. uV) angezeigt werden. Dieses HF-Signal wird an den Antennenanschluss des Empfängers angelegt, und ein geeigneter Ausgang (z. B. der NF-Ausgang des Empfängers oder ein Kopfhörer-Ausgang) enthält das zu messende Signal. Gemessen wird das gesamte Ausgangssignal, d. h. Signal + Rauschen + Verzerrung, während ein Notch-Filter verwendet wird, um nur das Testsignal zu entfernen und lediglich die Messung von Rauschen und Verzerrung zu ermöglichen.

SINAD-Berechnung

SINAD ist das Verhältnis der beiden Messungen, d. h. Signal + Verzerrung + Rauschen zu Rauschen + Verzerrung:

$$ \text{SINAD} = \frac{\text{Signal + Rauschen + Verzerrung}}{\text{Rauschen + Verzerrung}} $$

Der SINAD-Wert kann in dB umgerechnet werden, wie dies häufig geschieht. Die zu verwendende Umrechnung hängt davon ab, ob die Messungen als Spannung oder Leistung vorgenommen wurden.

Für Messungen in Watt:

$$ \text{SINAD (dB)} =10\log\left(  \frac{\text{Signal + Rauschen + Verzerrung in Watt}}{\text{Rauschen + Verzerrung in Watt}}\right)\ $$

Da die Leistung nur das Quadrat der Spannung ist, würde die Formel lauten, wenn die Messungen in Volt vorgenommen würden:

$$ \text{SINAD (dB)} = 10\log\left(  \frac{\text{Signal + Rauschen + Verzerrung in Watt}}{\text{Rauschen + Verzerrung in Watt}}\right)\ = 20\log\left( \frac{\text{Signal + Rauschen + Verzerrung in Volt}}{\text{Rauschen + Verzerrung in Volt}}\right)\ $$

Da der Zähler die Summe aus Signal, Rauschen und Verzerrung ist, ist ein SINAD-Wert in dB immer positiv.

Der 12-dB-SINAD-Punkt

Für eine verständliche Sprache sollte der Pegel des Rauschens + Verzerrung in Volt 25 % der Gesamtleistung nicht überschreiten. Wie dies 12 dB SINAD entspricht, lässt sich wie folgt erläutern:

$$  \frac{\text{Signal + Rauschen + Verzerrung in Volt}}{\text{Rauschen + Verzerrung in Volt}} = 4 \text{ (d.h. 25% sind Rauschen und Verzerrung)} $$

Setzt man dies in die Formel für die logarithmische Spannung ein, erhält man:

$$ \text{SINAD (dB)} = 20\log{4} \approx \text{12 dB} $$

Die Eingangsspannung (normalerweise in uV) an der Empfängerantenne wird erhöht, bis der 12-dB-SINAD-Punkt erreicht ist. Die Spezifikationen für SINAD werden als “so viele uV bei 12 dB SINAD” angegeben, was bedeutet: “die Spannung am Antenneneingang, die 12 dB SINAD erzeugt”. Je niedriger diese Eingangsspannung ist, desto empfindlicher wird der Empfänger angesehen.

Wenn es erforderlich ist, den Leistungseingangspegel am Empfänger anstelle der Spannung zu ermitteln, können Sie die nachstehende Formel verwenden, wobei eine Antennenimpedanz von 50 Ohm angenommen wird.

$$ \text{Leistungseingangspegel (W)} =\frac{V^2}{50} $$

Oder verwenden Sie unser Berechnungstool hier um zwischen Spannung und Leistung umzurechnen.

Empfindlichkeitsmessung bei Funkmodulen

Sie werden sich fragen, wie sich SINAD auf Funkmodule anwenden lässt, die Daten und nicht z. B. Audiosignale übertragen.

Ein Signal, sei es ein Audio- oder Datenimpuls, ist immer noch ein Signal, das sich kontinuierlich mit der Zeit ändert. In diesem Sinne wird der Träger immer noch durch ein analoges Signal moduliert. So wird ein Impuls, der z. B. ein High-Signal darstellt, in den Sender eingespeist und der Empfänger liefert dann denselben Impuls. Ein solcher Ausgang würde der externen Hardware (z. B. einer CPU) ein Signal liefern, das binäre Einsen und Nullen enthält.

Die empfangenen Impulse enthalten jedoch Rauschen und haben möglicherweise nicht die richtigen Spannungspegel für die externe Hardware. Im Empfänger trifft daher eine Schwellenwertschaltung eine Entscheidung und wandelt die Impulse in lange hohe und lange niedrige Signale mit dem richtigen Spannungspegel um. Damit der Schwellenwertschaltkreis eine korrekte Beurteilung vornehmen kann, muss das ihm vorgelegte Signal so frei wie möglich von Rauschen sein. Wenn das Rauschen dazu führt, dass der Schwellenwert den falschen Bit-Pegel ermittelt, kommt es zu einem Bit-Fehler.

Daher hängt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Bitfehlers in einem Kommunikationssystem zum Teil von der Rausch- und Klirrperformance des Empfängerteils ab (zusätzlich zur Mindesteingangsleistung der Antenne, die eine andere Aussage über die Empfindlichkeit ist). Um dies zu messen, können wir, wenn das empfangene Signal vor der Schwellenschaltung zugänglich ist, den SINAD dieses Signals messen. Da keine Audiosignale sondern Daten übertragen werden, hat der 12-dB-SINAD-Punkt hier keine Bedeutung. Das Ziel ist vielmehr, den SINAD-Wert zu maximieren, um die Wahrscheinlichkeit eines Bitfehlers zu minimieren.

Warum verwenden wir hier trotzdem 12 dB SINAD?

Man verwendet den 12 dB SINAD nur, um die Leistung des Empfängers über mehrere Module hinweg vergleichen zu können. Mit anderen Worten, wir können das gleiche Messverfahren wie bei herkömmlichen analogen Funkempfängern anwenden.