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信号対雑音比 (SNR) 計算ツール

RF レシーバとシグナルチェーンの SNR、ノイズフロア、感度、ダイナミックレンジを計算

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公式

N_floor = kTB + NF, SNR = P_signal - N_floor

参考: Friis, 'Noise Figures of Radio Receivers', Proc. IRE, 1944

k — Boltzmann constant (J/K)
T — Temperature (K)
B — Bandwidth (Hz)
NF — Noise figure (dB)
SNR — Signal-to-noise ratio (dB)

仕組み

信号対雑音比（SNR）は、受信信号の品質をバックグラウンドノイズと比較して定量化する、RFレシーバー設計の基本的な性能指標です。ノイズフロアは、受信機が情報を効果的に検出して処理できる最小信号レベルを表します。基本的には、ボルツマン定数 (k)、絶対温度 (T)、およびシステム帯域幅 (B) を使用して計算される熱ノイズによって決まります。レシーバーの感度はこのノイズフロアの関数で、レシーバーのノイズ指数 (NF) によって変化します。NF (NF) は、アンプやミキサーなどのシステムコンポーネントによって追加されるノイズを表します。ノイズ指数が低いほどレシーバの性能が向上し、弱い信号も検出できます。熱ノイズフロアは次の式に従います。N = kTB、ここで k はボルツマン定数 (1.38 × 10^-23 J/K)、T は絶対温度 (通常は 290K)、B はシステム帯域幅です。帯域幅を増やすとノイズ電力が直接増加し、フロントエンドのノイズ指数を改善すればレシーバ全体の感度を高めることができます。

計算例

室温（290K）で帯域幅が10 MHzのセルラー LTE 受信機を考えてみましょう。サーマル・ノイズ・フロアの計算式は次のようになります。N = (1.38 × 10^-23) × 290 × 10,000,000 = -104 dBm。レシーバのノイズ指数が 8 dB の場合、実効ノイズフロアは -96 dBm になります。信号を正常に検出するには、入力する RF 信号がこのノイズフロアを少なくとも 3 ～ 6 dB 上回っている必要があります。一般的な LTE 信号は -80 dBm で、信号対雑音比マージンは約 16 dB で、これによって信頼性の高い復調とデータ回復が可能になります。

実践的なヒント

  • ✓ノイズ指数は必ず校正済みの試験装置で測定してください
  • ✓システム設計における温度変化の検討
  • ✓低ノイズアンプを使用してフロントエンドのパフォーマンスを向上させる

よくある間違い

  • ✗レシーバ感度の計算時にノイズ指数を無視する
  • ✗実際の動作温度の代わりに室温を使用する
  • ✗熱ノイズ以外のその他のノイズ源を無視

よくある質問

帯域幅を増やすと、ノイズパワーが直接増加します。帯域幅が広くなるとノイズフロアが高くなり、受信機の感度が低下します。
ほとんどの通信システムでは、ノイズ指数が10dB未満であれば問題ないと考えられます。低ノイズシステムでは 3 ～ 5 dB に達することがあります。
はい、温度は熱ノイズに直接影響します。温度が高くなるとノイズフロアが上昇し、レシーバーの性能が低下する可能性があります。
ノイズ指数の低減、帯域幅の最小化、低ノイズアンプの使用、フロントエンド部品の選択の最適化を行います。
ほとんどのデジタル・システムでは、変調の複雑さやエラー訂正技術にもよりますが、信頼性の高い復調を行うには、10～20dB の SNR が必要です。

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