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信号対雑音比 (SNR) 計算ツール

RF システムの信号対雑音比、ノイズフロア、レシーバ感度、ダイナミックレンジを計算します。シグナル・チェーンのパフォーマンスを分析してください。無料で即時に結果が得られます。

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公式

Nfloor=kTB+NF,SNR=Psignal−NfloorN_floor = kTB + NF, SNR = P_signal - N_floor

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

k— ボルツマン定数 (J/K)
T— 温度 (K)
B— 帯域幅 (Hz)
NF— ノイズフィギュア (dB)
SNR— 信号対雑音比 (dB)

仕組み

SNR Calculatorは、RFリンクバジェット分析、レーダーシステム設計、およびワイヤレス通信計画に不可欠な信号対雑音比と受信機のノイズフロアを計算します。RF エンジニア、ワイヤレス・システム・アーキテクト、テスト技術者は、これを使用してレシーバーの感度を判断し、通信範囲を予測します。シャノンのチャネル容量定理 (1948) によれば、SNR は最大データレートを直接制限します。つまり、SNR が 10 dB 向上すると、達成可能なスループットが 2 倍になります。熱ノイズフロアは N = kTB に従います。ここで k = 1.380649e-23 J/K（2019 SI の正確なボルツマン定数）、T = 絶対温度、B = 帯域幅です。290Kの基準温度では、熱ノイズ密度は-174 dBm/Hzで、これはどのレシーバにとっても基本的な限界値です。最新の LTE レシーバーのノイズ指数は 6 ～ 8 dB ですが、衛星放送受信機は 0.5 ～ 1.0 dB に達します。Proakisの「デジタル通信」（第5版、第5章）によると、3 dB の SNR の向上により、QPSK 変調のビットエラー率が約 1 桁減少します。

計算例

5G NR 基地局レシーバは、3.5 GHz で動作し、帯域幅は 100 MHz、雑音指数は 5 dB です。SNR が 20 dB の場合のノイズフロアと必要な信号レベルを計算します。ステップ 1: 熱ノイズ = -174 + 10*log10 (100e6) = -174 + 80 = -94 dBm。ステップ 2: 有効ノイズフロア = -94 + 5 dB NF = -89 dBm。ステップ 3: SNR が 20 dB の場合、必要な信号 = -89 + 20 = -69 dBm。これは NR FR1 の 3GPP TS 38.104 リファレンス感度要件と一致しています。この SNR では、64-QAM はコーディングなしで BER < 1e-6 を実現し、Proakis テーブル 5.3 によると 100 MHz チャネルあたり 150 Mbps のスループットが可能になります。

実践的なヒント

  • ✓IEEE 1139-2008に従い、同等の仕様では、必ず290Kのリファレンス温度でノイズ指数を測定してください
  • ✓ITU-R SA.509に従い、衛星および電波天文学アプリケーションには、NF < 1 dBの低ノイズアンプを使用してください
  • ✓製造上のばらつきを考慮して、理論上の感度よりも3～6dBの実装マージンを追加（業界標準慣行）

よくある間違い

  • ✗IEEE標準の290Kリファレンスの代わりに室温（300K）を使用すると、ノイズの計算で0.15dBの誤差が発生します
  • ✗感度の計算時にノイズ指数を無視すると、6 dB NFでは感度が正確に6 dB低下します。
  • ✗LNA前のケーブルとコネクタの損失を無視 — 2 dB NF LNAの前に1dBの損失が発生すると、システムNFはFriis式あたり2.8dBに上昇します

よくある質問

ノイズパワーは帯域幅に比例します。帯域幅を2倍にすると、ノイズフロアがちょうど3.01dB上がります。帯域幅を 10 倍に増やすと、ノイズフロアは 10 dB 増加します。Shannon-Hartleyの定理によると、帯域幅が広いほどデータレートは高くなりますが、それに比例して強い信号が必要になります。
サテライト電球:0.5-1.0 デシベル。セルラー基地局:2～4 dB無線LANレシーバー:4～6デシベルGPS レシーバー:1.5-2.5 デシベル。コンシューマデバイス:6-10 デシベルRazaviの「RFマイクロエレクトロニクス」（第2版）によると、1 dB NFが向上するごとに、固定送信電力で範囲が約 12% 拡張されます。
はい — 熱ノイズは絶対温度に比例します。290Kから20K（極低温LNA）に冷却すると、ノイズが10*log10（290/20）= 11.6 dB 減少します。電波望遠鏡は、IEEE MTT-S規格に準拠した3～5Kの等価ノイズ温度を実現する4K極低温システムを使用しています。
Pozarの「マイクロ波エンジニアリング」（第4版、第11章）によると、（1）第1段階としてNFが1 dB未満のLNAを使用し、Friisの式ではシステムのNFが支配的です。（2）LNAの前にケーブル損失を最小限に抑えます。（3）帯域幅を必要最小限に抑えます。（4）極低温アプリケーション向けのクールなフロントエンド。感度が 3 dB 向上するごとに、最大範囲が 2 倍になります。
BPSK: BER=1e-6の場合、10.5 dB。QPSK: 10.5 dB。16-QAM: 17 dB。64-QAM: 23 dB。256-QAM: 29 dB。3GPP TS 36.101 によると、LTE には 64-QAM MCS 20 には 15.4 dB の SNR が必要です。WiFi 6 (802.11ax) 1024-QAM には IEEE 802.11ax-2021 仕様に従い 35 dB の SNR が必要です。

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