本應(yīng)用筆記概述了SNR在評(píng)估Maxim集成先進(jìn)傳感器產(chǎn)品中的重要性。它還詳細(xì)介紹了SNR測(cè)試的細(xì)節(jié)，包括設(shè)置和程序，以及SNR和功耗的相互依賴(lài)性。最后，討論了評(píng)估人類(lèi)PPG信號(hào)信噪比的新方法。

介紹

在評(píng)估Maxim集成傳感器產(chǎn)品時(shí)，表征信噪比（SNR）非常重要。在生物傳感器（如Maxim傳感器）中，信號(hào)噪聲更低，有助于更快地報(bào)告結(jié)果。因此，具有更高SNR的設(shè)備通過(guò)縮短報(bào)告人體生命體征的時(shí)間，同時(shí)提高結(jié)果的準(zhǔn)確性來(lái)增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。

與市場(chǎng)上大多數(shù)其他電子設(shè)備一樣，Maxim器件可以通過(guò)測(cè)量各種條件或配置下的噪聲并將其與相同條件下的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)評(píng)估。通過(guò)信噪比實(shí)現(xiàn)的比較為評(píng)估人員提供了在各種操作環(huán)境和條件下測(cè)量精度的領(lǐng)先指標(biāo)。

信噪比：一種有效的績(jī)效評(píng)估方法

SNR定義為信號(hào)功率和噪聲功率之比，考慮了來(lái)自所有來(lái)源的噪聲，例如電噪聲、熱噪聲、光學(xué)噪聲甚至環(huán)境噪聲。

如果信號(hào)和噪聲的阻抗相同，則可以使用信號(hào)幅度和噪聲幅度來(lái)計(jì)算SNR。因此，信噪比可以表示為：

對(duì)于具有正值的光學(xué)測(cè)量等測(cè)量，當(dāng)信號(hào)為直流信號(hào)時(shí)，可以使用信號(hào)平均值計(jì)算信號(hào)幅度，可以使用測(cè)量信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算噪聲幅度。例如，考慮如圖1所示的信號(hào)。

圖1.標(biāo)準(zhǔn)偏差和信號(hào)平均值。

信噪比也可以計(jì)算為：

對(duì)于Maxim的高級(jí)傳感器產(chǎn)品，SNR的計(jì)算方法是平均ADC計(jì)數(shù)與ADC計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差之比，其中ADC計(jì)數(shù)與接收到的光信號(hào)呈線性關(guān)系。

信噪比測(cè)試設(shè)置和流程

SNR測(cè)試的目的是確定來(lái)自傳感器的測(cè)量信號(hào)中的噪聲程度。隨著信號(hào)幅度的變化，噪聲也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這些變化可能會(huì)影響傳感器的性能，也可能不會(huì)影響傳感器的性能。由于這些變化，SNR提供了一種有效的方法來(lái)評(píng)估性能。

輸入電流（在本例中為光學(xué)傳感器）是光電二極管產(chǎn)生的電流，取決于該光電二極管表面上的入射光。考慮Maxim傳感器的一般框圖（圖2）。

圖2.光學(xué)傳感器框圖。

對(duì)于相同的LED，光電二極管上的光子能量會(huì)隨著LED驅(qū)動(dòng)電流、脈沖寬度和采樣速率的增加而增加，但是光電二極管上的反射光入射（產(chǎn)生光電二極管電流，從而產(chǎn)生目標(biāo)信號(hào)）取決于各種其他因素，包括LED光輸出，反射光子能量以及光電二極管對(duì)所考慮的特定測(cè)試設(shè)置的響應(yīng)度。因此，在評(píng)估SNR時(shí)，LED電流不用作信號(hào)幅度的量度;相反，產(chǎn)生的光電二極管電流被用作表征SNR的參數(shù)。

SNR 測(cè)試的常規(guī)設(shè)置涉及將測(cè)試設(shè)置與要表征的設(shè)備放在穩(wěn)定的表面上，例如沒(méi)有任何環(huán)境振動(dòng)的光學(xué)工作臺(tái)。測(cè)試設(shè)置放置在白色反射器下，使得來(lái)自LED的光被所述反射器反射到光電二極管上。通常，使用白色苯乙烯高抗沖擊塑料卡作為反射器。也可以使用其他材料。

該設(shè)置將用黑匣子或黑紙覆蓋以阻擋環(huán)境光。盡管在此DUT中大部分抵消了環(huán)境光，但由于不同光照條件引起的變化可能會(huì)扭曲結(jié)果，從而在表征和相關(guān)性方面帶來(lái)問(wèn)題。因此，覆蓋測(cè)試設(shè)置以阻擋環(huán)境光可確保結(jié)果在不同的測(cè)試樓層或不同的環(huán)境條件下不會(huì)有所不同。請(qǐng)參見(jiàn)圖 3 和圖 4。

圖3.反射卡位于穩(wěn)定的光學(xué)工作臺(tái)上，頂部固定以避免振動(dòng)。

圖4.測(cè)試設(shè)置的側(cè)視圖，嚴(yán)格控制 DUT 和反光白卡之間的氣隙。

考慮測(cè)試設(shè)置的穩(wěn)定性也很重要。當(dāng)反射器和光電二極管之間的距離發(fā)生變化時(shí)，光電二極管上的入射光會(huì)發(fā)生變化。如果反射器不穩(wěn)定，則可能導(dǎo)致樣品采集過(guò)程中的距離變化。這會(huì)導(dǎo)致光電二極管上的入射光發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致ADC計(jì)數(shù)的變化，并轉(zhuǎn)化為信號(hào)噪聲，但實(shí)際上這是不穩(wěn)定測(cè)試設(shè)置的偽影。

一旦測(cè)試設(shè)置準(zhǔn)備就緒且穩(wěn)定，就可以獲取各種配置的數(shù)據(jù)。然后通過(guò)腳本（MATLAB或Python）或評(píng)估器分析每組數(shù)據(jù)的SNR。LED電流和反射器位置，以及反射器和部件之間的距離，都會(huì)發(fā)生變化，以達(dá)到ADC計(jì)數(shù)或ADC輸入電流的一定水平。輸入電流在允許的器件限值內(nèi)變化。輸入電流可通過(guò)以下公式根據(jù)ADC計(jì)數(shù)計(jì)算：?

例如，當(dāng)輸入范圍設(shè)置為16μA的19位ADC時(shí)，數(shù)據(jù)集顯示的平均計(jì)數(shù)約為330，000個(gè)計(jì)數(shù)。輸入電流的計(jì)算公式為：

輸入電流 = 10.07μA

掃描輸入電流并使用每個(gè)輸入電流設(shè)置的數(shù)據(jù)集計(jì)算SNR，得出SNR與輸入電流的關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5.SNR是光電探測(cè)器輸入電流的函數(shù)。

挑戰(zhàn)（信噪比與功率）

上圖可能給人的印象是，使用輸入電流接近最大限值的Maxim傳感器器件應(yīng)該是最佳配置，因?yàn)樗峁┳罡叩腟NR，因此性能最佳。但考慮到其他因素，可以明顯看出，最高輸入電流（或最高SNR）不一定是最佳解決方案。

ADC輸入電流主要取決于兩個(gè)因素：

LED 燈輸出。隨著LED光輸出的增加，反射回PD的光也更高。

與反射器的距離。對(duì)于相同的LED光輸出，當(dāng)與反射器的距離減小時(shí)，輸入電流會(huì)增加。

在生物傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，假設(shè)與皮膚的距離是恒定的，無(wú)論是在手腕、手指還是任何其他部位。在這種情況下，剩下的唯一變量是 LED 光輸出。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，我們假設(shè)LED光輸出隨LED平均電流線性增加。因此，很明顯，對(duì)于特定部件和應(yīng)用，SNR隨著LED平均電流的增加而改善。平均 LED 電流由 LED 驅(qū)動(dòng)電流（LED 驅(qū)動(dòng)器開(kāi)啟時(shí)的 LED 電流）、脈沖寬度和采樣率決定。更高的平均電流不僅意味著更高的SNR，還會(huì)導(dǎo)致更高的系統(tǒng)功耗。例如，圖6所示為Maxim生物傳感器MAX86140的功耗。

圖6.功率與采樣率和脈沖寬度成函數(shù)關(guān)系。

因此，定義最佳解決方案以為每個(gè)系統(tǒng)獲得最佳SNR和功耗非常重要。由于對(duì)可穿戴設(shè)備和配件等低功耗系統(tǒng)的期望越來(lái)越高，對(duì)長(zhǎng)電池壽命的需求不斷增加，這一點(diǎn)變得越來(lái)越重要。因此，提高LED電流或增加占空比以獲得高平均電流和高SNR并不總是最佳解決方案。

理想的解決方案應(yīng)基于每個(gè)應(yīng)用和系統(tǒng)要求。但是，在仔細(xì)評(píng)估所考慮的配置選項(xiàng)的SNR和功耗之后，必須做出明智的決定。

新途徑：用于人體受試者測(cè)試的信噪比

在對(duì)人體測(cè)試數(shù)據(jù)的信噪比評(píng)估方面，計(jì)算信噪比的傳統(tǒng)方法失敗了。Maxim生物傳感器設(shè)計(jì)用于利用光電容積脈搏波（PPG）數(shù)據(jù)精確測(cè)量人體生命體征，如心率和血氧合。PPG信號(hào)顯示特定部位（手指，手腕，耳朵等）的血容量變化，然后用于通過(guò)算法計(jì)算各種人體生命體征。圖7顯示了一個(gè)典型的PPG信號(hào)。

圖7.典型的PPG信號(hào)。

由于平均ADC計(jì)數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別用于估計(jì)信號(hào)幅度和噪聲幅度，因此它僅適用于直流信號(hào)。對(duì)于諸如PPG之類(lèi)的信號(hào)，它是交流和直流的組合，這種方法會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的噪聲結(jié)果。Maxim的工程師提出了一種全新的方法，用于評(píng)估通過(guò)頻域?yàn)V波實(shí)現(xiàn)的人類(lèi)PPG數(shù)據(jù)的SNR。

算法處理所需的人類(lèi)PPG數(shù)據(jù)一般在20Hz以下。可以對(duì)來(lái)自人類(lèi)受試者的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，以分離20Hz以上的噪聲和20Hz以下的信號(hào)。這種方法有效地將噪聲幅度和信號(hào)幅度與AC + DC信號(hào)分開(kāi)。參見(jiàn)圖 8。

這是一種令人興奮的新方法，使應(yīng)用工程師和系統(tǒng)工程師能夠評(píng)估人類(lèi)PPG數(shù)據(jù)的SNR，并對(duì)各種系統(tǒng)和應(yīng)用中的產(chǎn)品性能進(jìn)行更有意義的分析。

圖8.濾波后噪聲與交流信號(hào)分離。

結(jié)論

在電子行業(yè)，更具體地說(shuō)，當(dāng)涉及到傳感器產(chǎn)品時(shí)，SNR是顯示零件優(yōu)于另一個(gè)零件的第一個(gè)也是最重要的規(guī)格之一。信噪比以及一些其他規(guī)格為評(píng)估人員提供了設(shè)備性能的清晰快照。這就需要對(duì)信噪比測(cè)試設(shè)置、程序和信噪比計(jì)算方法有深入而深刻的了解。本應(yīng)用筆記試圖提供知識(shí)和完整的理解，從而提供更好的評(píng)估和客戶(hù)支持。

審核編輯：郭婷