Consulta: Duda sobre relación señal a ruido (SNR) en sensor

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He estado leyendo la entrada sobre SNR de las cámaras de vídeo.

No me queda claro si al utilizar la ganancia (ej. +6dB = 1 punto de diafragma) de las cámaras se produce un aumento de S/R, debido a que al aumentar la señal electrónicamente, también aumenta el ruido. ¿En la misma medida?

Concerniente a lo anterior, ¿existe alguna manera de saber cuánto varía una S/R al aplicarle una ganancia? Ej.: S/R de 60 dB con una ganancia de +9 dB.

Y si esa señal la quieres grabar en una cinta que tenga mejor S/R, ¿cómo afecta?

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Respuesta

Hola …,

Dime por favor qué artículo es, para ponerme un poco en contexto. Porque no estoy seguro si te refieres al sensor de imagen o a la parte de audio.

De todas formas subir la ganancia (en un amplificador) afecta por igual al ruido de entrada y a la señal de entrada, así que la SNR de entrada permanece constante.

Lo que ocurre es que esa misma etapa de amplificación añade su propio ruido ‘a la salida’ (durante el proceso de amplificación en sí). Así que si contamos ese ruido extra a la salida, subir la ganancia implica normalmente que baja la SNR total, pero contando ahí la contribución del ruido de esa etapa.

Por ejemplo, imagina que a la entrada tienes 10 de señal y 2 de ruido (en unidades arbitrarias). La SNR será 10/2 = 5

El amplificador añade 2 de ruido extra a la salida.

Con una ganancia 1 tendremos a la salida (10 * 1) / (2 * 1 + 2) = 2.5

Con una ganancia 10 tendremos (10 * 10 ) / ( 2 *10 + 2) = 4.6 aprox.

La SNR es un poco peor con respecto a la que teníamos en la entrada, pero mucho mejor que la que tendríamos a la salida si hubiéramos usado una ganancia menor.

En ese modelo concreto, cuanto mayor es la ganancia, menos afecta la contribución de ruido de la etapa actual y las siguientes.

Esa ganancia se intenta aplicar lo más cerca posible de la entrada de señal para ‘fijar’ esa SNR a lo largo de toda la cadena analógica. Para que las contribuciones de ruido de toda la cadena analógica sean despreciables con respecto al nivel de la señal.

No hay una relación directa entre ganancia y SNR, depende de cada circuito (por ejemplo dependerá de las fuentes de ruido: en qué punto intervienen y con qué nivel).

Es decir, aumentar x dB la ganancia no implica mejorar x dB la SNR, no hay una relación directa e incluso puede que no afecte en nada. Cada circuito y según las condiciones de uso tendrá un comportamiento diferente.

No tengo experiencia con soportes analógicos para vídeo, ¿entiendo que te refieres a grabar en cinta la señal analógica?. No te sabría decir cómo afecta.

Un saludo!
Felipe

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(continuación)

Muchísimas gracias por la respuesta, Felipe.

Acabé en la entrada ISO y ruido en los sensores de imagen buscando información para resolver este problema:

Respecto a una cámara que ofrece una relación S/R de 55 dB, si se activa la ganancia de 9 dB, ¿en qué queda finalmente la relación S/R?

No hay valores de S y R, ni de Voltios o Watios para calcular S y R. Así que me estoy volviendo un poco loco 😅.

Con tu respuesta, entiendo que, como aumenta tanto señal como ruido, la S/R no variaría.

Pero investigando en unas pruebas que hacían con una cámara canon, la S/R se mantenía constante (65 dB) hasta un determinado nivel de ganancia (+6 dB y + 12dB). Cuando seleccionaba 24 dB, aumentaba más el ruido que la señal, pasando a ser 63 dB de S/R.

Quizás sea muy poco, pero no hallo la fórmula matemática.

Con la cinta me refería a la continuación del problema:

Si la señal resultante va a ser grabada sobre un magnetoscopio con relación S/R de 45 dB, ¿tendrá consecuencias significativas?

Muchísimas gracias de nuevo.

Respuesta

Hola …,

Ah, en sensores de imagen, vale.

Como digo, no hay una relación directa entre ganancia / ISO y SNR, genérica quiero decir. No hay una fórmula.

No quiere decir que no haya relación, en la mayoría de los sensores sí hay relación entre ganancia/ISO y SNR. Pero el comportamiento de un sensor no se puede extrapolar a otro.

Cada sensor tiene un comportamiento que viene determinado por la parte fotosensible y por la electrónica de la parte analógica.

No sé cómo habrán hecho las pruebas del sensor que comentas, pero te tendrían que dar las condiciones de partida y los parámetros que se mantienen constantes durante la prueba (exposición, temperatura…). Y los criterios para calcular la SNR.

El comportamiento del sensor depende además del escenario en el que opera (por ejemplo para larga exposición puede ser totalmente diferente del comportamiento con tiempos de exposición muy cortos, la temperatura de trabajo afecta mucho, etc.)

Es decir, cada sensor tiene su propio comportamiento. Para una situación concreta se podría llegar a modelar y conseguir una fórmula que relacione algunos parámetros, pero esa fórmula, ese modelo, sólo sería válido para ese sensor, y sólo para esas condiciones concretas.

Y caracterizar un sensor (p.e. las medidas que comentas) es muy complejo. Intervienen muchos factores y para esas medidas te tienen que decir qué factores son los que han participado y los que no afectan (se han mantenido constantes durante el experimento).

De todas formas, en los sensores modernos con ISO dual son típicos esos saltos de comportamiento, en la zona donde está la transición entre un circuito y otro. Echa si quieres un vistazo a este artículo:

https://quecamarareflex.com/sensores-con-iso-dual-dual-iso/

Ahí también puedes ver con un poco más de detalle cómo puede afectar la ganancia a la SNR (pero para ese modelo concreto y en ese ejemplo concreto)

Si estás muy interesado en la parte de modelado de sensores seguramente la mejor fuente de información sería buscar papers (artículos científicos) sobre modelado de sensores, suelen ser artículos un poco más ‘duros’ en la parte matemática pero creo que sería la fuente más fiable.

El tema de la grabación en cinta lo desconozco.

Pero por otro lado, la información que sale del sensor ya está en forma digital.

La SNR que tendrá la señal a partir de la conversión del ADC ya está fijada, y ningún proceso analógico la afectaría.

Si la cinta graba formato digital, la SNR de la cinta sólo afectaría al proceso de lectura, a la capacidad de la cinta para recuperar la información digital sin errores de lectura (o dicho de otra forma, a la capacidad de discriminar correctamente un 1 de un 0 en el proceso de lectura).

Esa SNR está totalmente desacoplada de la SNR de la señal generada por el sensor. Es la ventaja de trabajar con formato digital.

Si la SNR de la cinta es muy mala puede ocurrir que el vídeo se vea mal, con cortes o que se pierdan frames, etc. Es decir, que se pierda información, en el sentido de todo o nada (que se pierda un frame o se pierda una zona del fotograma, etc. dependiendo de la codificación). Pero no afectaría al ruido percibido en la imagen (granulado, lo que entendemos como ruido en la imagen).

Es decir, para un fotograma concreto, si se ha recuperado bien, la SNR de esa imagen (ruido percibido, granulado) debería ser la que entregó el sensor en origen.

Tal como lo entiendo, la SNR de la cinta no afectaría a la SNR de la imagen (cada fotograma tendrá la misma SNR global que )

Un saludo!
Felipe