[ 전자 ] SNR, SFDR 이란?

쉽고 빠르게 SNR, SFDR을 알아보자 

SNR과  SFDR이 왜 중요한가?

예를 들어, 음악을 녹음할 때 잡음이 많으면 음질이 떨어지고, 잡음 없는 고음질 음원은 사람들이 좋아한다.

이처럼 SNR 과 SFDR은 신호의 순수함을 측정하는 기준

 - SNR : 얼마나 노이즈가 적은가?

 - SFDR : 얼마나 원치 않은 잡음 성분이 없는가? 

 

SNR(Signal-to-Noise Ratio) 신호 대 잡음비

•  신호의 세기 노이즈에 비해 얼마나 큰지 나타냄
  
  • ex) 내가 말하는 소리(신호)와 주변 소음(노이즈)  중 누가 더 큰가? 
  • SNR이 60dB 이면, 신호가 노이즈 보다 1,000배 큼 (참고: 전압비  = dB= 20 log10 ( V2 / V1 ) )

SNR 수식

 

 

• dB 기본 개념: 두 전력 또는 전압의 비율을 로그 스케일로 표현한 단위
• dBFS (decibels relative to Full Scale) 기본 개념 : 디지털 시스템 전용 단위
  • Full Scale (최대값)를 기준으로 측정하는 단위
  • 디지털 시스템(ADC, DAC)**에서만 사용되는 개념입니다.
  • 예: ADC의 최대 출력 코드가 0 dBFS, 그보다 작은 신호는 음수 dBFS로 표현됨.

SFDR(Spurious-Free Dynamic Range) 스퓨리어스 없는 동작 범위 

• 입력신호 와 가장 큰 스퓨리어스 성분 (고조파 또는 기타 잡음 성분) 간의 비율 / 단위: dBc (carrier 대비 dB)
• 스퓨리어스 없는 동적 범위를 나타냄 ( *스퓨리어스 : 가장 강한 원하지 않는 신호 , 즉 넣지 않았는데 생기는 잡음 같은 주파수 성분)
  • 내 목소리에 섞인 이상한 메아리나 잡음 중 가장 큰 놈과의 차이
  • SFDR이 80dB 이면, 잡음 성분 중 가장 큰 것도 신호보다 10,000배 작음 (참고: 전압비  = dB= 20 log10 ( V2 / V1 ) )

SFDR 수식

• dBc (decibels relative to carrier) 기본 개념
  • 기준 신호(carrier 또는 fundamental tone)에 대한 비율
  • 스퓨리어스 또는 고조파가 기본 신호보다 얼마나 작은지 측정할 때 사용
  • Fundamental (입력 톤) = 0 dBFS
  • 고조파가 -86 dBFS일 경우 → SFDR = -86 dBc

단위	기준	쓰임새	특징
dB	어떤 값 간의 비율	이득, 감쇠, SNR 등	상대값
dBFS	디지털 시스템의 최대값 (Full Scale)	ADC/DAC 성능 지표	0이 최대, 그 이하 모두 음수
dBc	기본 주파수(Fundamental Tone)	SFDR, 고조파 분석 등	Carrier 대비 비율

• 실무 팁:
  •  ADC 출력이 -3 dBFS라면 → 최대값보다 약 70% 수준의 신호
  • 스퓨리어스가 -80 dBc면 → 기본 톤보다 10,000배 작은 잡음 성분
  • SNR이 84 dBFS면 → 노이즈가 Full Scale보다 84 dB 낮다는 의미

SNR와 ADC ( N = bit ) 관계

• 이론적 SNR ( ADC의 비트 수 기준 )
  • ex) N = bit  ADC 가 16bit 일 때 -> 6.02* 16(bit) + 1.76dB= 98.08db

ADC SNR 수식

 

항목	의미	주요원인	단위
SNR	신호 vs 전체 노이즈 전력비	thermal noise, quantization noise	dB,dBFS
SFDR	신호 vs 가장 큰 스퓨리어스 성분	회로의 비선형성, 클록 지터 등	dBc

 

 

 

ADC 이용한 SNR,SFDR 확인 방법

ADC3583 Datasheet

사진 및 자료 출처 : https://www.ti.com/

IC ADC3583

 

 

그래프 확인 방법

SNR (Signal-to-Noise Ratio) 84.4 dBFS 

 = 입력 주파수 1.1Mhz 에 비해 나머지 잡음 성분들이 얼마나 낮은지 나타냄

 

- 신호의 피크 찾기 (Fundamental Tone):

• 주입한 입력 톤의 주파수 가장 높은 피크로 보임 ( 해당 피크는 0 dBFS 가깝움)

- 잡음 플로어 확인 (Noise Floor):

• 1.1 MHz 피크를 제외한 전체 스펙트럼에서 넓게 퍼져있는 작은 신호들이 잡음.
• 대부분 -120 dBFS 근처에 형성되어 있고, 여러 주파수에 걸쳐 퍼져 있음.
• 단, 고조파(2배, 3배 주파수 등)는 SNR 계산에서 제외하고, 진짜 랜덤 잡음만 고려함.

SFDR (Spurious-Free Dynamic Range) 86 dBc : 

 = 1.1 MHz의 피크 다음으로 큰 신호가 약 -86 dBc 정도에 있음 ( 가장 큰 스퓨리어스 )
 - 이게 2차 고조파(2.2 MHz) 또는 3차 고조파(3.3 MHz) 일 가능성이 높음.
 - SFDR이 클수록 왜곡이 적고 순도 높은 신호 처리가 가능하다는 뜻

 

HD2 / HD3 (2차, 3차 고조파 왜곡, Harmonic Distortion)

- HD2: 입력 톤의 2배 주파수에서의 성분 → 2차 고조파
- HD3: 입력 톤의 3배 주파수 → 3차 고조파
= 표시된 Non-HD23 = 101 dBFS
이는 **기본 톤(1.1 MHz)**과 HD2(2.2 MHz), HD3(3.3 MHz)를 제외한 나머지 잡음 성분 중 가장 큰 값과의 비
즉, 순수 고조파가 아닌 다른 잡음/왜곡 요소 중에서 최댓값이 기본톤보다 101 dB 작다는 의미.

왜 중요할까?
- HD2/HD3는 비선형성의 전형적인 지표입니다.
- 회로에 의한 비선형이 있을 경우, 고조파 왜곡이 크게 나타나며, 특히 무선 송수신 회로나 오디오 회로에서 문제를 일으킬 수 있음

지표	수치 (이 그래프 기준)	실무적 의미
SNR	84.4 dBFS	잡음이 매우 낮음 → 고정밀 신호 측정 가능
SFDR	86 dBc	왜곡 억제 우수 → RF 신호에도 적합
Non-HD23	101 dBFS	시스템이 매우 선형이며, 고조파 외의 스퓨리어스가 거의 없음

 

관련 디버깅 팁

증상	원인 의심	디버깅/해결 팁
SNR이 낮게 나옴	- 전원/그라운드 노이즈	- 전원 핀에 디커플링 콘덴서 추가
	- 클럭 지터	- 클럭 신호 품질 확인 (위상 잡음 측정)
	- 입력 매칭 불량	- 임피던스 매칭 및 필터링 개선
SFDR이 낮음	- 연산 증폭기 비선형성	- 고속용 OPAMP로 교체
	- ADC 입력 버퍼 비선형	- 입력 신호 대역 내 왜곡 측정
		- 입력 버퍼 회로 설계 최적화
HD2/HD3 고조파가 큼	- 입력 대칭성 깨짐	- 차동 입력 구성 사용
	- 싱글엔드 → HD2 민감	- OPAMP 피드백 루프 최적화
	- OPAMP 피드백 경로 불안정	- DC offset 제거 회로 점검

 

마무리 

SNR과 SFDR은 아날로그 신호의 품질을 정량적으로 평가할 수 있는 핵심 지표로, 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. 높은 SNR은 정확한 신호 재현을, 높은 SFDR은 왜곡 없는 깨끗한 신호 처리를 의미한다. 따라서 회로 설계 초기부터 이 두 항목을 고려하는 것이 고신뢰성 시스템 구현의 출발점이 되므로 꼭 먼저 확인이 필요하다.