信噪比设计课件

第四章第四章 信噪比设计信噪比设计离线品质工学及应用离线品质工学及应用离线品质工学及应用离线品质工学及应用信噪比是产品稳健性的评价信噪比是产品稳健性的评价指标指标 教学目标教学目标信噪比在品质控制中的实际信噪比在品质控制中的实际意义及功能波动产生的原因意义及功能波动产生的原因不同特性的信噪比数据分析不同特性的信噪比数据分析方法方法 目标特性、趋小特性、趋大目标特性、趋小特性、趋大特性的信噪比计算方法特性的信噪比计算方法 离线品质工学及应用离线品质工学及应用 稳健性与信噪比稳健性与信噪比1.信噪比与损失函数关系信噪比与损失函数关系2.修正偏差与提高品质修正偏差与提高品质3.教教学学内内容容离线品质工学及应用离线品质工学及应用教学要点教学要点SN比 作为标志通讯器材及通讯回路的优劣、信作为标志通讯器材及通讯回路的优劣、信号质量好坏的特性值，常使用信号能量号质量好坏的特性值，常使用信号能量S S与与杂音大小杂音大小N N之比来表示之比来表示在音频制品中在音频制品中若音量变大，则输出信号变大，同时杂音也变大若音量变大，则输出信号变大，同时杂音也变大若信号大，杂音小，则功能就好若信号大，杂音小，则功能就好不评价信号与噪音的大小，而只用两者的比表示不评价信号与噪音的大小，而只用两者的比表示离线品质工学及应用离线品质工学及应用（1 1）通讯工程中的通讯工程中的SNSN比比（2）机械工程中的SN比（3）品质工程学中的SN比离线品质工学及应用离线品质工学及应用树脂零件尺寸的偏差树脂零件尺寸的偏差 离线品质工学及应用离线品质工学及应用取对数后的取对数后的值比较接近正态分布，便于分析。值比较接近正态分布，便于分析。离线品质工学及应用离线品质工学及应用设产品的品质特性设产品的品质特性设产品的品质特性设产品的品质特性y y y y为随机变量，其数学期望为为随机变量，其数学期望为为随机变量，其数学期望为为随机变量，其数学期望为，方差为，方差为，方差为，方差为2 2 2 2，存在目标值，存在目标值，存在目标值，存在目标值mm，希望，希望，希望，希望越接近越接近越接近越接近mm越好，且越好，且越好，且越好，且2 2 2 2越小越好。越小越好。越小越好。越小越好。用变异系数用变异系数用变异系数用变异系数表示品质特性值的差异性，变异系数表示品质特性值的差异性，变异系数表示品质特性值的差异性，变异系数表示品质特性值的差异性，变异系数越小，说明品质特性值的越小，说明品质特性值的越小，说明品质特性值的越小，说明品质特性值的密集程度越高。例如大象重量的变异系数比小狗重量的小，则表密集程度越高。例如大象重量的变异系数比小狗重量的小，则表密集程度越高。例如大象重量的变异系数比小狗重量的小，则表密集程度越高。例如大象重量的变异系数比小狗重量的小，则表明大象重量的波动性小，小狗重量的波动性大。用稳定系数明大象重量的波动性小，小狗重量的波动性大。用稳定系数明大象重量的波动性小，小狗重量的波动性大。用稳定系数明大象重量的波动性小，小狗重量的波动性大。用稳定系数变异系数变异系数 ，它表示实际值偏离目标值的程度，用，它表示实际值偏离目标值的程度，用 来来表示产品的质量特性的稳表示产品的质量特性的稳健健性，性，越大，则产品质量波动越小，如越大，则产品质量波动越小，如将将2 2值看作信号，把值看作信号，把2 2值看作噪声因素，值看作噪声因素，成为成为SNSN比，实际使用时比，实际使用时会将会将 转化为分贝值转化为分贝值(db)(db)，即，即 信噪比信噪比1 信噪比信噪比2在处理单位面积有多少个次点等计数值质量问题时，常用在处理单位面积有多少个次点等计数值质量问题时，常用变异系数变异系数 来衡量质量的好坏：来衡量质量的好坏：，从上式可以看出，从上式可以看出，的大小由标准差与平均值的比值来决定，的大小由标准差与平均值的比值来决定，标准差越大其越大，即产品分散越大，所以变异系数是标准差越大其越大，即产品分散越大，所以变异系数是衡量产品优劣程度的一种指标。衡量产品优劣程度的一种指标。若取其倒数，则可作为衡量产品优良程度的一种尺度，即：若取其倒数，则可作为衡量产品优良程度的一种尺度，即：离线品质工学及应用离线品质工学及应用用用SN比概念来表示，则得到：比概念来表示，则得到：，的期望值为：的期望值为：由于由于 的估计值是误差方差的估计值是误差方差 ，因此，因此 的估计值可由下式导出：的估计值可由下式导出：令令离线品质工学及应用离线品质工学及应用则则在实际计算中常常对在实际计算中常常对值取值取1010倍常用对数进行运算，最后倍常用对数进行运算，最后得到分贝值（得到分贝值（dBdB），即），即通过上面推导分析出：通过上面推导分析出：SNSN比在计算中均考虑了平均值及其比在计算中均考虑了平均值及其误差与方差，是可以将不同特性值的数据转换到分贝值误差与方差，是可以将不同特性值的数据转换到分贝值进行比较，是进行多种参数及其参数组合功能评价的一进行比较，是进行多种参数及其参数组合功能评价的一种有效方法，信噪比越高则特性值越好。种有效方法，信噪比越高则特性值越好。离线品质工学及应用离线品质工学及应用 功能波动与稳健性功能波动与稳健性离线品质工学及应用离线品质工学及应用使用环境使用环境时间因素时间因素生产条件生产条件功能波动功能波动质量损失质量损失y y与与目标值存在差异目标值存在差异功能波动功能波动功能波动与稳健性：即使有波动，系统依然稳定功能波动与稳健性：即使有波动，系统依然稳定 干 扰（1 1）外干扰）外干扰 由于由于产品的产品的环境和条件（如温度、湿度、输环境和条件（如温度、湿度、输入电压等）的波动和变化，将引起产品的功能波入电压等）的波动和变化，将引起产品的功能波动。称这种波动为外干扰。动。称这种波动为外干扰。（2 2）内干扰）内干扰 产品在贮存或使用过程中，随时间发生材料产品在贮存或使用过程中，随时间发生材料变质等老化现象（如元件随时间变化而产生的功变质等老化现象（如元件随时间变化而产生的功能波动），从而引起产品的功能波动，称这种波能波动），从而引起产品的功能波动，称这种波动为内干扰。动为内干扰。（3）产品间波动）产品间波动 相同生产条件下，生产出来的一批产品，由相同生产条件下，生产出来的一批产品，由于机器、材料、加工方法、不同操作者等生产条于机器、材料、加工方法、不同操作者等生产条件的微小变化，就会引起这批产品的各个质量特件的微小变化，就会引起这批产品的各个质量特性值参差不齐（如同一批号的元件具有不同的值）性值参差不齐（如同一批号的元件具有不同的值），称这种，称这种品品质特性的波动为产品间波动。质特性的波动为产品间波动。稳健性设计稳健性设计SN比最大比最大品质工学任务品质工学任务稳健性设计稳健性设计稳健性设计稳健性设计：实现系统的实现系统的实现系统的实现系统的SNSN比最大比最大比最大比最大化化化化三种三种品品质质特性的信噪比特性的信噪比目标目标特性的特性的SN比：比：趋大特性的趋大特性的SN比：比：趋小趋小特性的特性的SN比：比：目标特性的灵敏度目标特性的灵敏度：全波动全波动均值波动均值波动(f=n)(f=1)误差波动误差波动(f=n-1)误差方差误差方差目目标标特特性性信信噪噪比比当目当目标值m与平均与平均值 不不一致一致时，可调整灵敏度使其接近时，可调整灵敏度使其接近目标值，若测定值为目标值，若测定值为yi，则变换这些测定值后的数据设为，则变换这些测定值后的数据设为，即：即：非零目标特性非零目标特性非零目标特性非零目标特性变换后的方差为：变换后的方差为：例例1 1 影像影像影像影像胶胶胶胶片片片片的厚度为的厚度为的厚度为的厚度为1005100510051005（mmmm），若偏离规格就会损失，若偏离规格就会损失，若偏离规格就会损失，若偏离规格就会损失21212121元元元元/卷。现从一批胶片中抽取了卷。现从一批胶片中抽取了卷。现从一批胶片中抽取了卷。现从一批胶片中抽取了10101010卷胶卷卷胶卷卷胶卷卷胶卷，其胶片的实际尺寸（其胶片的实际尺寸（其胶片的实际尺寸（其胶片的实际尺寸（mmmm）为：）为：）为：）为：105105105105；105105105105；102102102102；104104104104；103103103103；108108108108；105105105105；104104104104；103103103103；106106106106试求其信噪比。试求其信噪比。试求其信噪比。试求其信噪比。例例1 1 影像影像影像影像胶胶胶胶片片片片的厚度为的厚度为的厚度为的厚度为1005100510051005（mmmm），若偏离规格就会损失，若偏离规格就会损失，若偏离规格就会损失，若偏离规格就会损失21212121元元元元/卷。现从一批胶片中抽取了卷。现从一批胶片中抽取了卷。现从一批胶片中抽取了卷。现从一批胶片中抽取了10101010卷胶卷卷胶卷卷胶卷卷胶卷，其胶片的实际尺寸（其胶片的实际尺寸（其胶片的实际尺寸（其胶片的实际尺寸（mmmm）为：）为：）为：）为：105105105105；105105105105；102102102102；104104104104；103103103103；108108108108；105105105105；104104104104；103103103103；106106106106试求其信噪比。试求其信噪比。试求其信噪比。试求其信噪比。解：解：（1）全波动全波动分解分解 如果用胶卷的厚度尺寸直接求解全波动，则如果用胶卷的厚度尺寸直接求解全波动，则全波动全波动ST T为：为：均值波动均值波动Sm m为：为：误差波动误差波动Se e为：为：误差误差方差方差Ve为：为：均值波动均值波动Sm的纯波动的纯波动 为：为：误差误差波动波动Se的纯波动的纯波动 为：为：均值的贡献率均值的贡献率 为：为：误差贡献率误差贡献率 为：为：信噪比信噪比为：为：（dB）贡献率：贡献率：贡献率：贡献率：纯波动占纯波动占纯波动占纯波动占全波动的百分比全波动的百分比全波动的百分比全波动的百分比 方差分析（胶卷厚度方差分析（胶卷厚度m）当目标值为零且测定值有正有负时。此时目标值当目标值为零且测定值有正有负时。此时目标值m=0与均值与均值 0不一致，如果测定值为不一致，如果测定值为Yi，则对比后的测定值数据为，则对比后的测定值数据为 ，即：，即：零目标特性零目标特性零目标特性零目标特性因为，产品的品质特性因为，产品的品质特性Y为随机变量，其期望值为随机变量，其期望值 ，则称则称为为Y的灵敏度。期望值的灵敏度。期望值的估算是平均值的估算是平均值；灵敏度；灵敏度的估计是的估计是平均值和灵敏度估计都是反映分布平均值和灵敏度估计都是反映分布，再将调整因素，再将调整因素 调整至目标值。调整至目标值。平均特征的估计。平均特征的估计。所以，灵敏度所以，灵敏度S就是先求平均值就是先求平均值因此，灵敏度因此，灵敏度S为：为：例例题题1010胶卷与目胶卷与目标值标值比比较较后的数后的数值值偏差偏差为为：5，5，2，4，3，8，5，4，3，6上述上述数据与目数据与目标值标值的的差差值值都都为为正，正，说说明明这这些些产产品品的的厚度都厚度都大大于目于目标值标值100m计计算算偏差平均偏差平均值值得到得到：现现将偏差数据将偏差数据Yi分解分解为为偏差均偏差均值值 和偏差与和偏差与平均平均偏差之差偏差之差，即得到下面的关系式：即得到下面的关系式：数据的分解（胶卷厚度数据的分解（胶卷厚度m）平均偏差平均偏差:偏差的全波动：偏差的全波动：均值波动：均值波动：误差波动：误差波动：误差方差误差方差：信噪比信噪比：Contents趋小特性信噪比趋小特性信噪比当品当品质质特性特性Y服从正服从正态态分布分布N（，2）时时，希望灵敏度，希望灵敏度和方和方差差均越小越好，即均越小越好，即越小越好，其倒数越大越好。因越小越好，其倒数越大越好。因此，此，趋趋小特性的信噪比小特性的信噪比可定可定义为义为：由此可以得出由此可以得出 越大，越大，产产品的品品的品质质特性越小，其性能就越特性越小，其性能就越稳稳定。定。设设Y1、Y2、Yn为趋为趋小特性小特性Y的的n个个测测定定值值。由：。由：可知：可知：Contents趋小特性信噪比趋小特性信噪比为为2+2的无偏估的无偏估计计，于是可取：，于是可取：将上式取将上式取对对数再数再扩扩大大10倍，倍，则趋则趋小特性信噪比估算式小特性信噪比估算式为为：其中，其中，n为为数据数据总总数。数。例题例题已知已知已知已知 测得的某房间的有机挥发物测得的某房间的有机挥发物测得的某房间的有机挥发物测得的某房间的有机挥发物（简称（简称（简称（简称VOCVOC）含量的数据如下（单）含量的数据如下（单）含量的数据如下（单）含量的数据如下（单位位位位1010-3-3mg/Lmg/L）：）：）：）：15711571、14841484、14331433、14121412、13981398、14011401、13861386、14251425、14631463、14761476试计算其信噪比。试计算其信噪比。试计算其信噪比。试计算其信噪比。解：解：希望空气中有机希望空气中有机挥发挥发物含量越少越好，因此，物含量越少越好，因此，VOC含量含量Y为趋为趋小特性。由小特性。由趋趋小特性信噪比小特性信噪比计计算公式可得：算公式可得：Contents趋大特性信噪比趋大特性信噪比根据根据趋趋小特性的信噪比公式可推小特性的信噪比公式可推导导出出趋趋大特性的信噪比大特性的信噪比估算式估算式为为：其中，其中，n为为数据数据总总数。数。例题例题在植物种子在植物种子发发芽芽实验实验中，中，经过经过施撒施撒环环境友好复合肥后，第四境友好复合肥后，第四天小麦的天小麦的发发芽率数据如下：芽率数据如下：0.98、0.92、0.92、0.92、0.96、1.00试计试计算其信噪比。算其信噪比。解：解：希望希望经过经过施撒复合肥后小麦的施撒复合肥后小麦的发发芽率越大越好，因此，芽率越大越好，因此，小麦小麦发发芽率芽率Y为趋为趋大特性。由大特性。由趋趋大特性信噪比大特性信噪比计计算公式算公式可得：可得：信噪比与损失函数的关系信噪比与损失函数的关系信噪比与目标特性损失函数的关系信噪比与目标特性损失函数的关系信噪比与信噪比与趋小趋小特性损失函数的关系特性损失函数的关系信噪比与信噪比与趋大趋大特性损失函数的关系特性损失函数的关系修正偏差与提高品质修正偏差与提高品质胶卷的例子胶卷的例子（1）修正偏差前，偏离目标值的偏差平方和的平均VT为：（2）由目标特性品质损由目标特性品质损失函数可求出其品质损失函数可求出其品质损失值为：失值为：（3 3）修正偏差后，可用修正偏差后，可用误差方差误差方差V Ve e来求出品质来求出品质损失值，即：损失值，即：每件产品可提高品质：每件产品可提高品质：19.24-2.47=16.77本章知识要点本章知识要点 1 1 2 3 3产品品质功产品品质功能波动使输能波动使输出特性与目出特性与目标值存在差标值存在差异，是系统异，是系统受到不可抗受到不可抗拒的干扰作拒的干扰作用和影响。用和影响。为了提高系为了提高系统稳健性，统稳健性，应进行信噪应进行信噪比设计。信比设计。信噪比越大系噪比越大系统抗干扰能统抗干扰能力越强，稳力越强，稳健性越高。健性越高。三种品质特性的信噪比三种品质特性的信噪比：目标特性：目标特性：目标特性：目标特性：趋小特性：趋小特性：趋小特性：趋小特性：趋大特性：趋大特性：趋大特性：趋大特性：p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings结束语讲师：XXXXXX XX年XX月XX日