097-888-02-66
095-888-02-66

Что такое децибел?

Настоящий материал любезно предоставлен для публикаций и распространения компанией Fte Maximal (Испания) – одним из ведущим европейских производителей компонентов и решений для построения систем аналогового и цифрового ТВ.

Статья имеет непосредственное отношение как для начинающих инженеров-метрологов, так и опытных специалистов (для освежения памяти, оно полезно…). 

Краткая аннотация

Децибел (dB) – логарифмическая единица измерений, выражающая значение физической величины относительно заданного или предполагаемого отсчётного (контрольного) уровня. Поскольку эта единица отражает соотношение двух величин с одной и той же единицей измерений, то это – безразмерная единица.

Обратим внимание на то, что, для характеристик чего-либо обычно применяют именно децибелы, поскольку один децибел = 1/10 бел (В), что существенно облегчает процедуры измерений и анализов.

В инженерии и научных исследованиях применение единиц измерений децибел очень удобно, особенно в акустике и электронике. Такой подход предоставляет целый ряд преимуществ, например, возможность оперировать очень большими или маленькими величинами, а также проводить логарифмическое масштабирование, которое приблизительно соответствует человеческому восприятию, к примеру, звука или света, кроме того, задействуется алгоритм  умножения коэффициентов через простые операции сложения или вычитания. Децибел – инструмент, при помощи которого мы можем трансформировать «линейный мир» в «логарифмический мир». Таким образом, мы становимся способными воспринимать большие и маленькие величины через их преобразование в значения, с которыми значительно проще работать. Например, вместо 0,0007V мы можем применить 56,9dBuv. Проведём различие между термином «децибел» и «относительный децибел», при этом необходимо помнить, что оба этих параметра относительны и различия между ними мы увидим ниже.

Параметр dB – что это?

Как уже было сказано, dB – относительная характеристика между двумя величинами, выраженная логарифмическим методом представления. Давайте рассмотрим ряд примеров:

Рисунок 1: линейный мир, логарифмический мир

На этом примере мы можем видеть усилитель, который «усиливает сигнал в 80 раз». На «логарифмическом» языке это звучит так: «усилитель с коэффициентом усиления 38dB». Очень важно обратить внимание на то, что когда мы работаем с напряжением, то возникает фактор (множитель) 20, который будет иным, при измерениях мощности.

Рисунок 2: линейный мир, логарифмический мир

На этом примере мы рассматриваем влияние сопротивления, а не усиления, которое ослабляет наш сигнал на коэффициент 0.05. Если провести расчёты, на сколько сигнал был ослаблен с применением параметра dB, то можно констатировать, что уровень сигнала был понижен на 26dB. Обратите внимание на минусовое значение. Другими словами, относительно входа мы имеем сигнал с минусовым значением 26 dB (- 26dB).

Пример:

Вопрос: у меня на выходе ответвления сигнал минус 12dB, можно ли определить каков коэффициент понижения?

Вполне возможно, что кто-то поинтересуется коэффициентом линейного понижения, т.е. то, что мы рассматривали в предыдущих примерах. Для этого требуется выполнить ряд математических действий, но помните, что это не всегда необходимо:

20 x log X = - 12

Log X = - 12 ÷ 20

X = 10 (-12/20) = 0.25 = ¼

Таким образом, мы получили результат: входной уровень был понижен в 4 раза

В заключение, можно сделать вывод, что dB является логарифмическим способом выражения усиления или затухания сигнала в отношении к точке измерения (“У меня сигнал выше на 30dB на выходе усилителя, чем на его входе») или обозначения временной вариации сигнала («Присутствуют затухания в канале, поскольку минуту назад у меня был сигнал меньше на 1.8 dB»).

Параметр dBuV. Что это?

Пришло время представить очень часто используемую величину в мире антенн, dBuV. Эта величина имеет относительный характер и сравнивается с 1uV (0,000001V). dBuV применяется в тех случаях, когда требуется выразить количественный показатель уровня сигнала в одной конкретной точке. Например, «на выходе антенны у меня 40dBuV в канале 48UHF». В этом случае мы не сравниваем значения в различных точках, как делали это в предыдущих случаях (усилитель и сопротивление). Здесь мы указываем на одну единственную точку: на выходе антенны, на входе распределительного устройства, на выходе разветвителя, на выходе штепсельной розетки и т.д. С учётом того, что величины сигнала, которые должны измеряться в ходе монтажных работ низкие, 1/10, 1/100, 1/1000, 1/10000 от 1V, то параметр dBuV наиболее подходящий при измерениях в процессе такого рода работ. Концептуальное значение таково: на сколько dB мы находимся выше (или ниже) 1uV. Таким образом, если имеет место 0dBuv, то это значит, что мы находимся на том же уровне, что и 1uV. При позитивных значениях dBuV, это значит, что мы выше 1uV: 2, 4, 5, 20uV…. а если у нас негативные значения dBuV, то это значит, что мы ниже 1uV: 0.5, 0.001, 0.00000678uV и т.д.

Таким образом, можно обнаружить взаимосвязь между линейным и логарифмическим мирами:

[V│dBuV = 20 x log V│v ÷ 0, 000001] и [V│v = 0, 000001 x 10 (V│dBuV ÷ 20)]

Такого рода математические вычисления совсем нет необходимости производить, поскольку измерители напряжённости поля серийного ряда MediaMAX (семейства EVO и MINI) о компании Fte Maximal выдают результаты измерений в dBuV, dBmV, dBm:

                                         

             Рисунок 3: Представление параметров на экране измерителя напряжённости поля

Но, в любом случае, всегда необходимо иметь под рукой таблицу, представляющую собой взаимоотношения «двух миров»:

Таблица 1

Параметр dBmV. Что это?

dBmV также применяется, но не часто. Только в тех случаях, когда мы имеем дело с высокими уровнями сигналов. Концептуальное значение таково: на сколько dB мы находимся выше (или ниже) 1mV. Таким образом, если имеет место 0dBmV, то это значит, что мы находимся на том же уровне, что и 1mV. При позитивных значениях dBmV, это значит, что мы выше 1mV: 2, 4, 5, 20mV,….. а если у нас негативные значения dBmV, то это значит, что мы ниже 1mV: 0.5, 0.001, 0.00000678mV и т.д.

Таким образом, можно обнаружить взаимосвязь между линейным и логарифмическим мирами:

[V│dBmV = 20 x log V│v ÷ 0, 000001] и [V│v = 0, 000001 x 10 (V│dBmV ÷ 20)]

По аналогии с предыдущим абзацем, такого рода математические вычисления совсем нет необходимости производить, поскольку это также выполняется измерителями напряжённости поля от компании Fte Maximal. Также приводим соответствующую таблицу взаимосвязи линейных и логарифмических параметров:

Таблица 2

Сравнивая между собой обе приведённые таблицы, можно сделать следующие выводы:

X dBmV = x dBuV – 60dB

Пример: 60 dBmV = 120 dBuV – 60dB

Параметр dBm. Что это?

В ряде случаем можно обнаружить, что сигнал измеряется в единицах dBm. Этот параметр относится к мощности и представляет собой аббревиатуру dBmW. В основном эта единица измерений применяется при тестировании передатчиков и базовых станций. В этом случае уже не проводятся сравнения уровней мощности. Взаимосвязь между «двумя мирами» может быть представлена следующим образом:

[P│dBm = 10 x log P│W ÷ 0,001] и [P│W = 0,001 x 10 P│dBm ÷ 10]

Обратите внимание на то, что теперь применяется коэффициент 10 вместо 20.

Взаимосвязь между «двумя мирами» представлена в следующей таблице:

Таблица 3

Параметр dBW. Что это?

В иных случаях, когда есть необходимость представления более высоких значений мощности, можно использовать параметр dBW, как например, для описания мощности, передаваемой одним спутником.

                                                                          Рис.1

Взаимосвязь между двумя величинами приводится в следующих формулах и соответствующей таблице:

[P│dBW = 10 x log P│W] и [P│W = 10 P│dBW ÷ 10]

Таблица 4

Сравнивая между собой две последние таблицы, можно прийти к следующему выводу:

x dBW = x dBm – 30dB, Пример: 0 dBW = 30 dBm – 30 dB

Взаимосвязь между напряжением и мощностью

Рассчитывая на то, что настоящая статья претендует на то, чтобы стать что-то вроде справочника, было бы интересным показать взаимосвязь между напряжением и мощностью, поскольку в мире антенн всё оборудование обладает характеристиками импеданса в 75 Ώ. Это согласно закону Ома. Это значение (75 Ώ) позволит нам провести параллель между dBuV и dBm. Но в большинстве случаев, на практике, этого делать не нужно. Данные расчёты приводятся лишь для наглядности.

Закон Ома: P = VI; P = V(2) ÷ R = V(2) ÷ 75

Это – линейная формула. Это значит, что для того, чтобы конвертировать от dBm к dBuV, нам нужно:

1. dBm →W                                        1. dBuV → V

2. W → V (Ohm's Law)                        2. V → W (Ohm's Law)

3.  V → dBuV                                       3. W → dBm

Вот ещё два примера (только при нагрузке в 75 Ώ)

• 120 dBuV              → 1 V              → 0,013333 W              → 11,24 dBm   

• 30 dBm                 → 1 W             → 8,66 V                      → 138,7 dBuV

Интересный факт:

Трансформация между «двумя мирами» может вызывать недоумение, что особенно заметно при делении напряжения на два. В «линейном мире» (там, где мы работаем с V, W…), можно говорить: “Половина 1V есть 0,5 V» (т.е. значение 1V, разделённое пополам). В «логарифмическом мире» (там, где мы работаем с dB, dBuV, dBm….), мы лишь можем сформулировать: “Половина 120 dBuV есть 60 dBuV», но это только для математической версии. Если же принимать во внимание предыдущие примеры, когда мы делили логарифмические величины на две равные части, то корректным было бы выразиться: «Половина 120 dBuV есть 114 dBuV».

Таким образом:

  • Получить половину сигнала означает потерять 6dB, если мы говорим о напряжении;
  • Получить половину сигнала означает потерять 3dB, если мы говорим о мощности;
  • Если мы удваиваем сигнал, то должны добавлять 6dB (при напряжении) и 3dB (при мощности);

Далее мы приводим таблицы, устанавливающие взаимосвязь между W и dBW:

                                          

Итак:

  • Удвоить мощность, значит увеличить её на 3dB;
  • Это удвоение то же самое, как если бы мы применяли единицы измерений Watts и миллионы Watts (при этом 3dB остаётся неизменной).