3.4.2 Относительная мощность электрических сигналов дБm

Мощность электрических сигналов относительно стандартного сигнала мощностью 1 мВт выражают в единицах, которые называются "дБm": 0 дБm == 1 мВт.

Следует отметить, что раньше величину дБm преимущественно использовали для определения сигналов в телефонных линиях с сопротивлением 600 Ом, а за опорный уровень принимали значение 0,001 Вт (или 1мВт). Именно такое количество мощности рассеивается, если к 600-омной линии приложить среднеквадратичное напряжение Vrms, равное 0,775 V. Поэтому многие ошибочно полагают, что 0 дБm = 0,775 V, но это справедливо только для цепи с сопротивлением 600 Ом, а вот то, что 0 дБm = 1 мВт, правомерно всегда. (Примечание. В России за опорный уровень сигнала часто принимали значение 0 дБm = 1,5 V..)

Пример В. "Максимальный уровень сигнала на выходе микшерного пульта равен +20 дБm".

Эта формулировка аналогична той, что приведена в примере Б, только короче.

Пример Г. "Максимальный уровень сигнала на выходе микшерного пульта равен +20 дБm на нагрузку 600 Ом".

Эта формулировка аналогична той, что приведены в примерах Б и В, но в ней содержится дополнительная информация о сопротивлении нагрузки (600 Ом). Это позволяет рассчитать максимальное среднеквадратичное выходное напряжение для этой нагрузки, которое будет равно 7,75 V.

дБu

Современные аудиоустройства (микшерные пульты, ленточные магнитофоны, процессоры сигналов и др.), как правило, чувствительны к напряжению. Только для характеристики усилителей мощности, к которым подсоединяются колонки, чаще указывают мощность в ваттах, а не в децибелах.

Выраженная в единицах дБm относительная мощность, не определяет напряжения, правда, если известно сопротивление, его можно вычислить. Но, поскольку сделать это достаточно сложно, а как мы уже говорили, единицы децибелы вводились для упрощения значений, используемых для характеристики устройств, для выражения входного и выходного напряжения была предложена другая величина, которая называется "дБu".

При оценке величин дБm и дБu используются различные нулевые уровни. Напряжение, выраженное в дБu, не зависит от нагрузки (0 дБu всегда равно 0,775 V). Его значение будет эквивалентно напряжению, выраженному в дБm, только в том случае, если оно было получено для нагрузки 600 Ом (рис. 3.1).

Пример Д: "Максимальный уровень выходного сигнала микшерного пульта равен +20 дБu для нагрузки 10 000 Ом и выше".

На основании приведенных данных можно утверждать, что максимальный уровень сигнала для этого микшерного пульта равен 7,75 V (т. е. он такой же, как в примере Г). Существенное отличие заключается в том, что сопротивление нагрузки в примере Г составляло 600 Ом, а здесь минимальное сопротивление нагрузки равно 10 000 Ом. Подключить данный пульт к 600-омной нагрузке нельзя: произойдет падение напряжение, появятся сильные искажения, он может даже перегореть.

На основании чего были сделаны эти выводы? В примере Г была указана максимальная мощность на выходе 20 дБm, при более высокой нагрузке для достижения заданного уровня потребуется большее напряжение. В примере Д указано минимальное сопротивление нагрузки, подключение нагрузки с еще меньшим сопротивлением приведет к падению мощности на выходе. В результате уменьшится выходное напряжение, появятся искажения, и пульт может выйти из строя.

Рис. 4.2.1 Номограмма для определения относительной мощности, выраженной в дБu (или дБm при сопротивлении нагрузки 600 Ом), и напряжения

дБV и дБv

Величины дБu для выражения относительного напряжения стали использовать сравнительно недавно, прежде для этой цели служила величина дБV (0 дБV = 1 Vrms , где Vrms - среднеквадратичное напряжение). Для обозначения уровня напряжения, соответствующего мощности, указанной в дБm, раньше часто применяли строчную букву v: 0 дБv = 0,775 V.

Такое написание было удобным, так как значения величин дБv и дБm совпадали, если последнее оценивалось для сопротивления нагрузки 600 Ом, что упрощало сравнение данных, приведенных в различных спецификациях. Но порой путаница в написании приводила к серьезным ошибкам.

Пример Е.

1. "Номинальное выходное напряжение равно +4 дБv". 2. "Номинальное выходное напряжение равно +4 дБV".

Формулировки 1 и 2 только кажутся равнозначными. Строчная буква v в первой их них означает, что номинальное выходное напряжение Vrms = 1,23, а прописная буква V во второй, что Vrms = 1,60.

К сожалению, ошибки, связанные с тем, что данные, приведенные в единицах дБv (когда за ноль принято 0,775 V при сопротивлении нагрузки 600 Ом) и в единицах дБV (0 дБV = 1 V при любом сопротивлении нагрузки), воспринимались одинаковыми, происходили достаточно часто. Чтобы исключить их, Международная электротехническая комиссия (IEC) в качестве стандартного обозначения напряжения относительно уровня 1 V утвердила заглавную букву V. А Государственная ассоциация вещательных компаний (NAB) рекомендовала использовать маленькую букву u для обозначения напряжения, которое получено в случае измерения дБm при сопротивлении нагрузки 600 Ом. Буква u в величине дБu означает "недогруженный" выход -- этот термин используют для описания выхода, который работает без нагрузки или с маленькой нагрузкой (например, обычные входы с высоким сопротивлением в современной аудиоаппаратуре).

Пример Ж.

1. "Номинальное выходное напряжение равно +4 дБv".

2. "Номинальное выходное напряжение равно +4 дБu".

Формулировки 1 и 2 равнозначны, но вторая предпочтительнее. В них сообщается, что номинальный уровень выходного напряжения равен 1,23 Vrms.

Еще раз повторим, что отличие дБu (или дБv) от дБV заключается в уровне напряжения, которое принимается за ноль: 0 дБu (или дБv) = 0,775, а 0 дБV = 1,0 V.

Преобразование дБV в дБu (или в дБm при нагрузке 600 Ом)

Если речь идет о напряжении, а не о мощности, то для преобразования дБV в дБu (или в дБm при нагрузке 600 Ом) к имеющемуся значению дБV надо добавить 2,2 дБ. Для обратного преобразования дБu (дБm) в дБV следует отнять 2,2 дБ от указанного значения в дБu.

В табл. 4.2.1 приведены часто встречающиеся значения дБV и дБu, а также напряжения которому они соответствуют.

Таблица 4.2.1 Зачения дБV, дБu и соответствующие напряжения

дБV, дБu и дБm в спецификациях

Во многих продуктах предусмотрены входные и выходные миниразъемы RCA, предназначенные для подключения аппаратуры с высоким сопротивлением, которая более чувствительна к колебаниям напряжения, а не мощности, поэтому в их спецификации часто указывают номинальный уровень напряжения в дБV (например, -10 дБV).

Симметричные линейные входные и выходные XLR-разъемы предназначены для подключения аппаратуры, как с низким, так и с высоким сопротивлением. Устройства с низким сопротивлением более чувствительны к изменению мощности, поэтому в спецификации часто приводят номинальные уровни, характеризующие уровни сигнала при записи (например, +4 дБm) или при вещании (например, +8дБm) звука. Иногда указывается и значение дБu. Для входных и выходных разъемов RCA в спецификации обычно оговариваются более высокие, чем для разъемов XLR, уровни напряжения и меньшие сопротивления, но бывают и исключения. Линейный выход с низким сопротивлением в принципе можно подключить к входам с более высоким сопротивлением без значительного изменения уровня сигнала. А вот подключение выхода с высоким сопротивлением к входу с низким сопротивлением может привести к перегрузке, в результате которой возрастут искажения и снизится уровень сигнала. Это окажет неблагоприятное воздействие на АЧХ, а некоторых случаях может привести к выходу аппаратуры из строя, поэтому предлагаемые спецификации следует изучать очень внимательно.

дБW

Мы уже говорили, что величина дБm определяет электрическую мощность по отношению к 1 мВт. Ее удобно использовать для приведения низких значений выходных мощностей, свойственных, например, для микрофонов (она составляет порядка нескольких миллионных долей ватта) и процессоров сигналов (она достигает нескольких милливатт). А вот для характеристики высоких мощностей усилителей, которые составляют несколько сотен ватт, была предложена величина дБW, позволяющая обходиться без большого числа нулей.

0 дБW = 1 Вт.

Мощность 100-ваттного усилителя составит 20 дБW:

10log (100/1) = 10log (100) = 10·2 = 20 дБ,

а мощность 1000-ваттного усилителя будет равна 30 дБW. Если речь идет о мощности усилителя, то значения дБ, приведенные в табл. 3.1 и 3.2 равны значениям дБW и соответствуют количеству децибел на 1 Вт электрической мощности.