- Sections and slides rewritten in Swedish; German law and institutions replaced by Swedish/CEPT/ITU equivalents (PTS, SSA, PTSFS 2025:1, SSMFS 2008:18), unverified statements marked "% TODO VERIFY" - New toc: INSTEG, HAREC, UPPGRADERING; section idents are Swedish (see ident-map.tsv) - Exam-question tags, BNetzA question pool, solutions and the German SWL course removed - Static pages, snippets, applets, READMEs and image alt-texts translated - TikZ labels translated; SVG drawings regenerated (drawing 689 still fails to build upstream: it references a missing photo) - Changed from the original: not endorsed by DARC e.V., SSA or PTS Co-Authored-By: Claude Sonnet 5.5 <[email protected]>
11 KiB
I Instegscertifikatet har vi redan lärt känna decibel som ett verktyg för att beskriva förhållanden, och sett att en effektändring på \qty{3}{\dB} motsvarar en effektfaktor på \num{2}. Tabell [ref:a_dezibel_leistungsfaktoren] innehåller fler viktiga motsvarigheter.
För omräkning av ett effektförhållande till \unit{\dB} används följande formel, som du redan har sett tidigare. Förhållandet g mellan två effekter P_1 och P_2 i \unit{\dB} är:
g = 10\cdot \log_{10}\left(\frac{P_2}{P_1}\right)\unit{\dB}
Exempel: En förstärkare har ineffekten P_1 = \qty{2,5}{\watt} och uteffekten P_2 = \qty{38}{\watt}. Förstärkningen är då g = 10\cdot \log_{10}\left(\frac{\qty{38}{\watt}}{\qty{2,5}{\watt}}\right)\unit{\dB} = \qty{11,8}{\dB}.
Vill man få fram en förhållandefaktor ur ett $\unit{\dB}$-värde måste formeln formas om:
\begin{align*} g &= 10 \cdot \log_{10}\left( x \right) \unit{\dB} & \quad\quad\quad &|: \qty{10}{\dB} \\ \frac{g}{\qty{10}{\dB}} &= \log_{10}\left( x \right) &~&| \quad 10^{x}\\ x &= 10^{\frac{g}{\qty{10}{\dB}}} &~&~\end{align*}
Med dessa två formler kan vi enkelt räkna om mellan $\unit{\dB}$-värden och förhållandefaktorer. Exempel: En förstärkning på \qty{16}{\dB} ger med \qty{1}{\watt} på ingången uteffekten \qty{1}{\watt} \cdot 10^{1,6} \approx \qty{40}{\watt}. Utan miniräknare: \qty{16}{\dB} = \qty{10}{\dB} + \qty{6}{\dB}, alltså faktor 10 \cdot 4 = 40.
Du har redan lärt dig följande knep: Decibelvärden som slutar på ”$0$” kan uppskattas helt utan miniräknare: Håll för den sista nollan, så anger siffran antalet nollor i förhållandefaktorn. Exempel: $\qty{30}{\dB} \rightarrow 3 \rightarrow 3~\text{nollor} \rightarrow \text{förhållandefaktor}~1000$!
Det går också att räkna åt andra hållet: En etta med 12 nollor (\num{1000000000000}) i \unit{\dB} är helt enkelt antalet nollor, alltså 12, multiplicerat med 10. Det ger en förstärkningsfaktor på \qty{120}{\dB}.
Även för $\unit{\dB}$-värden som inte slutar på 0 kan man hitta faktorn genom uppdelning:
- Man kan dela upp
\qty{9}{\dB}i\qty{6}{\dB} + \qty{3}{\dB}, vilket motsvarar en multiplikation4\cdot 2 = 8. - Vilken faktor motsvarar ett effektförhållande på
\qty{17}{\dB}?\qty{17}{\dB} = \qty{20}{\dB} - \qty{3}{\dB}, alltså faktor100delat med2är50.
Decibel (\unit{\dB}) beskriver i grunden ett dimensionslöst förhållande, till exempel mellan effekter eller spänningar. Därför används \unit{\dB} framför allt för att ange förstärkning och dämpning. I dessa fall behövs inget ytterligare tillägg, eftersom det bara är förhållandet mellan två storheter som anges. Negativa decibelvärden betecknar förresten förhållanden mindre än 1. Så motsvarar \qty{-3}{\dB} ett förhållande på \frac{1}{2} = \num{0,5}.
Man kan också använda decibelvärden för att ange en absolut nivå. Då krävs dock en fast referens P_0:
p = 10\cdot \log_{10}\left(\frac{P}{P_0}\right)\unit{\dB}
Referensen kan till exempel vara en effekt på \qty{1}{\milli\watt}. Då får decibelvärdet ett motsvarande tillägg: Om nivån är relaterad till \qty{1}{\milli\watt} talar man om \unit{\dBm}. Därmed är det entydigt fastlagt vilket absolut effektvärde decibelnivån syftar på.
Om du till exempel möter uppgiften ”Sändaren har uteffekten $\qty{20}{\dBm}$” är det lätt att räkna om värdet till milliwatt. En nivå på \qty{20}{\dB} motsvarar effektfaktorn 100 (alltså två nollor). Faktorn multipliceras med referensen \qty{1}{\milli\watt}:
P = 100 \cdot \qty{1}{\milli\watt} = \qty{100}{\milli\watt}
I tabell [ref:a_bezugsgroessen] listas de viktigaste referenserna och deras $\unit{\dB}$-beteckningar.
| l: Beteckning | X: Referensvärde | | $\unit{\dBm}$ | $\qty{1}{\milli\watt}$ | | $\unit{\dBW}$ | $\qty{1}{\watt}$ | | $\unit{\dBu}$ | $\qty{0,775}{\volt}$ | | $\unit{\dB\micro\volt}$ | $\qty{1}{\micro\volt}$ | [table:a_bezugsgroessen:Viktiga referensvärden]Ytterligare exempel: \qty{20}{\dBW} motsvarar P = 10^{\frac{\qty{20}{\dBW}}{10}} \cdot \qty{1}{\watt} = \qty{100}{\watt}. Och \qty{1}{\watt} = \qty{1000}{\milli\watt} motsvarar \qty{30}{\dBm}; en förstärkning på \qty{10}{\dB} (faktor 10) ger \qty{10000}{\milli\watt} = \qty{40}{\dBm}.
Varför gör man egentligen så här och anger absoluta effekter i \unit{\dBm} och \unit{\dBW}? Som redan antytts är det främsta syftet med decibel att förenkla beräkningar. När förstärkningar och dämpningar anges i decibel kan hela signalkedjor överslagsräknas med enkel addition och subtraktion, utan krångliga multiplikationer och divisioner.
Figur [ref:e_signalkette] visar en sådan signalkedja med tre förstärkarsteg. Insignalen har effekten \qty{1}{\milli\watt}, vilket motsvarar \qty{0}{\dBm}. Genom de tre förstärkarstegen förstärks signalen sammanlagt till \qty{60}{\dBm} (alltså \num{1000000}\cdot \qty{1}{\milli\watt}), vilket motsvarar en effekt på \qty{1000}{\watt}.
Figur [ref:e_signalkette_2] visar ett annat exempel på en signalkedja, där dessutom ett dämpsteg med dämpningen \qty{20}{\dB} används, vilket motsvarar en förstärkning på \qty{-20}{\dB}. Insignalen har effekten \qty{1}{\milli\watt}, alltså \qty{0}{\dBm}. Det första förstärkarsteget höjer signalen till \qty{10}{\dBm}. Sedan dämpas den av dämpsteget till \qty{-10}{\dBm} och förstärks slutligen av det andra förstärkarsteget tillbaka till \qty{0}{\dBm}, vilket åter motsvarar \qty{1}{\milli\watt}.
För att bestämma den totala förstärkningen hos en flerstegs effektförstärkare tar man differensen mellan utgående och ingående effekt genom subtraktion av dBm-värdena med rätt tecken. Exempel: Ineffekt \qty{-5}{\dBm} och uteffekt \qty{20}{\dBm} ger en total förstärkning på \qty{25}{\dB} (\qty{20}{\dBm} - (\qty{-5}{\dBm}) = \qty{25}{\dB}).
Dessutom har vi tidigare mött tilläggen \unit{\dBd} och \unit{\dBi}, som används för antennförstärkning. Då är decibelvärdet inte relaterat till en effekt eller spänning utan till en bestämd referensantenn. Vanliga är \unit{\dBi}, relaterat till den isotropa kulstrålaren, samt \unit{\dBd}, relaterat till halvvågsdipolen.
Förutom effektförhållanden kan vi också använda decibel för att ange spänningsförhållanden och spänningsnivåer. För det kan vi använda formeln P = \frac{U^2}{R}. Då kan vi skriva:
\begin{split}g &= 10 \cdot \log_{10}\left(\frac{P_1}{P_2}\right)\\ g &= 10 \cdot \log_{10}\left(\frac{\frac{U_1^2}{\cancel{R}}}{\frac{U_2^2}{\cancel{R}}}\right)\\ g &= 10 \cdot \log_{10}\left(\left(\frac{U_1}{U_2}\right)^2\right) \end{split}
- Logaritmen av en produkt av två tal är summan av logaritmerna:
\log_{10}(a\cdot b) = \log_{10}(a)+ \log_{10}(b) - Logaritmen av en kvot av två tal är differensen mellan logaritmerna:
\log_{10}(a / b) = \log_{10}(a) - \log_{10}(b) - Logaritmen av ett kvadrerat tal:
\log_{10}(x^2)= 2 \cdot \log_{10}(x) - Logaritmen av en kvadratrot:
\log_{10}(\sqrt{x})= \frac{1}{2} \cdot \log_{10}(x)
Logaritmen av ett kvadrerat tal är alltså två gånger logaritmen av talet:
\log_{10}(x^2)=2 \cdot \log_{10}(x)
Det följer att:
\begin{split} g &= 10 \cdot \log_{10}\left(\left(\frac{U_1}{U_2}\right)^2\right)\\ g &= 10 \cdot 2 \cdot \log_{10}\left(\frac{U_1}{U_2}\right) \\ g &= 20 \cdot \log_{10}\left(\frac{U_1}{U_2}\right) \end{split}
Därför beräknar vi ett förhållande $g$ mellan två spänningar U_1 och U_2 genom att multiplicera logaritmen av förhållandet inte med faktor 10 utan med faktor 20.
Exempel: U_1 = \qty{1}{\milli\volt} och U_2 = \qty{4}{\milli\volt} ger g = 20\cdot \log_{10}\left(\frac{\qty{4}{\milli\volt}}{\qty{1}{\milli\volt}}\right)\unit{\dB} = \qty{12}{\dB}.
För att bestämma spänningsnivåer måste vi först fastlägga en referensspänning (jämför tabell [ref:a_bezugsgroessen]). För mottagna signaler mäter vi gärna de (mycket små) spänningarna vid mottagaringången i \unit{\micro\volt}. Motsvarande spänningsnivå får då enheten \unit{\dBuV}. Exempel:
\qty{10}{\micro\volt} \rightarrow 20 \cdot \log_{10}\left(\frac{\qty{10}{\micro\volt}}{\qty{1}{\micro\volt}}\right)=\qty{20}{\dBuV}
Ett annat exempel har referensvärdet \qty{1}{\micro\volt\per\meter} (fältstyrka). Då gäller \qty{120}{\dB(\micro\volt\per\meter)} \rightarrow U = 10^{\frac{120}{20}} \cdot \qty{1}{\micro\volt\per\meter} = \qty{1}{\volt\per\meter}.
| c:dB | c:≈ Spänningsförhållande |
| -20 | \num{0,1} |
| -10 | \num{0,32} |
| -6 | \num{0,5} |
| -3 | \num{0,71} |
| -1 | \num{0,89} |
| 0 | \num{1} |
| 1 | \num{1,12} |
| 3 | \num{1,41} |
| 6 | 2 |
| 10 | 3,16 |
| 20 | 10 |
[table:a_spannungsverhaeltnisse:Viktiga spänningsförhållanden i $\unit{\dB}$]
Exempel:
- Hur många
\unit{\dB}motsvarar ett spänningsförhållande på4?4 = 2 \cdot 2 \rightarrow \qty{6}{\dB} + \qty{6}{\dB} = \qty{12}{\dB}