Поверка ультразвукового дефектоскопа АВИКОН-02Р УДС2-112.. курсовая работа. IАудиоанализаторы Верно или нет 30 дБмВт 30 дБмВт 60 дБмВт Почему один раз 1% преобразуется к виду
 Скачать 1.57 Mb.
|
|
32 5.12 Качество модуляции (EVM) В идеале, в приемнике мы хотели бы декодировать сигналы передатчиков с цифровой модуляцией с минимально возможным количеством ошибок. На всем пути передачи сигнала на него неизбежно накладываются шумы и помехи. Из-за этого все более важным требованием к сигналу от передатчика становится его хорошее качество. Одним из показателей такого качества является отклонение от точки идеального сигнального созвездия. Иллюстрация к сказанному приведена на рисунке ниже на примере модуляция QPSK. Рисунок 5-8 – Ошибка (погрешность) модуляции Чтобы определить качество модуляции, ищется отношение модуля вектора ошибки к номинальному значению вектора модуляции Это соотношение известно как векторная ошибка или модуль вектора ошибки (EVM), оно выражается в процентах или в децибелах. EVM лин = |U err | ·100% |U mod | EVM = 20·lg |U err | дБ |U mod | Различают пиковое значение EVM peak , возникающее за определенный временной интервал, и среднеквадратическое значение ошибки Обратите внимание, что эти векторы представляют собой напряжения. Это означает, что при расчетах мы должны использовать множитель 20·lg. Таким образом EVM, равный 0,3%, соответствует уровню -50 дБ. Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 33 5.13 Динамический диапазон АЦП и ЦАП К важнейшим характеристикам аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП) относятся тактовая частота f clock и количество разрядов битов) данных n. Каждый разряд может означать удвоение (или деление пополам, в зависимости от нашей точки зрения) напряжения. Таким образом, можно получить динамический диапазон D, равный 6 дБ на разряд (как мы уже видели, 6 дБ соответствует коэффициенту 2 для величин напряжения. Имеется также коэффициент умножения системы 1,76 дБ для измерения сигналов синусоидальной формы. D = 20·lg(2 n ) + 1,76 дБ Пример: разрядный ЦАП имеет динамический диапазон 96,3 дБ + 1,76 дБ = 98 дБ На практике, АЦП и ЦАП обладают определенными нелинейными характеристиками, которые делают невозможным достижение их полных теоретических значений. Кроме того, джиттер тактового сигнала и динамические эффекты означают, что преобразователи имеют уменьшенный динамический диапазон, особенно на высоких тактовых частотах. Преобразователь затем характеризуется с помощью так называемого динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих, или количеством эффективных битов (эффективной разрядностью. Пример разрядный АЦП характеризуется эффективной разрядностью 6,3 бита при тактовой частоте 1 ГГц. Таким образом, он имеет динамический диапазон 37,9 дБ +1,76 дБ = 40 дБ. На тактовой частоте 1 ГГц АЦП может оцыфровывать сигналы с частотой до 500 МГц (частота Найквиста /Котельникова). Если используется лишь малая часть этой полосы частот, фактически можно поднять динамический диапазон с помощью фильтров децимации. Например, разрядный преобразователь может достичь динамического диапазона 60 дБ и более, а не только 50 дБ (= 8 · 6 + 1,76 дБ. По известному динамическому диапазону можно вычислить эффективную разрядность следующим образом 2 n = 10 D / дБ – 1,76 Где n = log 2 (2 n ) (log2 – это логарифм по основанию 2) и log 2 (x) = log 10 или log 10 (10 x ) = x log 10 Получаем n, бит 10 D / дБ – 1,76 20 = D / дБ – 1,76 20 = D / дБ – 1,76 log 10 (2) log 10 (2) 20 log 10 (2) Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 34 Пример Какова эффективная разрядность АЦП с динамическим диапазоном 70 дБ Вычислим следующим образом 70 дБ – 1,76 дБ = 68,2 дБ, а 20 log 10 (2) = 6,02 68,2 / 6,02 = 11,3 Таким образом, получим результат эффективная разрядность 11,3 бита. 5.14 дБ полной шкалы (dBFS) Аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи обладают максимальным динамическим диапазоном, который определяется диапазоном чисел, которые они могут обработать. Например, разрядный АЦП может обрабатывать числа от 0 до 2 8 – 1 = 255. Это число также известно как значение полной шкалы Можно определить уровень входного сигнала таких преобразователей как n относительно значения полной шкалы и представить это соотношение логарифмически. a = 20·lg n дБпш Пример разрядный АЦП характеризуется диапазоном значений от 0 до 2 16 - 1 = 65535. Если подать на данный преобразователь напряжение, соответствующее числовому значению 32767, получим a = 20·lg 32737 дБпш = –6,02 дБпш 65535 Если предполагается, что преобразователь способен представлять положительные и отрицательные напряжения, необходимо разделить диапазон значений на два и учесть соответствующее смещение нулевой точки. 5.15 Уровень звукового давления В области акустических измерений уровень звукового давления измеряется в децибелах. L p – это логарифмическое отношение звукового давления р к звуковому давлению р 20 мкПа (микропаскаль). Звуковое давление р это нижний предел давления, который способно воспринимать человеческое ухо в наиболее чувствительном диапазоне частот (около 3 кГц. Это давление известно как порог слышимости. L p = 20·lg p дБ p 0 p = 10 Lp 20 · p 0 Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 35 5.16 Взвешенный уровень звукового давления (dBA) Человеческое ухо обладает довольно выраженной частотной характеристикой (АЧХ), которая также зависит от уровня звукового давления. При измерении звукового давления для моделирования этой АЧХ используются взвешивающие фильтры. Они дают нам значения уровней, которые обеспечивают наиболее близкую имитацию человеческого восприятия громкости по сравнению с невзвешенными уровнями. Разные виды взвешивающих фильтров называются Аи. Рисунок 5-9 – Взвешивающие фильтры A, B, C и D и АЧХ человеческого уха Чаще всего используется фильтр A. Уровень, измеренный таким способом, называется и выражается в единицах дБ(А), указывая на название взвешивающего фильтра. Разница в уровне звукового давления на 10 дБ(А) воспринимается как примерное удвоение громкости. Отчетливо слышна разница в 3 дБ. Меньшие различия в уровне звука обычно можно распознать только путем прямого сравнения. Пример Наш диапазон слышимости простирается от 0 дБ(А) (порог слышимости) до болевого порога на уровне около 120-134 дБ(А). Уровень звукового давления в очень тихой комнате составляет примерно от 20 до 30 дБ(А). При использовании 16 разрядов данных динамический диапазон музыкального компакт-диска может достигать 98 дБ, что является достаточным, чтобы в полной мере охватить динамический диапазон человеческого уха. Несколько значений, которые стоит знать Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 36 6 Несколько значений, которые стоит знать Работа с децибелами станет намного проще, если запомнить несколько ключевых значений. С помощью всего нескольких простых значений, при необходимости, вы легко сможете получить другие значения. Можно еще более упростить задачу путем округления точных значений вверх или вниз, чтобы легче запомнить некоторые цифры. Все, что необходимо сделать, это запомнить упрощенные значения, например, коэффициент мощности 2 соответствует 3 дБ (вместо точного значения 3,02 дБ, которое требуется крайне редко. В следующей таблице перечислены некоторые из наиболее полезных значений для запоминания. 6.1 Таблица для преобразования между децибелами и линейными значениями Таблица 6-1 – Преобразование между децибелами и линейными значениями Отношение мощностей Отношение напряжений Значение дБ Приблиз. Точное Приблиз. Точное 0,1 дБ ±2 % +2,3 % -2,3% ±1 % +1,16 % -1,15 % 0,2 дБ ±4 % +4,7 % -4,5 % ±2% +2,33 % -2,23 % 0,5 дБ ±10 % +12,2 % -10,9 % ±5 % +5,9 % -5,5 % 1 дБ ± 20 % +25,9 % -20,5 % ±10 % +12,2 % -11,9 % 3 дБ 2 0,5 1,995 0,501 1,4 0,7 1,412 0,798 3,02 дБ 2 0,5 2,0 0,5 1,414 0,707 √2 1/√2 5 дБ 3 0,33 3,16 0,316 1,8 0,6 1,778 0,562 6 дБ 4 0,25 3,98 0,25 2 0,5 1,995 0,501 10 дБ 10 0,1 10 0,1 3 0,3 3,162 0,316 20 дБ 100 0,01 100 0,01 10 0,1 10 0,1 40 дБ 10000 0,0001 10000 0,0001 100 0,01 100 0,01 60 дБ 1000000 0,000001 1000000 0,000001 1000 0,001 1000 0,001 Из этой таблицы, возможно, следует знать наизусть хотя бы приблизительные значения для 3 дБ, 6 дБ, 10 дБ и 20 дБ. Примечание – 3 дБ не является точным отношением мощностей равным 2, а 6 дБ – это точно не 4! Тем не менее, эти упрощения обеспечивают достаточную точность для повседневного использования и, фактически, обычно таки используются. Несколько значений, которые стоит знать Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 37 Промежуточные значения, которых нет в таблице, можно легко получить 4 дБ = 3 дБ + 1 дБ, соответствует коэффициенту 2 + 20% мощности, те. приблизительно кратному значению мощности. 7 дБ = 10 дБ – 3 дБ, соответствует кратной мощности и еще половине, те. 5- кратной мощности. 6.2 Таблица для сложения децибел Если нужно точно вычислить сумму двух значений, указанных в децибелах, необходимо преобразовать их в линейную форму, сложить их, а потом преобразовать обратно в логарифмическую форму. Тем не менее, следующая таблица может быть полезной для проведения быстрых вычислений. Столбец 1 с названием "Разность, дБ" содержит разности двух значений в дБ. Столбец 2 содержит поправочный коэффициент для величин мощности. Столбец 3 содержит поправочный коэффициент для величин напряжения. Чтобы получить общее значение, следует добавить поправочный коэффициент к большему из двух значений в дБ. Таблица 6-2 – Поправочные коэффициенты для сложения значений в децибелах Разность, дБ Мощность Напряжение 0 3,01 6,02 1 2,54 5,53 2 2,12 5,08 3 1,76 4,65 4 1,46 4,25 5 1,19 3,88 6 0,97 3,53 7 0,79 3,21 8 0,64 2,91 9 0,51 2,64 10 0,41 2,39 11 0,33 2,16 12 0,27 1,95 13 0,21 1,75 14 0,17 1,58 15 0,14 1,42 16 0,11 1,28 17 0,09 1,15 18 0,07 1,03 19 0,05 0,92 20 0,04 0,83 Несколько значений, которые стоит знать Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 38 Пример 1. Предположим, нужно сложить уровни мощности -60 дБмВт и -66 дБмВт. Вычитаем значения децибел, чтобы получить разницу 6 дБ. Из таблицы считываем поправочный коэффициент 0,97 дБ. Добавляем это значение к большему из двух значений, тек дБмВт (-60 дБмВт больше, чем -65 дБмВт!) и получаем суммарную мощность -59 дБмВт. 2. При включении сигнала, шум, отображаемый на анализаторе спектра, увеличивается на 0,04 дБ. Из таблицы видим, что уровень этого сигнала лежит примерно на 20 дБ ниже уровня шума анализатора спектра 3. Нужно сложить два одинаковых напряжения. Это означает, что разность уровней составит 0 дБ. Общее напряжение лежит на 6 дБ (значение из таблицы) выше значения одного напряжения (те. ему соответствует в два раза большее напряжение 6.3 Еще несколько полезных значений Во многих обстоятельствах будут также полезны следующие значения ı 13 дБмВт соответствуют напряжению Uскз = 1 В на сопротивлении 50 Ом ı 0 дБмВт соответствуют напряжению Uскз = 0,224 В на сопротивлении 50 Ом ı 107 дБ(мкВ) соответствуют уровню 0 дБмВт на сопротивлении 50 Ом ı 120 дБ(мкВ) соответствуют напряжению 1 В ı -174 дБмВт – это мощность теплового шума в полосе 1 Гц при температуре приблиз. 20 °C (68 °F). 6.4 Другие опорные величины До сих пор в качестве опорных величин мы использовали значения 1 мВт и 50 Ом. Однако существуют и другие системы отсчета, среди которых самыми главными являются 75-омные системы в телевизионной технике и 600-омные системы в акустической измерительной технике. 60-омная система, ранее используемая в радиотехнике, и 600-омная система в Соединенных Штатах с опорным значением 1,66 мВт сейчас используются довольно редко. Тем не менее, нетрудно адаптировать приведенные выше формулы к этими системами отсчета. Таблица 6-3 – Дополнительные системы отсчета Примечание 50 Ом 1 мВт 0,224 В Радиотехника 60 Ом 1 мВт 0,245 В Радиотехника (устар.) 75 Ом 1 мВт 0,274 В Телевизионная техника 600 Ом 1 мВт 0,775 В Акустика 600 Ом 1,66 мВт 1,000 В Стандарт США Несколько значений, которые стоит знать Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 39 6.5 Точность, количество знаков после запятой Сколько десятичных знаков следует использовать при указании значения в децибелах Если увеличить значение х, которое является величиной мощности, указанной в децибелах, на 0,01 дБ, то соответствующее ему линейное значение изменится следующим образом x дБ + 0,01 дБ 10 x+0,01 10 = 10 x 10 · 10 0,01 10 = 10 x 10 · Это эквивалентно изменению мощности на 0,23%. Величины напряжения изменятся только на 0,11%. Эти незначительные изменения невозможно отличить от обычных флуктуаций результата измерения. Соответственно, не имеет смысла указывать значения в децибелах с точностью, скажем, пяти или более знаков после запятой, за исключением нескольких редких случаев. Приложения для смартфонов 1MA98_11e Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 40 7 Приложения для смартфонов Чтобы облегчить вычисления, рассмотренные в предыдущих главах, компания Rohde & Schwarz предлагает широкий спектр соответствующих приложений для планшетов и смартфонов. В настоящее время на соответствующих порталах приложений бесплатно доступны версии для Android, iOS и Windows Phone. Чтобы быстро найти эти приложения, используйте для поиска ключевые слова "Rohde", "Schwarz" и "dB", "Calculator" или "Field Strength" и "Estimator ". Если вычитаете этот документ на смарт-устройстве, просто нажмите на приведенную ссылку, чтобы получить прямой доступ к странице приложения Rohde & Schwarz. 1. dB Calculator (Калькулятор дБ Приложение dB Calculator состоит из пяти независимых инструментов расчета. dBmCalculator (калькулятор дБмВт), VoltageCalculator (калькулятор напряжений, UnitConverter (преобразователь единиц измерения, RatioConverter преобразователь отношений) и VSWRConverter (преобразователь КСВН). ▪ Android: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.rohdeschwarz.dbcalculator ▪ iOS: https://itunes.apple.com/de/app/dbcalculator/id489100786 ▪ Windows Phone: http://windowsphone.com/s?appId=8d9ec5b8-b351-4dbb-8c06-017678b18788 2. Pulsed RF Calculator (Калькулятор импульсных ВЧ-сигналов) Современные анализаторы спектра, такие как R&S ® FSW, оснащены самыми совершенными инструментами для решения этой измерительной задачи. Если такой анализатор недоступен, приложение Pulsed RF Calculator может помочь пользователю найти соответствующие настройки анализатора спектра и рассчитать так называемое падение импульсной чувствительности для правильного измерения амплитуд импульсных сигналов. ▪ Android: (скоро выйдет) ▪ iOS: https://itunes.apple.com/de/app/pulsed-rf-calculator/id969034080 ▪ Windows Phone: (скоро выйдет) 3. FieldStrength & PowerEstimator Программа оценки мощности и напряженности поля Данное приложение вычисляет плотность потока мощности, напряженность электрического и магнитного полей по переданной мощности, соответствующей частоте и коэффициенту усиления передающей антенны. Кроме того, по коэффициенту усиления приемной антенны вычисляется входная мощность на приемнике с 50-омным входным импедансом. Приложения для смартфонов 1MA98_11e Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 41 Приложение автоматически преобразует плотность потока мощности в напряженность электрического и магнитного поля. В зависимости от частоты передачи, на принимаемую мощность и напряженность поля влияют различные параметры, такие как распространение в условиях отсутствия прямой видимости, изменение поляризации, отражения и многолучевое распространение. Кроме того, необходимо учесть КСВН антенны и потери в кабелях. Программа оценки мощности и напряженности поляне учитывает эти искажения. В ней полагается, что условия близки к наиболее вероятным теоретическим значениям. Именно поэтому программа называется программой оценки, а не калькулятором. ▪ Android: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.rohdeschwarz.android.powe restimator ▪ iOS: https://itunes.apple.com/de/app/field-strength-power-estimator/id364229792 ▪ Windows Phone: http://windowsphone.com/s?appId=0c968ef4-4179-493a-8d86-1da29228157e |