發(fā)射功率和增益詳解

1、發(fā)射功率與增益詳解2011-09-28 15:31:48| 分類： TEC-Hardware |舉報(bào) |字號(hào) 訂閱本文轉(zhuǎn)載自 jason 發(fā)射功率與增益詳解無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波 形式輻射出去。 電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后， 由天線接收下來(lái) （僅僅接收很小很小一 部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)。因此在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工程中，計(jì)算發(fā) 射裝置的發(fā)射功率與天線的輻射能力非常重要。Tx 是發(fā)射（ Transmits ）的簡(jiǎn)稱。無(wú)線電波的發(fā)射功率是指在給定頻段范圍內(nèi) 的能量，通常有兩種衡量或測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：功率（W） 相對(duì)1瓦（Watts ）的線性水準(zhǔn)。增益（ dB

2、m ） 相對(duì) 1毫瓦（ Milliwatt ）的比例水準(zhǔn)。兩種表達(dá)方式可以互相轉(zhuǎn)換：dBm = 10 x log 功率 mWmW = 10 增益 dBm / 10 dBm在無(wú)線系統(tǒng)中， 天線被用來(lái)把電流波轉(zhuǎn)換成電磁波， 在轉(zhuǎn)換過(guò)程中還可以對(duì)發(fā)射 和接收的信號(hào)進(jìn)行 “放大”，這種能量放大的度量成為 “增益（ Gain）”。 天線增 益的度量單位為 “dBi ”。由于無(wú)線系統(tǒng)中的電磁波能量是由發(fā)射設(shè)備的發(fā)射能量和天線的放大疊加作用 產(chǎn)生，因此度量發(fā)射能量最好同一度量增益（ dB），例如，發(fā)射設(shè)備的功率 為 100mW ，或 20dBm ；天線的增益為 10dBi，則：發(fā)射總能量發(fā)射功率（ dBm

3、）天線增益（ dBi ） 20dBm 10dBi 30dBm或者： 1000mW 1W在“小功率”系統(tǒng)中每個(gè) dB都非常重要，特別要記住 “3dB 法則”。每增加或降低 3dB ，意味著增加一倍或降低一半的功率：-3 dB =1/2功率-6 dB =1/4功率+3 dB= 2x功率+6 dB= 4x功率例如， 100mW的無(wú)線發(fā)射功率為 20dBm ，而 50mW 的無(wú)線發(fā)射功率為 17dBm，而 200mW 的發(fā)射功率為 23dBm 。0dbm=0.001w 左邊加 10=右邊乘 10所以 0+10DBM=0.001*10W 即 10DBM=0.01W故得 20DBM=0.1W 30DBM=

4、1W 40DBM=10W還有左邊加 3= 右邊乘 2，如 40+3DBM=10*2W，即 43DBM=20W例如 機(jī)器 20W 在 400MHZ 頻率上 使用 30米 50-7 （物理發(fā)泡低損耗電纜）到 天線上還剩下多少增益20W=43DB30米50-7 損耗 一米小于 0.09 按照最大值 0.09*30=2.7DB 43DB-2.7DB=40.3DB天線增益 16DBi+40.3DB=56.3DB就上面的例子我們可以看出增益和功率并非線性變化， 所以不能光從功率上來(lái)看 發(fā)射狀態(tài)。當(dāng)你的機(jī)器 20W 的時(shí)候增益 43DB，40W 的時(shí)候 46DB 60W 的時(shí)候 49DB反過(guò)來(lái)說(shuō)當(dāng)功率損失一

5、半的時(shí)候 也剛剛損失了 3 個(gè) DB，對(duì)信號(hào)傳播影響不是 特別大。但是光看功率的話已經(jīng)少了一半會(huì)認(rèn)為傳播能力也小了一半， 所以在這 里看功率是相當(dāng)錯(cuò)誤的。饋線損耗的 3DB 到了天線部分又得到了提升，當(dāng)你的 天線是 16DBi 的時(shí)候，小功率電臺(tái)的傳播能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了使用大功率電臺(tái)小天 線，這也是很多朋友使用手臺(tái)加饋線棒桿天線效果也不錯(cuò)的現(xiàn)象。如果真的那么在意功率不如做個(gè)試驗(yàn)， 發(fā)射機(jī)輸出端不接同軸電纜， 而是接 380V 動(dòng)力用電纜，同樣的米數(shù)，動(dòng)力電纜的損耗一定很小，因?yàn)楣β?= 電流*電壓，動(dòng) 力電纜內(nèi)阻小 在電纜上分擔(dān)的電壓就小 功率損耗就小，但是高頻信號(hào)是肌膚效 應(yīng)傳播，動(dòng)力電纜根本無(wú)

6、法傳到高頻信號(hào) 損失將是相當(dāng)大的，可以說(shuō)有點(diǎn)常識(shí) 的朋友都知道動(dòng)力電纜無(wú)法做饋線，從這一點(diǎn)也證明了單單看功率是完全錯(cuò)誤 的。在此八哥只是與大家探討一下相關(guān)數(shù)據(jù)和分析的方向， 有不對(duì)的地方還請(qǐng)大家指 出日后修改。下面是一些網(wǎng)絡(luò)搜索的資料 關(guān)于 DB DBm DBi 一般的朋友看到這里就可以了 看下面會(huì)越看越亂 我看了兩天可能是學(xué)識(shí)補(bǔ)足，實(shí)在頭痛，建議由偏頭痛的朋 友也不用研究下面深?yuàn)W的資料。DB 與 dBmdB ，dBm 意義其實(shí)再簡(jiǎn)單不過(guò)了，就是把一個(gè)很大（后面跟一長(zhǎng)串 0 的）或者 很?。ㄇ懊嬗幸婚L(zhǎng)串 0 的）的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表示出來(lái)。 它們都是功率增益的單位， 不同之處如下：1. dBdB

7、是一個(gè)表征相對(duì)值的值，純粹的比值，只表示兩個(gè)量的相對(duì)大小關(guān)系，沒(méi)有 單位，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個(gè) dB 時(shí)，按下面的計(jì)算公式： 10log（甲功率/乙功率），如果采用兩者的電壓比計(jì)算，要用 20log（甲電壓 /乙電壓）例 甲功率比乙功率大一倍，那么 10lg（甲功率 / 乙功率） =10lg2=3dB 。也就是 說(shuō)，甲的功率比乙的功率大 3 dB 。反之，如果甲的功率是乙的功率的一半，則 甲的功率比乙的功率小 3 dB 。2. dBmdBm 是一個(gè)表示功率絕對(duì)值的值（也可以認(rèn)為是以 1mW 功率為基準(zhǔn)的一個(gè)比 值），計(jì)算公式為： 10log（功率值 /1mw ）。例 如果功率

8、 P為1mw，折算為 dBm 后為0dBm。例 對(duì)于 40W 的功率，按 dBm 單位進(jìn)行折算后的值應(yīng)為：10log（40W/1mw）=10log （40000）=10log4+10log10000=46dBm?？傊?，dB 是兩個(gè)量之間的比值， 表示兩個(gè)量間的相對(duì)大小， 而 dBm 則是表示功 率絕對(duì)大小的值。在 dB ，dBm 計(jì)算中，要注意基本概念，用一個(gè) dBm 減另外 一個(gè) dBm 時(shí)，得到的結(jié)果是 dB，如： 30dBm - 0dBm = 30dB 。般來(lái)講，在工程中， dBm 和 dBm 之間只有加減，沒(méi)有乘除。而用得最多的是減法： dBm 減 dBm 實(shí)際上是兩個(gè)功率相除，信號(hào)功

9、率和噪聲功率相除就是信噪比( SNR)。 dBm 加 dBm 實(shí)際上是兩個(gè)功率相乘。dB 與 dBmdB 是 decibel 的縮寫(xiě) ,意即十分之一貝爾 (bel)分貝。分貝(dB)是國(guó)際上統(tǒng)一使用 的電信傳輸單位 ,它是沒(méi)有量綱的對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)單位。在電信技術(shù)領(lǐng)域 ,為了準(zhǔn)確計(jì)量信號(hào)在電路中各點(diǎn)的功率、電壓和電流等的傳輸 變化情況 ,一般不直接用瓦 (W)、伏(V)和安(A)作為測(cè)量單位 ,而采用 “電平 ”這樣一個(gè) 概念。一個(gè)信號(hào)的大小用相對(duì)于某一基準(zhǔn)值的功率比值、 電壓比值或電流比值的對(duì)數(shù)關(guān) 系來(lái)表示 ,便稱之為“傳輸電平 ”。分貝就是傳輸電平的單位 ,稱為“傳輸單位”。用公 式可表示為 :D

10、=10lgP1/Po=20lgU1/U0=20lgl1/lo(dB)其中,下標(biāo)“0”表示參考點(diǎn)的基準(zhǔn)值 ,下標(biāo)“1”表示被計(jì)量點(diǎn)的值。 也可以說(shuō) ,D所表示 的分貝值是被測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)的 “相對(duì)電平 ”。如果在一個(gè)系統(tǒng)中取定某一量 值作為基準(zhǔn) ,那么由此所確定的電平值稱為 “絕對(duì)電平 ”。被取定的基準(zhǔn)值的電平稱 為“零電平 ”。由于在電信系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)都是弱信號(hào) ,一般功率很小 ,因而目前世 界各國(guó)皆取 1毫瓦 (1mW)為功率基準(zhǔn)值 ,1毫瓦便稱為 “零電平功率 ”圖 1-23 分別以電纜和放大器為例 , 說(shuō)明傳輸單位分貝的應(yīng)用。上面已經(jīng)提到 ,分貝是一個(gè)對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)單位。 那么 ,為什么

11、要采用對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)法呢 ?這是 因?yàn)?,人們感官所感覺(jué)到聲音響度、光的亮度等的變化 ,是與有關(guān)量值在變化前后 的比值的對(duì)數(shù)成正比的。也就是說(shuō) ,我們的聽(tīng)覺(jué)器官 (耳)和視覺(jué)器官 (眼 )對(duì)于聲音 強(qiáng)度或光的強(qiáng)度的響應(yīng)是符合對(duì)數(shù)規(guī)律的。 例如 ,當(dāng)揚(yáng)聲器的輸出功率從 1 瓦增大 到 2 瓦時(shí) ,我們并不感到響度也增加了 1倍,而只增加了 lg2(=0.3)倍。正是由于這 個(gè)原因 ,我們采用像分貝這樣的計(jì)量單位 ,更能客觀地反映出人的感官的感覺(jué)特 性。此外 ,采用分貝作為傳輸電平的計(jì)量單位 ,還可以使工程中的乘除運(yùn)算變成為簡(jiǎn)單 的加減運(yùn)算。例如 ,在圖 1-24 所示多級(jí)放大器串接的情況下 ,要計(jì)算總

12、增益就只需 要將各部分增益求代數(shù)和即可。傳輸單位采用分貝 ,還便于書(shū)寫(xiě)和記憶。其換算 關(guān)系可通過(guò)查表 (見(jiàn) I 表 )得出。在 D=10lgP1/P2(dB) 一式中 ,如果 P2 取基準(zhǔn)值 1毫瓦 ,那么計(jì)算所得功率電平便是絕對(duì)功率電平 ,其單位用 dBm 來(lái)表示。其中的 “m”即代表毫瓦 (mW)DB 是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位： dB = 10logX。 dB 的意義其實(shí)再簡(jiǎn)單不過(guò)了，就是把 個(gè)很大（后面跟一長(zhǎng)串 0 的）或者很?。ㄇ懊嬗幸婚L(zhǎng)串 0的）的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表 示出來(lái)。如：X = 1000000000000000（多少個(gè)了？） = 10lgX = 150 dBX = 0.000000000

13、000001 = 10lgX = -150 dBdBm 定義的是 miliwatt 。 0 dBm = 10lg1 mw；dBw 定義 watt 。 0 dBw = 10lg1 W = 10lg1000 mw = 30 dBm。DB 在缺省情況下總是定義功率單位，以 10log 為計(jì)。當(dāng)然某些情況下可以用信 號(hào)強(qiáng)度（ Amplitude ）來(lái)描述功和功率，這時(shí)候就用 20log 為計(jì)。不管是控制領(lǐng) 域還是信號(hào)處理領(lǐng)域都是這樣。比如有時(shí)候大家可以看到 dBmV 的表達(dá)。在 dB ， dBm 計(jì)算中，要注意基本概念。比如前面說(shuō)的 0dBw = 10log1W = 10log1000mw = 30d

14、Bm；又比如，用一個(gè) dBm 減另外一個(gè) dBm 時(shí)，得到的結(jié) 果是 dB 。如： 30dBm - 0dBm = 30dB 。般來(lái)講，在工程中， dB 和 dB 之間只有加減，沒(méi)有乘除。而用得最多的是減 法： dBm 減 dBm 實(shí)際上是兩個(gè)功率相除，信號(hào)功率和噪聲功率相除就是信噪 比（ SNR ）。dBm 加 dBm 實(shí)際上是兩個(gè)功率相乘，這個(gè)已經(jīng)不多見(jiàn)（我只知 道在功率譜卷積計(jì)算中有這樣的應(yīng)用）。 dBm 乘 dBm 是什么， 1mW 的 1mW 次方？除了同學(xué)們老給我寫(xiě)這樣幾乎可以和歌德巴赫猜想并駕齊驅(qū)的表達(dá)式外， 我活了這么多年也沒(méi)見(jiàn)過(guò)哪個(gè)工程領(lǐng)域玩這個(gè)。dB 是功率增益的單位， 表示

15、一個(gè)相對(duì)值。當(dāng)計(jì)算 A 的功率相比于 B 大或小多少 個(gè) dB 時(shí)，可按公式 10 lg A/B 計(jì)算。例如：A 功率比 B 功率大一倍，那么 10 lg A/B = 10 lg 2 = 3dB 。也就是說(shuō)，A的功率比 B的功率大 3dB；如果A的功率為 46dBm ， B的功率為 40dBm，則可以說(shuō)， A 比 B 大 6dB；如果 A天線為 12dBd，B 天線 為 14dBd，可以說(shuō) A 比 B 小 2dB 。dBm 是一個(gè)表示功率絕對(duì)值的單位，計(jì)算公式為： 10lg功率值/1mW 。例如：如 果發(fā)射功率為 1mW，按 dBm 單位進(jìn)行折算后的值應(yīng)為： 10 lg 1mW/1mW = 0

16、dBm ；對(duì)于 40W的功率,則 10 lg（40W/1mW）=46dBm 。dB（Decibel，分貝 ） 是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位，本意是表示兩個(gè)量的比值大小，沒(méi)有單 位。在工程應(yīng)用中經(jīng)?？吹矫菜撇煌亩x方式（僅僅是看上去不同）。對(duì)于功率， dB = 10*lg（A/B） 。對(duì)于電壓或電流， dB = 20*lg（A/B） 。此處 A，B代表參與比較的功率值或者電流、電壓值。dB 的意義其實(shí)再簡(jiǎn)單不過(guò)了，就是把一個(gè)很大(后面跟一長(zhǎng)串 0 的)或者很小 (前面有一長(zhǎng)串 0 的)的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表示出來(lái)。如(此處以功率為例)：X = 100000 = 105X(dB) = 10*lg(X) dB= 1

17、0*lg(105) dB= 50 dBX = 0.000000000000001 = 10-15X(dB) = 10*log(X) dB= 10*log(10-15) dB= -150 dB一般來(lái)講，在工程中， dB 和 dB 之間只有加減，沒(méi)有乘除。而用得最多的是減 法： dBm 減 dBm 實(shí)際上是兩個(gè)功率相除，信號(hào)功率和噪聲功率相除就是信噪 比(SNR)。比如：30dBm - 0dBm = 1000mW/1mW = 1000 = 30dB 。dBm 加 dBm 實(shí)際上是兩個(gè)功率相乘，沒(méi)有實(shí)際的物理意義。在電子工程領(lǐng)域，放大器增益使用的就是 dB (分貝)。放大器輸出與輸入的比 值為放大倍

18、數(shù)，單位是 “倍”，如 10倍放大器， 100倍放大器。當(dāng)改用 “分貝 ”做單 位時(shí)，放大倍數(shù)就稱之為增益，這是一個(gè)概念的兩種稱呼。電學(xué)中分貝與放大倍數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：A(V)(dB)=20lg(Vo/Vi) ；電壓增益A(I)(dB)=20lg(Io/Ii) ；電流增益Ap(dB)=10lg(Po/Pi) ；功率增益 分貝定義時(shí)電壓 (電流 )增益和功率增益的公式不同，但我們都知道功率與電壓、 電流的關(guān)系是 P=V2/R=I2*R 。采用這套公式后，兩者的增益數(shù)值就一樣了： 10lgPo/Pi=10lg(Vo2/R)/(Vi2/R)=20lg(Vo/Vi) 。使用分貝做單位主要有三大好處。(1

19、)數(shù)值變小，讀寫(xiě)方便。電子系統(tǒng)的總放大倍數(shù)常常是幾千、幾萬(wàn)甚至幾十 萬(wàn)，一架收音機(jī)從天線收到的信號(hào)至送入喇叭放音輸出， 一共要放大 2 萬(wàn)倍左右。 用分貝表示先取個(gè)對(duì)數(shù)，數(shù)值就小得多。(2)運(yùn)算方便。放大器級(jí)聯(lián)時(shí)，總的放大倍數(shù)是各級(jí)相乘。用分貝做單位時(shí)， 總增益就是相加。若某功放前級(jí)是 100倍(20dB)，后級(jí)是 20 倍(13dB)，那么總功 率放大倍數(shù)是 100×20=2000 倍，總增益為 20dB13dB=33dB 。(3)符合聽(tīng)感， 估算方便。 人聽(tīng)到聲音的響度是與功率的相對(duì)增長(zhǎng)呈正相關(guān)的。 例如，當(dāng)電功率 從 0.1瓦增長(zhǎng)到 1.1瓦時(shí)，聽(tīng)到的聲音就響了很多；而從 1瓦

20、增強(qiáng)到 2 瓦時(shí)，響度 就差不太多；再?gòu)?10 瓦增強(qiáng)到 11瓦時(shí)，沒(méi)有人能聽(tīng)出響度的差別來(lái)。如果用功 率的絕對(duì)值表示都是 1瓦，而用增益表示分別為 10.4dB，3dB 和 0.4dB ，這就能 比較一致地反映出人耳聽(tīng)到的響度差別了。 您若注意一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)， Hi Fi 功放 上的音量旋鈕刻度都是標(biāo)的分貝，使您改變音量時(shí)直觀些。分貝數(shù)值中， 3dB 和 0dB 兩個(gè)點(diǎn)是必須了解的。 3dB 也叫半功率點(diǎn)或截止 頻率點(diǎn)。這時(shí)功率是正常時(shí)的一半， 電壓或電流是正常時(shí)的 1/2 。在電聲系統(tǒng)中， ±3dB 的差別被認(rèn)為不會(huì)影響總特性。所以各種設(shè)備指標(biāo)，如頻率范圍，輸出電 平等，不加說(shuō)明的

21、話都可能有 ±3dB 的出入。例如，前面提到的頻響 10Hz40kHz ， 就是表示在這段頻率中，輸出幅度不會(huì)超過(guò) ±3dB ，也就是說(shuō)在 10Hz和 40kHz 這二個(gè)端點(diǎn)頻率上， 輸出電壓幅度只有中間頻率段的 0.707（1/）倍了。 0dB 表示輸 出與輸入或兩個(gè)比較信號(hào)一樣大。分貝是一個(gè)相對(duì)大小的量，沒(méi)有絕對(duì)的量值。 可您在電平表或馬路上的噪聲計(jì)上也能看到多少 dB 的測(cè)出值， 這是因?yàn)槿藗兘o 0dB 先定了一個(gè)基準(zhǔn)。例如聲級(jí)計(jì)的 0dB 是 2×104b（微巴 ），這樣馬路上的噪 聲是 50dB 、60dB 就有了絕對(duì)的輕響概念。常用的 0dB 基準(zhǔn)有下

22、面幾種： dBFS 以滿刻度的量值為 0dB，常用于各種特性曲線上； dBm 在 600 負(fù)載上產(chǎn)生 1mW功率（或0.775V電壓）為 0dB，常用于交流電平測(cè)量?jī)x表上； dBV 以 1伏為 0dB；dBW 以 1瓦為 0dB。一般讀出多少 dB 后，就不用 再化為電壓、 聲壓等物理量值了， 專業(yè)人士都能明白。 只有在極少數(shù)場(chǎng)合才要折 合。這時(shí)只需代入公式： 10A/20（或A/10）×D0計(jì)算即可。 A為讀出的分貝數(shù)值， D0為 0dB 時(shí)的基準(zhǔn)值，電壓、電流或聲壓用 A/20 ，電功率、聲功率或聲強(qiáng)則 用 A/10 ?，F(xiàn)在您就可以來(lái)回答本文開(kāi)頭的問(wèn)題了。第二只音箱在相同輸入時(shí)比

23、 第一只音箱響一倍， 如果保持兩只音箱一樣響的話， 第二只音箱只要輸入一半功 率即可。第一只功放只是很普通的品種， 第二只功放卻很 Hi Fi，整個(gè)頻率范圍 內(nèi)輸出電壓只有 ±2.3的差別 !號(hào)的電壓與同時(shí)輸出的噪聲電壓的比， 常常用分貝數(shù)表示。 設(shè)備的信噪比越高表 明它產(chǎn)生的雜音越少。一般來(lái)說(shuō)，信噪比越大，說(shuō)明混在信號(hào)里的噪聲越小，聲 音回放的音質(zhì)量越高，否則相反。信噪比一般不應(yīng)該低于70dB，高保真音箱的信噪比應(yīng)達(dá)到 110dB以上。dB 和 dBm 的含義對(duì)于無(wú)線工程師來(lái)說(shuō)更常用分貝 dBm 這個(gè)單位， dBm 單位表示相對(duì)于 1毫瓦的分貝數(shù)以 1mW 為基準(zhǔn)的 dB 算法，即

24、 0dBm=1mW ， dBm=10*log(Power/1mW) 。為什么要用 dBm 做單位？原因大致有幾個(gè)：1、對(duì)于無(wú)線信號(hào)的衰減來(lái)說(shuō)，不是線性的，而是成對(duì)數(shù)關(guān)系衰減的。用分貝更 能體現(xiàn)這種關(guān)系。2、用分貝做單位比用瓦做單位更容易描述，往往在發(fā)射機(jī)出來(lái)的功率幾十上百瓦，到了接收端已經(jīng)是以微微瓦來(lái)計(jì)算了3、計(jì)算方便，衰減的計(jì)算公式用分貝來(lái)計(jì)算只用做加減法就可以了。dBm 和 dBW 之間的關(guān)系是： dBm=10*lg（mW）1w 的功率，換算成 dBm 就是 10×lg100030dBm 。2w 是 33dBm ，4W 是36dBm 大家發(fā)現(xiàn)了嗎？功率每增 加一倍，電平值增加 3dBm1、dBdB 是一個(gè)表征相對(duì)值的值，純粹的比值，只表示兩個(gè)量的相對(duì)大小關(guān)系，沒(méi)有 單位，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個(gè) dB 時(shí)， 按下面計(jì)算公式： 10log（甲功率 / 乙功率），如果采用兩者的電壓比計(jì)算，要用 20log（甲電壓 / 乙電壓）。例 甲功率比乙功率大一倍，那么 10lg（甲功率 / 乙功率） =10lg2=3dB 。也就是 說(shuō)，甲的功率比乙的功率大 3 dB 。反之，如果甲的功率是乙的功率的一半， 則甲的功率比乙的功率小 3 dB 。2、dBi 和 dB