搜索Prosig工程師詳解：什么是分貝、本底噪聲和動態范圍？
2017-03-19 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
來源:Prosig Noise & Vibration Blog
作者:James Wren
譯者:小楠
對于decibel或dB這一計量單位,大多數工程師都很熟悉,其應用最廣的領域當屬聲學,用來量化聲級;但它也同樣適用于其他領域,例如,電子和通信領域。dB的一個特殊用途就是用來量化模數轉換系統的精度和動態范圍,例如Prosig’s P8000,其硬件采集的數據(本底噪聲、動態范圍、分辨率)均以dB作為計量單位。
分貝(dB):
分貝是一個對數單位,用來表示物理量相對于基準值的大小,因其表示的是兩個單位相同的量的比值,所以分貝是一個無量綱單位。
定義:
當采用分貝計量功率和強度時,它等于功率比的常用對數的10倍,數學定義如下:
其中,P1為功率值,P0為參考功率值,Ldb為分貝。
當用于表示振幅電平時,通常認為功率與振幅的平方成正比,表示如下:
或
由于分貝是一個對數量,所以它可以方便地用于表示取值范圍從很小到很大的數值(使用dB作計數單位,可以把一個很大或者很小的數比較簡短地表示出來),人類的聽覺反應是基于聲音的相對變化而非絕對的變化,對數標度正好能模仿人類耳朵對聲音的反應。
和所有的對數量一樣,我們僅需通過簡單的相加或相減即可實現分貝值的乘除運算。分貝測量是相對于給定的基準值,因此可以被視為絕對測量;也就是說,如果一個特定的基準值是已知的,那么,精確測量值可以從上述方程之一獲得。當基準值不同時,dB單位后面經常會添加一些后綴,下文將具體介紹。
應用:
在聲學領域,通常采用分貝來量化聲壓級(相對于某一基準值),用來形容聲音的響度,但不反映聲音的絕對響度。通過計算聲壓級,可以對兩個聲源進行比較,或者對人耳感知的聲音水平進行量化。對于聲學測量,分貝是尤為重要的,因為人耳可感知的最大聲壓與最小聲壓(可被檢測到的)的比值接近100萬;進一步地,由于聲功率與聲壓平方成正比,那么該比值將接近1兆;可想而知,分貝在聲學測量中的地位是相當重要的。
對于聲壓級,其基準聲壓值通常為20μPa或2×10??Pa,這是人耳靈敏度的極限。需要注意的是,因為分貝最常見的用法是聲壓級測量,所以其通常縮寫為dB,而非dB(SPL)。
表1 聲學中常見的分貝單位
人耳并非所有頻率聲音都有感知,其對聲音的敏感范圍一般在1 kHz—4 kHz,低于或高于該范圍,人耳都感覺不到。鑒于此,在聲學測量中通常需要引入加權濾波,其頻率響應近似與人耳的相等(A計權);對于不同的測量和應用,分為A計權、B計權、C計權和D計權;以A計權為例,其測量結果單位表示為dBA或dB(A)。
在電子和通信領域,分貝通常用于表示功率或振幅比,以量化個別電路或元件的增益或損耗。其優勢在于,因其對數特性,電路總增益就是對電路各個部分增益(以分貝為單位)的簡單求和。在電子領域,dB后面也可以添加后綴,用以表示不同的基準值。例如,dBm表示基準值為1毫瓦的功率測量。
表2 電子和通信領域中常見的分貝單位
舉例:
如果未定義基準值,那么,分貝可以被用作相對振幅的簡單測量;例如,假設有兩個揚聲器,一個發出聲音的功率為P1,另一個也發出相同的聲音,功率為P?2,假設所有其他的條件都相同,那么,兩個聲音之間的分貝差為:
如果,第二個揚聲器發射的聲功率是第一個揚聲器的2倍,兩個聲音之間的分貝差為:
如果,第二個揚聲器發射的聲功率是第一個揚聲器的10倍,兩個聲音之間的分貝差為:
如果,第二個揚聲器發射的聲功率是第一個揚聲器的1000000倍,兩個聲音之間的分貝差為:
如果兩者功率相同,兩個聲音之間的分貝差為:
這說明了dB標度的一些常見特性,無論測量類型如何:
-
功率增加一倍,分貝增加3 dB;振幅增加一倍,分貝增加6 dB;
-
功率降低一半,分貝降低3 dB;振幅降低一半,分貝降低6 dB;
-
0 dB意味著測量值與基準值相同,注意,這并不意味著沒有功率或信號。
本底噪聲
任何實際測量都會受到某種形式的噪聲或不必要信號的干擾。在聲學中,這可能是背景噪聲;在電子設備中經常會出現熱噪聲、輻射噪聲或其他干擾信號。在數據采集測量系統中,系統本身實際上會對測量的信號增加噪聲。一般認為,系統的電子元件越多,系統引起的噪音就越大。
在數據采集和信號處理過程中,本底噪聲測量是指測量整個數據采集和信號處理系統中所有噪聲源和干擾信號的總和。本底噪聲限制了系統可以準確測量的最小值,任何被測幅值的平均值不得低于本底噪聲值。總之,本底噪聲是指信號中背景噪聲電平或由系統引入的噪聲電平;如果被捕獲的信號低于本底噪聲,將很難分辨。
圖1
圖2
由圖1可以發現,本底噪聲在-120dB左右;圖2表明只有高于本底噪聲的信號才能被準確測量,在此情況下,20KHz、-100dB的信號可以被準確測量;如果,如果本底噪聲高于-120dB,測量將變得困難。
例如,人耳可以聽到一種非常低的聲音,如大頭針落地聲音或竊竊私語聲音。然而,這種情況也只可能在特殊環境下(本底噪聲或背景噪聲很低,例如,隔音室或非常安靜的房間)發生;在一個嘈雜的環境內,僅憑借人耳,想聽到如此低的聲音水平是絕對不可能的。
為了盡可能降低的本底噪聲,Prosig’s P8000數據采集系統綜合了各種先進技術,包括信號處理模塊和一些比較實用的技術,例如,在數據采集過程中,禁止使用冷卻風扇。
動態范圍和分辨率
動態范圍是用來描述由系統測量的最小和最大信號之間的比率的術語。數據采集系統的動態范圍被定義為數據采集系統可以捕獲的最小和最大振幅之間的比率。實際中,大多數模數轉換器(ADC)的電壓范圍為± 10V。在ADC電壓范圍內,為了最大限度地提高輸入電壓,在信號輸入ADC之前,有時需要將信號放大。
測量系統的分辨率是由ADC輸出二進制或十進制數字的位數決定的,位數越多,量化單位越小,對信號的分辨能力就越高;大多數ADC具有16位或24位的分辨率。
例如,輸入模擬電壓的范圍時 -10~10V,輸出16位2進制數可以分辨的最小模擬電壓為
以分貝的形式表示為:
因此,對于16位的ADC,其動態范圍為96dB;對于24位的ADC,其動態范圍為144dB。
測量系統本底噪聲也受到ADC系統分辨率的限制,例如,對于16位和24位的測量系統,其本底噪聲下限值分別為-96dB和-144 dB;然而,在實際中,本底噪聲經常會高于這一數值,這是由于測量系統中的電子噪聲導致的。
現代數據采集系統,例如Prosig’s P8000,采用了一系列先進的數字信號處理技術來提高幅值分辨率和對于低幅值數據(例如,本底噪聲信號)的測量,其精度也將大大提高。
作者:
James Wren
(Solutions Engineer and Sales & Marketing Manager at Prosig)
原文鏈接:
http://blog.prosig.com/2008/04/14/what-is-db-noise-floor-dynamic-range/
說明:由于譯者專業理論和英語水平優先,翻譯不準之處還望見諒,如有疑問請以原文內容為準。
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