搜索Prosig工程师详解：什么是分贝、本底噪声和动态范围？
2017-03-19 by:CAE仿真在线 来源:互联网
来源:Prosig Noise & Vibration Blog
作者:James Wren
译者:小楠
对于decibel或dB这一计量单位,大多数工程师都很熟悉,其应用最广的领域当属声学,用来量化声级;但它也同样适用于其他领域,例如,电子和通信领域。dB的一个特殊用途就是用来量化模数转换系统的精度和动态范围,例如Prosig’s P8000,其硬件采集的数据(本底噪声、动态范围、分辨率)均以dB作为计量单位。
分贝(dB):
分贝是一个对数单位,用来表示物理量相对于基准值的大小,因其表示的是两个单位相同的量的比值,所以分贝是一个无量纲单位。
定义:
当采用分贝计量功率和强度时,它等于功率比的常用对数的10倍,数学定义如下:
其中,P1为功率值,P0为参考功率值,Ldb为分贝。
当用于表示振幅电平时,通常认为功率与振幅的平方成正比,表示如下:
或
由于分贝是一个对数量,所以它可以方便地用于表示取值范围从很小到很大的数值(使用dB作计数单位,可以把一个很大或者很小的数比较简短地表示出来),人类的听觉反应是基于声音的相对变化而非绝对的变化,对数标度正好能模仿人类耳朵对声音的反应。
和所有的对数量一样,我们仅需通过简单的相加或相减即可实现分贝值的乘除运算。分贝测量是相对于给定的基准值,因此可以被视为绝对测量;也就是说,如果一个特定的基准值是已知的,那么,精确测量值可以从上述方程之一获得。当基准值不同时,dB单位后面经常会添加一些后缀,下文将具体介绍。
应用:
在声学领域,通常采用分贝来量化声压级(相对于某一基准值),用来形容声音的响度,但不反映声音的绝对响度。通过计算声压级,可以对两个声源进行比较,或者对人耳感知的声音水平进行量化。对于声学测量,分贝是尤为重要的,因为人耳可感知的最大声压与最小声压(可被检测到的)的比值接近100万;进一步地,由于声功率与声压平方成正比,那么该比值将接近1兆;可想而知,分贝在声学测量中的地位是相当重要的。
对于声压级,其基准声压值通常为20μPa或2×10⁻⁵Pa,这是人耳灵敏度的极限。需要注意的是,因为分贝最常见的用法是声压级测量,所以其通常缩写为dB,而非dB(SPL)。
表1 声学中常见的分贝单位
人耳并非所有频率声音都有感知,其对声音的敏感范围一般在1 kHz—4 kHz,低于或高于该范围,人耳都感觉不到。鉴于此,在声学测量中通常需要引入加权滤波,其频率响应近似与人耳的相等(A计权);对于不同的测量和应用,分为A计权、B计权、C计权和D计权;以A计权为例,其测量结果单位表示为dBA或dB(A)。
在电子和通信领域,分贝通常用于表示功率或振幅比,以量化个别电路或元件的增益或损耗。其优势在于,因其对数特性,电路总增益就是对电路各个部分增益(以分贝为单位)的简单求和。在电子领域,dB后面也可以添加后缀,用以表示不同的基准值。例如,dBm表示基准值为1毫瓦的功率测量。
表2 电子和通信领域中常见的分贝单位
举例:
如果未定义基准值,那么,分贝可以被用作相对振幅的简单测量;例如,假设有两个扬声器,一个发出声音的功率为P1,另一个也发出相同的声音,功率为P2,假设所有其他的条件都相同,那么,两个声音之间的分贝差为:
如果,第二个扬声器发射的声功率是第一个扬声器的2倍,两个声音之间的分贝差为:
如果,第二个扬声器发射的声功率是第一个扬声器的10倍,两个声音之间的分贝差为:
如果,第二个扬声器发射的声功率是第一个扬声器的1000000倍,两个声音之间的分贝差为:
如果两者功率相同,两个声音之间的分贝差为:
这说明了dB标度的一些常见特性,无论测量类型如何:
-
功率增加一倍,分贝增加3 dB;振幅增加一倍,分贝增加6 dB;
-
功率降低一半,分贝降低3 dB;振幅降低一半,分贝降低6 dB;
-
0 dB意味着测量值与基准值相同,注意,这并不意味着没有功率或信号。
本底噪声
任何实际测量都会受到某种形式的噪声或不必要信号的干扰。在声学中,这可能是背景噪声;在电子设备中经常会出现热噪声、辐射噪声或其他干扰信号。在数据采集测量系统中,系统本身实际上会对测量的信号增加噪声。一般认为,系统的电子元件越多,系统引起的噪音就越大。
在数据采集和信号处理过程中,本底噪声测量是指测量整个数据采集和信号处理系统中所有噪声源和干扰信号的总和。本底噪声限制了系统可以准确测量的最小值,任何被测幅值的平均值不得低于本底噪声值。总之,本底噪声是指信号中背景噪声电平或由系统引入的噪声电平;如果被捕获的信号低于本底噪声,将很难分辨。
图1
图2
由图1可以发现,本底噪声在-120dB左右;图2表明只有高于本底噪声的信号才能被准确测量,在此情况下,20KHz、-100dB的信号可以被准确测量;如果,如果本底噪声高于-120dB,测量将变得困难。
例如,人耳可以听到一种非常低的声音,如大头针落地声音或窃窃私语声音。然而,这种情况也只可能在特殊环境下(本底噪声或背景噪声很低,例如,隔音室或非常安静的房间)发生;在一个嘈杂的环境内,仅凭借人耳,想听到如此低的声音水平是绝对不可能的。
为了尽可能降低的本底噪声,Prosig’s P8000数据采集系统综合了各种先进技术,包括信号处理模块和一些比较实用的技术,例如,在数据采集过程中,禁止使用冷却风扇。
动态范围和分辨率
动态范围是用来描述由系统测量的最小和最大信号之间的比率的术语。数据采集系统的动态范围被定义为数据采集系统可以捕获的最小和最大振幅之间的比率。实际中,大多数模数转换器(ADC)的电压范围为± 10V。在ADC电压范围内,为了最大限度地提高输入电压,在信号输入ADC之前,有时需要将信号放大。
测量系统的分辨率是由ADC输出二进制或十进制数字的位数决定的,位数越多,量化单位越小,对信号的分辨能力就越高;大多数ADC具有16位或24位的分辨率。
例如,输入模拟电压的范围时 -10~10V,输出16位2进制数可以分辨的最小模拟电压为
以分贝的形式表示为:
因此,对于16位的ADC,其动态范围为96dB;对于24位的ADC,其动态范围为144dB。
测量系统本底噪声也受到ADC系统分辨率的限制,例如,对于16位和24位的测量系统,其本底噪声下限值分别为-96dB和-144 dB;然而,在实际中,本底噪声经常会高于这一数值,这是由于测量系统中的电子噪声导致的。
现代数据采集系统,例如Prosig’s P8000,采用了一系列先进的数字信号处理技术来提高幅值分辨率和对于低幅值数据(例如,本底噪声信号)的测量,其精度也将大大提高。
作者:
James Wren
(Solutions Engineer and Sales & Marketing Manager at Prosig)
原文链接:
http://blog.prosig.com/2008/04/14/what-is-db-noise-floor-dynamic-range/
说明:由于译者专业理论和英语水平优先,翻译不准之处还望见谅,如有疑问请以原文内容为准。
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