电压电平的单位dBm.doc

电压电平的单位dBm、dBu、dBv

电压电平（voltage level）的定义是：某一电压V与一基准电压Vr相比求常用对数乘以20以dB表示的值为电压V的电压电平。即   

由于Vr取值的不同，常用的电压电平单位有下列三种：
A、dBm    由于1mW电功率在600Ω阻抗上的电压可算得为0.775V，所以Vr=0.775V所求得的电压电平，单位也可写为dBm。
    由于当设RΩ阻抗上的电功率为P，并设Rr=600Ω时，

如R=Rr=600Ω，则

所以这时以dBm表示的电压电平与相应的电功率电压数值相等。
如R≠Rr=600Ω，则

即以dBm表示的电压电平应为以Vr=0.775V求得的电压电平加上修正项10lgR r/R才与相应的电功率电平dBm值相等。
B、dBu    如果只考虑电压电平本身，不考虑是否与相应的电功率电平之间的关系，那么求电压电平时，就可以不管阻抗是否为600Ω，即不管上述的修正项。这样，当以Vr=0.775V为基准电压时所求得的电压电平单位为dBu。
C、dBv     以Vr=1V为基准电压时所求得的电压电平值，单位为dBv。
目前 dBu 通用于广播方面，如调 音台的调音设备及电气测试设备及仪表等。 dBv比较通用于声学及其它测试仪器。

600Ω用dB换算表（以1mW为0dB）
0dBm以下
电 平（dBm）
0dBm以上
电压（V）
电流（mA）
电功率（mW）
电压（V）
电流（mA）
电功率（mW）
0.7746
1.291
1.000
-0+
0.7746
1.291
1.000
0.695
1.151
0.7943
1
0.8691
1.448
1.259
0.6153
1.026
0.6310
2
0.9752
1.625
1.585
0.5484
0.9140
0.5012
3
1.094
1.823
1.995
0.4887
0.8145
0.3981
4
10228
2.047
2.512
0.4356
0.7260
0.3162
5
1.377
2.295
3.162
0.3882
0.6470
0.2512
6
1.546
2.577
3.981
0.3460
0.5767
0.1995
7
1.734
2.890
5.012
0.3084
0.5140
0.1585
8
1.946
3.243
6.310
0.2748
0.4580
0.1359
9
2.183
3.638
7.943
0.2449
0.4082
0.100
10
2.449
4.082
10.000
0.2183
0.3638
0.07943
11
2.748
4.580
12.59
0.1946
0.3243
0.06310
12
3.084
5.140
15.85
0.1734
0.2890
0.05012
13
3.460
5.767
19.95
0.1546
0.2577
0.03981
14
3.882
6.470
25.12
0.1377
0.2295
0.03162
15
4.356
7.260
31.62
0.1228
0.2047
0.02512
16
4.887
8.145
39.81
0.1494
0.1823
0.01995
17
5.484
9.140
50.12
0.09752
0.1626
0.01585
18
6.153
10.26
63.10
0.08691
0.1448
0.01259
19
6.905
11.51
79.43
0.07746
0.1291
0.01000
-20+
7.746
12.91
100.00
0.04356
0.07260
0.00316
25
13.77
22.95
316.2
0.02449
0.04082
0.00100
30
24.49
40.82
1.000W
0.01377
0.02295
0.000316
35
43.56
72.60
3.162W
0.007746
0.01291
0.000100
40
77.46
129.00
10.000W
0.004356
0.007260
0.0000316
45
137.7
229.5
31.62W
0.002449
0.004082
0.00001
50
244.9
408.2
100W
0.001377
0.002295
0.00000316
55
435.6
726.0
316.2W
0.0007746
0.001291
0.000001
60
774.6
1.291A
1000W
0.0004356
0.0007260
0.000000316
65
1377
2.295A
3162W
0.0002449
0.0004082
0.0000001
70
2449
4.082A
10000W
0.0001377
0.0002295
0.0000000316
75
4356
7.260A
31620W
0.00007746
0.0001291
0.00000001
80
7746
12.910A
100000W

· 现代音响系统中的电平及其测量
 　　电平在现代音响系统中至关重要，电平值的正确选择决定着整个音响系统的质量优劣。正确认识和测量电平十分重要。因此，要对电平的基本概念、电平的单位、电平的应用和电平的计算有个全面了解，尤其是：在数字系统和数字、模拟混合系统中，弄清满刻度电平的概念及“0”dBfs所对应的模拟电平值（+24dBu）的依椐，更是必要。本文将讨论这些问题。
    现代音响系统，无论是录制系统、播出系统、传送系统还是扩声系统，都离不开“电平”值。比如在一个录制系统中，准确地选择了一个恰当的录音电平，那么对这个录制系统将来录出的节目信号质量就能起保障作用。因此，准确理解“电平”和电平的相关属牲、掌握“电平”的测量方法是十分必要的。
     一. 电平的基本概念
    在现代广播、电影、电视、音响系统中，级和分贝经常出现。级和分贝的定义是：这个量与同类基准量的比值再取对数，其对数的底与基准量的类别一定要加以说明。
 　　级和分贝的类别通常要在前面用词冠来加以说明，如：电平、磁平、声压级、响度级等。对数的底以及所用的比例常数，则由单位，如：分贝、奈培等来说明。
    奈培是级的单位，其对数为自然对数，底为e。量值为(电压、电流)或功率的平方根，符号是Np。奈培常在电信技术中使用。广播、电视系统只在测量音频电缆时使用。
     分贝是贝尔的十分之一，称“分”贝尔，简称为分贝，符号是dB。
     奈培与分贝的关系是1Np=8.686dB。
     通常情况下，电平均指绝对电平。如：常用的dBm、dBu、dBv、dBr、dBFS等都是绝对电平。
     1.绝对电平＝20㏒（V2/V0）dBm。V2为某测量点电压、V0某基准值电压。
     其中，绝对“零”分贝电平是指：功率P0=1mw；电压V0=0.775Vrms；电流I0=1.228mA和阻抗Z0=600Ω时的值，用0dBm表示。称作绝对“零”分贝电平。
     2.相对电平是指某一测量点与某基准值的比较（如功率、电压、电流等）。
    相对“零”分贝电平＝20㏒（V2/V1）dB。如某一测量点电压为0.775Vrms、其基准值电压也为0.775Vrms时，[即V2＝V1时]，称做相对“零”分贝电平。即：0dB。值得注意的是，此时测量点的阻抗和基准点的阻抗必须相同。(这个问题在电平的计算中将进行讨论)。
     二. 电平（分贝）应用
     电平在电学、声学、磁学中均有广泛的使用。尤其在现代广播、电影、电视、音响系统中更是离不开它。
     在电学计量中，分贝（dB）是一种“电平”单位。
     在声学计量中，分贝（dB）是一种“级”的单位。如：声压级、声强级等。
    在磁学计量中，分贝（dB）是一种“磁平”的单位；磁平是指记录在磁带上的剩余磁通量。
     用单位磁迹宽度的短路带磁通量为基准。常用单位是：纳韦伯/米（n wb/m）有效值。我国广播标准参照CCIR标准作出定：在带速为38.1cm/s及19.05cm/s时，以1KHz信号为参考频率，其单声道的“参考磁平”为320n wb/m；立体声双声道时“参考磁平”为510n wb/m。
     关于“工作磁平”我国广播标准中对工作磁平的规定是：在录音时采用“工作磁平”，比“参考磁平”低6dB（即单声道时，工作磁平为160n wb/m；立体声双声道时、工作磁平为255n wb/m）。最大记录磁平为12dBu；饱和磁平为14dBu。
 三. 几种常用的电平单位
     dBm：是以0.775Vrms（阻抗为600Ω）为参考电压的电平单位；
     dBu：是以0.775Vrms（阻抗不限）为参考电压时的电平单位；
     dBv：是以1.0Vrms（阻抗不限）为参考电压时的电平单位；
     dBr：是相对参考电平单位，测量电声系统的幅频特性时，常被选用；
     dBfs（dB full scale）：是数字音频信号电平单位。亦写做dBFS。
     表1为某一电声系统所测量的幅频特性，用不同单位表示时的实际值。用dBu表示时，如“表1中第一行所示；而用dBr表示时，如“表1”中第二行所示（取1KHz时的0dBr=4dBu为基准时）。
     显然，用dBr表示时，幅频特性的优劣，更为显而易见。　　 

表1 分别用dBr与dBu表示幅频特性的比较
 　　四. 数字音频系统中满刻度电平的概念   
 　　“0”dBfs：是满刻度的数字音频参考电平，称：数字满刻度电平。是指在数字域的音频系统中，对最大值所对应的A/D或D/A变换器，所能转换的模拟信号不被削波时的信号电平。它用于带有A/D或D/A转换器的数字音频设备，是一项“满刻度”指标。“满刻度”是指：转换器可能到达“数字过载”之前的最大峰值电平，满刻度电平值是由转换器内部设计所决的是一个固定电平值。
    “0”dBfs对应+24dBu，曾是我国的广播电影电视行业标准。其最大可能编码的电平值，用与其相对应的模拟信号电平值表示。所采用的编码方式，至少相当于16比特均匀精度。目前，已成为中华人民共和国国家标准，即GB/T14919-1994《数字声音信号源编码技术规范》。
     在广泛地对节目信号录制的研究中得知，节目信号瞬态电平的大小与声音信号的类型有关，有训练的播音员讲话的瞬态电平可达（14-18）dB；而大型交响乐的瞬态信号电平可以达（18-20）dB。以在数字方式录制节目时，信号峰值储备量应尽量包含较宽的瞬态值，以减少削波失真。所以在录制动态较大的节目时，其信号峰值储量应设在20dB左右。所以，国标中规定“0”dBfs对应+24dB，而以往的对应模拟信号电平为+22dBu的数字设备也能继续使用。
    1.原广播电影电视行业标准GY/T192-2003《数字音频设备的满度电平》是这样规定的，电声系统的“工作电平”为15dBu，最高峰值电平为24dBu(尚符合现在国标的规定)。图1示出了“选择示意图” 
 图1 根据DY/T192-2003标准确定的电声系统工作电平选择示意图

     示意图1的说明如下：  
    0VU：对应+4dBu为基准电平，这是电声系统的选择所决定的；  
    11dB：是节目信号最高准平均值电平，比基准电平（0VU参考电平的+4dBu）高    11dB。即节目信号最大允许工作电平（其中，基准电平4dBu+最高准平均值电平11dB）为15dBu，这个电平也就是该电声系统的“工作电平”。
    9dB：考虑到节目信号的瞬间峰值，应留有（9～12）dB的电平储备量，这里选择为9dB，当然根据实际需要，储备值也可有不同的选择。若储备量选择得过大，系统的信噪比将随之降低，所以这个储备量值的选择应当慎重。
     2.欧洲广播联盟（EBU-R68-2000）的规定为“0dBfs对应+22dBu。
     如图2所示，是欧广联标准的电平图： 
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 图2 EBU-R68-2000满度电平技术说明图
     图2中的说明     9dB：节目信号最大允许电平比基准电平高9dB，实际上是比0dBu高+13dB；
     6dB：考虑到操作误差和节目信号瞬间峰值的影响，应留有6dB的电平储备余量；
     3dB：考虑到广播用准峰值表的特性，实际的瞬间峰值比准峰值表的指示要高3dB；
    在数字设备中，数字音频信号编码电平的基准电平应比系统最大可能的峰值电平低18dB；
     数字音频设备的校准信号为1KHz的简谐信号。
     3.美国电影与电视工程师协会（SMPTE）在RP 155-1995中建议数字音频系统满度电平为：
     0dBfs对应+24dBu其中，最大允许工作电平由自己掌握，未做规定。

 图3 SMPTE推荐的满刻度电平技术说明
    图3中，关于基准电平的建议仍为+4dBu。因为，数字录音格式是线性，电平基准按SMPTE推荐的RP155-1995所述：音频电平同于在数字电视磁带录制机上录制数字电平的音频电平所规定。认为编码电平最大值应比基准信号电平高20dBu。
     值得注意的是在电声系统中，各国（含各个环节中）的数字音频设备的满度电平值可能不一样（如英国设备为22dBu）。所以，在选择电声系统的工作电平值时，应考虑留有足够的峰值电平储备量，否则就会产生节目信号瞬间的峰尖值造成较大失真，而在节目信号低峰时又可能被噪声所淹没。
 五. 数字电平（dBfs）与模拟电平（0VU）的关系   
 　　1.VU：是声音信号的“音量单位”
     在电声工程中用于对节目信号强度进行计量的专门仪表，称之为：音量单位表。也称音频节目表。这种专门仪表是采用平均检波器（二极管桥式整流器）并按简谐信号的有效值来确定刻度。因此，它是一种准平均值表。
     2.“0”VU：是声音信号的“参考电平值”
     一般，用于节目信号测量时的准平均值为+4dBu（1.228伏）。
     当测试信号为1KHz的简谐信号时，“0”VU是否对应+4dBu电平值，要取决于节目信号的峰值因数大小。例如：当节目信号的峰值因数为6dB时，虽然“音量单位表”指示值为“0”VU，但此时所对应的峰值电平却是4dBu+6dBu为10dBu。
     3.数字音频信号编码电平（dBfs）与音量单位（VU）表指示的对应关系
     由上述峰值因数的影响可见，通过被测系统后VU表测量的“0”VU数字音频节目信号与测试信号（1KHz）的实际值不一样（用1KHz时无需加衰减器，用节目信号时要分别加不同衰减）。图4是用于“对应关系比较”时的测量方框图。

 图4 测量编码电平（dBfs）与VU表指示对应关系的框图
     表2为测试信号（频率为1KHz简谐信号）对应VU表指示值所测得的数据（注调音台增益为1） 
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 表2 1KHz信号编码电平（dBfs）与VU表指示值对应状况
    从表2中不难看出，数字编码电平与VU表甘局涤泄潭ǖ南嘤叵担ㄍü硬煌ゼ趿浚?/P>
    表3为节目源信号分别在S节1峰值因数为24；S节2峰值因数为10dBu；S节3峰值因数为4和S节4峰值因数为1等情况下测得的数据（注调音台的增益为1）。 

 表3节目信号编码电平与VU表指示不对应状况（峰值）
   综上所述，电声系统中加音频测量信号（1KHz）时，数字编码电平与音量单位表（VU）有固定的对应关系，而在加节目信号时无对应关系（与峰值因数有关）。  
六. 分贝值的计算
    在实际工作中经常遇到，分贝值的计算问题，查起对数表即费时又费力，还不便找到对数表，下面根据工作经验给出求分贝值的简便算法。 

 表4 求分贝值的简便算法
    60分贝的计算实例  
    已知放大器输入电压为0.05V，输出电压为5V时，分别求：
     输入、输出端阻抗为600Ω  
    输入阻抗为300Ω，输出阻抗为600Ω
     ③输入阻抗为600Ω，输出阻抗为300Ω时，放大器的增益（K值）

 　　通过上述实例可见：阻抗相同时才能直接用两个测量点电压比来计算，阻抗不同时应当考虑阻抗比。
     七. 音响系统的电平图
     电平图：是描写音响系统中心声音信号（节目信号）在音响系统内各环节的工作电平（电压电平）的图纸。称为“电平图”。
    声音信号（节目信号）在电声系统中要通过许多环节（经过许多不同的设备），为了使声音信号（节目信号）在各环节中都能正常通过（即不产生失真也不被噪声淹没），必须控制（调整）通过各环节处的信号电平。
     图5中的一条折线，就是各环节的输出达额定电平、将各环节设备的输出额定电平值联成的折线，称为工作电平（额定工作电平）分布线。通常这个工作电平值由声音信号（节目信号）电压的准平均值折算过来，这与准平均值音量表（VU表）的指示值相一致。如果电平系统使用准峰值音量表（PPM表）指示信号，则也可用声音信号（节目信号）电压的准峰值电平来表示工作电平。
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图5 某电台播出系统电平图示意图
    在电平图中还标出播出系统各环节所承受的最高准峰值电平，称为“最高电平”线，它是声信号（节目信号）的准峰值电平所能达到的上限值。其下限值受各环节的噪声准峰值电平值限制。由电平图可以清楚地看到，电声系统的输出信号电平达额定电平值时，电声系统各环节的设备所留的电平储备值及信号噪声比值。如在调音控制台，录音机等设备，也用电平图表示声音信号（节目信号）在该设备内各环节工作电平，只有控制通过各环节处信号电平，才能使声音信号在各环节中良好通过，即不造成失真的产生，也不会被噪声所淹没。
    综上所述，电声系统的电平图对于正确使用电声系统中各环节设备是十分有意义的。
     八. 模拟（数字）音响系统动态阈
     模拟音响系统是由传声器、多轨录音机、调音台、录音机、复制机、磁带、放音机、功放及音箱组成。如图6所示为该系统电平图。上限电平受音响系统中各种设备的信号最高准峰电平限制，下限电平受该音响系统中各种设备的噪声准峰值限制，在上限与下限之间动态，一般称设备的动态阈。此时动态的定义为信号最高准峰值电平（dBu），减去噪声准峰电平。那么该音响系统的信号噪声比，即是信号最高准平均值电平减去噪声准平均值电平。通常只把用准峰值电平表示的系统或设备动态称作“动态阈”，而只把用准平均值电表示动态称作“信号噪声比”。信号最高准平均值电平比信号最高准峰值电平低9－12dB这个也叫动态储备量，根据视节目源信号的动态范围大小而确定。
    数字音响系统动态阈和信噪比与模拟音响系统动态阈和信噪比的形状基本相似，只是数字的动态阈和信噪比要比模拟音响的动态阈的信噪比更大些，更好些。 
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 图6 某模拟（数字）音响系统动态阈
 1.传声器  2.多轨录音机  3.模拟调音台  4.模拟录音机 5.模拟复制机
 6.节目磁带 7.模拟放音机  8.功放  9.扬声器
 九. 现代音响系统中录音工作电平的基本概念
     工作电平在音响系统中至关重要，它将决定着整个音响系统质量的优劣。
     工作电图表示着在音响系统中信号流程是否合理，是否能够保证音频信号最高峰值时也不失真，而信号最低值也不被噪声所淹没。
     1.录音工作电平值的选择
     录音工作电平：音响系统（或音响设备）在实际工作中所采取的电平。由于在音响系统中各种设备（如调音台、工作站、音频处理器、记录设备、传送设备等）在正常工作时，都要留有一定的电平储备量（即动态余量），所以工作电平一般比最高准峰值电平低9－12dB。它是根据音响系统的实际情况而确定下来。
     在录制系统信号流程中，调音台的动态阈为110dB，假如选择工作电平比最高准峰值电平低12dB，而传声器动态阈为130dB，同样选择工作电平比最高准峰值电平低12dB，记录设备动态阈为80dB时，这个音响系统的电平图如图7所示。  
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 图7 录制系统工作电平示意图
     传声器的工作电平值：即信号最高准平均值电平，也就信号最高准峰值电平减去电平储备量（12dB）。
     上限如图中上边的实线所表示的。下限则为噪声准峰值电平。即噪声准平均电平减去均6dB（一般噪声的峰值因数约6dB）。这个录制系统的工作电平，则是传声器、调音台、记录设备的最高准峰值电平减去12dB。换言之，系统的工作电平储备量选择为12dB，它完全是根据实际工作的需要选定的电平，而不是各种设备原来就有的技术指标参量。这个系统工作电平值的选定，将决定着音响系统质量的优劣，所以在选定系统的工作电平值时千万要慎重。

    工作电平在音响系统设备上是怎样表现出来的呢？如调音台此时的工作电平是在它的音量单位表（即VU表）指示为“O”VU，它是用简谐信号1KHz，电压是1.228V输出电平值为＋4dBu来确定的。也就是这个系统中的最高准平均电平。也称之为系统的工作电平。换言之，音频信号在调音台的音量表上虽然指示为“O”VU值，此时音频信号的最高准峰值电平有可能达到16dBu以上（因为储备准电平值为12dBu），再加上VU表“O”VU时，输出电压为4dBu，即（12＋4）dB为16dBu。
 　　2.音频信号平均电平工作阈
     信号电平工作阈：是指音频信号在音响系统中强弱变化的范围。此时音频信号是用准平均值表来计量的，即是用音量表（VU）表计量的。
     传声器的信号电平工作阈为130dBu－12dBu－6dBu，为112dBu了。用同样方法可知，调音台的信号电平工作阈则为110dBu－12dBu－6dBu为92dBu了。记录设备则为62dBu了。
    3.音频信号准峰值电平动态阈
    音频信号电平动态阈：是指音频信号用音频信号准峰值来计量，使用峰值表（PPM表）来计量。传声器的动态范围为130dB－6dB，即为124dB。用同样方法可知，调音台的动态阈为104dB，记录设备的动态阈则为74dB。
     4.信号噪声比
     信号噪声比：是指用简谐信号最高准平均值电平与噪声电平的准平均值之差。此时简谐信号电平是用音频电平表（即准平均值表）来计量的。传声器的信噪比为130dB－12dB是118dB。同理可知，调音台的信噪比为98dB，记录设备的信噪比则为68dB了。
     综上所述
     动态阈：是用音频信号准峰值电平表示的，用峰值表来计量。
     工作阈：是用音频信号准平均值电平表示的，用音量（即VU表）来计量。
     信噪比：是用简谐信号准平均值电平和噪声准平均值电平之差表示的，用音频电平表来计量。
     5.数字音响系统中的电平图

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图8 一个数字录制系统示意图
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     它主要是由声源部分、数字调音台、数字录音机和监听功放组成。

图9数字录制系统电平示意图
     在图9这个数字录制系统中，如传声器的动态范围为130dB，数字调音动态范围为120dB，数字录音机的动态范围为96dB。
     假如电平储备量选择为12dB。又因为噪声准峰值电平与噪声准平均值电平约差6dB。  
    传声器音频信号工作电平为130dB减去电平储备量12dB，为118dB。即为传声器音频信号最高准平均值电平。
     数字调音台的工作电平为信号高准峰值电平120dB，减去电平储备量12dB，则为108dB。即是音频信号最高准平值电平。
     数字录音机的工作电平为信号高准峰值电平96dB减去电平储备量12dB，则为84dB。即是音频信号最高准平均值电平。
     把传声器、数字调音台、数字录音机的工作电平三条，曲线连起来，就是这个数字录制系统电平图的上限值。
     其下限值则为噪声准平均值电平高约6dB，即为噪声准峰值电平。
     再把传声器、数字调音台、数字录音机的噪声最高准峰值电平的三条线连起来，即为这个数字录制系统的电平图。
     值得注意的是，各种数字设备的满刻度电平值，会有所不同，虽然在广播行业规定其数字音频设备的满度电平值，即OdBFS=+24dBu，但由于各生产厂家不同，国别不同，数字音频设备的满度电平值也会有所不同。