Pegel - db - dbm. Roland Küng, 2010

Transkript

1 egel - db - dbm Roland Küng, 010 1

2 Intro EAS UKW - Sender 1975 style radio UKW - Empfänger Von der multifunktionellen analogen Elektronikschaltung

3 1995 style radio zur Digitalisierung der Signale und Verarbeitung im rozessor. 3

4 005 style radio Digital-Analog boundary progress hin zu: Mehr System bestehend aus Baugruppen (Chips) Elektronik spielt sich innerhalb Baugruppe ab 4

5 Klassisches Verstärker-Model Frage: Wieiel mal mehr Spannung kann man haben mit Verstärker? Voltage Gain: A = o i = konst R o RL + R L Verstärkung ariiert mit Last R L. Abhilfe: R o klein machen (OpAmp R o 0) Wahl R i des Verstärkers je nach R S der Quelle/ Vorstufe (OpAmp, Emitter-, Basis-, Kollektorschaltung) 5

6 Hohe Frequenzen, Breitbandsignale roblem wenn Leitungslänge L > λ/10: c λ = f f = 100 MHz λ = 3 m f = max. Frequenz im Signalspektrum Reflexionen Verzerrungen Impedanz Anpassung: engl. Impedance Matching Um Reflexionen zu ermeiden sollte R i des Verstärkers gleich der Impedanz Z 0 der Leitung sein und genauso R S Analog sollte im Ausgangskreis auch R L = R o = Z 0 sein Standing Wae Demo(Jaa) ulse SWR 6

7 Maximale Leistungsübertragung Man wählt R L und R i so, dass gilt R L = R o und R i = R S Den Quellen (mit geg. R S, R o ) kann nun die maximale Leistung entzogen werden Wirkungsgrad o / s = η = 50% (ist nicht maximal!) Note: V eff = V rms = V R eff Beachte Unterschied zwischen Matching und OpAmp-Applikation: Bei gegebenem R o = 0 ist R L = R o natürlich nicht möglich. R o 0, R L >> 0 o s, 100 % Wirkungsgrad, nicht aber max! 7

8 Design mit Building Blocks Hersteller erkaufen Komponenten mit R i = R S = R L = R o Die Komponenten passen alle zueinander, inkl. Kabel Spezifizierte Leistungserstärkung (ower Gain) G ~ R 0 i 1 1 R 0 1 Zweitor R 0 i R 0 Lineare Beziehungen: Verstärkung (Gain G) G = = = = A 1 1 peak peak1 Bsp. Z 0 (Ω) Koax HF 50 Koax TV 75 Telefon 600 UT Ethernet 100 Dämpfung (Attenuation A) 1 1 A = = = 1 G Symbol A A 8

9 Beispiele Building Blocks L < λ/10 L < λ/10 Calc for G, Z 0 Use Darlington MMIC L > λ/10 L < λ/10 50 Ω 50 Ω Gain 3 Fix Gain9

10 Building Block Konzept LEGO Konzept Wahl: R S = R i = R o = R L = Z 0 Vorteile: Reflexionsfrei, wichtig für Frequenzen c 10 f L Module lassen sich einfach spezifizieren unabhängig on angeschlossenen - Vorstufen (Quelle) - nachfolgenden Stufen (Last) Module lassen sich beliebig in Kette schalten, incl. Leitungen, Signalquellen und Messgeräte c = m/s L = Kabellänge m ~ ~ 10

11 Gain bei grosser Dynamik 16 Dekaden! Lineare Betrachtung unhandlich Sendet mit 1000 Watt Empfängt zwischen Watt und Watt Log Beziehungen: [ ] G db = 10 log G = 10 log = 0 log = 0 log A = 1 1 A[dB] 1 1 [ ] = 10 log A = 10 log = 0 log = G[ db] = A[dB] A db 11

12 Leistungen bei grosse Dynamik Leistung logarithmisch bezogen auf Referenzleistung: 1 W 1 mw [ dbw] = 10 log [ dbm] = 10 log [ dbm] = [ dbw] + 30dB G = 160 db Sendet mit 1000 Watt Empfängt mit Watt 60 dbm -100 dbm 1

13 Zusammenfassung db, dbm z.b Nachrichtentechnik Z 0 System 1 W [dbm] = [dbw] + 30 db Verstärkung G V Z [ dbw] = 10 log [ dbm] eff out [dbm] = in [dbm] + G[dB] = 0 z.b. out = G in G = 10 log [ db] Veff 50 1 mw = 10 log out in Leistung in Watt Leistung in db W Leistung in dbm 10 W 10 db W 40 dbm 1 W 0 db W 30 dbm 100 mw -10 db W 0 dbm 10 mw -0 db W 10 dbm 8 mw -1 db W 9 dbm 5 mw -3 db W 7 dbm 4 mw -4 db W 6 dbm.5 mw -6 db W 4 dbm mw -7 db W 3 dbm 1 mw -30 db W 0 dbm 100 µw -40 db W -10 dbm 10 µw -50 db W -0 dbm 1 µw -60 db W -30 dbm 1 nw -90 db W -60 dbm 1 pw -10 db W -90 dbm 13

14 dbm Beispiel Autoradio Z 0 = 50 Ω 18 Dekaden FM Radio 95. MHz Sendeleistung W 180 db Autoradio Empfangs-Leistung W 10 Femto Watt 70 dbm -110 dbm Note: Femto:

15 db auch für Spannungen z.b. Audiotechnik Z 0 System 1 V [ dbv] = 0 log [ dbµ V] [dbµv] = [dbv] + 10 db out = A in G = A Verstärkung A A = 0 log 1 µ V out [ db] = 0 log = G[ db] out [dbv] = in [dbv] + G[dB] in Spannung in Volt Spannung in db Volt Spannung in db Microolt 1 V 0 db V 10 dbµv 100 mv -0 db V 100 dbµv 10 mv -40 db V 80 dbµv 1 mv -60 db V 60 dbµv 100 µv -80 db V 40 dbµv 10 µv -100 db V 0 dbµv 8 µv -10 db V 18 dbµv 5 µv -106 db V 14 dbµv 4 µv -108 db V 1 dbµv.5 µv -11 db V 8 dbµv µv -114 db V 6 dbµv 1 µv -10 db V 0 dbµv 15

16 dbv, dbuv Beispiel Z 0 = 50 Ω 180 db FM Radio 95. MHz Autoradio 10 kw Sendeleistung 10 fw Empfangsleistung Lösung: 707 V 57 dbv = V Z eff nv -13 dbv = -3 dbµv Note: femto:

17 Komponenten Spezifikation Dämpfung A in [db] Vorzeichenwechsel Verstärkung G in [db] Alternatie Bezeichnungen: L für Loss, G für ower Gain 17

18 1 ~ Kettenschaltung und egelplan Ketten on Zweitoren berechnet sich sehr einfach: ~ 7 - db +15 db dB -8 db -1 db +0 db Linear Log G G n+ 1 = = G1 G G3... Gn 1 1 G [ db] = G [ db] + G [ db] +... G [ db] 1 + n n Gesamterstärkung: 14 db.. 4 db Wie kann man Unter- und Übersteuerung erhindern? Wie stellt man die Dynamik einfach dar? Untersteuerung: Verhindern, dass Signal im Rauschen ersinkt Übersteuerung: Verhindern, dass Signal begrenzt und erzerrt wird 18

19 egelplan und Signaldynamik Obere Limite: Voll-Aussteuerung ~ siehe Kap. Verzerrungen! +10 dbm 0 dbm -10 dbm -0 dbm -30 dbm -40 dbm -50 dbm -60 dbm -70 dbm -80 dbm -90 dbm -5 dbm -80 dbm Untere Limite: Rauschen siehe Kap. Rauschen! S m ax +10 db -0 db 75 db Signaldynam ik S m in Rauschen -15 dbm -90 dbm 19

20 egelplan: Tool Beispiel Apply for Download: 0

21 Beispiel: Z 0 - Radiosender 1

22 Z 0 : Dämpfungsglieder Klassischer Spannungsteiler nicht Z 0 tauglich 3 Forderungen 3 Gleichungen sind zu erfüllen: R i = Z 0 R o = Z 0 A = x db Bridged-Tee:.a. für ariable Attenuatoren, weil nur ariable R benötigt.

23 Dämpfungsglieder 50 Ω Attenuation A in db Beispiel: 1 db Attenuator in i Form:

24 Z 0 : ower Splitter/Combiner Koax T-Stück nicht brauchbar! Vorteil Z 0 Systeme: keine Reflexionen weniger Verzerrungen Splitter: Verteilen auf Lasten mit Z 0 Combiner: Addieren on Quellen mit Z 0 4

25 ower Splitter/Combiner Resistie Lösung: 50% Leistung erheizt Je 5% Leistung liegen an den Toren orts sind nicht isoliert, d.h. Signalanteile stets an allen orts orhanden Alternatie HF Trafos: erlustfrei Je 50% Leistung # liegen an den Toren orts isoliert Notes: entspricht A = 6 db # entspricht A = 3 db Beispiel: Z o = 50 Ω Wye Version: R = Ω raxis 18 Ω recht gut 5