MASURAREA NIVELURILOR

MASURAREA NIVELURILOR

Generalitati :

Majoritatea mǎrimilor care caracterizeaza calitatea unei transmisii sunt marimi logaritmice, care se exprimǎ prin rapoarte de puteri,tensiuni sau curenti.

-neperul(N_p)-cand se utilizeazǎ logaritmi naturali (ln) ;

-belul(B)-cand se utilizeazǎ logaritmi zecimali(lg).

Trecerea de la neper la bel se face cu relatiile :

1 Np≈8,686Db(1)

1 Db≈0,115Np(2)

Unitǎtile de transmisie se folosesc prin mǎsurarea nivelurilor, atenuǎrilor sau amplificarii cuadripolurilor, a gardului de adaptare intre douǎ impedante, a ecartului distorsiunilor neliniare, etc.

Nivelurile indicǎ, in general,starea electrica comparativǎ intr-un punct al unui circuit de telecomunicatii.Ele pot fi:    -absolute

-relative

-de masurat.

A.Nivele relative:

In anumite conditii, se comparǎ mǎrimile electrice de putere, tensiune si curent din douǎ puncte 1 si 2 diferite si se pot defini astfel nivelurile relative ale mǎrimilor dintr-un anumit punct 2, raportate la un punct de referintǎ 1 (fig a), cu relatiile :

n_rp=p_rp=

   

B. Niveluri absolute

In conformitate cu prescriptiile internationale, starea electricǎ a unui punct de circuit se exprimǎ comparand logaritmic puterea, tensiunea sau curentul din acel punct cu puterea, tensiunea sau curentul debitat pe o rezistentǎ de 600 Ω de cǎtre un generator numit generator normal G avand tensiunea electromotoareE=1,55 V si impedanta internǎ Z_i =600Ω (fig B).

Puterea maximǎ debitatǎ de generatorul normal G pe o sarcinǎ cu impedantǎ Z_s=600Ω este egalǎ cu:

P₀₌

Tensiunea la bornele sarcinii Z_s sunt :

Mǎrimile P₀, U₀, I₀ reprezintǎ mǎrimile de referintǎ pentru compararea puterii P_x,tensiunii U_x, curentului I_x dintr-un anumit punct considerat.

In tehnica mǎsurarilor in telecomunicatii,mǎrimile P₀,U₀ si I₀ reprezintǎ nivelul "zero", respectiv referintǎ.

Cunoscand mǎrimile de nivel zero P₀,U₀ si I₀ se pot defini mǎrimile de nivel absolute exprimate in neperi si in decibeli, cu relatiile:

Dacǎ valoarea mǎrimii mǎsurate in punctual x coincide cu valoarea de referintǎ (P_x=P₀=1 mW; U_x=U₀=0,775 V; I_x=I₀=1,29 mA), rezultǎ un nivel absolut (de putere, tensiune sau curent) zero.

Un nivel pozitiv aratǎ cǎ mǎrimea electricǎ mǎsuratǎ,in acel punct este mai mare decat mǎrimea corespunzǎtoare de referintǎ: P_x>P₀;U_x>U₀;I_x>I_0.

Un nivel relativ aratǎ cǎ mǎrimea electricǎ mǎsuratǎ, in acel punct, este mai micǎ decat mǎrimea corespunzǎtoare de referintǎ: P_x<P₀;U_x<U₀;I_x<I_0.

In transmisiunile telefonice si telegrafice se utilizeaza cu precǎdere, nivele absolute de putere intruicat circuitele respective sunt realizate pentru a obtine transferul maxim de putere.

Relatia de legǎturǎ dintre nivelul absolute de putere si nivelul absolute de tensiune.

Nivelul absolut de putere intr-un punct x se defineste cu relatia :

, in care P_x=,

unde Z_x este impedanta intr-un anumit punct.

Tinǎnd seama cǎ puterea generatorului normal este :

atunci nivelul absolut in functie de impedanta Z_x, se poate exprima cu relatia :

sau

unde : p_u-nivelul absolut de tensiune ;

ln(600/Z_x)-corectia.

Valoarea corectiei pentru diferite valori ale impedantei Z_X :

75Ω ->1,05 N_p(9 dB) ;

150Ω->0,7N_p(6 dB) ;

1500Ω->0,35N_p(- 3 dB) ;

Legatura dintre nivelele absolute si nivelele relative

Comparand relatiile de definire a nivelurilor relative cu relatiile de definitie ale nivelurilor absolute, se constatǎ cǎ nivelurile absolute reprezintǎ un caz particular al nivelurilore relative, luandu-se ca referintǎ rezistenta de sarcinǎ a generatorului normal.

Nivelurile relative se mai pot determina dacǎ se cunosc nivelurile absolute in punctele 1 si 2.Astfel dacǎ nivelurile absolute de tensiune ale celor douǎ puncte sunt :

si

atunci nivelul relativ de tensiune al punctului 2 fatǎ de punctul 1 este :

P₂₁=P_u2-P_u1 -relatie valabilǎ indiferent de unitatea de exprimare a nivelului .

Deci nivelul relativ de tensiune al unui punct fatǎ de alt punct este diferenta nivelurilor absolute de tensiune din cele douǎ puncte.

C.Metode de mǎsurare    a nivelurilor

Mǎsurǎrile de nivel se efectueazǎ cu :

indicatoare de nivel cu impedantǎ mare de intrare - mǎsurǎri 'in nivel' ;

indicatoare cu impedantǎ finitǎ de intrare, egalǎ cu modulul impedantei circuitului mǎsurat-mǎsurǎri'in terminal'. 

C 1.Mǎsurǎri 'in nivel'

La mǎsurǎrile in nivel , indicatorul de nivel cu impedanta mare de intrare se monteazǎ in paralel cu circuitul de mǎsurat, care ramane conectat la sarcina sa normalǎ (fig. c1)), sau se terminǎ artificial cu o rezistentǎ (fig. c2)) egalǎ cu valoarea medie a modului impedantei sarcinii normale a circuitului.

D.Mǎsurǎri 'in terminal'

La mǎsurǎrile cu indicatorul de nivel avqnd impedanta de intrare finitǎ(75,135 sau 124,150,600Ω) drept sarcinǎ pentru circuit serveste drept sarcinǎ pentru circuit, serveste impedanta de intrare a indicatorului de nivel fig. c3)

A

1. NIVELUL DE TRANSMISIE. PARAMETRII SI UNITATI DE MASURA CARE AU LA BAZA EXPRIMAREA IN dB

1.1. Nivelul de transmisie. Unitǎti de mǎsurǎ

In tehnica comunicatiilor caracterizarea marimii semnalului printr-o valoare numericǎ exprimatǎ in volti (pentru tensiunea electrica) sau wati (pentru puterea electrica) este putin folositǎ, s-a dovedit utilǎ exprimarea in dB (sub diverse forme) pentru a elabora mǎrimea semnalului in raport cu o valoare de referintǎ.

In studiul variatiei intensitatii semnalului telefonic sau a unui semnal de mǎsurǎ pe o cale de transmisie se folosesc 'unitǎti de transmisie' cu raport logaritmic, altfel spus se urmǎreste actiunea fiecǎrui element component al cǎii (atenuare, amplificare, etc.) asupra semnalului transmis.

Pentru aprecierea marimii semnalului in unitati de transmitere se foloseste notiunea de 'nivel'; folosind unitǎtile de transmisie cu raport logaritmic si notiunea de nivel se pot evalua raporturile de tensiune, putere sau curenti existente in cuadripolii de orice fel. In functie de logaritmul utilizat se deosebesc douǎ sisteme de unitǎti de transmisie:

a). sistemul natural cu unitatea fundamentala de transmisie Neperul (Np);

b). sistemul zecimal cu unitatea fundamentala Belul (in practica se foloseste submultiplul decibelul).

;

    1.1

Pentru obtinerea unei valori univoce a sistemului, 1 Np poate fi determinat ca o jumatate din logaritmul natural.

1.2

Un decibel reprezintǎ 20 logaritmi zecimali din raportul tensiunilor sau curentilor. In cazul valorilor absolute acest raport este egal cu 10^0,05 .

1.3

1.4

Pentru raportul puterilor:

1.5

Relatia fundamentala dintre dB si Np este:

1Np = 8,686 dB; 1 dB = 0,115 Np. (1.6)

S-a ales raportul logaritmic in determinarea caracteristicilor cuadripolilor deoarece:

a ) dupǎ legea psiho-fizica (Weber-Fehner), senzatia pe care urechea o primeste este proportionala cu logaritmul intensitatii sonore;

b ) existand foarte multe elemente de circuit, calculul logaritmic este eficient si comod;

g ) pe o cale de transmisie omogenǎ curentul si tensiunea se propagǎ, atenuarea producandu-se dupa o lege exponentialǎ; in felul acesta logaritmul raportului dintre tensiunea sau curentul cǎii de transmitere si tensiunea sau curentul la capǎtul cǎii de transmisie este proportional cu lungimea liniei. Unitǎtile de transmisie se folosesc pentru mǎsurarea atenuǎrilor, amplificarilor, proprietǎtilor electroacustice, a gradului de adaptare intre impedante, a ecarturilor de distorsiune, etc.

Nivelul indicǎ prin unitǎtile de transmisie logaritmice starea electrica comparativa intr-un punct al unui circuit de comunicatii. Dupǎ mǎrimea de referintǎ aleasa nivelurile sunt: nivel absolut de putere, nivel absolut de tensiune, nivel relativ de tensiune si nivel relativ de putere.

1.2. Nivelul absolut si nivelul relativ

Starea electricǎ a unui punct de circuit se exprimǎ comparand logaritmic puterea sau tensiunea din acel punct cu puterea sau tensiunea debitata pe o rezistenta de 600 ohmi de cǎtre generatorul normal (etalon) care este definit in continuare pentru circuitele telefonice.

Generatorul normal are urmatoarele caracteristici electrice: tensiunea electromotoare E = 1,55 V si rezistenta internǎ Ri = 600 W (fig.1.14).

Generatorul etalon.

Fig. 1.14. Generatorul etalon

Mǎrimile electrice se calculeaza astfel:

puterea debitatǎ de generatorul normal pe o rezistenta de sarcinǎ pur rezistivǎ Rs = 600 W este:

1.7

tensiunea U0 la bornele sarcinii:

curentul care circulǎ prin rezistenta la sarcinǎ:

Mǎrimile P₀, U₀, I₀ reprezinta valori de referinta pentru compararea puterii P_x, a tensiunii U_x, si a curentului I_x in punctul in care se ia in considerare si reprezintǎ nivelul zero (nivel de referintǎ conventional).

1.2.1. Nivele absolute

Se definesc nivele absolute de putere, de tensiune si de curent.

Nivelul absolut de putere, notat dB_m, are ca mǎrime de referintǎ valoarea de 1mW, avand in vedere cǎ puterea medie a semnalului transmis de aparatul telefonic este de aproximativ 1mW.

Relatia de calcul:

[dB_m] (1.8)

np =    [dBm] .

F0 = 1020 Hz este frecventa de referintǎ.

Pe interfetele analogice ale centralelor digitale (la 2 fire) se utilizeazǎ impedante complexe, de aceea se utilizeazǎ notiunea de putere aparenta.

In tabelul 1.1 sunt prezentate cateva valori caracteristice.

Tabelul 1.1

Pentru etalonarea nivelului de tensiune se foloseste ca mǎrime de referinta valoarea 775 mV.

Relatia de definitie:

[dBu](1.9)

Nivelul absolut de curent se foloseste in practicǎ extrem de rar, deci poate fi ignorat.

In mod particular dacǎ valoarea marimii mǎsurate in punctul x (punct oarecare de masura) coincide cu valoarea mǎrimii de referinta rezultǎ cǎ nivelul absolut este zero.

Pentru calculele efectuate in retelele de comunicatii de arii mari se folosesc nivelurile absolute de putere, explicatia fiind cǎ raportul de transmisie este realizat pe principiul transferului mare de putere.

1.2.2. Nivele relative

Se definesc nivele relative de putere, de tensiune sau de curent.

Dacǎ se face raportul de tensiune sau a unei puteri dintr-un punct, la o anumitǎ valoare din alt punct, nivelul obtinut se va numi nivel relativ. Este o notiune nespecificǎ unei cai de tensiune.

Originea cǎii de transmisie este in conformitate cu definitia nivelului relativ, punct de nivel zero. Aceastǎ origine poate fi considerata in functie de scopurile propuse. Se poate deci aprecia cǎ nivelul absolut de putere este un caz particular al nivelului relativ, atunci cand generatorul etalon (normal) se ia ca referinta.

Deci, prin definitie, nivelul relativ de putere (dB) intr-un punct dat este exprimat prin raportul in dB, calculat la frecventa de referintǎ F_r= 1020 Hz (conform recomandǎrii O.6):

[dBr] , (1.10)

unde P_x este puterea aparentǎ a semnalului in punctul considerat , iar P₀ este puterea aparentǎ a semnalului intr-un punct de referintǎ, numit punct de referintǎ al transmisiei. Punctul este denumit TRP (Transmission Reference Point). Se utilizeazǎ pentru echipamente, sisteme de comutatie, etc. termenul de 'Punct de referintǎ al nivelului' LRP (Level Reference Point).

Punctul de referintǎ al comunicatiei poate fi luat la intamplare sau poate exista fizic.

Nivelul relativ se calculeazǎ la frecventa de referintǎ de 1020 Hz si reprezintǎ castigul sau atenuarea intre punctul considerat si punctul de referinta a transmisiei. Semnalul de masurǎ aplicat in punctul de referintǎ al transmisiei (0 dBr) are o valoare de -10 dBm astfel Incat sǎ nu fie afectate subsistemele de comunicatii. Regula de mǎsurare este ca intr-un punct cu nivel relativ oarecare x, nivelul admis al semnalului la mǎsurare va fi cu 10 dB sub valoarea nivelului relativ.

In calculele cu niveluri relative se folosesc date si tabele practice din care rezultǎ:

- o dublare a tensiunii corespunde la +6,02 dB;

- o dublare a puterii corespunde valorii de 3,01 dB.

Nivelul relativ este un concept util. Prin acest parametru pot fi caracterizate mai multe proprietǎti:

- castigul si atenuarea intre interfete;

- capacitatea pe care o are un echipament de a trata semnalele aplicate la o interfatǎ;

- nivelul probabil de putere al semnalului vocal la o interfatǎ.

Tabelul 1.2. Corespondenta intre raportul de tensiune, putere si nivele.

1.3. Parametri si unitǎti de mǎsurǎ ai nivelelor de transmisie

1.3.1. Atenuarea si castigul.

Se considerǎ cuadripolul din fig.1.15.

Fig.1.15. Exemplificarea atenuǎrii de tensiune intr-un cuadripol.

Castigul respectiv atenuarea se exprima prin logaritmul raportului mǎrimilor electrice, tensiune si putere realǎ sau aparentǎ.

    [dB] , (1.11)

unde P₁ - puterea de intrare,

P₂ - puterea la iesire exprimatǎ in mW sau mVA.

Dacǎ A este pozitiv, existǎ o atenuarea de putere (P₂ < P₁).

Dacǎ A este negativ, existǎ un castig de putere (P₂ > P₁).

    [dB] (1.12)

Dacǎ A > 0 existǎ o atenuare de tensiune, dacǎ A < 0 exista un castig ; in locul tensiunilor pot interveni si alte mǎrimi (curenti, presiune acusticǎ, etc.).

Expresiile (1.11) si (1.12) sunt egale numeric dacǎ impedantele la cele douǎ porturi (1-1', 2-2') sunt egale in modul.

1.3.2. Atenuarea de adaptare (Aad).

Atenuarea de adaptare reflectǎ gradul de dezadaptare dintre douǎ impedante Z₁ si Z₂ si este exprimatǎ in dB. Relatia de calcul:

    (1.13)

Ea reprezintǎ atenuarea exprimatǎ ca raportul dintre semnalul incident si cel reflectat, intr-un punct de dezechilibru de impedantǎ.

1.3.3. Atenuarea la putere aparentǎ.

Atenuarea de putere aparenta se referǎ la cuadripolul din figura 1.16 in care impedanta Z_g a generatorului si impedanta Z₂ de sarcinǎ sunt mǎrimi complexe.

Fig.1.16. Calculul atenuǎrii de putere aparentǎ.

Puterea aparentǎ de intrare P₁ se defineste ca putere aparentǎ, debitata pe o sarcina egala cu impedanta Z_g a generatorului:

iar puterea P₂ este puterea aparentǎ de iesire pe sarcina Z₂ :

Logaritmand raportul celor douǎ puteri aparente se obtine atenuarea de putere aparentǎ:

    [dB]. (1.14)

Formula (1.14) este aplicabilǎ in cazul circuitelor pasive, deci a cuadripolilor pasivi reciproci.

Evident ca in situatia cand impedantele sunt rezistente, puterea aparentǎ este inlocuitǎ cu puterea realǎ (in mW).

Pentru a prezenta conceptul de putere aparentǎ CCITT a propus doua forme specifice de exprimare a atenuarii.

O prima forma se referǎ la atenuarea de putere aparentǎ exprimatǎ la frecventa de referintǎ F₀=1020 Hz. Aceasta constituie atenuarea nominalǎ A₀ si este datǎ prin particularizarea expresiei generale (1.14) la frecventa F₀ :

    [dB]. (1.15)

A doua formǎ exprimǎ atenuarea in functie de frecventǎ, avand expresia:

    [dB] . (1.16)

Deoarece raportul este independent de frecventǎ, variatia cu frecventa a atenuǎrii depinde exclusiv de raportul de tensiune E/V si nu de puteri.

1.4. Nivelul absolut de putere in dBm pentru semnale cu frecventa unicǎ

Reprezintǎ nivelul de putere aparentǎ al unui semnal sinusoidal, raportat la puterea aparentǎ de 1mVA, exprimat in dBm, prin logaritmare, dupǎ expresia:

    [dBm] (1.17)

1.5. Nivelul absolut al semnalelor complexe

    [dBm], (1.18)

unde [mW]

iarreprezintǎ densitatea spectrala de putere,

R - rezistenta de sarcinǎ; F₁, F₂ limitele benzii de frecventǎ a semnalului (Hz).

Nivelul se calculeaza diferit dacǎ intervin impedante complexe:

    [dBm], unde:

    [mVA]. (1.19)

1.6. Nivelul de putere psofometric

Caracteristicile fiziologice ale urechii fac ca perceptia sunetelor sǎ depindǎ de frecventǎ, potrivit unei functii de ponderare W(t). Astfel efectul componentelor de zgomot de frecvente joase (50 Hz) sau inalte (3000 Hz) este mai putin sesizat decat acela datorat componentelor cuprinse in banda 800-2000 Hz.

Caracteristica de ponderare numita si caracteristica psofometrica este specificatǎ in Recomandarea O.41.

Dacǎ se tine seama de caracteristica de ponderare calculul nivelului se realizeazǎ dupa formula :

Np = 10 log [ dBmp ] (1.20)

unde:

P_p = 10w(f)/10 df [dmVA] respective

[dBmp]

1.7. Nivelul relativ de putere

Nivelul relativ la frecventa de referintǎ F₀ = 1020 Hz (conform Recomandǎrii O.6) se calculeaza dupǎ formula :

Nr = 10lg , [dBr]: (1.21)

unde P reprezinta puterea aparentǎ a semnalului in punctul considerat iar P₀ este puterea aparentǎ a semnalului intr-un punct de referintǎ al transmisiei (TRP - Transmission Referance Point).

Nivelul relativ este numeric egal cu atenuarea sau castigul intre punctul considerat si punctul de referinta a transmisiei la frecventa de referintǎ la 1020 Hz. In punctul de referinta nivelul relativ este 0 dBr. Cu ajutorul acestui nivel se pot caracteriza :

- castigul sau atenuarea intre interfete ;

- capacitatea pe care o are un echipament de a trata semnalele aplicate la o interfatǎ ;

- nivelul probabil de putere al semnalului vocal la o interfatǎ.

1.8. Nivelul exprimat in dBm0

Acesta reprezintǎ nivelul absolut de putere mǎsurat la frecventa de referinta (1020 Hz), in punctul de referinta al transmisiei (0 dBr). Intr-un punct oarecare de nivel relativ x dBr, un nivel L dBm0 conduce la o valoare absolutǎ :

Na = N + x [dBm]

Fig. 1.17.Exemple de valori de nivele relative (dBr) si absolute (dBm) pentru un semnal de mǎsurǎ de 10 dBm0 trimis pe un

canal mixt analog /digital.

Nivelul exprimat in dBm0 intr-un punct oarecare de mǎsurǎ reprezintǎ nivelul semnalului raportat la valoarea nivelului relativ (dBr).

Nivelul exprimat in dBm0 are in acelasi timp un caracter absolut dar si relativ :

- este nivel absolut in punctul de referinta (nivel relativ 0 dBr) ;

- este relativ fata de orice punct de nivel diferit de 0 dBr.

1.9. Nivelul de tensiune

Prin definitie nivelul de tensiune exprimat in dBu este dat de relatia (9):

    [dBu]

unde: U_x este valoarea eficace a tensiunii mǎsurate;

- 775 mv este tensiunea care produce o putere de 1 mW pe o rezistentǎ de 600 ohmi.

Nivelul de tensiune dat de formula (1.9) este diferit de nivelul de putere dat de formula (1.17).

Dacǎ se masoarǎ cu ajutorul unui decibelmetru nivelul de tensiune la bornele unei rezistente de 600 ohmi rezulta N_p = N_u, nivelul de tensiune coincide cu nivelul de putere.

1.10. Unitǎti de masura a nivelelor de putere ale zgomotului

1.10.1. dBrn

Se referǎ la unitatea de mǎsurǎ a nivelului absolut, astfel definitǎ incat :

0dBrn = -90dBm. (1.22)

Un nivel 0 dBrn reprezintǎ o putere extrem de micǎ (de 1 pW), aleasǎ ca referinta in locul valorii de 1 mW.

Conform relatiei (1.22), intre nivelele exprimate in dBm si dBrn existǎ urmatoarea legaturǎ :

NdBrn = NdBm + 90 dB .

1.10.2. dBrnC

Se referǎ la unitatea de mǎsurǎ a zgomotului cu filtru de ponderare. Intre nivelele exprimate in dBmp si dBrn C existǎ relatia :

NdBrnC = NdBmp + 90 dB. (1.23)

1.10.3. dBn0

Se referǎ la nivelul absolut mǎsurat intr-un punct la nivel relativ 0 dBr. Exprimarea ITU corespondenta este dBm0.

1.10.4. dBrnC0

Se referǎ la nivelul absolut mǎsurat cu filtru de pondere (psofometric) intr-un punct de nivel relativ 0 dBr. Exprimarea corespondenta este dBm0p.

1.11. Diagrama de nivel

Diagrama de nivel este o reprezentare graficǎ a modificarilor nivelului unei cǎi de transmisie telefonicǎ.

Nivelul reprezentat este un nivel relativ si deci se apreciazǎ ca diagrama de nivel este o reprezentare grafica a variatiei nivelului relativ respectiv a nivelului de masurǎ.

Trebuie subliniat cǎ in general se reprezintǎ nivele de putere, dar tinand seama de faptul cǎ o cale de transmisie este formatǎ din mai multi cuadripoli activi si/sau pasivi conectati in cascadǎ se apreciaza cǎ nivelele relative se mǎsoarǎ in punctele de conexiune dintre acesti cuadripoli.

Presupunand o cale de transmisie pe care cuadripolii pasivi sunt terminati prin impedantele lor imagine notate a_i, iar cuadripolii activi terminati pe impedantele de lucru au castigul S_k, nivelul relativ mǎsurat pe canalul (calea) transmisie ce cuprinde n amplificatoare si m atenuatoare capǎtǎ valoarea:

. [dBr]

Se exemplificǎ proiectarea unei diagrame de nivel pe o cale de transmisie telefonicǎ de frecventa vocalǎ (fig. 1.18).

Fig.1.18. Diagrama de nivel relativ pe un circuit de frecventa vocalǎ.

Se presupune nivelul de initiere 0 dB, Qi reprezintǎ atenuarile cuadripolilor pasivi, iar Si reprezinta castigurile in dBr ale amplificatoarelor.