Децибельные шкалы в электронике и волоконно-оптических системах

Специалисты в области науки и техники разработали специализированные логарифмические шкалы, основанные на децибелах (дБ), для более удобного представления величин в конкретных приложениях. Эти шкалы особенно полезны при работе с сигналами, мощность или напряжение которых может изменяться на несколько порядков. Ключевой особенностью таких шкал является привязка нулевого уровня (0 дБ) к определенному опорному значению сигнала. Это позволяет все последующие измерения производить относительно этого стандартизированного порога, что значительно упрощает расчеты и анализ в различных областях, таких как радиочастотная техника, акустика и волоконно-оптические системы связи.

Одной из наиболее распространенных шкал является dBm (дБм), широко используемая в СВЧ-измерениях. В этой системе уровень 0 дБм строго соответствует мощности в 1 милливатт (1 мВт), рассеиваемой на резистивной нагрузке с сопротивлением 50 Ом. Аналогичная, но исторически сложившаяся в другой отрасли шкала DBm применяется в телефонии; ее нулевой уровень также соответствует 1 мВт, но рассеиваемой в нагрузке 600 Ом. Для оценки усредненной мощности звуковых сигналов используется шкала VU (Volume Units). Референсное значение 0 VU здесь эквивалентно мощности 1 мВт акустического сигнала частотой 1000 Гц, выделяемой на активной нагрузке 600 Ом.

В телевизионном вещании, где стандартом является волновое сопротивление 75 Ом, нашла применение шкала dBmV. Ее нулевая точка 0 dBmV определена как напряжение 1 милливольт (1 мВ) на резистивной нагрузке 75 Ом. Для волоконно-оптических систем характерно использование шкалы dBkm, которая количественно оценивает усиление или, что чаще, затухание сигнала. Эта величина отсчитывается относительно уровня ослабления в эталонном сегменте оптоволоконного кабеля длиной в один километр. Наряду с этой единицей могут применяться dBmi (для кабеля длиной в одну милю) и dBl (для кабеля стандартизированной единичной длины).

Мощность оптического сигнала на выходе волокна (P_out) всегда меньше мощности на входе (P_in) из-за внутренних, или собственных, потерь при его распространении. Физическая природа этих потерь в оптоволоконном материале с высокой точностью описывается моделью экспоненциального затухания. Графически эта зависимость мощности сигнала от пройденного расстояния в среде представлена на рис. 10.12а, демонстрируя характерное нелинейное уменьшение уровня световой энергии. Математически данная зависимость выражается соотношением: P_out / P_in = e^(-Λ/L), где Λ — длина рассматриваемого оптического волокна, а L — расстояние, на котором член затухания приобретает ключевое значение.

Рис. 10.12. Затухание энергии светового пучка в зависимости от длины проходимого расстояния в среде

Сравнение графиков на рис. 10.12а и рис. 10.12б наглядно иллюстрирует преимущество использования логарифмической шкалы. Выраженная в децибелах зависимость эффективно линеаризует исходную экспоненциальную зависимость, преобразуя ее в прямую линию. Это позволяет существенно упростить инженерные расчеты, так как суммарные потери в сложной системе, состоящей из нескольких элементов, могут быть найдены простым арифметическим сложением значений потерь каждого элемента, выраженных в дБ. Такой подход избавляет от необходимости перемножать множество коэффициентов ослабления, делая анализ и проектирование систем более наглядными и эффективными.

Потери в волоконно-оптических системах имеют многокомпонентную природу и возникают вследствие действия нескольких физических механизмов. Часть из этих потерь является фундаментальной и присуща любой оптической системе передачи данных, будучи обусловленной свойствами самого материала оптоволокна. Другие виды потерь носят технологический или конструктивный характер и напрямую зависят от конкретной реализации системы. К фундаментальным потерям относят, например, релеевское рассеяние, вызванное микронеоднородностями структуры стекла, а также поглощение света материалом на определенных длинах волн. Конструктивные потери включают в себя макро- и микроизгибы волокна, а также потери на соединениях (сплайсах) и разъемах.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.