home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ QRZ! Ham Radio 9 / QRZ Ham Radio Callsign Database - Volume 9.iso / pc / files / infodata / db.txt < prev    next >
Text File  |  1996-06-24  |  10KB  |  258 lines

  1. >Newsgroups: rec.radio.amateur.misc
  2. >Path: gonix!uunet!newsgate.melpar.esys.com!melpar!phb
  3. >From: phb@syseng1.melpar.esys.com (Paul H. Bock)
  4. >Subject: TUTORIAL:  dB & dBm
  5. >Sender: news@melpar.esys.com (Melpar News Administrator)
  6. >Organization: E-Systems, Melpar Division
  7. >Date: Tue, 11 Oct 1994 17:23:05 GMT
  8. >Message-ID: <phb.781896185@melpar>
  9. >Lines: 247
  10.  
  11.  
  12.                      USING AND UNDERSTANDING DECIBELS
  13.  
  14.                                     by
  15.  
  16.                           Paul H. Bock, Jr. K4MSG
  17.  
  18. Author's Note:  This tutorial was originally written for the use of
  19. non-RF/analog engineers (digital, software) and non-engineers who
  20. needed an easy-to-follow reference on the general use of the decibel.
  21. I hope that some amateur operators may find it useful as well.
  22.  
  23.      While the historical accuracy of the comments relating to the
  24. telephone company and telephone company engineers may be open to
  25. question (the information as supplied to me was anecdotal), the
  26. technical points made should be valid regardless of the exact turn
  27. of history.
  28.  
  29.  
  30. *General*
  31.  
  32.      The decibel, or dB, is a means of expressing either the gain
  33. of an active device (such as an amplifier) or the loss in a passive
  34. device (such as an attenuator or length of cable).  The decibel was
  35. developed by the telephone company to conveniently express the gain
  36. or loss in telephone transmission systems.  The decibel is best
  37. understood by first discussing the rationale for its development. 
  38.  
  39.      If we have two cascaded amplifiers as shown below, with power
  40. gain factors A1 and A2 as indicted, the total gain is the product
  41. of the individual gains, or A1 x A2.
  42.                     
  43.      Input >-------- Amp #1 --------- Amp #2 ------> Output
  44.  
  45.                     A1 = 275          A2 = 55
  46.  
  47.      In the example, the total gain factor At = 275 x 55 = 15,125. 
  48. Now, imagine for a moment what it would be like to calculate the
  49. total gain of a string of amplifiers.  It would be a cumbersome
  50. task at best, and especially so if there were portions of the
  51. cascade which were lossy and reduced the total gain, thereby
  52. requiring division as well as multiplication.
  53.  
  54.      It was for the reason stated above that Bell Telephone
  55. developed the decibel.  Thinking back to the rules for logarithms,
  56. we recall that rather than multiplying two numbers we can add their
  57. logarithms and then take the antilogarithm of this sum to find the
  58. product we would have gotten had we multiplied the two numbers. 
  59. Mathematically,
  60.                      log (A x B) = log A + log B
  61.  
  62.      If we want to divide one number into another, we subtract the
  63. logarithm of the divisor from the logarithm of the dividend, or in
  64. other words
  65.                      log (A/B) = log A - log B
  66.  
  67.      The telephone company decided that it might be convenient to
  68. handle gains and losses this way, so they invented a unit of gain
  69. measurement called a "Bel," named after Alexander Graham Bell. 
  70. They defined the Bel as
  71.  
  72.                      Gain in Bels = log A
  73.  
  74.            where  A = Power amplification factor 
  75.  
  76.      Going back to our example, we find that log 275 = 2.439 and
  77. log 55 = 1.740, so the total gain in our cascade is 
  78.  
  79.                      2.439 + 1.74 = 4.179 Bels
  80.  
  81.      It quickly occurred to the telephone company engineers that
  82. using Bels meant they would be working to at least two decimal
  83. places.  They couldn't just round things off to one decimal place,
  84. since 4.179 bels is a power gain of 15,101 while 4.2 bels is a
  85. power gain of 15,849, yielding an error of about 5%.  At that point
  86. it was decided to express power gain in units which were equal to
  87. one-tenth of a Bel, or in deci-Bels.  This simply meant that the
  88. gain in Bels would be multiplied by 10, since there would be ten
  89. times more decibels than Bels.  This changes the formula to 
  90.  
  91.             Gain in decibels (dB) = 10 log A    (Eq. 1)
  92.  
  93.      Again using our example, the gain in the cascade is now
  94.  
  95.                     24.39 + 17.40 = 41.79 decibels
  96.  
  97.      The answer above is accurate, convenient to work with, and can
  98. be rounded off to the first decimal place will little loss in
  99. accuracy; 41.79 dB is a power gain of 15,101, while 41.8 dB is a
  100. power gain of 15,136, so the error is only 0.23%.
  101.  
  102.      What if the power gain factor is less than one, indicating an
  103. actual power loss?  The calculation is performed as shown above
  104. using Equation 1, but the result will be different.  Suppose we
  105. have a device whose power gain factor is 0.25, which means that it
  106. only outputs one-fourth of the power fed into it?  Using Equation
  107. 1, we find
  108.                      G = 10 log (0.25)
  109.  
  110.                      G = 10 (-0.60)
  111.  
  112.                      G = -6.0 dB
  113.  
  114.      The minus sign occurs because the logarithm of any number less
  115. than 1 is always negative.  This is convenient, since a power loss
  116. expressed in dB will always be negative.
  117.  
  118.      There are two common methods of using the decibel.  The first
  119. is to express a known power gain factor in dB, as just described. 
  120. The second is to determine the power gain factor and convert it to
  121. dB, which can all be done in one calculation.  The formula for this
  122. operation is as follows:
  123.                                   Po
  124.                       G = 10 log ----          (Eq. 2)
  125.                                   Pi
  126.  
  127.                where G  = Gain in dB
  128.                      Po = Power output from the device
  129.                      Pi = Power input to the device
  130.  
  131.      Both Po and Pi should be in the same units; i.e., watts,
  132. milliwatts, etc.  Note that Equation 2 deals with power, not
  133. voltage or current; these are handled differently when converted
  134. to dB, and are not relevant to this discussion.  Below are two 
  135. examples of the correct application of Equation 2:
  136.  
  137.      Ex. 1:  An amplifier supplies 3.5 watts of output with an    
  138.            input of 20 milliwatts.  What is the gain in dB? 
  139.  
  140.                                 3.5 watts
  141.                     G = 10 log ----
  142.                                 0.02 watts
  143.  
  144.                     G = 10 log (175)
  145.  
  146.                     G = 10 (2.24)
  147.  
  148.                     G = 22.4 dB
  149.  
  150.  
  151.      Ex. 2:  A length of coaxial transmission line is being fed   
  152.            with 150 watts from a transmitter, but the power       
  153.            measured at the output end of the line is only 112     
  154.            watts.  What is the line loss in dB?
  155.  
  156.                                112 watts
  157.                     G = 10 log ---
  158.                                150 watts
  159.  
  160.                     G = 10 log 0.747
  161.  
  162.                     G = 10 (-0.127)
  163.  
  164.                     G = -1.27 dB
  165.  
  166.  
  167. *Non-relative (Absolute) Uses of the Decibel*
  168.  
  169.      The most common non-relative, or absolute, use of the decibel
  170. is the dBm, or decibel relative to one milliwatt.  It is different
  171. from the dB because it represents, in physical terms, an absolute
  172. amount of power which can be measured.
  173.  
  174.      The difference between "relative" and "absolute" can be
  175. understood easily by considering temperature.  For example, if I
  176. say that it is "20 degrees colder now than it was this morning,"
  177. it's a relative measurement; unless the listener knows how cold it
  178. was this morning, it doesn't mean anything in absolute terms.  If,
  179. however, I say, "It was 20 degrees C this morning, but it's 20
  180. degrees colder now," then the listener knows exactly what is meant;
  181. it is now 0 degrees C.  This can be measured on a thermometer and
  182. is referenced to an absolute temperature scale.
  183.  
  184.      So it is with dB and dBm.  A dB is merely a relative
  185. measurement, while a dBm is referenced to an absolute quantity: 
  186. the milliwatt (1/1000 of a watt).  We can apply this concept to
  187. Equation 1 as follows:
  188.  
  189.                      dBm = 10 log (P) (1000 mW/watt)
  190.  
  191.                where dBm = Power in dB referenced to 1 milliwatt
  192.                        P = Power in watts
  193.  
  194.      For example, take the case where we have a power level of 1
  195. milliwatt:
  196.  
  197.                  dBm = 10 log (0.001 watt) (1000 mW/watt)
  198.  
  199.                  dBm = 10 log (1)
  200.  
  201.                  dBm = 10 (0)
  202.  
  203.                  dBm = 0
  204.  
  205.      Thus, we see that a power level of 1 milliwatt is 0 dBm.  This
  206. makes sense intuitively, since our reference power level is also
  207. 1 milliwatt.  If the power level was 1 watt, however, we find that
  208.  
  209.                  dBm = 10 log (1 watt) (1000 mW/watt)
  210.  
  211.                  dBm = 10 (3)
  212.  
  213.                  dBm = 30
  214.  
  215.      The dBm can also be negative, just like the dB; if our power
  216. level is 1 microwatt, we find that
  217.  
  218.                  dBm = 10 log (1 x 10E-6 watt) (1000 mW/watt)
  219.  
  220.                  dBm = -30 dBm 
  221.  
  222.      Since the dBm is an absolute amount of power, it can be
  223. converted back to watts if desired.   Since it is in logarithmic
  224. form it may also be conveniently combined with other dB terms,
  225. making system analysis easier.  For example, suppose we have a
  226. signal source with an output power of -70 dBm, which we wish to
  227. connect to an amplifier having 22 dB gain through a cable having
  228. 8.5 dB loss.  What is the output level from the amplifier?  To find
  229. the answer, we just add the gains and losses as follows:
  230.  
  231.                  Output = -70 dBm + 22 dB + (-8.5 dB)
  232.  
  233.                  Output = -70 dBm + 22 dB - 8.5 dB
  234.  
  235.                  Output = -56.5 dBm
  236.  
  237.      As a final note, power level may be referenced to other
  238. quantities and expressed in dB form.  Below are some examples:
  239.  
  240.          dBW = Power level referenced to 1 watt
  241.  
  242.          dBk = Power level referenced to 1 kilowatt (1000 watts)
  243.  
  244.      One other common usage is dBc, which is a relative term like
  245. dB alone.  It means "dB referenced to a carrier level" and is most
  246. commonly seen in receiver specifications regarding spurious signals
  247. or images.  For example, "Spurious signals shall not exceed -50
  248. dBc" means that spurious signals will always be at least 50 dB less
  249. than some specified carrier level present (which could mean "50 dB
  250. less than the desired signal"). 
  251.  
  252.        * Paul H. Bock, Jr. K4MSG  * Principal Systems Engineer
  253. (|_|)  * E-Systems/Melpar Div.    * Telephone: (703) 560-5000 x2062
  254.  | |)  * 7700 Arlington Blvd.     * Internet: pbock@melpar.esys.com
  255.        * Falls Church, VA 22046   * Mailstop: N203
  256.  
  257.  "Imagination is more important than knowledge." - Albert Einstein
  258.