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Faz diferença usar o dB ou dBm? E o miliwatt?

Faz diferença usar o dB ou dBm? E quanto ao miliwatt? É o que explicaremos no decorrer deste texto. Observamos a questão de que a maioria dos utilizadores da unidade decibel não entenderem como interpretar e usar essa unidade.


Os dois parâmetros de medida mais utilizados para medida de potência em telecomunicações são o decibel (dB) e o miliwatt (mW). As medidas podem ser realizadas diretamente na unidade Watt (W). Entretanto, como é mais comum trabalharmos com potências menores, como no caso de redes ópticas o miliwatt será mais empregado. Porque apresenta valores numéricos melhores para interpretação.


Entretanto, existem desvantagens em se utilizar o miliwatt para expressar medidas de potência. A principal delas é que podemos ter valores quantitativos mais elevados e valores quantitativos muito baixos. Assim, desta forma os números obtidos podem ser muito grandes ou muito pequenos, se considerarmos a mesma escala de medida. No nosso caso o miliwatt, com muitas casas depois, ou antes, da vírgula, tornando-se números difíceis de manipulação e interpretação. Uma alternativa para solucionarmos esse problema é o uso do decibel.


Decibel (dB)

O decibel foi criado por Alexander Graham Bell (1847–1922). Embora historicamente ele seja considerado o inventor do telefone, na verdade a invenção foi reconhecida ao italiano Antonio Meucci em 11 de junho de 2002, pelo Congresso dos Estados Unidos. Meucci vendeu o protótipo do aparelho a Bell nos anos 1870.


O decibel talvez seja uma das unidades de medida mais incompreendidas, mesmo por técnicos. Porque existem vários tipos de “decibéis” e, talvez, isto já seja um dos motivos que dificulte seu entendimento. Bell estava tentando solucionar problemas de atenuação em seu recente sistema telefônico. Então se deparou com um problema de cálculo que somente poderia ser resolvido por meio do uso de logaritmo.


Como nasceu o decibel?

Em seus estudos com acústica Bell verificou que a variação de som que o ouvido humano escuta não acompanha uma escala linear. Isso significa que se dobrarmos a amplitude de um sinal (duplicar sua tensão elétrica), nosso ouvido não perceberá isso como sendo o dobro da pressão sonora recebida, ou melhor, o dobro do volume. Assim, notou que a escala que o ouvido humano percebe é a escala logarítmica.


Portanto, ao invés de utilizar a escala linear para representar a amplificação (ganho) ou a atenuação (perda) de um sistema, Graham Bell resolveu utilizar uma escala logarítmica. Ele verificou, a princípio, que o sinal enviado por um par de fios esticados entre uma cidade e outra, sofria uma grande atenuação (diminuição na amplitude do sinal). Caso estas perdas não fossem corrigidas por meio de amplificadores, o sinal não chegaria inteligível na outra ponta da transmissão.


Graham Bell criou uma unidade de medida para representar esta atenuação e a chamou de TU (Transmission Unit). Na década de 20 a unidade de atenuação era o MSC (Miles of Standard Cable). Em 1924 a Bell Telephone Laboratories, com aprovação do International Advisory Committee on Long Distancy Telephony, transformou em Transmission Unit (TU). Mas em 1929, após a sua morte, os engenheiros do Bell Telephone Laboratory resolveram homenagear seu fundador, dando o nome de Bel (símbolo B) a esta unidade de medida.


Ainda que não seja considerada oficialmente uma unidade de medida pelo Comitê Internacional de Pesos e Medidas, é muito utilizada na comparação de razões; especialmente entre níveis de potência, de corrente e de tensão, sendo, por isso, adimensional (sem unidade). Assim como o percentual, por exemplo.


Definição matemática

Por definição, Bel é igual a atenuação de um sinal de áudio em uma milha (1,61km) de cabo telefônico. Veja, que enquanto podemos materializar fisicamente 1kg ou 1m, por exemplo, não podemos fazer o mesmo com 1 Bel. Isso porquê ele é uma ordem de grandeza. Em muitas áreas da tecnologia é necessário comparar duas instâncias de uma mesma grandeza. Como por exemplo: uma potência na entrada e na saída de um sistema de áudio, a tensão elétrica na entrada e na saída de uma antena, etc. Precisamos calcular quanto à saída S (output) é maior ou menor do que a entrada E (input). Ou então vice-versa.


A primeira coisa a pensar seria usar a razão S/E para expressarmos esse ganho (aumento) ou atenuação (diminuição). Isso expressaria um valor percentual. No entanto, é muito comum em áreas tecnológicas que “S” seja muitíssimo maior ou muitíssimo menor do que “E”, o que acarretaria valores tão grandes ou tão pequenos que ficaria difícil atribuir significado prático e intuitivo para tais valores. A saída para o impasse foi bastante natural para quem compreende o significado do logaritmo. Bastou usar como medida de amplificação ou atenuação o logaritmo da ordem de grandeza da razão S/E (saída/entrada). Veja abaixo a expressão da fórmula Bel em relação às potências de saída (Pout) e entrada (Pin)


Decibel (dB)

Com a prática percebeu-se a unidade (1 Bel) era muito grande, ou seja, suas relações resultavam em valores muito elevados. Decidiu-se então dividir a unidade Bel por dez, ou seja, um décimo de Bel. Assim foi criado o decibel (símbolo dB), onde 1B = 10dB.


Portanto, o decibel surgiu da necessidade de representar números muito grandes ou muito pequenos sem a necessidade de utilizar muitos “zeros”. Como vimos, é uma unidade de medida adimensional (sem uso de unidade), semelhante à percentagem. Assim temos como resultado a equação abaixo, onde x1 é P1=potência de entrada e x2 é a P2=potência de saída


Se o valor resultante for POSITIVO, significa que o sinal de saída é maior que o sinal de entrada, o que representa um GANHO no sistema. Se o sinal de saída for NEGATIVO, significa que o sinal de entrada é maior que o sinal de saída, o que representa uma PERDA no sistema. Em sistemas passivos, como é o caso do GPON por exemplo, somente temos atenuação de sinal na linha de transmissão, assim neste caso somente teremos resultados negativos.


Tipos dB conforme a referência

A partir da variação de diferentes valores de referência, teremos diferentes tipos de decibéis. Assim, referenciamos valores de diferentes medidas.


dB:

Quando o termo dB estiver sendo usado sozinho, ele será utilizado para exprimir a razão entre dois valores quaisquer. Representa um valor percentual. O que dirá o que representam os dB será o contexto em que os termos aparecem. Assim, em sistemas de amplificação expressará a relação entre duas potências. Indicando ganho ou atenuação. Neste contexto, expressa o quanto um valor é maior ou menor que outro. Por exemplo: em um splitter óptico expressa a quantidade de vezes que o sinal estará menor em relação à sua entrada.


dBV:

Esta medida representa a comparação entre as tensões elétricas entre dois sinais. Utilizado quando se trata de valores da ordem de Volts. Usa como referência o valor de 1 Volt. O decibel relativo quando for referenciado a uma tensão de 1Vrms, passa para a forma de decibel absoluto, sendo que terá “x” dBV acima ou abaixo de 1Vrms.


Quando se trata de tensão, o multiplicador agora será 20, e não mais 10. O uso desse multiplicador na fórmula para calcular o nível em dB de tensões está ligado ao fato da potência elétrica serem proporcionais ao quadrado das tensões e a propriedade dos logaritmos que diz: log(x²) = 2log(x). Logo 2 x 10 = 20.


dBVU:

o termo VU refere-se ao denomina Volume Unit, em português unidade de volume. Os VUs objetivam a medição de picos sonoros de áudio para monitoramento acústico, especialmente para reprodução e gravação de áudio. O valor de 0 dBVU pode se referir a três valores:


0 dBVU = +4dBu, ou 1,23Volts;

0 dBVU = 0dBu, ou 0.775Volts;

0 dBVU = -10dBV, ou 0,316V.

Na maioria das vezes o 0 dBVU se refere níveis nominais de trabalho de equipamentos. Mas isto não é uma regra, pois há grandes disparidades, causadas pela falta de padronização.


dBu:

Medida mais utilizada em áudio atualmente. Tomou o lugar do dBm em áudio profissional quando os níveis de potência foram substituídos por níveis de tensão em milivolts, mas mesmo assim manteve uma certa relação com o dBm. A letra “u” representa a relação dos valores em relação à tensão elétrica.


O dBm equivale a uma tensão de 0.775 Volts RMS (Vrms) sobre uma impedância ou carga de 600Ω (ohms), que produz uma potência de 1 miliwatt sobre esta carga. Assim podemos dizer que o dBu é igual ao dBm se a carga for de 600Ω, mas somente neste caso. 0 dBu equivale a 0,775 Volts (775 milivolts) em qualquer impedância.


dBSPL:

O dBSPL (Sound Pressure Level ou Nível de Pressão Sonora, em português) é uma das medidas preferidas principalmente em campeonatos de som. Estes procuram cada vez mais promover esse nome, pois ganham o apoio de muitos fabricantes de alto-falantes.


A referência do dBSPL é a pressão sonora efetiva que efetivamente ouvimos. Assim, esta corresponde a pressão que chega aos nossos ouvidos. O dBSPL monitora variações da pressão do ar provocadas por uma onda de som. Utiliza-se a unidade de pressão aceita pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), que é o “bar”.


O valor de 120 dBSPL é referente ao limiar da dor no ouvido humano, onde o som é tão intenso que chega a provocar dor. O valor de 0 dBSPL equivale ao limite mínimo da audição humana.


dBW:

Foi uma medida muito útil para relacionarmos potência em áudio, mas atualmente é muito pouco utilizada para esse fim. Foi utilizada por alguns fabricantes de amplificadores de potência, e aos poucos caiu em desuso. O dBW é referenciado a uma potência de 1 Watt (1W), em consequência disso 0 dBW é igual a 1 W.


Quando especificamos ou trabalhamos com medidas de potência em estágios de saída de amplificadores, o dBW é muito adequado para expressar estes níveis bastante grandes de potência. Utilizado quando se trata de potências de ordem de Watts. Usa como referência o valor de 1 Watt, assim 0 dBW equivale a 1W. Usado para potências maiores. Por exemplo: a equação abaixo expressa o valor em dB para potência.


dBm:

Na verdade a forma mais adequada de nos referirmos a essa medida seria dBmW. Mas se optou por suprimir o W para esse uso. É uma das mais antigas medidas com a qual o decibel se relaciona, baseada em potência. Já foi muito utilizada em áudio, mas hoje o dBm foi substituído pelo dBu. É usado basicamente em radiofrequência ou em sistemas de telecomunicação, especialmente ópticos e de rádio frequência, em equipamentos de baixa potência.


O dBm assume um valor numérico de referência de 1 miliwatt (1mW) ou 0,001 Watts. Para ele adotou-se a impedância padrão de 600 Ω, porque era a impedância característica das linhas de transmissão em circuitos de voz de telefonia. Assim, 0 dBm equivale a 1mW ou 0,001W., que é a potência que encontramos quando aplicamos uma tensão de 0,775 Volts sobre uma impedância de 600 Ohms.


Conclusão

Finalizando: o decibel (dB) é usado quando se quer referenciar valores, independentemente da unidade. Em telecomunicações expressa o quanto um determinado sinal é maior ou menor que outro. Por exemplo, o quanto o sinal de saída de um splitter óptico é menor em relação à sua entrada.


A medida de um sinal de baixa potência pode ser realizada em miliwatts (mW). Mas isso irá gerar números com muitos zeros depois ou antes da vírgula. Assim o decibel é a resposta para esse problema. Ainda nas unidades de medida de potência em telecomunicações temos o padrão dBm (que na verdade é a relação em mW). Onde o W foi apenas suprimido. Deste modo a leitura de potências de transmissão e recepção de sistemas são dadas em dBm.


No caso de Splitter Óptico Simétrico:

Para o caso de Splitteres simétricos é interessante observarmos que a divisão de sinal ocorrerá em razões de 50%, progressivamente cascateadas, até uma certa quantidade proporcional à razão de splitagem. Assim é interessante observarmos a tabela referente às relações de 50% (3db). Em outro artigo abordaremos a questão de splitagem e o porque deste número.



Autor: Professor Fernando César Morellato

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