¿Qué hay en un dB?

El decibel (dB) es considerado como la base sobre la cual todos los diseñadores de telecomunicaciones comparan el rendimiento de los sistemas de cableado. Pero, ¿Qué es un dB? Y, ¿que ventajas de rendimiento ofrece realmente un margen de unos pocos decibeles? La respuesta se puede encontrar mirando los orígenes de la terminología.

Primero usado para medir la intensidad del sonido, el decibel fue nombrado en honor a Alexander Graham Bell. Un decibel es una forma conveniente usada por los ingenieros para describir la relación de entrada y salida ya sea de potencia o voltaje como se muestra en la Figura 1. Los beneficios de especificar rendimiento en unidades de decibeles incluyen:

  • Los decibeles se pueden usar para describir rendimiento independientemente del voltaje o potencia de operación de una aplicación - Por lo tanto, es una especificación "genérica" de rendimiento.
  • El decibel se calcula en una escala logarítmica que permite especificación de rendimiento en una amplia gama de voltaje/Potencia.
  • Los decibeles se pueden sumar y restar (versus multiplicar y dividir sus relaciones correspondientes), por lo tanto facilita los cálculos y soluciones gráficas.
  • El rendimiento de transmisión se especifica más comúnmente en unidades de dB.

La forma más simple de examinar como opera la función de decibel es asumir un voltaje de referencia de 1. Substituyendo 1 voltio en la función de decibel y solucionando para el decibel correspondiente que se relaciona a la mitad de la intensidad de señal  (0.5 voltios) demuestra que un mejoramiento de rendimiento de 6 dB resulta en una reducción de la mitad de la intensidad de la señal.

Esto significa que:

  • Un requerimiento  de interferencia de 6 dB se traduciría en que 50% del voltaje de la señal se permite acoplar a pares adyacentes
  • Un requerimiento de reflexión de señal de 6 dB se traduciría en que 50% del voltaje de señal es reflejado a una línea de transmisión
  • Un requerimiento de atenuación de 6 dB se traduciría en 50% del voltaje de señal perdido a lo largo de la línea de transmisión

Como lo demuestran estas ecuaciones:

  • Mejor pérdida de interferencia (NEXT, FEXT, y ELFEXT) y rendimiento de reflexión de señal se especifica por un límite de rendimiento más grande (en decibeles) porque menos voltaje de señal se acopla o se refleja, y
  • el mejor rendimiento de atenuación se especifica por un límite de rendimiento más pequeño  (en decibeles) porque menos voltaje de señal se pierde o se atenúa

La segunda columna de la Tabla 1 lista la pérdida equivalente de voltaje por 1 voltio al que una muestra de valores de decibeles se correlaciona. Note que cada 6 dB resulta en un 50% de cambio en voltaje de señal. La caída de voltaje real se puede calcular multiplicando el voltaje de la señal de salida por la pérdida equivalente de decibeles por voltio. Por ejemplo, si una aplicación Ethernet opera a 2.5 voltios, entonces un valor de pérdida de 40 dB NEXT es equivalente a:

(0.01) (2.5 V) = .025 V de pérdida NEXT

Nota acerca de la Potencia

Los límites de decibeles en telecomunicaciones típicamente se  referencian recíprocamente a las relaciones de voltaje. Sin embargo, las relaciones de potencia se pueden especificar igualmente fácil. Substituyendo 1 voltio en la función de decibel y resolviendo para el decibel correspondiente que se relaciona a la mitad de la potencia de señal (0.5 watts) demuestra que un mejoramiento de rendimiento de 3 dB resulta en la potencia reducida a a mitad .

Esto quiere decir que:

  • Un requerimiento de interferencia de 3 dB se traduciría en que 50% de la potencia de señal se le permite acoplar en pares adyacentes!
  • Un requerimiento de reflexión de señal de 3 dB se traduciría en que 50% de la potencia de señal se refleja a una línea de transmisión!
  • Un requerimiento de atenuación de 3 dB se traduciría en que 50% de la potencia de señal se pierde a lo largo de la línea de transmisión!

La tercera columna de la Tabla 1 muestra la pérdida de potencia equivalente o caída por 1 watt a la que una muestra de valores de decibeles se correlaciona.

Convirtiendo decibeles a unidades más simples

Convertir un límite de decibel especificado a una magnitud de porcentaje de voltaje acoplado, perdido, o reflejado en una aplicación dada puede simplificar la comparación de los beneficios reales de rendimiento de componentes clasificados en diferentes categorías. El ejemplo que sigue se concentra en el rendimiento del hardware de conexión, sin embargo, este método de comparación es aplicable a todos los componentes y sistemas de cableado. La Tabla 2 proporciona los requerimientos para hardware de conexión a 100 MHz para  '568-A categoría 5, SP-4195-A categoría 5e, y la propuesta TIA PN-2948 categoría 6 .

Tabla 2
Límites especificados por TIA a 100 MHz en decibeles

Parámetro '568-A categoría 5 SP-4195-A categoría 5e PN-2948 categoría 6
Atenuación
Pérdida NEXT
Pérdida FEXT
Reflexión de señal
0.4 dB
40 dB
35 dB*
14 dB
0.4 dB
43 dB
35 dB*
18 dB
0.2 dB
54 dB
43 dB*
22 dB

* Los requerimientos para pérdida de FEXT Categoría 5 no han sido especificados para el hardware de conexión "legacy" categoría 5 . Los nuevos diseños de categoría 5 deberán cumplir con los requerimientos de pérdida FEXT categoría 5e.

La Tabla 3 muestra los mismos límites para  atenuación, reflexión de señal, interferencia de extremo lejano (FEXT), e interferencia de extremo cercano (NEXT)    del hardware de conexión categoría 5, categoría 5e, y categoría 6   convertidos a  porcentaje de magnitud de voltaje acoplado, perdido, o reflejado.

Tabla 3
Límites TIA especificados a 100 MHz en decibeles
Convertidos a Porcentaje de Magnitud de Voltaje Acoplado, Perdido, o Reflejado

Parámetro

'568-A categoría 5

SP-4195-A categoría 5e

PN-2948 categoría 6

Atenuación

Pérdida NEXT

Perdida FEXT

Reflexión de señal

4.5 % perdido

1.0 % acoplado

1.8 % acoplado

20.0 % reflejado

4.5 % perdido

0.7 % acoplado

1.8 % acoplado

12.5 % reflejado

2.3 % perdido

0.2 % acoplado

0.7 % acoplado

7.9 % reflejado

Es interesante ver como la función de decibel puede ser engañosa al comparar datos de rendimiento. Por ejemplo, una mejora de 8 dB en la pérdida de reflexión de señal en hardware de conexión  (de categoría 5 a categoría 6) resulta en una caída de 60% en voltaje de señal reflejada, mientras que una mejora de 14 dB en el rendimiento   NEXT del hardware de conexión  (de categoría 5 a categoría 6) resulta en una caída de 80% en voltaje de señal acoplada.

¿Con qué se correlacionan los valores de decibeles en términos de reclamación de rendimiento?

Las reclamaciones de rendimiento en decibeles también se pueden convertir a porcentaje de voltaje, perdido, acoplado, o reflejado para cualquier sistema de cableado. En seguida tenemos un ejemplo de esta conversión usando los casos de rendimiento típico y peor para la toma MAX™ 6 categoría 6 de Siemon . Ver  Tabla 4 para el peor caso garantizado y típico para  el rendimiento de la  toma MAX™ 6 categoría 6 de Siemon a 100 MHz. Estos valores serán usados como base para todas las conversiones de decibel a voltaje.

Tabla 4
Rendimiento Garantizado de MAX™ 6 de Siemon  a 100 MHz en decibeles

Parámetro

MAX™ 6 Peor caso de Rendimiento

MAX™ 6 Rendimiento Típico

Atenuación

Pérdida NEXT

Pérdida FEXT

Reflexión de señal

0.06 dB

54.8 dB

45.1 dB

28.9 dB

0.05 dB

58.4 dB

48.1 dB

30.3 dB

La Tabla 5 muestra los mismos límites de atenuación, reflexión de señal, interferencia de extremo lejano (FEXT) e interferencia (NEXT) de extremo cercano de la toma MAX™ 6 a 100 MHz convertido a porcentaje de magnitud de voltaje acoplado, perdido, o reflejado.

Tabla 5
Rendimiento garantizado de  MAX™ 6 de Siemon a 100 MHz en decibeles
Convertido a Porcentaje de Magnitud de Voltaje Acoplado, Perdido, o Reflejado

Parámetro

MAX™ 6 Peor caso de Rendimiento

MAX™ 6 Rendimiento típico

Atenuación

Pérdida NEXT

Pérdida FEXT

Reflexión de señal

0.7 % perdido

0.2 % acoplado

0.6 % acoplado

3.6 % reflejado

0.6 % perdido

0.1 % acoplado

0.4 % acoplado

3.1 % reflejado

Una de las ventajas de comparar datos con base a porcentaje de voltaje es que el margen de rendimiento de señal es independendiente de la tendencia normalizadora de la función de decibel. Por ejemplo, el peor caso de rendimiento de reflexión de señal de la toma MAX™ 6 de Siemon de 28.9 dB se calcula a un margen de 6.9 dB sobre los límites de rendimiento de TIA más que a una caída de 50% en el voltaje de señal reflejada. Los cuadros en la  Figura 2  muestran los porcentajes comparativos de los límites en todas las categorías de hardware de conexión para atenuación, reflexión de señal,   interferencia de extremo lejano (FEXT), e interferencia de extremo cercano (NEXT) de voltaje  versus los valores del caso típico y peor para la toma MAX™ 6 .

Entender la función de decibel puede suministrar un discernimiento adicional sobre los reclamos de rendimiento. Note que, además de revisar puntos de frecuencia específicos, un aspecto importante de la calificación completa de un componente incluye el conocimiento de las especificaciones del peor caso de rendimiento y los márgenes garantizados en la gama de frecuencias de la categoría completa. Además, asegúrese siempre buscar la respuesta de frecuencia lineal además de los valores del peor caso cuando analice datos de rendimiento.

Porcentaje de Voltaje de Señal Perdido
(Atenuación del hardware de conexión)
a 100 MHz

Porcentaje de Señal Reflejada
(Señal Reflejada del Hardware de Conexión)
a 100 MHz

Porcentaje de Voltaje de Señal Acoplado
(Hardware de conexión pérdida NEXT )
a 100 MHz

Porcentaje de Voltaje de Señal Acoplado
(Hardware de conexión pérdida FEXT)
a 100 MHz

Figura 2 - Porcentajes comparativos de Voltaje - Varias Categorías y la toma MAX™ 6

Conclusión:

Convertir los reclamos de decibeles y márgenes a porcentajes de voltaje perdido, acoplado, o reflejado puede suministrar un discernimiento significativo a la magnitud de las reivindicaciones de los rendimientos de los fabricantes.


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