Wie ist die Signalstärke in dBm zu verstehen?

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Hi, ich bin neu hier und habe gleich mal eine Frage:

Meine Vodafone Giga Box zeigt die Signalqualität in % an, die ist meist 100%. Die Signalstärke wird aber in dBm angegeben und mit den Zahlen kann ich nichts anfangen. Ich komme meist auf einen negativen Wert von -46 dBm.

Ich habe soweit keine Anzeichen für Empfangsschwierigkeiten, ich frage also rein interessehalber und weil der negative dBm Wert mich irritiert.

Google's Informationen widersprechen sich, mal heißt es alles unter 0 ist eher schwach, woanders heißt es -50 dBm ist ein guter Wert, -100 dBm ein Schlechter... kann mir das jemand näher erklären?

Vielen Dank schonmal, ich hoffe ich kann auch mal irgendwo helfen.

Viele Grüße
Manuel

 

Das Dezibel von Messgrößen ist ein logarithmisches Verhältnismaß.

Man setzt erst die reale gemessene Größe (Signalspannung, Signalleistung, Spötter sagen auch Baukosten, Bauzeiten von Großprojekten etc.) ins Verhätnis zu einer Bezugsgröße. Also beispielsweise Signalspannung dividiert durch Bezugsspannung von 1 Millivolt. Oder Signalleistung dividiert durch Bezugsleistung von 1 Femtowatt. Dabei kürzt sich die Einheit (steht im Zähler und im Nenner), es bleibt eine nackte Zahl stehen, nämlich das Verhältnis aus Messwert und Bezugswert. Sonst könnte man auch nicht das machen, was nun folgt, denn ein Logarithmus lässt sich nur von einheitenlosen Größen bilden.

Jetzt bildet man aus diesem Verhältnis den Logarithmus zur Basis 10, also die Zahl x, für die gilt "10 hoch x = das eben ausgerechnete Verhältnis". Der Logarithmus zur Basis 10 von 1 ist dann 0, da 10^0 = 1. Der Logarithmus zur Basis 10 von 10 ist dann 1, da 10^1 = 10. Der Logarithmus zur Basis 10 von 100 ist dann 2, da 10^2 = 100. Undsoweiter. Das geht natürlich mit beliebigen Zahlen, das müssen keine Zehner, Hunderter usw. sein: der Logarithmus zur Basis 10 von 2 ist dann 0,301, da 10^0,301 = 2.

Und das geht auch mit Zahlen kleiner 1, solange sie größer Null sind: der Logarithmus zur Basis 10 von 0,5 ist dann -0,301, da 10^-0,301 = 0,5. Schon haben wir ein Minus vor dem Logarithmus - das beantwortet später einen Teil Deiner Frage.


Diese Methode hat 2 Vorteile.

Zum einen können große Variationen des Eingangswertes handlich dargestellt werden - von 1 auf 10 gehts im 10er-Logarithmus nur von 0 auf 1. Und von 10 auf 100 - ein viel größerer Bereich, die Differenz von 10 und 100 beträgt ja immerhin 90 und nicht wie bei der Differenz von 1 und 10 nur 9 - gehts auch nur um 1 hoch im 10er-Logarithmus von 1 auf 2. Und von 100 auf 1000 gehts auch nur um 1 hoch auf 3. Man hat in der Nachrichtentechnik mit Signalen zu tun, die viele Zehnerpotenzen überstreichen können vom schwächsten Signal, das verarbeitet werden kann bis zum stärksten Signal, man müsste also viele Nachkomma-Nullen oder riesige Zahlen herumschleppen - für den 10er-Logarithmus ists immer nur ein Zähler mehr, wenns von 10 auf 100 auf 1000 auf 10000 geht.

Zweitens sorgen die mathematischen Rechengesetze im Umgang mit Logarithmen für eine wunderbare Annehmlichkeit. Es gilt log (A * B) = log A + log B. Ein Beispiel (alle Logarithmen zur Basis 10):

sei A = 10 und B = 2, dann ist log A = log 10 = 1 und log B = log 2 = 0,301

log (A * B) = log (10 * 2) = log 20 = 1,301 = log 10 + log 2

Wenn man - und das kommt in der Nachrichtentechnik häufig vor - bestimmte Signalverstärkungen (Verstärker) und Signaldämpfungen (durch z.B. Abzweiger, Verteiler, Kabeldämpfungen etc.) hat, multiplizieren sich die Signalspannungen mit den entsprechenden Verstärkungsfaktoren oder Dämpfungsfaktoren. Rechne ich aber mit den Logarithmen, kann ichs einfach addieren oder subtrahieren! Das ist viel einfacher und übersichtlicher.

Damit die Rechnungen noch "handlicher" werden, ist das dB nicht direkt als der "nackte" Logarithmus zur Basis 10 definiert, sondern bei Spannungsgrößen als 20 * log x und bei Leistungs-/Energiegrößen als 10 * log x. Also noch Vorfaktor 10 oder 20. Dass beide Vorfaktoren für Spannungsgrößen und Leistungsgrößen Faktor 2 auseinander liegen, hat auch mit den Logarithmengesetzen zu tun. Leistungen haben immer was mit dem Quadrat der Spannung zu tun, da ist diese 2, die bei der Arbeit mit Logarithmen dann als Vorfaktor auftaucht.

Was nimmt man denn alles als Bezugswerte?

Sendeleistungen von großen Sendeanlagen gibt man in dBW an, dB bezogen auf 1 Watt. Da das eine Leistungsgröße ist, ist Faktor 10 davor. Ein Sender mit einer äquivalenten Strahlungsleistungvon 100 kW, also 100.000 Watt, hat dann eine Leistung von 50 dBW: 10 * log 100000 = 10 * 5 = 50.

Signalpegel in Kabel-TV-Netzen werden gerne in Bezug auf 1 µVolt (ein Millionstel Volt) oder 1 Millivolt (ein Tausendstel Volt) angegeben. Dabei gilt dann z.B. auch 60 dBµV = 0 dBmV, denn 60 dBµV sind 10^(60/20) = 10^3 = 1000 µVolt = 1 mVolt einerseits und 0 dBmV = 10^(0/20) = 10^0 = 1 mVolt. Zwischen dBµV und dbmV sind also einfach nur 60 zu addieren oder zu subtrahieren, der absolute Spannungspegel ist der gleiche. Diese 60 kommen aus dem Vorfaktor 20 für Spannungsgrößen bei der dB-Rechnung und der Tatsache, dass 1 Millionstel ("µ") und 1 Tausendstel ("m") 3 Zehnerpotenzen Unterschied haben.

Ein Kabelanschluss hat an der Dose im Wohnzimmer, wenn er korrekt eingemessen ist, ca. 60 dBµV = 0 dBmV Pegel bei den Kanälen mit 64 QAM Modulation und ca. 64 dBµV = 4 dBmV bei den Kanälen mit 256 QAM.


Nun kann man aber auch noch was machen, was ich gar nicht mag, was aber vor allem im japanischen Raum und im nordamerikanischen Raum offenbar gerne gemacht wird: man gibt nicht Signalspannungen (Pegel) an, sondern Signalleistungen. Da gibt es beispielsweise in alten Datenblättern japanischer UKW-Tuner gerne eine Angabe "dBf" - das ist eine Signalleistung, die als Bezugsgröße die irre kleine Leistung von 1 Femtowatt = 1/1000000000000000 Watt hat. Über den Widerstand, an dem diese Leistung "verheizt" wird, hat man dann halt eine Spannung und diese Spannung ist der eigentliche Signalpegel. Dazu muss man aber nun auch noch wissen, wie groß der Widerstand ist. Der ist hier 75 Ohm, entsprechend einer Anpassung an den Wellenwiderstand des Koaxialkabels.

Das gleiche geht auch mit anderen Signalleistungen als Bezugswert. Das "dBm" bezieht sich auf eine Leistung von 1 Milliwatt = 1/1000 Watt an 75 Ohm. Vorsicht: in anderen Bereichen der Nachrichtentechnik kann sich das auch auf 60 Ohm oder 50 Ohm beziehen und dann kommen zu den entsprechenden dBm-Leistungspegeln schon wieder andere Spannungspegel raus.


Und da sind wir bei Deinen -46 dBm.

Was heißt das?

Bezug des dBm ist 1 Milliwatt Leistung, also eine Leistungsgröße, wir haben Faktor 10 vor dem Logarithmus. Wir müssen zur Rückrechnung die -46 durch 10 teilen und mit dem, was da rauskommt, dann "10 hoch dieses" rechnen:

-46 dBm entspricht einer Signalleistung von 10^(-46/10) = 10^(-4,6) = 0,000025119 Milliwatt = 0,000000025119 Watt (ja, sehr handliche Zahlen....)

Diese irre Leistung verbrät das Kabelsignal des betrachteten Kanals also an 75 Ohm (nein, die Box wird nicht deswegen so warm ).

Leistung ist Strom mal Spannung: P = U * I

Strom ist Spannung durch Widerstand: I = U / R

damit ist P = U * I = U * U / R = U^2 / R

Die Leistung haben wir, R haben wir, also können wir U rausrechnen:

U = Quadratwurzel aus (P * R)

Mit der Leistung von 0,000000025119 Watt und dem Widerstand von 75 Ohm ergibt sich U = 0,001372 Volt

Wieder so eine "handliche" Zahl...

Machen wir doch was mit nem logarithmischen Spannungspegel bezogen auf 1 µV daraus:

0,001372 Volt = 1372 µV

20 * log 1372 = 62,75 dBµV

Und das sieht für jemanden, der mit dBµV rechnet an Kabelanschlüssen dann sehr vertraut aus: das ist ein top Pegel. Genau richtig.


Die Umrechnung dBm (Leistungsgröße an 75 Ohm) in dBµV (Spannungsgröße) ist, wenn man es mal ganz allgemein aufschreibt, dank der Logarithmengesetze auch sehr einfach zu machen statt über diesen Umweg: einfach den dBm-Wert (bei Dir also -46) plus 108,75 ergibt den zugehörigen Spannungspegel in dBµV - zumindest an Kabel-TV-Systemen mit 75 Ohm Impedanz.

Jetzt, wo wir wissen, dass wir einfach 108,75 addieren können, um auf die Spannungspegel zu kommen, können wir uns das ja mal anschauen.

0 dBm + 108,75 -> das wären 108,75 dBµV, das wäre brutalst übersteuert im Empfang, aber Modem-Sendepegel sind beinahe in diesem Bereich. Die ballern derbe in die Leitung rein. Ein Modem-Sendepegel um 0 dBm wäre dann also noch ok (gering zu viel), Empfangspegel um 0 dBm sind brutalst zu hoch. Da dürften kaum noch irgendwelche Modems oder Fernseher oder Receiver überhaupt noch was empfangen können - die würden derbe übersteuert. Man versteht ja auch kein Wort, wenn einem jemand in der Disco direkt vor der Beschallungsanlage was ins Ohr brüllt. Signalpegel hoch, Signalqualität kaputt.

-50 dBm + 108,75 -> das wären 58,75 dBµV. Ein guter 64-QAM-Empfangspegel, ein langsam etwas knapp werdender 256-QAM-Empfangspegel.

-100 dBm + 108,75 -> das wären 8,75 dBµV. Da empfängste nix mehr. Das ist beinahe schon "Grundrauschen". Unter vielleicht 40 dBµV steigen dann die DVB-Geräte alle aus.

 

Vielen Dank für diese ausführliche Erklärung. Ich werde mich damit noch genauer befassen, aber verstehe ich soweit schonmal richtig, dass es von der QAM abhängt, ob -46dbm gut oder weniger gut sind? Welche QAM haben denn die Vodafone Kabelfrequenzen? Mir wird auch ein SNR Wert (Signal-Rausch-Verhältnis) von 42db angezeigt. Wie ist der zu verstehen?

 

In Kabelnetzen sind für TV zwei Modulationsarten üblich: 64QAM und 256 QAM. Die 256 QAM schafft einfach die 4-fache Zahl an Zuständen (4 x 64 = 256) in jedem Symbol zu übertragen, also 2 Bit mehr. Damit steigt die maximale Übertragungsmenge an Nettodaten je Kanal von 38 MBit/s auf 50,8 MBit/s.

Der Preis dafür: das Signal ist "filigraner", so wie eine kleinere Schriftgröße auf einem Blatt Papier zwar zu mehr Text pro Blatt führt, aber für schlechtere Lesbarkeit unter schwierigen Bedingungen sorgt.

Die Signalqualität muss bei 256 QAM für eine Empfangbarkeit also höher sein als bei 64 QAM. Das macht man u.a. dadurch, dass man diese Signale mit etwas höherem Pegel überträgt.

Je nach Netzbetreiber und dessen Pegel-Konzept liegen die Soll-Pegel für 256 QAM um 4 bis 6 dB über den Soll-Pegeln von 64 QAM. 4 dB wären beim Pegel 10^(4/20) = 1,58 mal so hoch und 6 dB wären 10^(6/20) = 2 mal so hoch.

Bei Vodafone ist je nach Gebiet fast alles oder alles 256 QAM.

Die Soll-Pegel für 256 QAM an Anschlussdosen liegen zwischen 54 und 74 dBµV:

http://bilder.hifi-forum.de/max/359679/teilnehmerpegel-an-antennendosen_414492.jpg

(Ich hoffe, dass das noch gilt, diese Grafik ist 8 Jahre alt.)

Zwischen 54 und 74 dBµV besteht eine Spanne von 20 dB - das ist Faktor 10 beim Pegel, Faktor 100 bei der Leistung! Das ist also ein ziemlich großer Bereich.

Aus meiner Praxis kann ich sagen, dass es Fernseher gibt, die schon oberhalb ca. 68 dBµV Schluckauf wegen zu viel Pegel bekommen und ein Dämpfungsglied vorgeschaltet brauchen oder im Menü eine Dämpfung einschaltbar haben (bzw. wohl eher: einen Vorverstärker ausschaltbar haben).

Nach unten ists auch hochgradig unterschiedlich. Ich habe einen DVB-Kabelreceiver hier, der wollte an nachbars Anschluss mit viel zu wenig Pegel nicht spielen, aber der TechniSat-Receiver des Nachbarn spielte problemlos und zeigte einen grenzwertigen, aber noch stabil verarbeitbaren Pegel an.

Grob würde ich sagen, dass 50 - 65 dBµV bei 64 QAM meist stabil funktionieren sollte, 55 bis vielleicht 68 dBµV bei 256 QAM auch. Das wären -53,75 ... -40,75 dBm. Da bist Du mittendrin. Optimal.

Wenn Du 62 dBµV bei bester Signalqualität und keinen sichtbaren Störungen (Ruckler, Klötzchen im Bild) hast, ist alles fein.

Die Werte, die einfache Endgeräte anzeigen, sind oft nicht wirklich vergleichbar mit den Werten, die nach offizieller Messvorschrift mit Messtechnik gewonnen werden. Ich habe z.B. einen Receiver hier, der zeigt über einen Eingangspegelbereich von 20 dB immer die gleiche Signalstärke an. Also: Anzeige für die Tonne. Ein Nachfolgegerät des gleichen Herstellers, aber mit anderem Tuner-Chip drin, zeigt die Pegel fast mit Messgeräte-Präzision an. Dafür stimmen seine C/N-Werte in dB nicht mit dem offiziellen Modulationsfehlerverhältnis MER, das auch in dB angegeben wird, überein.

Wie das bei Deiner Box ist, weiß ich nicht. Wäre das dem MER vergleichbar, wären 42 dB super gut.

 

Faktor 10 hat man für die Spannung (... und vmtl. war das auch so gemeint.), im Pegel schlicht eine Differenz von 20. Für den Pegel von einem Faktor zu schreiben, passt für mich einfach nicht zur sehr guten Beschreibung von oben u.a. mit der Erklärung, dass die Definition des Leistungspegels über einen Logarithmus auch den Vorteil hat, dass man für mehrere Stufen hintereinander statt originäre Verstärkungen zu multiplizieren im logarithmischen "dB-Abbild" die Verstärkungen addieren kann.

 

Ja, Spannung war gemeint. Ich setze das irgendwie immer automatisch mit "Pegel" gleich, weil ich kaum je mit "Leistungs-dB" rechne und den anderen inoffiziellen "Funkhaus-Normpegel" von 1,55 Promille mangels Alkoholkonsums bislang auch noch nie ausgetestet habe.

 

@lg74
Du bist ja hier richtig als Fachdozent tätig. Mir wäre das zuviel Schreibarbeit hier gewesen, ehrlich gesagt.

 

Und die Vergleiche...

 

Mir eigentlich auch. Ich habe das sozusagen "auf halber Ar...backe" geschrieben. Und mich beim konkreten Beispiel auch noch verrechnet, kam auf paarundneunzig dBµV statt auf 62 (hatte irgendwo nicht mW auf W umgerechnet) - also nochmal, weil das bissl unplausibel war.

Aber ne gute Wiederholung für mich, damit ich auf meine beinahe fachfremde Zeit nicht alles vergesse.

 

Die Tabelle entspricht auch den aktuellen Normausgaben von IEC 60728-1 und IEC 60728-101.