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电平基础及测量 中国国际广播电台工程师 王泽祥 中国音视频工程专业委员会秘书长 赵炳昆 电平在现代音响系统中至关重要，电平值 的正确选择它将决定着整个音响系统的质量 优劣。正确认识和确理解电平十分重要。对 电平的基本概念、电平的单位、电平的应用 、电平的计算、尤其是在数字系统和数字、 模拟混合的系统中弄清满刻度电平的概念及 在数字系统中“0”dBfs 对应模拟系统中的“电 平”(即：对应 +24dBu的依椐)、更是非常重 要。 下面将和大家讨论这些问题 。 在现代音响系统中无论是在录制系统、播 出系统、传送系统还是扩声系统中，“电平 ”都是十分重要的。 比如在一个录制系统中. 准确地选择一个恰 当的录音电平值时，这个录制系统的节目 声音信号的质量才可能有保障。 因此、准确理解“电平”和电平的相关属牲 及其“电平”的测量是十分必要的。 一、电平的基本概念 在现代广播、电影、电视、音响系统中， 级和分贝经常出现，一个量的级的定义是 这个量与同类基准量的比的对数，其对数 的底、基准量和级的类别一定要加从说明 。 级的类别通常在前面加词冠来说明，如： 电平、磁平、声压级、响度级等。 对数的底，以及用的比例常数则由所用单 位，如：分贝、奈培等来说明。 奈培是级的单位，其对数为自然对数，底 为e。量为场量(电压.电流)或功率的平方 根，符号是Np。奈培在电信技术中使用， 在广播、电视中.测量音频电缆时，也用奈 培(Np)。 分贝是贝尔的十分之一，称“分”贝尔，简 称为分贝，符号是dB。 这些单位都是由电信技术中引用来的，在 广播、电视、音响系统中，常用的是分贝 (dB)。奈培与分贝的关系是1Np=8.686dB 。 电平是指某一测量点与某基准值的比较（ 如功率、电压、电流等）。 通常情况下，电平均指绝对电平。如：几 种常用的绝对电平：dBm、dBu、dBv、 dBr 、dBFS等。 1、绝对电平20（V2 / V0 ）dB m。V2 为某测量点电压、V0 某基准值电压。 绝对 “零”分贝 电平：是指功率为P0 = 1 mw，电压V0 = 0.775Vrms，电流I0 = 1.228 mA， 阻抗为，Z0 = 600时，称作绝对“零”分贝 电平。即：0 dBm。 2、相对电平：是指某一测量点与某基准 值的比较（如功率、电压、电流等）。 相对“零”分贝电平20（V2 / V1 ）dB 。如某一测量点电压为0.775Vrms 、其基 准值电压也为 0.775Vrms 时，即V2V1 时，称做相 对“零”分贝电平。即：0 dB 值得注意的是，此时，某一测量点的阻抗 和基准点的阻抗应相同。(这个问题在电平 的计算中将进行讨论)。 二、电平（分贝）应用 在现代广播、电影、电视、音响系统中，电平在 电学、声学、磁学中均有广泛的使用。 在电学计量中分贝（dB）是一种“电平”单位。( 在电声技术中的应用下面将会讲到)。 在声学计量中分贝（dB）是一种“级”的单位。如 ：声压级、声强级等。 在磁学计量中分贝（dB）是一种“磁平”的单位； 磁平是指记录在磁带上的剩余磁通量。 用单位磁迹宽度的短路带磁通量为基准。 常用单位是：纳韦伯 / 米（n wb / m）有 效值。我国广播标准参照CCIR标准作出定 ：在带速为38.1cm/s及19.05cm/s时，以 1KHz信号为参考频率，其单声道的“参考 磁平”为320 n wb / m；立体声双声道时“ 参考磁平”为510 n wb / m。 关于“工作磁平” 我国广播标准中对工作 磁平的规定是：在录音时采用“工作磁平” ，比“参考磁平”低6dB（即单声道时 ，工 作磁平为160 n wb / m；立体声双声道时 、工作磁平为255 n wb / m）。最大记录 磁平为12dBu，饱和磁平为14dBu等等 三、几种常用的电平单位 dBm：是以0.775 Vrms（阻抗为600）为参 考电压的电平单位； dBu：是以0.775 Vrms（阻抗不限）为参考电 压时的电平单位； dBv：是以1.0 Vrms（阻抗不限）为参考电压 时的电平单位； dBr：是相对参考电平单位，测量电声系统的幅 频特性时，常被选用； dBfs（dB full scale）：是数字音频信号电平 单位。 表一 为某一电声系统所测量的幅频特性， 用不同单位表示时的实际值。用dBu表示 时，如“表一中第一行所示；用 dBr表示时 ，如“表一”中第二行所示（取1KHz时的0 dBr = 4 dBu为基准时）。显然，用dBr表 示时，幅频特性的优劣，更为显而易见。 表一 分别用dBr与dBu表示幅频特性的比较 四、数字音频系统中满刻度电平的 概念 “0”dBfs：是满刻度的数字音频参考电平，称： 数字满刻度电平。是指在数字音频系统的数字域 中，对最大值所对应的A/D或D/A变换器，所能 转换的模拟信号不被削波时的信号电平。它用于 带有A/D或D/A转换器的数字音频设备，是一项“ 满刻度”指标。“满刻度”是指：转换器可能到达“ 数字过载”之前的最大峰值电平，满刻度电平值 是由转换器内部设计所决的一个固定电平值。 “0”dBfs对应 +24dBu ，是我国的广播电影 电视行业标准。其最大可能编码的电平值 用与其相对应的模拟信号电平值表示。所 采用的编码方式，至少相当于16比特均匀 精度。目前，已成为中华人民共和国国家 标准GB/T14919-1994数字声音信号源 编码技术规范的一种规定。 在广泛地对节目信号录制的研究中得知，节目信 号瞬态电平的大小与声音信号的类型有关，有训 练的播音员讲话的瞬态电平可达（14-18）dB ； 而大型交响乐的瞬态信号电平可以达（18-20） dB 。 以在数字方式录制节目时，信号峰值储备量应尽 量包含较宽的瞬态值，以减少削波失真。所以在 录制动态较大的节目时，其信号峰值储量一般应 在20 dB左右。这也说明“0”dBfs对应模拟信号电 平为 +22 dBu的数字设备能继续使用。 1、根据我国广播电影电视行业标准GY / T 192 -2003数字音频设备的满度电平的 规定，电声系统的“工作电平”为 15 dBu 而 最高峰值电平为 24 dBu 图1根据GY / T 192 -2003标准确定的 电声系统的工作电平选择示意图 图1的说明如下： 0 VU：对应 +4 dBu为基准电平，这是电声系统 的选择所决定的； 11 dBu：是节目信号最高准平均值电平，比基 准电平（0VU参考电平的+4 dBu）高11 dBu 。 即节目信号最大允许工作电平（其中基准电平4 dBu + 最高准平均值电平11 dBu）为15 dBu， 这个电平也就是该电声系统的“工作电平”。 9 dBu：考虑到节目信号的瞬间峰值，应留有（ 912）dBu的电平储备量，这里选择为9 dBu， 当然根据实际需要，储备值也可有不同的选择。 若储备量选择得过大，系统的信噪比将随之降低 ，所以这个储备量值的选择应当慎重。 2、欧洲广播联盟（EBU-R68-2000）的规 定为“0 dBfs对应+22dBu 。 如图2所示，是欧广联标准的电平图： 图2 EBU-R68-2000满度电平技术说明图 图中的说明 9 dBu：节目信号最大允许电平比基准电平高 9dBu，实际上是比0dBu高+13dB； 6 dBu：考虑到操作误差和节目信号瞬间峰值的 影响，应留有6 dBu的电平储备余量； 3 dBu：考虑到广播用准峰值表的特性，实际的 瞬间峰值比准峰值表的指示要高3 dBu； 在数字设备中，数字音频信号编码电平的基准电 平应比系统最大可能的峰值电平低18 dBu； 数字音频设备的校准信号为1KHz的简谐信号。 、TU=R BR1384中SMPTE，（美国电影 与电视工程师协会）建议数字音频系统满 度电平， 即“0 dBfs 对应+24 dBu”， 其中，最大允 许工作电平由自己掌握，未做规定。 图 3 SMPTE 推荐的满刻度电平技术说明 关于基准电平的建议是：数字录音格式是线性，16 比特解析度或更多的数字格式，电平基准规则采用 SMPTE推荐的RP155-1995音频电平同于在数字电视 磁带录制机上录制数字电平的音频电平。认为编码 电平最大值应比基准信号电平高20dBu 。 值得注意的是在电声系统中，各环节中的数字音频 设备的满度电平值可能有所不一样，所以在选择电 声系统的工作电平值时，要考虑到在各环节的设备 应留有足够的峰值电平储备量，否则就会产生节目 信号瞬间峰尖时造成较大的失真，而在节目信号低 峰时又可能被噪声所淹没。 五、数字电平（dBfs） 与 模拟电平（0VU）的关系 1、VU：是声音信号的“音量单位” 在电声工程中用于对节目信号强度进行 计量的专门仪表，称之为：音量单位表。 也称音频节目表。这种专门仪表是采用平 均检波器（二极管桥式整流器）并按简谐 信号的有效值来确定刻度。因此，它是一 种准平均值表。 2、“0”VU：是声音信号的“参考电平值” 一般，用于节目信号测量时的准平均值为 +4 dBu （1.228伏）。 当测试信号为1KHz的简谐信号时，“0”VU是否对 应 +4 dBu电平值，要取决于节目信号的峰值因数 大小。当节目信号的峰值因数为6dB时，虽然“音 量单位表”指示值为“0”VU，但此时所对应的峰值 电平却是4 dBu+6 dBu为10 dBu 。 3、 数字音频信号编码电平（dBfs）与音量 单位（VU）表指示的对应关系 数字音频节目信号与测试信号（1KHz）在 通过被测系统后，用VU表测量时，读值是 不一样的。 图3是测量时用于“对应关系比较”的方框图 。 图3 测量 编码电平（dBfs）与VU表指示 对应关系的框图 表二 为测试信号在（频率为1KHz简谐信号） 情况下测得的数据（注调音台增益为1） 从表二中不难看出，当测试信号为音频1KHz简谐信号时， 数字编码电平与VU表音量单位电平有固定的相应关系。 表三 为节目源信号（分别在S节1峰值因 数为24；S节2峰值因数为10 dBu；S节3 峰值因数为4和S节4峰值因数为1等）情况 下测得的数据（注调音台的增益为1）。 综上所述，电声系统中加音频测量信号（ 1KHz）时，数字编码电平与音量单位表（ VU）有固定的对应关系，而在加节目信号 时，这个固定的相应关系就不存在了。 分贝不仅在电声技术中得到广泛的应用， 而且在电学、磁学、声学中也都广泛的使 用。 六、分贝值的计算 在实际工作中经常遇到，分贝值的计算问 题，查起对数表即费时又费力，还不便找 到对数表