dB, dBm, dBi, dBd 더 이상 헷갈리지 말자, 이론 개념 및 계산법 총 정리

 

 

무선통신 업계에 종사하며 dB, dBd, dBi, dBm 계산에 관한 내용을 많이 접하게 되는데 연차와 관계없이 많은 사람들이 헷갈려하는 개념 중 하나입니다.

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데시벨 단위들의 개념을 총 정리하고 각 단위들의 특징과 계산법에 대해서 알려드리겠습니다.

 

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dB, dBm, dBi, dBd 개념

계산에 앞서, dB 시리즈 친구들에 대한 간단한 개념에 대해서 말씀드리겠습니다.

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해당 단위들은 전부 소리나 전파의 세기를 나타내는 단위입니다. 서로는 관련이 있지만 각각 다른것을 측정하는데 사용 됩니다.

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• dB (데시벨) :

dB는 두 세기의 비율을 나타내며, 이 값이 커질수록 전파가 강하다는 것을 의미합니다.

dB는 로그스케일로 작동하므로 3 dB 차이라고 하면, 전력의 크기가 2배 차이를 나타내게 됩니다.

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• dBi (데시벨 등방성;절대이득) :

dBi는 안테나가 특정 방향으로 전파를 얼마나 잘 보낼 수 있는지를 나타내는 단위입니다. 흔히 안테나 이득이라고 표현하며 여기서 '등방성'은 모든 방향으로 똑같이 전파를 보낼 수 있는 가상의 안테나를 기준으로 삼습니다.

dBi가 높을 수록 그 방향으로 전파를 잘 보낼 수 있다는 의미입니다.

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• dBd (데시벨 다이폴;상대이득) :

dBd는 안테나가 표준 다이폴보다 얼마나 더 좋은 성능을 가지는지 나타내는 단위입니다.

dBi와 다르게 구체적인 표준 다이폴이라는 기준이 있기 때문에 구체적인 비교 기준을 제공합니다.

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• dBm (데시벨 밀리와트) :

전파나 신호의 절대적인 전력을 나타내는 단위입니다. 'm:밀리와트'는 전력의 양을 나타내며 1 mW를 기준으로 한 전력의 크기를 데시벨로 표현한 것 입니다.

전파나 신호의 실제 전력을 측정하는데 사용됩니다.

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일반적으로 상대 이득(dBd)보다 절대 이득(dBi) 사용하는 이유

dBi는 모든 방향으로 동일하게 전파를 방사하는 가상의 안테나에 대한 상대적인 이득을 나타냅니다. (개념이 이렇다고 dBi를 상대이득이라고 부르는 것은 아닙니다.)

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따라서 등방성 방사체는 실제로 존재하지는 않지만 이론적인 기준으로 모든 안테나의 성능을 객관적으로 비교할 수 있습니다.

 

 

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각 단위 별 계산

각 단위를 혼용하여 계산하는 상황이 생길 때, 어떤 식이 적합한지에 대해서 설명 드리겠습니다.

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해당 단위들은 전부 소리나 전파의 세기를 나타내는 단위입니다. 서로는 관련이 있지만 각각 다른것을 측정하는데 사용 됩니다.

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• dBm + dBm :

일반적으로 많은 사람들이 실수하는 식 입니다. dBm은 절대적인 전력 레벨을 나타내기 때문에 두 개의 dBm 값을 더하는 것은 큰 의미가 없습니다. 따라서 선형 스케일로 변환하여 더하고, 다시 dBm으로 변환하는 과정을 거쳐야합니다.

10^(x[dBm]/10) 계산으로 mW 단위로 환산한 후 더해서 다시 10Log(밑10)으로 계산합니다.

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1) dBm을 mW 단위로 변환하기

 

* 엑셀 수식 : =10^("x(dBm 값의 셀 주소)"/10)

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2) mW를 dBm 단위로 변환하기

* 엑셀 수식 : =LOG10("x'(mW 값의 셀 주소)")*10

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dBm+dBm이 의미가 없는 이유

dBm은 전력을 로그 스케일로 나타내는 단위이며 두 전력의 절대 레벨을 더하는 것은 전력의 합산이 아닙니다.

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Ex. 13 dBm + 5 dBm을 계산하면, 18 dBm이 나올거라고 생각하지만

실제로 mW로 환산한 뒤 더해서 다시 dBm으로 환산하면 13.64 dBm이 나옵니다.

 

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• dBi + dBi / dBd + dBd :

dBi와 dBd는 안테나의 이득을 나타내는 단위입니다. 따라서 dBi와 dBd의 값을 직접 더하는 것은 물리적으로 의미가 없습니다. 안테나의 이득은 각각의 안테나 특성에 의해 결정되며 이득을 단순히 수치적으로 더할 수 없습니다.

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• dBm + dBi / dBm + dBd :

dBm과 dBi (또는 dBd)를 더하는 것은 신호의 최종 전력 레벨을 계산하는데 사용됩니다. dBm은 신호의 절대 전력, dBi(또는 dBd)는 안테나의 상대적인 이득을 나타냅니다.

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따라서, 최종 전력 레벨 = 신호의 전대 전력(dBm) + 안테나의 상대적인 이득(dBi 또는 dBd)로 표현 가능합니다.

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Ex. 10 dBm + 3 dBi(또는 dBd) = 13 dBm

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• dBm, dBi, dB + dB :

dB는 전력에 대한 상대적인 변화량을 나타내기 때문에 모든 단위와 계산이 가능합니다.

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1) dBm + dB = 새로운 절대 전력

Ex. 10 dBm + 3 dB = 13 dBm

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2) dBi(또는 dBd) + dB = 새로운 안테나 이득

Ex. 10 dBi + 3 dB = 13 dBi

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3) dB + dB = 새로운 상대적인 변화량

Ex. 2 dB + 3 dB = 5 dB

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다른 단위와의 계산

dBm이나 dBi를 다른 단위와 계산하는 상황에서는 선형 스케일로 변환하여 계산할 수 있습니다.

선형스케일로의 변환은 로그 스케일을 기반으로 한 데시벨값의 직접적인 곱셈, 나눗셈과 같은 연산에 적합한 형태로 바꾸는 과정이며 이를 통해 다양한 단위와의 계산이 가능해집니다.

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• dBm 계산

dBm은 전력을 나타내며, 이를 mW 단위의 선형 전력으로 변환하는 공식은 다음과 같습니다.

* 엑셀 수식 : =10^("x(dBm 값의 셀 주소)"/10)

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눈치 채셨겠지만, dBm + dBm을 하기위해 진행한 mW 변환 공식과 동일합니다.

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• dBi, dBd 계산

dBi와 dBd는 안테나 이득을 나타내며 이를 선형 스케일의 이득으로 변환하는 공식은 다음과 같습니다.

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* 엑셀 수식 : =10^("y(dBi 또는 dBd 값의 셀 주소)"/10)

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역시나 눈치가 빠르신 분은 아시겠지만, dBm을 mW로 변환하는 공식과 동일합니다.

다만, 차이가 있다면 G 선형 스케일 값은 단위가 존재하지 않습니다.

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추가 예시 및 자료

과학기술정보통신부 고시 중 "신고하지 아니하고 개설할 수 있는 무선국용 무선설비의 기술기준"에서 7조 5항과 7항에 명시된 안테나 전력밀도에 관련된 내용을 보면 안테나 절대이득이 기준치를 초과한 경우에 초과한 값만큼 전력밀도가 저감할 것이라는 문구가 있습니다.

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신고하지 아니하고 개설할 수 있는 무선국용 무선설비의 기술기준 7조 5항

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신고하지 아니하고 개설할 수 있는 무선국용 무선설비의 기술기준 7조 7항

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안테나 절대이득이 6~7 dBi를 초과하면, 초과하는 이득값에 대해 전력밀도 저감을 적용하는 사항입니다.

따라서, 절대이득이 기준을 초과하는 상황에서 저감값을 구하는 방법은 아래의 예시와 같습니다.

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Ex. 2.4 GHz 대역의 20 MHz 주파수대역폭을 가지며 안테나 절대이득이 6.77 dBi인 경우

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전력밀도는 10 mW/MHz 이하에 초과한 절대 이득값 0.77 dBi에 대한 저감이 필요하다.

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1) 다음 공식을 사용하여 선형 스케일 G를 계산한다.

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2) y에 초과한 절대 이득 값 0.77을 넣어준다.

 

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3) 계산을 워하는 기존 전력밀도에 선형 스케일 G 값을 나눠주면 최종 전력밀도를 구할 수 있다. 선형 스케일 G에는 단위가 없기 때문에 기존 전력밀도의 단위를 그대로 사용하면 된다.

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기존 전력밀도/선형 스케일G=최종 전력밀도

따라서 최종적으로 위와 같은 조건에서 전력밀도는 저감 된 기준인 8.40 mW/MHz를 넘지 않아야 한다.

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결론

데시벨을 사용하는 업계에서 근무를 하신다면 비슷한 상황을 많이 마주할텐데, 아주 간단한 개념만 잡고 있어도 회사에서 똘똘이 소리 들을 수 있습니다. 반대로, 아주 간단한 개념을 몰라서 소통에 혼선을 가져올 수 있기 때문에 이 글을 즐겨찾기해놓고 데시벨단위 틀리지 않고 사용하시길 바래요~!