Расчет и оптимизация уровней сигналов в распределительной сети системы кабельного телевидения

Формула (2.7) является исходной для синтеза магистралей при известных значениях ОСШ, CTB и CSO усилительного оборудования.

Воспользовавшись формулами (2.2), (2.4) и (2.6), построим зависимости максимально и минимально допустимого уровня выходного сигнала от числа последовательно включенных усилителей при двух значениях коэффициента усиления – 28 и 36 дБ (рис. 2.4).

Зависимости максимально допустимого уровня выходного сигнала от числа последовательно включенных усилителей при двух значениях СТВ, равных 60 и 70 дБ, отражают, соответственно, кривые 1 и 2,а, зависимости минимально допустимого уровня выходного сигнала при двух значениях коэффициента усиления 28 и 36 дБ – кривые 4 и 3.

Зависимость входного и выходного уровня шума от числа последовательно включенных усилителей при двух значениях коэффициента усиления 28 и 36 дБ приведены на рис. 2.5.

Анализ приведенных графиков показывает, что для СТВ = 60 дБ, при использовании усилителей с коэффициентом

41

усиления 36 дБ, их максимальное число при каскадировании составляет 10, что эквивалентно компенсации суммарных потерь в 360 дБ. При использовании тех же усилителей с коэффициентом передачи 28 дБ их максимальное число увеличивается до 25, что эквивалентно компенсации потерь в 700 дБ.

При СТВ = 70 дБ nmax = 5 при Kу.н = 36 дБ.

Как видно, меньшему коэффициенту усиления соответствует большая величина приведенного динамического диапазона (2.5), меньшее накопление шумов по магистрали (2.6), большее потенциальное число каскадно включаемых усилителей n и большая величина компенсации суммарных потерь. Однако нерациональное увеличение числа магистральных усилителей приводит к неоправданно завышенным финансовым затратам.

Для определения оптимальной величины коэффициента передачи усилителя (считая, что все усилители по магистрали идентичны), при известных потерях по магистрали, воспользуемся формулами (2.5)–(2.7) с учетом, что выходной уровень каждого из магистральных усилителей должен быть дополнительно понижен на величину

42

где CTBM – заданный уровень продуктов интермодуляционных искажений третьего порядка по всей магистрали в целом.

Формула (2.8) показывает, что снижение (увеличение) выходного уровня усилителя на 1 дБ приводит к улучшению (ухудшению) уровня CTB на 2 дБ. Решив (2.5)–(2.8) относи-

Здесь А = Umax3 –10 log(n/2) – 0,5(CTBM – 60) – Кш – 2,41 – исходная величина, вычисляемая на этапе эскизного проектиро-

вания.

Учитывая, что потери по магистрали А компенсируют n усилителей, каждый из которых обладает номинальным коэффициентом передачи Kун:

А = nKу.н, дБ,

Анализ (2.10) на экстремум относительно Kу.н показывает, что максимальное значение Вmax наблюдается при Kу.н = 8,69 дБ. Хотя использование таких усилителей и позволяет реализовать максимальную протяженность магистралей, экономически это явно нецелесообразно. Уравнение (2.10) относительно оптимального коэффициента передачи усилителя, при котором наблюдается требуемая величина Втр, в явном виде решения не имеет. Однако оно легко решается графически.

Для примера на рис. 2.6 представлена зависимость ВΣ = f(n) при различных значениях потерь по магистрали L для усили-

теля c Umax3 = 124,5 дБмкВ и Кш = 7 дБ при трансляции 32 каналов с СТВк = 62 дБ.

Таким образом, для сохранения по магистрали ВΣ = 44–50 дБ при СТВ = 60–66 дБ и Кш = 6–8 дБ усилитель должен обладать оптимальным, с экономической точки зрения, коэффициентом передачи порядка 28–38 дБ. Если предъявляются более

43

2.4. Анализ накопления искажений по магистрали КРС

По мере увеличения протяженности магистральных сетей СКТ происходит накапливание не только шумов, но и искажений, которые можно разделить на два класса: линейные и нелинейные.

К линейным искажениям относятся групповое время задержки (канальные искажения) и неравномерность АЧХ.

Групповое время задержки (ГВЗ) проявляется как искажения цветовой передачи при размытости цветовых переходов. Оно должно быть постоянным в полосе ТВ канала. Суммарное ГВЗ всех модулей формирования ТВ сигнала должно быть не более 100 нс, измеренное в полосе 5 МГц.

44

Диапазонная неравномерность АЧХ обусловлена [11]:

–собственной неравномерностью АЧХ используемых усилителей;

–неидентичностью законов ослабления коаксиального кабеля и используемых кабельных эквалайзеров;

–частотными потерями телевизионных разветвителей, закон ослабления которых существенно отличается от частотного закона ослабления коаксиального кабеля;

–низким качеством используемых присоединительных кабельных насадок, потери которых (на рассогласование) начинают проявляться на частотах свыше 400–500 МГц.

С увеличением числа каскадно включенных однотипных усилителей неравномерность их АЧХ алгебраически суммируется. Для нормальной работы СКТ собственная неравномерность АЧХ усилителей не должна превышать: для протяженных магистралей ±0,3–±0,5 дБ; для коротких магистралей и субмагистралей: ±0,5–±0,75 дБ; для домовых сетей ±0,75–±1,0 дБ.

Если законы ослабления коаксиального кабеля и встроенных в усилители линейных эквалайзеров не зеркальны по отношению друг к другу, то реальная суммарная АЧХ может отличаться от идеального прямолинейного закона на некоторую величину А. По мере увеличения числа усилителей эта неравномерность будет также накапливаться.

В результате наложения таких неравномерностей формируется суммарная АЧХ с провалом типа «яма» (рис. 2.7,а), или выпуклостью типа «бочка» (рис. 2.7,б) [11].

Для эффективной борьбы с подобного рода искажениями используют корректоры АЧХ, позволяющие осуществить плавное выравнивание АЧХ с малыми начальными потерями (рис. 2.8).

Конструктивно корректоры АЧХ исполнены либо как функционально законченное устройство, либо как входящие

всостав усилителей. Маркировка частотных корректоров осуществляется следующим образом. Первые три символа опре-

45

ГС. Канальные интермодуляционные искажения (IMD – Inter Modulation Distortion) измеряются методом трех несущих (рис. 2.9) [61], имитирующих несущую изображения Fa, несущую звука Fс и поднесущую цветности Fb.

Рис. 2.9. План измерения канальных интермодуляционных искажений

При разнице между поднесущими звука и изображения в 6,5 МГц (стандарт OIRT) формируемые интермодуляционные искажения третьего порядка IMDk (P3f = Fa + Fb – Fс и P3g = Fa – Fb + Fс) будут симметрично отстоять относительно частоты Fa на ±2,07 МГц. При практических измерениях составляющая P3f частично подавляется самим канальным фильтром. Согласно [61], уровень IMDk должен быть не хуже 54 дБ относительно видеонесущей.

Необходимо помнить общее правило для всех интермодуляционных искажений третьего порядка (IMD3): при увеличении (уменьшении) выходного уровня сигнала усилительного устройства на дБ IMD3 понижается (повышается) на 2Δ дБ, т. е.

47

IMD3 = IMD + 2(Umax.3 – Uвых),

где Uвых – устанавливаемый рабочий уровень выходного сигнала усилительного устройства, дБмкВ; Umax.3 – справочный максимальный уровень выходного сигнала на конкретный усилитель, оцениваемый по заданному критерию интермодуляционных искажений IMD (в дБмкВ)(IMDk = 54 дБ для канальных усилителей и IMDb = 60 дБ для диапазонных широкополосных усилителей).

При каскадировании канальных устройств суммарные искажения IMDΣ вычисляются по формуле:

IMDΣ = –20log(10IMD1/20 + 10IMD2/20 +…10IMDi/20).

Отсюда видно, что при каскадном включении двух активных устройств с равными IMD суммарное выходное IMDΣ понизится на 6 дБ.

Теория и практика показывают, что канальные искажения, сформированные на выходе ГС, далее практически не ухудшаются в широкополосных усилителях СКТ. Канальные искажения на экранах телевизоров проявляются в виде искажения цветности передаваемого изображения.

Диапазонные искажения присущи широкополосным усилительным устройствам и разделяются на следующие виды:

а) интермодуляционные искажения второго порядка (IMD2);

б) интермодуляционные искажения третьего порядка (IMD3);

в) кроссмодуляция.

Первые два вида искажений измеряются методом двух несущих (рис. 2.10) [61].

Плавно увеличивают уровень сигнала на входе усилителя, сформированного из двух немодулированных гармонических составляющих, равной амплитуды до появления интермодуляционных искажений, лежащих ниже основного сигнала на 60 дБ.

Исходя из физического смысла очевидно, что для усилителей с полосой пропускания менее октавы (Fmax < 2Fmin) интер-

48

-

Рис. 2.10. Измерение интермодуляционных искажений 2-го и 3-го порядка

модуляционные искажения второго порядка отсутствуют. Если на ГС указаны максимальные выходные уровни Umax3

(IMD3 = 60 дБ) и Umax2 (IMD2 = 60 дБ) для n каналов, то рабочий выходной уровень ГС Uр при наличии выходного широ-

кополосного усилителя для трансляции N каналов выбирается как наименьшая величина из двух значений:

Uр1 ≤ 30 + Umax3 – 10log (N/n) – A/2, Uр2 ≤ 60 + Umax2 – 4,3log (N/n) – B,

где A и В – допустимые уровни интермодуляционных продуктов ГС соответственно третьего и второго порядков, рассчитанных по традиционным методикам, исходя из количества каскадно включенных усилителей по магистрали, конструктивных запасов на перепады температуры окружающей среды и т.п.; N – число транслируемых каналов на выходе ГС.

Взаимная канальная модуляция (перекрестная или кроссмодуляция) вызвана нелинейными эффектами в выходных каскадах ГС, например, на выходе суммирующего устройства вследствие взаимодействия сигналов двух и более каналов. Согласно [15], измерение уровня взаимной модуляции производится методом трех несущих (рис. 2.11) и используется при испытаниях мультидиапазонных/полосовых усилителей или мультиканальных частотных конверторов.

Эффект, именуемый кросс-модуляцией, можно описать следующим образом. На изображение принимаемого канала

49

Fa–2 Fa Fa+2 Fb Fc

Рис. 2.11. Измерение уровня взаимной модуляции

«накладывается» изображение стороннего, нежелательного канала, причем нередко значительно удаленного по частоте. Особенно это заметно на темном фоне (пониженный уровень модулирующего сигнала). От этого эффекта не удается избавиться никакими канальными фильтрами на входе телевизора. Отношение несущая/кросс-модуляция определяется как разница между уровнем тестового сигнала (имитация видеонесущей испытуемого канала) и уровнями продуктов кроссмодуляции, сформированными интерферирующими сигналами вблизи тестовой несущей.

Для снижения уровня кросс-модуляции необходимо максимально увеличивать величину развязки между каналами, т.е. минимизировать проникновение сигналов любого из каналов на выход соседнего канала.

В общем случае, единственный и эффективный способ борьбы с нелинейными искажениями – правильный выбор режима работы усилительного оборудования.

Выводы

Анализ технических характеристик и основных параметров оборудования ГС, а также усилительного оборудования

50