2. Анализ методов построения тв передатчиков и обоснование требований к проектируемому передатчику

2.1 Анализ методов построения тв передатчиков

[Радиопередающие устройства. – Под редакцией академика В.В.Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 2003.]

Радиопередающая станция (РПС) телевизионного вещания состоит из радиопередатчиков сигналов изображения и сигналов звукового со­провождения, устройства сложения этих сигналов в общей нагрузке, устройства питания, охлаждения, контрольно-измерительной аппара­туры и т. д. В ТВ передатчиках небольшой мощности и ретрансляторах ВЧ тракт строится для совместного усиления сигналов изображения и звука. Переход к такому способу усиления наблюдается на ТВ станциях и в передатчиках большей мощности.

По принятому в нашей стране стандарту телевизионного вещания [СТБ 1662-2006] в передатчиках изображения применяется амплитудная модуля­ция несущего колебания полным телевизионным сигналом с частичным подавлением нижней боковой полосы спектра частот, а в передатчиках звукового сопровождения применяется частотная модуляция.

Передатчик сигналов изображения (ПИ) является звеном тракта передачи изображения, преобразующим полный телевизионный сигнал (сигналы изображения, гашения и синхронизации) в модулированный радиочастотный телевизионный сигнал.

Передатчик звукового сопровождения (ПЗ) по своим параметрам, принципам построения, схемам и режимам по существу мало отличается от передатчиков УКВ ЧМ, лишь значение его частоты опре­деляется номером канала ТВ вещания.

Анализ структурных схем ТВ передатчиков.

Высокочастотные тракты передатчиков изображения и звукового сопровождения диапазонов метровых и дециметровых волн обычно содержат несколько (до четырех и более) каскадов усиления мощности. Если оконечный каскад передатчика строится на металлокерамических тетродах, то мощность транзисторных каскадов составляет 0.1... 1.0 кВт. Мощность полностью транзисторных передатчиков 0,1...2 кВт, а зару­бежных — до 25 и даже 50 кВт.

В передатчиках диапазона дециметровых волн (470...790 МГц) уси­лители мощности выполняются как на металлокерамических тетродах, так и на пролетных многорезонаторных клистронах. Предвари­тельные каскады могут выполняться полностью на транзисторах. В каскадах на тетродах, которые на таких высоких частотах включают по схеме с двумя заземленными сетками, усиление не превы­шает 12 дБ. Поэтому усилители мощности на клистронах, которые обеспечивают усиление до 40 дБ, способны заменить три-четыре каска­да на тетродах. Хотя стоимость клистронов в 5... 10 раз выше, но срок их службы в 5... 10 раз больше, чем у тетродов такой же мощности. Низкие уровни мощности и коэффициента усиления транзисторов этого диапа­зона делают их еще более неконкурентноспособными, поскольку клистронный усилитель может заменить до десяти каскадов и до нескольких десятков-сотен транзисторов, а стоимость клистрона оказывается суще­ственно ниже.

Надежность работы ВЧ трактов невысока, и опыт эксплуатации показывает, что 50...70% отказов ТВ передатчиков возникает в каскадах УМ на электровакуумных приборах. Надежность теле­визионных РПС как основного средства массовой информации должна сын. весьма высокой. Поэтому кроме обычных мер, направленных на повышение надежности электровакуумных и полупроводниковых при­боров, каскадов и устройств в целом, при построении и эксплуатации телевизионных РПС широко используются системы резервирования передатчиков.

В телевизионную РПС большой мощности входит рабочий и резервный комплекты, состоящие из возбудителей и предварительных усилителей передатчиков изображения и звука.

В первом варианте построения (рис.1) за ними следует по два полукомплекта усилителей мощности (и). После мостов сложенияисигнал передатчиков изображения и звука объединяются с помощью разделительного фильтра (РФ) и далее поступает на выходную колебательную систему, которую принято называть фильтром гармоник (ФГ).

При аварии в одном из полукомплектов выходная мощность снижается в 4 раза. При введении системы коммутации исправный полукомплект подключается к выходу в вход моста, и тогда мощность снижается относительно номинальной всего в 2 раза. В зоне уверенного приема при наличии АРУ в телевизионных приемниках качество принимаемых сигналов отличается незначительно либо ухудшается вовсе незаметно.

Рис. 1. Структурная схема ТРПС с двумя мостами сложения мощностей

Во втором (рис.2) варианте посте возбудителей и предварительных усилителей следует два полукомплекта, в состав каждого из которых вход тракты усиления мощности (УМ) каналов изображения и звука. Выходные сигналы объединяются с помощью разделительных фильтров, а затем происходит сложение в мосте (М) мощностей обоих полукомплектов. Каждый полукомплект имеет автономные блоки питания. В обоих вариантах на входах УМ включены управляемые фазовращатели для компенсации фазовых сдвигов в обоих полукомплектах.

Рис. 2 Структурная схема ТРПС с одним мостом сложения мощностей

По ряду позиций второй вариант построения оказывается более рационален. В первом варианте при аварии, например, в одном из полукомплектов передатчика изображения для обеспечения определенного соотношения мощностей инеобходимо снижать вдвое и мощность передатчика звука, например, отключив один из его полукомплектов. Во втором варианте при аварии все оборудование полукомплекта отключается полностью.

Общим недостатком как пассивного 100%-ного резервирования, так и активного со схемами сложения мощностей полукомплектов является наличие хотя и очень кратковременного, но неизбежного перерыва а вещании на время срабатывания ВЧ переключателей большой мощнос­ти

(в системе сложения — переключателей обхода моста и коммутации исправного полукомплекта непосредственно на антенно-фидерное уст­ройство). Время, затрачиваемое на переключение, может составлять до 10 с. Согласно правилам технической эксплуатации средств вещатель­ного телевидения допускается перерыв в работе, связанный с коммута­цией продолжительностью I...5с. Не считается также отказом снижение мощности вдвое в течение 0,5...1,0 ч. Этого времени обычно бывает достаточно для восстановления работоспособности аварийного полукомплекта.

Кардинальным решением, позволяющим полностью отказаться как от пассивного, так и от активного резервирования, является блочно-мо-дульное построение и полная «транзисторизация» мощных телевизион­ных передатчиков, поскольку при правильном выборе режима и условий эксплуатации надежность и долговечность транзисторов на­много выше надежности и долговечности вакуумных приборов. Ис­пользование блочно-модульного построения мощных оконечных каскадов приводит к тому, что во время работы выход из строя одного из модулей ведет только к незначительному снижению уровня выходной мощности. Согласно данным, при четырех модулях (N = 4) мощность уменьшается на 44 %, при N * 8 — на 23%, при N = 46 — на 12 %, при N = 32 — на 6 %, и т. д. Замена модуля исправным и ремонт могут осуществляться без перерыва в работе либо во время профилактических осмотров. Недостатки этой системы состо­ите том, что, во-первых, балластные резисторы должны рассчитываться с большим запасом по рассеиваемой мощности, и, во-вторых, происхо­дит заметное усложнение схемы, увеличение числа разъемов и соедине­ний.

Анализ структурных схем трактов передатчиков изображений

Схема тракта усиления передатчика изображения в значительной степени зависит от выбора места и способа осуществления амплитудной модуляции и формирования требуемой АЧХ. В мощных ламповых пере­датчиках ранних выпусков AM осуществляется изменением смещения на управляющую сетку в одном из промежуточных каскадов ВЧ тракта передатчика. Такую модуляцию условно называют модуля­цией на среднем уровне (в ламповом каскаде мощностью 100…500 Вт). Формирование АЧХ производится в основном на выходе передатчика специальными фильтрами. Однако на форму АЧХ существенно влияет настройка колебательных контуров модулируемого каскада и всех пос­ледующих каскадов усиления модулированных колебаний (УМК).

Сократить число влияющих на АЧХ каскадов можно, используя тетроды с высокой крутизной по схеме с общим катодом и возможно большим усилением по мощности н применяя широкополосные неискажающие мощные усилители. Другой путь — осуществление сеточной AM на более высоком уровне мощности, т. е., например, в выходном каскаде тракта передатчика. Но опыт построения ТВ передатчиков с модуляцией на высоком уровне мощности показал неперспективность этого варианта. При осуществлении сеточной AM в выходном каскаде энергетические показатели модулируемого каскада не выше, чем в ре­жиме усиления модулированных колебаний, но требуется гораздо более мощное и сложное модуляционное устройство, чем при модуляции на «среднем» уровне. В то же время осуществить в выходном каскаде эффективную анодную или анодно-экранную AM не представляется возможным, так как создать мощный эффективный видеоусилитель на полосу частот телевизионного сигнала 0...6,5 МГц пока не удается.

При сеточной AM наряду со значительной нелинейностью ампли­тудной характеристики в диапазонах ОВЧ и УВЧ возникает паразитная фазовая модуляция, которая вызывает искажения, особенно заметные при передаче цветного изображения. Скорректировать полностью эти искажения по видеочастоте не удается, а реализовать цепи коррекции в ВЧ тракте при мощности более 10 Вт в диапазонах метровых и деци­метровых волн практически невозможно. Наконец, в диапазонах IV и V (470...960 МГц) при модуляции на высоком и даже на среднем уровне становится невозможным обеспечить требуемую точность АЧХ и кру­тизну скатов

40...50 дБ/МГц из-за недостаточной доброт­ности элементов LC и температурной нестабильности их значений.

В настоящее время в отечественных и зарубежных передатчиках осу­ществляется модуляция на малом уровне мощности, не на основной (выходной) частоте, а на постоянной не зависящей от рабочего канала промежуточной частоте (ПЧ) порядка нескольких десятков мегагерц. В этом случае энергетика уже не имеет значения и можно для осуществления AM применять, например, балансные диодные модуляторы, обес­печивающие хорошую линейность, стабильность и низкий уровень паразитной ФМ.

Применение модуляции на промежуточной частоте создает следую­щие преимущества: все каскады трактов видео- и промежуточной час­тоты, включая каскады, где производится модуляция, формирование АЧХ и предкоррекция линейных и нелинейных искажений, унифициро­ваны, т. е. выполняются одинаковыми для всех передатчиков независи­мо от уровня их выходной мощности и номера канала; поскольку модуляция, формирование АЧХ и предкоррекция линейных и нелиней­ных искажений осуществляются на малом уровне и на постоянной час­тоте, существенно улучшаются качественные показатели передатчика сигнала изображения, это в особенности относится к частотной харак­теристике ГВП, которая на ПЧ может быть откорректирована раздель­но для верхней и нижней боковых полос; унификация каскадов стимулирует совершенствование технологии их изготовления, разра­ботку специальных БИС, заменяющих каскады тракты ПЧ и видео с применением элементов функциональной электроники (например, фильтры на поверхностно-акустических волнах).

Упрощенная структурная схема передатчика изображения с модуляцией на промежуточной частоте имеет вид:

Рис. 3 Структурная схема передатчика изображения

В видеочастотном тракте видеосигнал усиливается в видеоусилителе (ВУ) и специальным образом обрабатывается в корректорах линейных () и нелинейных () искажений и поступает на балансный модулятор (БМ), на другой вход которого подается колебание с кварцевого автогенератора () с частотой. В БМ осуществляется АМ, выделяется разностная частота, т.е. происходит инверсия спектра исходного видеосигнала. В тракте ПЧ сигнал усиливается, формируется требуемая АЧХ в (фаз. АЧХ), здесь же образуется одна боковая на уровне 6,375 МГц, а другая – 1,25 МГц. Как и видеотракте, осуществляется необходимая коррекция линейных и нелинейных искажений, но уже модулированного сигнала. Затем он снова усиливается в усилителе промежуточной частоты (УПЧ) и поступает на балансный смеситель, на другой вход которого подается сигнал с частотой гетеродинаот второго кварцевого автогенератора () (после прохождения усилительно – умножительного тракта (УУТ)). На выходе балансного смесителя выделяется разностная частота, равная несущей частоте изображения данного телевизионного канала, и восстанавливается нормальный спектр частот видеосигнала. Выбор частоты сигнала гетеродина выше несущей заданного телевизионного канала существенно уменьшает уровень ненужных комбинационных составляющих. В каскадах усиления модулированных колебаний (УМК) происходит необходимое усиление по мощности, а каскаде фильтра гармоник (ФГ) сигнал изображения формируется окончательно.

Анализ структурных схем трактов передатчиков звука

Передатчик звука использует частотную модуляцию. Частотная модуляция применяется для высококачественной передачи звукового (низкочастотного) сигнала в радиовещании (в диапазоне УКВ), для звукового сопровождения телевизионных программ, передачи сигналов цветности в телевизионном стандарте SECAM, видеозаписи на магнитную ленту, музыкальных синтезаторах.

Высокое качество кодирования аудиосигнала обусловлено тем, что при ЧМ применяется большая (по сравнению с шириной спектра сигнала АМ) девиация несущего сигнала, а в приёмной аппаратуре используют ограничитель амплитуды радиосигнала для ликвидации импульсных помех. Тракт формирования ЧМ сигнала обычно по мощности относится к тракту изображения как 1 к 10.

Структурная схема ТВ-передатчика звукового сопровождения представлена на рис.4. Возбудитель этого передатчика выполнен на п/п приборах, а выходные каскады на лампах. Модулятор может работать одним к налом с полосой 30 – 15000 Гц и двумя каналами с полосой 30 – 50000 Гц (два языка).

Рисунок 4 Структурная схема передатчика звукового сопровождения

На схеме 1 – транзисторный усилитель низкой частоты; 2 – цепь предкоррекции; 3 – частотный модулятор, средняя частота которого регулируется в пределах 17..22 МГц, при изменении рабочей частоты передатчика в пределах (470-522)МГц; 4 – трехкаскадный транзисторный усилитель; 5 – транзисторный преобразователь частоты, на входы которого подается модулированный сигнал и сигнал от кварцевого генератора 14, который является общим для рассматриваемого передатчика звукового изображения. Общий кварцевый генератор облегчает задачу получения постоянной разности между несущими частотами обоих передатчиков с такой стабильностью, которая необходима по современным нормам; 6 – трехкаскадный транзисторный усилитель; 7 – блок содержащий семь ламповых каскадов (второй каскад блока работает в режиме умножения частоты на 5, остальные в режиме усиления); 8 – выходной ПФ. Для стабилизации средней частоты модулятора применяется ФАПЧ. В фазовом дискриминаторе этой системы 11 производится сравнение средней частоты модулятора, которая поделена на 1024 в делителе 13 со стабильной частотой, которая получается от кварцевого генератора 9 и поделена в делителе 10 на 8. Оба делителя частоты, 10 и 13, представляют собой каскадно включенные триггеры с коэффициентом деления в каждом из них, равном 2. Стабилизация частоты кварцевых генераторов обеспечивается помещением их в термостаты со стабилизацией питающих напряжений.