Новое

Особенности суммирования сигналов в многоканальных головных станциях СКТВ

Суммирование телеканалов

В своей работе оператор сети кабельного телевидения неизбежно сталкивается с задачей суммирования на головной станции радиосигналов множества ТВ-программ. Кажется, что решение очевидно, достаточно сделать простой широкополосный пассивный сумматор на сплиттерах и ответвителях, как показано на рис. 1а. Ведь современные модуляторы и конвертеры имеют весьма неплохие характеристики по избирательности и внеполосным излучениям и, казалось бы, не требуют применения дополнительных устройств при суммировании.

Канальные фильтры

Теория

Такое решение дает оператору ряд преимуществ:

• Сумматор прост и имеет низкую стоимость.

• Все входы сумматора равноценны и широкополосны, нет необходимости подключать каждый модуль к конкретному входу.

• Однотипные модули ГС взаимозаменяемы.

• Для целей резервирования достаточно иметь только по одному модулю каждого типа.

• Резервные модули можно держать постоянно подключенными к сумматору.

Но не все так просто. На рис. 2 показана типичная структура выходных цепей конвертера головной станции. В повышающем конвертере, который стоит после формирователя ПЧ, на выходе смесителя устанавливается перестраиваемый полосовой фильтр и регулируемый аттенюатор. И уже после них стоит широкополосный усилитель, который усиливает сигнал до номинального выходного уровня модуля.

Такое построение — вынужденная мера, связанная с тем, что для создания электронно-перестраиваемых фильтров используются полупроводниковые диоды — варикапы, способные работать только на малых уровнях сигналов. При больших уровнях они начинают вносить в сигнал заметные нелинейные искажения.

Конвертер головной станции

Такое построение выходных каскадов используются в эфирных и спутниковых конвертерах, модуляторах. Практически такие же цепи используются и в модулях для цифрового телевещания.

Более того, даже ультрасовременные пограничные IPTV-преобразователи чаще всего содержат аналогичные выходные каскады. Поэтому все дальнейшие рассуждения будут одинаково применимы как к традиционным аналоговым устройствам, так и к новым цифровым или IPTV-модулям.

На рис. 3 показан типичный вид спектрограммы выходного сигнала такого конвертера. На ней можно видеть пик, соответствующий уровню радиосигнала несущей изображения (Fни). Ниже, в полосе пропускания конвертера, можно видеть «пьедестал», образованный шумами полного тракта конвертера, включая формирователь ПЧ. Типовой уровень шумов «пьедестала» составляет -50…- 55 дБс1.

Собственно разница между этими уровнями и определяет один из самых важных параметров головной станции «отношение сигнал/шум» выходного сигнала.

 Спектрограмма выходного сигнала конвертера

За границами полосы пропускания конвертера уровень шумов значительно снижается до значений в -60…-70 дБс. Это шумы выходного широкополосного усилителя, и они присутствуют во всей рабочей полосе частот ГС.

При использовании отдельного модуля или при малом числе каналов ГС они значительно ниже собственных шумов конвертера, и их можно не учитывать.

Однако при суммировании сигналов с использованием пассивного широкополосного сумматора эти широкополосные шумы складываются и попадают в полосы всех каналов, используемых в сети, ухудшая в них отношение сигнал/шум. При этом, с увеличением количества каналов, формируемых ГС, ухудшение становится все более существенным.

Величину уровня шума усилителей на выходе сумматора можно рассчитать по формуле:

Uш = 2,4 + F + G +10 log(N),

где Uш — уровень шума на выходе сумматора ГС [дБмкВ];

F — коэффициент шума усилителя [дБ];

G — коэффициент усиления усилителя, с учетом ослабления сумматора [дБ];

N — количество каналов ГС.

Из этой формулы видно, что суммарный уровень широкополосного шума на выходе ГС возрастает пропорционально логарифму количества распределяемых каналов.

Так, при формировании пакета из 60 ТВ-каналов широкополосные шумы увеличиваются на 18 дБ по сравнению с широкополосным шумом отдельного модуля. И в данном случае их значение составит уже -42…-52 дБс.

Такое значение превышает собственные шумы конвертера! Это приводит к ухудшению отношения сигнал/шум во всех каналах распределения на 3…7 дБ. В некоторых случаях выходное отношение сигнал/шум может упасть до значений, ниже требуемых по ГОСТ Р 52023-2003.

Практика

Чтобы экспериментально проверить эти выкладки, в лаборатории фирмы WISI была собрана экспериментальная ГС, состоящая из 56 модулей OV76A — преобразователей DVB-S в PAL. Выбор модулей был обусловлен тем, что в них выходной сигнал формируется из цифрового потока, поэтому обеспечивается наилучшее отношение сигнал/шум на выходе.

Сначала были проведены измерения выходного отношения сигнал/шум для отдельных модулей. Затем сигналы от этих модулей были просуммированы при помощи пассивного широкополосного сумматора, затем снова были проведены измерения отношения сигнал/шум уже в суммарном сигнале. Результаты измерений были занесены в таблицу 1.

Таблица 1.

Chulkov

Обработка результатов измерений подтвердила теоретические выкладки начала статьи. Пассивное суммирование сигналов при 56 каналах трансляции снизило отношение сигнал/шум в выходном сигнале в среднем на 5,4 дБ по сравнению с этим значением для одиночного модуля, что является весьма значительным ухудшением сигнала.

Что же делать, чтобы исправить ситуацию?

Ответ на этот вопрос давно известен профессионалам — на выходах всех модулей ГС необходимо ставить полосовые канальные фильтры. Так делается в блоках ГС высокого класса. Но по причинам, описанным выше, такие фильтры трудно сделать перестраиваемыми, и модули приходится делать заказными, на заданные каналы.

Такие станции, построенные на базе профессиональных модулей, имеют весьма высокие характеристики, но в них трудно изменить частотную расстановку каналов. Кроме того, для целей резервирования в них необходимо иметь полный набор запасных модулей. Это значительно поднимает стоимость создания и эксплуатации таких станций и ограничивает область их применения.

Существует и более простое решение. На входе пассивного сумматора достаточно поставить блок канальных фильтров, настроенных в соответствии с частотным планом сети, и подключить к ним каналообразующие модули.

Схема такого решения показана на рис. 1b. В этом решении можно использовать перестраиваемые модули ГС, поэтому для целей резервирования достаточно иметь в запасе лишь по одному модулю каждого типа.

Канальные же фильтры являются недорогими пассивными устройствами с очень низкой вероятностью отказа, поэтому их наличие практически не снижает общей надежности ГС. Например, для построения сумматоров ГС такого типа фирма WISI выпускает специализированные заказные блоки канальных фильтров марки MCxx Channel Filterbank.

Чтобы проверить эффективность этого решения, сигналы от модулей были просуммированы через такой блок канальных фильтров. Снова были проведены измерения выходного отношения сигнал/шум, все результаты были занесены в таблицу 1.

Анализ результатов показал, что суммирование сигналов с использованием канальных фильтров, подключенных на выходы модулей, практически полностью устранило эффект суммирования широкополосных шумов, что улучшило отношение сигнал/шум для всех каналов на выходе сумматора в среднем на 4,2 дБ.

Потери в отношении сигнал/шум по сравнению с одиночным модулем составили всего 1,2 дБ. Это снижение несущественно и объясняется наличием затухания в канальных фильтрах. Наличие затухания немного снизило уровень полезного сигнала, за счет чего и снизилось отношение с/ш.

С учетом достаточно низкой стоимости канальных фильтров эффект от их применения оказался более чем существенный!

Практические рекомендации

Для создания сумматора ГС с наилучшими шумовыми характеристиками необходимо учитывать следующие соображения:

• Эффект суммирования широкополосных шумов характерен, в первую очередь, для универсальных перестраиваемых модулей.

• Эффект сильнее проявляется при увеличении количества транслируемых каналов.

• Эффект проявляется на всех видах сигналов, как аналоговых, так и цифровых.

• При создании многоканальной головной станции кабельного телевидения высокого класса желательно использовать модули с фиксированными настройками и установленными на выходе канальными фильтрами.

• Если нет возможности использовать модули с фиксированными настройками, то необходимо осуществлять суммирование их сигналов через блок канальных фильтров с частотами, соответствующими частотному плану сети.

• При наличии сложностей с установкой блока канальных фильтров желательно разбить весь диапазон работы ГС на части и осуществить суммирование сигналов в каждом диапазоне отдельным сумматором, а затем объединить их через диплексорные фильтры.

• Использование канальных фильтров при суммировании дополнительно снижает уровень нелинейных искажений в каналах за счет улучшения развязки между выходными усилительными каскадами модулей.

• Суммирование сигналов желательно вести на максимальных уровнях (регуляторы усиления в положениях, близких к максимальным).

Примечание. В связи с большим объемом в статье не приведена полная таблица с результатами измерений параметров, а дана только ее краткая версия. Реально эти цифровые значения вычисляются через полосу анализа спектроанализатора и эквивалентную шумовую полосу канала. Для упрощения на рисунке обозначены эти вычисленные значения.

Вячеслав Чулков, технический эксперт фирмы WISI.

  Авторское  послесловие от 07.2016 

За годы, прошедшие с момента написания статьи, технологии построения модулей головных станций высокого класса значительно продвинулись. Сегодня модуляторы и преобразователи таких станций   чаще всего строятся на базе технологии прямого синтеза сигналов (DDS – Direct Digital Synthesizers), при которой выходной сигнал синтезируется цифровыми методами. Ранее использование этой технологии сдерживалось сложностью ее практической реализации. Но сегодня эти проблемы решены.

Правила суммирования сигналов с таких ГС имеют правила суммирования существенно отличающиеся от станций с преобразованием частоты. Сигналы DDS синтезируются сразу на высоком уровне и имеют очень низкий уровень внеполосных шумов и искажений (до –70 дБс). У них, как правило, отсутствует и широкополосный шум. Поэтому для суммирования таких сигналов применение фильтровых сумматоров не требуется, они не дают заметного улучшения качества сигналов. Поэтому рекомендации некоторых дистрибьюторов о применении для станций с DDS синтезаторами на выходе фильтровых сумматоров, говорят либо о низком качестве предлагаемого DDS оборудования, либо о желании дистрибьютора продать дополнительные аксессуары.

Для станций такого типа достаточно использовать простой широкополосный сумматор как показано на рисунке 1а. В этом случае оператор получает гибкую станцию, любой модуль которой, можно быстро настроить на любую требуемую частоту, без необходимости подбора выходных фильтров.

Но, как показала практика,  для подобных сумматоров критическим является такой параметр как развязка между входами сумматора. При недостаточной развязке между входами, сигналы с соседних модулей попадают на выходы друг друга, что приводит к увеличению перекрестных искажений. По этой причине, например, фирма WISI заменила ранее разработанный для этих целей сумматор DM17 с развязкой ~27 дБ на улучшенный вариант сумматора DM17A с развязкой >40 дБ. При использовании модернизированного сумматора с такой развязкой, ухудшения качества сигналов не наблюдается при любом количестве суммируемых каналов.

© Телеспутник

Комментарии

Оставить сообщение

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*