Новое
  • [ 26.07.2017 ] Завершились съемки сериала «Последняя статья журналиста» Анонсы
  • [ 25.07.2017 ] «Большой уикенд» на C Music TV посвящается космосу Анонсы
  • [ 25.07.2017 ] «Мультимания» обновляет сетку вещания Новости телекомпаний
  • [ 25.07.2017 ] Исследование компании Nagra выявило приоритет инноваций Аналитика
  • [ 25.07.2017 ] Премьеры на Discovery Channel в августе Анонсы
  • [ 25.07.2017 ] Eurosport продлил эксклюзивные права на «Тур де Франс» до 2023 года Новости телекомпаний
  • [ 25.07.2017 ] TV1000 Premium HD покажет сериал по роману Стивена Кинга Анонсы
  • [ 25.07.2017 ] Выполнение «закона Яровой» грозит сотовым операторам миллиардными штрафами Новости
  • [ 24.07.2017 ] Сверхкомпактные головные станции WISI OM 10 и OM 11 Новинки техники
  • [ 24.07.2017 ] Карпин покидает «Матч ТВ» Новости телекомпаний

Выходной уровень усилителей в широкополосных телевизионных сетях. 1 часть — понятие нелинейных искажений.

Назначение любой Крупной  Системы  Коллективного Телевизионного Приема КСКТП — доставить до абонента качественный сигнал от любого источника (студия, телецентр, спутник или др.). Под словом «качественный» подразумевается, что исходный спектр сигнала не должен претерпевать никаких изменений. На практике это осуществить почти невозможно, особенно при многочастотном воздействии (трансляция нескольких сигналов в едином тракте передачи). Это обусловлено тем обстоятельством, что все устройства, входящие в состав КСКТП (как активные, так и пассивные), вносят нелинейные искажения. Пределы вносимых искажений регламентируются стандартами. Для России это стандарт [4], а для Европы  — стандарт [5].


Виды искажений КСКТП
Все искажения делятся на линейные и нелинейные [6]. К линейным искажениям, прежде всего, относятся неравномерность группового времени задержки (канальные искажения) и неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), которая устраняется введением эквалазирования и специальных корректов АЧХ [1, 6].

Нелинейные искажения в основном обязаны активным устройствам (к которым относятся и усилители) и применительно к КСКТП рассматриваются исключительно при многочастотном воздействии (набор частот w1, w2,..wn). Линейным является такое устройство, у которого выходные воздействия (y) линейно зависят от входных воздействий (x). Иными словами, выполняется условие: y=k•x, где k — постоянная величина. На практике линейных устройств не существует (даже пассивных). Однако с учетом, что доминирующую составляющую в долю нелинейных искажений вносят именно активные устройства, все пассивные устройства принято считать квазилинейными, включая разветвители сигналов, выполненные на ферритовых трансфлюкторах (нелинейная гистерезисная петля).

С увеличением уровня входного сигнала (Pвх, рис. 1) коэффициент передачи усилителя начинает уменьшаться. Физически это можно объяснить так, что входная полезная усиленная мощность начинает перераспределяться на полезную выходную мощность и гармонические составляющие. Максимальная выходная мощность, при которой коэффициент передачи усилителя снижается на 1 dB, именуется 1 dB точкой компрессии и часто приводится в справочных параметрах на транзисторы, микросхемы и усилители.

Нелинейные искажения

Наглядное, хотя далеко неполное представление об этих свойствах можно получить на основании рассмотрения передаточной характеристики усилителя как активного четырехполюсника [7]. Пусть входной сигнал равен x, а выходной — y. Аппроксимируем с помощью степенного ряда Тейлора функцию y=f(x) где f — передаточная характеристика в рабочей точке x0:

   (1)

Здесь f(n)(x0) — производная передаточной характеристики рабочей точке x0.

Ограничиваясь двумя сигналами

   (2)

и первыми тремя производными f, f, f, выходной сигнал можно представить в виде:

y = f(x0) +1/4 f(a12 +a22) + [fa1+1/4 fa1(a12 + a22)]cos +
+ [fa
2 + 1/4 fa2(1/2 a22 + a12)]cosw2t + 1/4 fa12cos2w1t + a22cos2w2t) +
1/24 fa
13cos3w1t + a23cos3w2t) + 1/2 f[a1a2cos(w1 ± w2)t] +
+ 1/8 f[a
12a2cos(2w1 ± w2)t + a1a22 cos(2w1 ± w2)t]…                         (3)

Из приводимого разложения видно, что:

  1. Линейность усилителя (т. е. соотношение y = k x) сохраняется лишь в случае равенства нулю третьей (в общем случае нечетной) производной.
  2. Четные гармоники обусловлены четными, а нечетные нечетными производными.
  3. Суммарные и разностные составляющие обусловлены четными производными.
  4. Комбинационные, или интермодуляционные, составляющие (ИМС) третьего и высших порядков обусловлены нечетными производными (а также четными, если учитывать взаимодействие сигналов на нагрузке).

В терминологии принято, что искажения, определяемые второй производной (и квадратом амплитуды), называют искажениями второго порядка, а искажения, характеризуемые третьей производной (и кубом амплитуды), — искажениями третьего порядка, или интермодуляционными искажениями третьего порядка. В общем случае, при воздействии двух сигналов (например, с частотами fa и fb, рис. 2), комбинационные составляющие появляются на частотах fi = |nfa±mfb|. Сумма коэффициентов т и n (принимают значения 0, 1, 2….) определяет порядок искажений. На практике проводят оценку продуктов искажения только двух первых порядков — IMA2 и IMA3 (IMA —Inter Modulation Amplitude — амплитуда интермодуляции).1

Одним из следствий нарушения линейности является уменьшение коэффициента усиления при возрастании уровня входного сигнала (рис. 1). Действительно, в случае одного входного сигнала x=a1cosw1t    выходной сигнал:   y=ƒ′α1+1/8ƒ′′α12  , а коэффициент усиления: ƒ′+ 1/8ƒ′′α12. Соответственно, падение коэффициента усиления относительно малосигнального  ƒ′, равное 1+ (1/8)*(ƒ′′/ ƒ′ )*α12, будет увеличиваться пропорционально квадрату амплитуды входного сигнала (т. к. f’>0, f’’’

Поскольку выходная мощность основной частоты второй и третьей гармоник возрастает при увеличении входной мощности, соответственно, пропорционально первой, второй и третьей степеням входной мощности, зависимости Рвых = f(Рвхw1) пересекаются при некотором значении входной мощности Pip (рис. 3). Значение точки пересечения позволяет находить уровни гармоник на входе усилителя (транзистора, микросборки) при определенном уровне входного сигнала. Соотношения, связывающие выходные мощности основной частоты (P1w1), удвоенной частоты (P21w1) и ИМС третьего порядка (РИМС, P3w1) с выходной мощностью основной частоты в точке пересечения Pip (Intercept Point) имеют вид:

P2w1 = 2P1w1 — Pip (dBm);

PИМС = P3w1 = 3P1w1— 2Р1       (4)

Характерно отметить, что входная мощность, при которой коэффициент усиления ВЧ усилителя уменьшается на 1 dB, по сравнению с малосигнальным значением (данный вид измерения легко осуществить на практике, в силу чего часто приводится в справочных параметрах на транзисторы и микросхемы), на 9 dB меньше, или выходная мощность в точке пересечение Pip = P1dB + 9 (dBm).

Нарушение линейности усиления в случае многочастотных сигналов (что и наблюдается на практике в КСКТП) может привести к нежелательным последствиям, таким, например, как искажения закона модуляции входного сигнала за счет гармоник частоты модуляции и прямой частоты мешающего сигнала на входной сигнал (перекрестная модуляция).

Таким образом, на основании проведенных рассуждений (3) можно сделать вывод: при увеличении (уменьшении) выходного уровня сигнала усилителя на DdB интермодуляционные составляющие 2-го порядка (IMA2) повышаются (понижаются) также на DdB, а интермодуляционные составляющие 3-го порядка (IMA3) повышаются (понижаются) на 2 DdB.

Нелинейные искажения в свою очередь можно разделить на канальные и диапазонные.

Канальные искажения присущи канальным усилительным устройствам — мачтовым канальным усилителям и канальным усилительным (конвертирующим) модулям головной станции (ГС). Согласно [4], канальные интермодуляционные искажения (IMA111к — отношение радиосигнала изображения к помехам комбинационных частот третьего порядка, обусловленных взаимодействием радиосигналов изображения, звукового сопровождения и цветовой поднесущей) измеряются методом трех несущих (рис. 4), имитирующих несущую изображения (fa), несущую звука (fc) и поднесущую цветности (fb), и не должны превышать -54 dBc (dBc — уровень помехи в децибелах относительно несущей — car-rier). При разнице между несущими звука и изображением в 6,5 Мгц (стандарт OIRT, Россия) формируемые искажения IMA111k (P3f = fa + fb — fc и P3g = fa — fb + fc, рис. 4) будут симметрично отстоять относительно несущей частоты изображения fa на (2,07 Мгц. При практических измерениях составляющая P3f (рис.4) частично подавляется самим канальным фильтром. При расчете искажений надлежит пользоваться формулой:

IMAШк = IMAк + 2(Umax.3к — Uвых.        (6)

где: — Umax.3к — справочный максимальный уровень выходного сигнала на канальный усилитель (или модуль ГС), оцениваемый по данному критерию интермодуляционных искажений IMAк (обычно 54 dB);

— Uвых — устанавливаемый рабочий уровень выходного сигнала усилителя.

Пример 1. а) Какой уровень искажений появится на выходе мачтового канального усилителя УКД — С35 («Стандар Телеком») с Umax.3к = 113 dBµV (IMAк = 54 dB) при установке рабочего выходного уровня Umax.3к = 100 dBmV?

б) Какой максимальный уровень сигнала Uвых.max может быть установлен на выходе того же усилителя для достижения IMAШк = 60 dB?

Решение: а) Согласно (6), IMAШк = 2(Umax.3к — Uвых) = 54 + 2(113 — 100) = 80 dB.

б) Преобразуем (6) к удобному для расчета виду:

 

При каскадировании канальных устройств с разными IMA111k суммарные искажения IMASк вычисляются по формуле:

   (7)

Из формулы (7) следует, что при каскадном (последовательном) включении 2-х активных устройств с равными IMA111k суммарное выходное IMASк понизится на 6 dB.

Канальные искажения, измеряемые на выходе абонентской телевизионной розетки, в основном, обязаны только мачтовым усилителям и самим модулям ГС (магистральные и домовые усилители практически не вносят канальных искажений в силу значительно большего динамического диапазона). Из этого следует вывод, что если в составе антенного оборудования КСКТП предусмотрены мачтовые усилители, то величину выходных уровней канальных модулей ГС необходимо понизить отросительно справочного значения на величину, учитывающую вносимые канальные искажения антенными усилителями.

Диапазонные искажения присущи широкополосным усилительным устройствам и разделяются на следующие виды [6]:

  • интермодуляционные искажения второго порядка — IMAIIв;2
  • интермодуляционные искажения третьего порядка — IMAIIIв;2
  • кроссмодуляция.

Искажения второго порядка (IMA2) измеряются методом двух несущих (рис. 2). Плавно увеличивают уровень сигнала на входе усилителя, сформированного из двух немодулированных несущих равной амплитуды, до появления интермодуляционных искажений, лежащих ниже основного сигнала на 60 dB [4,5]. Уровень сигнала, соответствующий достижению интермодуляционных составляющих второго порядка величиной 60 dBc, является максимальным выходным уровнем (по критерию IMA2 = 60 dB), обязательно приводимым в паспортных параметрах на усилитель (Umax.2).

Искажения второго порядка (IMA2), возникающие на выходе усилителя при установке рабочего выходного уровня величиной Uвых, определяются по формуле:

IMA2 = 60 + (Umax.2. — Uвых.)            (8)

Искажения третьего порядка (IMA3) измеряются методом двух несущих (рис. 2) и методом трех несущих равной амплитуды (рис. 5, fa, fb и fc).

Наихудший случай измерения является максимальным выходным уровнем (по критерию IMA = 60 dB), обязательно приводимым в паспортных данных на усилитель (Umax.3). Именно на данный параметр прежде всего обращают внимание операторы кабельных сетей при приобретении усилителя.

Искажения третьего порядка (IMA3), возникающие на выходе усилителя при рабочем выходном уровне Uвых, определяются по формуле:

IMA 3 = 60 + 2(Umax.3 — Uвых)               (9)

Пример 2. Определить значения IMA2 и IMA3 для усилителя УМ-GPV 85IR («Стандар Телеком») со справочными Umax.2 = 118 dBµV и Umax.3 = 126 dB (V (IMA2 = IMA3 = 60 dB) при Uвых = 110 dBµV (2 канала).

Решение. Используя формулы (8) и (9), получим:

IMA2 = 60 + (Umax.2 — Uвых.) = 60+ (118 — 110) = 68 dB

IMA3 = 60 + 2 (Umax.3 — Uвых.) = 60 + 2(126 — 110) = 92dB.

Из приведенного численного примера видно, что при малом числе транслируемых каналов определяющими являются искажения второго порядка (см. также (3) и рис. 3). Важно отметить, что Umax.2 всегда меньше Umax.3, другими словами, при двухчастотном воздействии (а также при малом числе транслируемых каналов) любой выходной уровень дает усиление амплитуды. IMA2 всегда больше любой из амплитуд IMA3 (см. рис. 3).

Также можно заметить, что для диапазонных усилителей с полосой пропускания менее октавы (например, диапазон МВIII, где fв/fн = 230/174

При каскадировании усилителей искажения IMA2 и IMA3 накапливаются по законам:

   (10)
   (11)

Из формул (10) и (11) видно, что при каскадировании 2-х усилителей с равными IMAi суммарное IMA2S понижается на 3 dB, a IMA3S— на 6 dB.

Следует отметить важный момент: часто на усилители (а также выходные микросборки) приводят максимальный выходной уровень сигнала Umax.3 (IMA3 = 60 dB), измеряемый по стандарту DIN 45004-B (раздел 6.3), а не по EN 50083-3. Согласно DIN 45004-B, интермодуляционные искажения третьего порядка (IMA3) измеряются методами 3-х немодулированных несущих неравной амплитуды (рис.6). Измерения осуществляют с разносами частот, приведенными в табл.1. Амплитуда IMA3 измеряется на частоте fp — 2 МГц (fp + fq — fr). Измерения осуществляют в высокочастотном участке заявляемого диапазона частот. Например, на выходную микросборку BGS 8622D [8] (аналог широко применяемой микросборки BGD 902, Philips) заявлен выходной уровень Umax.3 = 127 dBµV (IMA3 = 60 dB) по DIN 45004-В. При этом используются следующие измерительные частоты: fp = 851.25 МГц и fr = 860.25 МГц. Отсчет IMA3 осуществляют на частоте fd = fp + fq — fr = 849.25 МГц.

Cигнал Частота Уровень
fp f Vp = V0
fq f + 7 МГц Vq = V0 — 6 dB
fr f + 9 МГц Vr = V0 — 6 dB

Обзор информации по микросборкам от разных производителей, а также испытания, проведенные лабораторией ЗАО «Стандар Телеком», показывают, что разница заявляемых максимальных выходных уровней составляет 1,5…3,0 dB. Очевидно, что требования по EN 50083-3 являются более жесткими. Так, максимальный выходной уровень микросборки BGS 8622D, измеренный по [5], составляет 125 dBmV вместо 127 dBmV по DIN 45004-B.

В силу вышеизложенного, при выборе типа усилителя следует обращать внимание на ссылку, согласно какой методике измерения заявляется максимальный выходной уровень усилителя.

Кроссмодуляция (Crossmodulation). И наконец, несколько слов о кроссмодуляции. Этот параметр характеризует степень паразитной модуляции полезного канала другим (другими) каналом (каналами), произвольно отстоящим по частоте в рабочем диапазоне частот. Методика измерения кроссмодуляции (XMOD) распространяется на всю кабельную распределительную сеть (КРС) и предусматривает метод двух несущих со входа ГС (рис. 7), одна из которых является немодулированной (измеряемый канал), а вторая модулируется по амплитуде НЧ генератором частотой 15 кГц (100% модуляция или несколько меньшая, с поправочным коэффициентом при расчете). Кроссмодуляцию (отношение полезного сигнала к перекрестной помехе) вычисляют в децибелах как разность уровней напряжения низкочастотного сигнала во втором (мешающем) и первом (измеряемом) каналах распределения. Измерения проводят в смежных каналах распределения с наименьшим разносом несущих частот.

Избавиться от кроссмодуляции невозможно ни правильной частотной расстановкой каналов, ни последующей фильтрацией. Кроссмодуляция на экранах телевизионных приемников проявляется в виде наложения одного канала на другой. Особенно это заметно при темных фоновых картинках (в системах PAL и SECAM используется негативная модуляция).

Отметим, что уровень кроссмодуляции, согласно [4], должен быть не менее 46 + 10lg(N — 1) dB, где N — общее число телевизионных каналов, используемых в КРС. Коэффициент 10lg(N — 1) учитывает эффект уменьшения отношения сигнала к перекрестной помехе с увеличением числа распределяемых в КРС телевизионных каналов. Так, для N = 40, XMOD (62 dB (!).

При каскадировании усилителей кроссмодуляция накапливается по закону, аналогичному (11):

   (12)

Фактически это означает, что требования отечественного стандарта [4] на практике почти никогда не будут выполняться. Для сравнения с европейским стандартом [5] отметим, что даже в его последней версии (май 2002г. [5]) так и не утверждено требование к кроссмодуляции. Не пришли к общему мнению по данному параметру и члены Ассамблеи CENELEC в июне 2003-го г. (хотя и появился новый раздел EN 50083-11, в котором отражены требования к уровням сигналов и отношению несущая/шум на выходах приемных антенн наземного и спутникового вещания для аналоговых и цифровых сигналов).

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Песков С.Н., Таценко, Шишов А. К. Накопление искажений в кабельных сетях. «Телеспутник». Справочник «Кабельное телевидение», 2000 — 2001гг., с.45-47.
  2. Постников Г. Нелинейные искажения 3-го порядка в широкополосных усилителях систем кабельного телевидения. Сравнение методов измерений. «Телеспутник». Справочник «Кабельное телевидение», 2002г., с.29, 30.
  3. Песков С.Н., Таценко В. Г., Шишов А. К. Выбор усилительного оборудования при построении кабельных систем коллективного телевизионного приема (КСКТП). «Телеспутник», 1999г., №6 (с.52-57), №7 (с.46-52).
  4. ГОСТ Р 52023-2003. Сети распределительных систем кабельного телевидения. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений и испытаний.
  5. European Standard CENELEC EN 50083: Cabled distribution systems for television, sound and interaсtive (v. may, 2002).
  6. Песков С. Н., Шишков А. К. Современные кабельные сети коллективного телевизионного приема (CD носитель, ЗАО » В-Люкс»), 2002г., 576с.
  7. Шварц Н. З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах — М., «Радио и связь», 1987, 200с.
  8. catv-shanghaiqianjin.com

 

С.Н. Песков  Теле-Спутник. Март 2004 г

Комментарии

Оставить сообщение