Предлагаем вниманию читателей заключительную часть материала, посвященного расчетам оптимального выходного уровня усилителей в кабельных сетях, построенных по HFC технологии. В первой части материала рассматривались виды интермодуляционных искажений, а во второй — эмпирические формулы для расчета выходного уровня усилителей в сетях с разной канальной нагрузкой.
Ранее мы выяснили, что в справочных параметрах на усилители приводится 4 вида максимальных выходных уровней: Umax.2 (2 канала, IMA2 = 60 dB), Umax.3 (2 канала, IMA3 = 60 dB), и Umax.CSO (42 канала или N каналов, CSO = 60 dB) и Umax.CTB (42 канала или N каналов, CTB = 60 dB), установили их взаимосвязь и значение каждого из параметров в зависимости от выходного уровня усилителя. Также было определено, что при большом числе каналов (более 20), системные расчеты КРС удобнее (и точнее) проводить через справочные значения CSO и CTB. Остановимся более подробно на этих параметрах.
Для этого обратимся к упрощенной структурной схеме типового усилителя (рис.1), состоящего обычно из каскада (каскадов) предварительного усиления и выходной микросборки. Все заявляемые мощностные параметры (Umax.CSO и Umax.CTB ) определяются выходной микросборкой. Именно ее справочные параметры транслируются на параметры усилителя. Опытные операторы КСКТП и технические специалисты знают, что при использовании одного и того же типа выходной микросборки, разные фирмы–производители заявляют разные выходные параметры усилителей. Связанно это по большей части с гонкой за рекламными цифровыми значениями [4]. Согласно [3], должны заявляться гарантированные максимальные выходные уровни усилителя при которых CSO ≥ 60 dB и CTB ≥ 60 dB. Иными словами, данные требования должны выполняться для любого усилителя данной серии. Так поступают далеко не все производители. Большинство заявляют типовые значения (например, 75% усилителей). Типовые значения обычно на 2-4 dB выше гарантированных (судя по обзору параметров выходных микросборок от разных фирм–производителей). Поэтому при выборе типа усилителя следует поинтересоваться, какое значение заявлено – гарантированное, или типовое. Если в каталоге или паспорте стоит знак «≥» или «≤»,то это гарантированный выходной уровень (или гарантированные максимальные искажения). Если ничего не оговорено (что наиболее часто и встречается на практике), то это типовое значение.
Некоторые фирмы производители также стали приводить еще и максимальные значения рабочего выходного уровня. Такой параметр означает, что только некоторые усилители данной серии (например, 5%) могут обеспечить такой выходной уровень (при оговариваемых CSO и СTB, обычно равных 60 dB).
Самым надежным источником информации о максимальном выходном уровне усилителя являются параметры выходной микросборки (рис.2) Параметры некоторых микросборок, наиболее часто используемых в усилителях от разных фирм–производителей, представлены в табл. 2. Все типы микросборок имеют номимальное напряжение питания +24 В. Параметры всех микросборок приведены к единому критерию искажений в 60 dBс. Необходимо также учесть, что максимальный выходной уровень усилителя (по любому параметру и критерию) будет на 1 dB ниже параметра микросборки за счет реальных потерь на рассогласование и потерь в частотном диплексере (разделение прямого и реверсного каналов). Естественно, что если на выходе усилителя включен сплиттер, то максимальный выходной уровень должен быть понижен еще и на величину вводимых потерь.
В погоне за еще более рекламными цифровыми значениями, некоторые производители указывают максимальный выходной уровень при введенном межкаскадном эквалайзере (рис.1). Действительно, введение межкаскадного эквалайзера позволяет повысить энергетический потенциал усилителя за счет снижения уровней сигналов на входе оконечного каскада, транслируемых на более низких частотах. Энергетический выигрыш, реализуемый за счет предварительного эквалайзирования (42 канала, частотное распределение по [3], полный диапазон 47-862 МГц) для различных значений ослабления представлен в табл.3 [5]. Отметим только, что установка межкаскадного эквалайзера с глубиной эквалайзирования более 9-12 dB не рекомендуется. При этом предварительные каскады усиления (рис.1) будут работать при повышенных входных уровнях, в результате чего может наблюдаться обратный эффект увеличение нелинейных искажений, за счет их добавления уже входными каскадами.
Более того, любое предварительное эквалайзирование приводит к увеличению коэффициента шума усилителя на низкочастотных каналах. Например, для усилителей серии 93218 (Scientific Atlanta) заявлен максимальный выходной уровень Umax.CTB= 113,5 dB (CTB≥60 dB с межкаскадным эквалайзером в 6 dB. Фактически это означает, что Umax.CTB = 111,5 dBµV (см. табл. 4), что совпадает (112 dBµV) с параметрами усилителей GPV 851 и GLV865 (Hirschmann).
Какими же параметрами пользоваться при проведении системных расчетов? Однозначным может быть только один ответ: использовать гарантированные значения и пользоваться приведенными выше формулами. Тем не менее, из опыта проведения проектных работ можно сказать, что вполне допустимо применять и типовые значения при пользовании выше приведенными формулами, т. к. они получены с некоторым технологическим запасом (выведены из условия когерентности накопления искажений). Более того, при проведении расчетов принимаются расчетные выходные значения СТВ и CSO величиной 57 dB, что соответствует [3], а не 54 dB в соответствии с [2]. Все это в совокупности создает определенный технологический запас для рассчитываемых значений СТВ и CSO. Он необходим с учетом погрешности установки выходных уровней усилителей, связанных с реальной погрешностью используемых измерительных приборов, а также климатическими воздействиями, из-за которых выходные уровни усилителей могут увеличиваться на 3…5 dB.
Схема выходного каскада в определенной степени влияет на выбор типа усилителя [5], но не в коей мере не влияет на его рабочий режим, определяемый (выбираемый или рассчитываемый) только справочными параметрами. Если в маломощных усилителях используются интегральные микросхемы, где АЧХ и широкополосное согласование достигается за счет схемотехнических ухищрений, то в усилителях повышенной мощности (Uвых > 117 dBmV) в подавляющем большинстве используются специализированные широкополосные гибридные (сочетание микроэлектроники с дискретными элементами) микросборки, выполненные по схеме PushPull (PP) или Power Doubler (PD). Схема РР является балансной (рис. 3), а PD – двухбалансной , обладающей на 3 dB большим уровнем выходного сигнала. Основными особенностями таких схем являются [4]:
♦ повышенный уровень выходной мощности в сравнении с одиночными каскадами (на 3 dB при идеальных направленных ответвителей);
♦ высокая линейность фазочастотной характеристики, широкополостность при малой неравномерности АЧХ;
♦ высокий коэффициент подавления всех четных гармоник и, как следствие, пониженные значения CSO. За счет двухбалансности, значения CSO у схем PD лучше, чем у схем РР (см. табл. 2);
♦ малый коэффициент возвратных потерь (return loss), гарантированный свойствами НО (выполняется в виде ферритового трансфлюктора). При равенстве выходных импедансов биполярных или полевых транзисторов, входящих в состав микросборки, выходной импеданс равен сопротивлению балансной нагрузки; ♦ возможность реализации малого коэффициента шума при отличном согласовании по входу даже для мощных транзисторов, работающих при повышенных токах (I >100 мА);
♦ малые искажения АЧХ при климатических воздействиях.
В выходных микросборках в качестве дискретных используются биполярные (кремниевые Si) или полевые (арсенидгалиевые GaAs) транзисторы. Последние обладают большей линейностью вольт–амперной характеристики, в следствие чего достигается больший уровень выходного сигнала (при равных токах потребления). Однако, полевые транзисторы значительно более чувствительны к статическим зарядам и кратковременным искровым разрядам (пониженная грозо-молниезащищенность ).
Шумовые параметры усилителей. Анализируя приведенные выше формулы, можно делать логичный вывод, что чем меньше выходной уровень усилителя, тем меньше его нелинейные искажения. Следовательно, достаточно транслировать TВ сигналы при низких входных (выходных) уровнях, и все проблемы будут решены. В действительности это не так. Помимо рассмотренных нелинейных искажений, к КРС предъявляется и другой важный параметр – отношение сигнал/шум (S/N), которое должно быть не менее 43 dB [2] или 44 dB [3]. S/N на выходе абонентской розетки зависит от шумовых параметров самого источника сигнала (например, традиционный TV передатчик наземного телевизионного вещания может обладать S/N = 58 dB и даже менее), шумовых параметров ГС, оптической системы, усилителей, их режимов работы и их числа.
Коэффициент шума является важным параметром усилителя и приводится в его паспортных данных. Что же такое коэффициент шума? Коэффициент шума на некоторой частоте – это есть отношение мощности шума от всех причин на выходе усилителя P∑Ш.вых к части выходной мощности, обусловленной тепловыми шумами источника сигнала PИШ.вых. [6]:
Существует и другое определение коэффициента шума [3]. Коэффициент шума – это отношение несущая/шум на входе (C1/N1) к несущая/шум на выходе (C2/N2) усилителя:
Из теории приведенных определений следует:
♦ коэффициент шума не зависит от сопротивления нагрузки;
♦ коэффициент шума зависит от сопротивления источника сигнала (или от меры согласования усилителя) и шумовых параметров самого усилителя;
♦ коэффициент шума всегда F ≥1; bдеальному (не шумящему) усилителю соответствует F = 1 (0 dB);
♦ чем меньше численное значение коэффициента шума усилителя, тем он лучше, т. е. вносит меньший вклад в снижение отношения S/N по магистрали.
Следует также добавить два важных момента, связанных с коэффициентом шума.
1. При включении на входе усилителя пассивного четырехполюсника с потерями a[dB] (кабель, эквалайзер, аттенюатор и т. п.), эквивалентный коэффициент шума, приведенный ко входу добавленного пассивного четырехполюсника, будет равен сумме потерь пассивного четырехполюсника и коэффициента шума самого усилителя. Эквивалентный коэффициент шума составит:
2. Коэффициент шума каскадно включенных активных устройств, каждый из которых определяется коэффициентом шума Fi, и коэффициентом усиления по мощности Кi, определяется по формуле Фриза [7]:
Из приведенных выше формул (18, 19), не вдаваясь в числовые значения, можно утверждать, что всякое включение межкаскадного предварительного эквалайзирования с величиной ослабления а, вызывает увеличение коэффициента шума усилителя на низкочастотных каналах на (0,2….0,3) • а [dB]. Например, если в магистральном усилителе GLV 865 (Hirschmann) ввести межкаскадный эквалайзер с величиной частотного наклона в 7 dB (предварительное эквалайзирование с целью увеличения энергетики усилителя) и межкаскадный аттенюатор в 7 dB (снижение коэффициента усиления), то его коэффициент шума вместо паспортного 7 dB составит 9 dB на высокочастотных каналах (добавится 2 dB за счет введения аттенюатора) и 11 dB на низкочастотных каналах (дополнительно добавляется 2 dB за счет введения эквалайзирования). Данный фактор необходимо обязательно учитывать при проведении проектных работ.
Приведенный динамический диапазон является удобной величиной для проведения системных расчетов и показывает величину отношения сигнал/шум (S/N), формируемую на выходе усилителя при подаче на его вход идеального нешумящего сигнала [5]:
Легко заметить, что разница Uвых. – К указывает на уровень входного сигнала, подаваемого непосредственно на первый усилительный каскад (т. е. без учета потерь во входных устройствах – аттенюаторе и эквалайзере). Из (20) легко видеть, что чем больше коэффициент усиления усилителя, тем меньшим (худшим) S/N он обладает. Вопрос выбора усилителя с точки зрения оптимальности его коэффициента передачи конкретно освещен в [4] и здесь не рассматривается. Отметим только, что для протяженных магистралей (например, более 7…10 усилителей) при требовании поддержания максимально возможного выходного S/N, необходимо выбрать усилители с возможно меньшим коэффициентом усиления. Однако такое решение является дорогостоящим изза большого числа каскадно включенных усилителей.
Накопление шумов по магистрали. При каскадировании активных устройств с соответствующими собственными S/Ni, суммарное (выходное) S/N∑ составляет:
Под активными устройствами могут пониматься мачтовый усилитель, ГС, оптическая система, магистральные и домовые усилители и т. п. Например, для КСКТП, включающей в состав антенную систему с S/N = 54 dB, ГС с S/N = 54 dB, оптическую систему с S/N = 52,5 dB, три однотипных магистральных усилителя с S/N = 53,6 dB и один домовой усилитель с S/N = 58,6 dB, выходное отношение S/N∑ составит 45,5 dB.
Из (21) следует, что если по магистрали включено n каскадно подсоединенных устройств с одинаковыми режимами работы (см. 21), то суммарное S/N∑ определится как:
Так, при каскадировании двух однотипных усилителей, выходное S/Nе понизиться на 3 dB в сравнении с исходными значениями. Рабочий выходной уровень усилителя устанавливается прежде всего из его функционального назначения. Так, если это домовой усилитель, то он дожжен гарантировать требуемый уровень сигнала на выходах абонентских розеток [8]. Практика расчета КСКТП показывает, что именно домовые усилители вносят максимальный вклад в суммарные искажения за счет высокого выходного уровня [9]. Типовые значения составляют 102…108 dBmV (50 каналов ) и зависит от типа усилителя. Учитывая повышенный выходной уровень, домовые усилители вносят минимальный вклад в суммарное выходное S/Nе (см. формулу (20)). А вот магистральные усилители (их несколько по магистрали) должны вносить минимальный вклад в суммарные искажения CSO и CTB. В силу этого, они работают при пониженных выходных уровнях, например, 92… 100 dBmV (зависит от динамического диапазона усилителя, числа транслируемых каналов и числа усилителей в рассматриваемой цепочке).
На рис.4 показана зависимость допустимых уровней выходного сигнала от числа последовательно включенных усилителей GPV 839 (Hirschmann) при двух значениях коэффициента усиления: 28 dB и 36 dB (для простоты рассуждения сделано предположение, что коэффициент шума и максимальной выходной уровень при смене коэффициента усиления не меняются). Графики построены с использованием формул (12, 22). В качестве критериев выбрано, что CTBmin = 60 dB (верхняя синяя сплошная линия) или CTBmin = 70 dB (синий пунктир). Заметный интервал S/N = 46 dB, т. е. оставлены системные запасы на ГС, оптическую систему и домовой усилитель.
Из анализа рис.4 видно, что при одном усилителе выходной уровень может находиться в пределах 91-102 dBμV (по критерию СТВ = 70 dB) или 91-107 dBμV (по критерию СТВ = 60 dB). При этом нижняя точка (91 dBμV) будет соответствовать условию обеспечения S/N ≥ 46 dB (но с запасом на интермодуляционные искажения в 2 ·11 = 22 dB), а верхняя точка (102 dBμV) – условию обеспечения СТВ ≥ 70 dB (но с запасом по защитному отношению в 11 dB: S/N = 46 + 11 = 57 dB). С увеличением числа усилителей (по оси X отложен логарифмический масштаб) минимальный (красный цвет) и максимальный (синий цвет) допустимые выходные уровни усилителя начинают сближаться (накапливаются шумы и искажения) и имеют точку пересечения, указывающую на максимальное число каскадируемых усилителей. Так, при использовании усилителя GPV 839 с коэффициентом усиления в 36 dB, их максимальное число при каскадировании составляет 10 (СТВ = 60 dB). Это эквивалентно компенсации суммарных потерь величиной в 360 dB. При использовании того же усилителя с коэффициентом усиления в 28 dB, их максимальное число при каскадировании увеличивается до 25, что эквивалентно компенсации потерь величиной в 700 dB(!). При критерии СТВ = 70 dB (синий пунктир на рис.4) максимальное число усилителей составляет 5 (при К = 36 dB). Этот графический иллюстративный пример (рис.4) еще раз показывает важность таких параметров, как максимальный уровень выходного сигнала и коэффициент шума (с учетом коэффициента усиления – приведенный динамический диапазон). Какой же выходной рабочий уровень усилителя является оптимальным? Оптимальным будет являться тот выходной уровень, который обеспечит технологические запасы (в первую очередь, это недостоверность приводимой информации на усилитель и климатические воздействия, особенно сильно сказывающиеся при воздушной подвеске кабеля) как по интермодуляционным искажениям (СТВ и CSO), так и по защитному отношению (S/N), определяемых исходя из системных расчетов, изложенных в настоящей статье. Оптимальный рабочий выходной уровень усилителя определяется по формуле:
(23)
где:
Umax – максимально допустимая величина выходного уровня усилителя, определяемая из условия системных расчетов с точки зрения допустимого СТВ (как правило, CSO обеспечивается на практике за счет использования РР и PD усилителей);
Umin – минимально допустимая величина выходного уровня усилителя, определяемая из условия системных расчетов с точки зрения реализации защитного отношения S/N.
Так, для рассмотренного случая (рис.4) Uвых.опт = 95 dBμV.
Литература.
1. Песков С. Н. Рабочий выходной уровень усилителей в широкопо
лосных телевизионных сетях. «Телеспутник», 2004г., № 2
2. ГОСТ Р 520232003. Сети распределительные систем кабель
ного телевидения. Основные параметры. Технические требования.
Методы измерений и испытаний.
3. European Standard CENELEC EN 50083. Cabled distribution
systems for television, sound and interactive (December 2002).
4. Песков С. Н., Шишов А. К. Современные кабельные сети кол
лективного телевизионного приема (CD носитель, ЗАО «ВЛюкс»),
2002г., 576с.
5. Песков С. Н., Таценко В. Г., Шишов А. К. Выбор усилительного
оборудования при построении кабельных сетей коллективного
телевизионного приема (КСКТП). «Телеспутник», 1999г., № 6
(с.5257), № 7 (с.4652).
6. Песков С. Н., Таценко В. Г., Шишов А. К. Коэффициент шума.
«Телеспутник». Справочник «Кабельное телевидение», 20002001гг.,
с.48, 49.
7. Белоусов А. П., Каменецкий Ю. А. Коэффициент шума. — М., «
Радио и связь», 1981 г., 112с.
8. Шишов А. К. Песков С. Н. Оптимальный уровень сигнала на
выходе телевизионной абонентной розетки. «Телеспутник». Спра
вочник «Кабельное телевидение», 20002001гг., с.43, 44.
9. Песков С. Н., Таценко В. Г., Шишов А. К. Накопление искаже
ний в кабельных сетях. «Телеспутник». Справочник «Кабельное
телевидение», 20002001гг., с.45-47.
С.Н. Песков Теле-Спутник , Апрель 2004
