Расчет и оптимизация уровней напряжений сигналов в распределительных сетях системы кабельного телевидения

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.316.722

РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ УРОВНЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ СИГНАЛОВ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ СИСТЕМЫ КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

В.М. Артюшенко, И.А. Сотников

Осуществлен расчет уровня напряжения на выходе магистрального усилительного оборудования системы кабельного телевидения; показано, что уровень напряжения на выходе магистрального усилительного оборудования определяется допустимым значением отношения сигнал/помеха комбинационных частот, обусловленных взаимодействием несущих частот телевизионного изображения.

In this paper we realize the voltage level calculation on the main amplifying equipment output of the cable television system; We show that voltage level on the the main amplifying equipment output determine by permissible signal-noise ratio value of the combinative frequency conditioned by interaction between television signal carriers.

Цель статьи: определение допустимых

входных и выходных уровней напряжений усилительного оборудования распределительных сетей кабельного телевидения (СКТ), при которых обеспечиваются требуемые отношения сигнал/шум (ОСШ) и сигнал/помеха (ОСП) комбинационных частот 3-го порядка на выходе абонентской розетки.

Основным этапом проектирования распределительных СКТ является расчет уровней напряжений в этих сетях, при которых обеспечивается требуемое качество теле-визионного сигнала на абонентских устройствах.

Критерием качества телевизионного сигнала в распределительных СКТ являются ОСШ и ОСП комбинационных частот 3-го порядка в телевизионном канале на любой абонентской розетке

[1__6]. Эти соотношения составляют не менее 43 и

54дБ по ГОСТ Р 5203-2003 и соответственно не менее 44 и 57дБ по ЕК 50083.

Определим минимальный уровень напряжения сигнала на входе усилительного оборудования (магистральные усилители (УМ), домовые усилители (УД), головная станция (ГС)) распределительной СКТ.

Эта величина, дБ-мкв, может быть найдена из выражения

иштаб = ААВ + АО0 +

+ 101св

Здесь ВАВ = 44 дБ - требуемое ОСШ на выходе

абонентской розетки;

N - число каскадно включенных магистральных усилителей в распределительной сети;

Кш - суммарный коэффициент шума усилительного оборудования, дБ;

ТаТТ1 < 50 — относительная шумовая температура телевизионных антенн;

А60 = 101ов(£?01 а В ') = 2,4

- тепловой шум телевизионного канала, дБмкВ, где к = 1,38-10"23 Дж/гр - постоянная Больцмана; Т0 = 293°К; Р0 = 10-12/75 - опорная мощность, выделяющаяся на нагрузке 75 Ом при действующем напряжении 1 мкВ; Пк = 5,75 МГц - эффективная шумовая полоса телевизионного канала для системы 8ЕСЛМ.

Подставив в (1) численные значения ВЛР и ВТШ, получим:

ит1Паб = 46,4 + 101ов(^ + 2)100,1^ +ТЛТ1}.

На рис. 1 представлены минимальные ориентировочные значения уровней напряжений сиг-

нала на входе усилительного оборудования распределительных СКТ итт вх в зависимости от числа магистральных усилителей (Ы) при различных значениях коэффициента шума Кш.

аав=-2,4-101°ё +В

N

X В,

і=1

ОІ і + АОА "

Рис. 1. Зависимость минимального уровня напряжения сигнала на входе усилительного оборудования от числа магистральных усилителей при различных значениях коэффициента шума Кш

Из приведенных зависимостей видно, что с увеличением длины магистральной линии (числа магистральных усилителей) для обеспечения нормальной работы СКТ уровень напряжений сигнала на входе усилительного оборудования должен также возрастать. Однако увеличение уровня напряжения сигнала на входе, а значит, и на выходе усилительного оборудования приводит к увеличению ОСШ, тогда как возрастание уровня напряжения сигнала на его выходе уменьшает ОСП комбинационных частот.

Таким образом, для нормальной работы СКТ, необходимо определить не только оптимальное число магистральных усилителей, но и оптимальное значение напряжений сигнала на входе и выходе магистрали.

Определим отношение сигнал/шум, дБ, на выходе любой абонентской розетки в сети СКТ:

вания, дБ; К^ , - коэффициент усиления отдельного магистрального усилителя, дБ; Лаб.б1 - разность уровней между ВЧ- и НЧ- каналами на входе магистрального усилительного оборудования, дБ;

А = 100,1

А ОА = 10 ,

где Ё0.оа- коэффициент шума домового усилительного оборудования, дБ; и; оа- выходной уровень домового усилительного оборудования, дБ; Ё ОА- коэффициент усиления домового усилительного оборудования, дБ;

Ады=10т0,1иабАЫ {(дкдг1)х

х 100,1(Ё0 .АТ о +ЁА) +ю0,1Ё0 .Аы } , где иаб.ды - уровень входного напряжения сигнала ГС, дБ; Ё0.ды- коэффициент шума ГС, дБ; ЁА - коэффициент усиления антенного усилителя, дБ; Ё0 оа- коэффициент шума антенного усилителя, дБ; I й - потери в фидере, включая потери на ответвителе и входном аттенюаторе, дБ;

АЛ =10-0диАв, где и АВ - уровень напряжения на выходе абонентской розетки, дБ.

Зависимость относительной шумовой температуры приемной антенны типа «волновой канал» от частоты может быть рассчитана с помощью эмпирического соотношения [5] дк д-1 = 50(50^-1)2 + 0,5, где ^ - несущая частота изображения телевизионного канала, МГц.

Если в гибридных СКТ используются аналоговые спутниковые приемники, то ОСШ на входе абонентской розетки, дБ, может быть определено согласно выражению

Аы +АА], iN ,

где N - число каскадно включенных магистральных усилителей в распределительной СКТ.

Величины, дБ, входящие в правую часть (2), могут быть найдены из следующих выражений:

А =10°,1

А61 i =10 ,

где Ё0.б1 1 - коэффициент шума отдельного магистрального усилителя, дБ; и{ 61 I - выходной уровень магистрального усилительного оборудо-

ІАв=-2,4-101оё

N

XВОІ і'

і=1

+АОА + Вш + АА ] .

Здесь величина выражается в дБ и определяется как

=іо~0,14ай5-хА,

где іайб.хА =101ов(1001(иай5Ё-їб)(5М -1)-1}+29,5

- отношение сигнала к взвешенному шуму на выходе частотного демодулятора спутникового приемника, дБ.

В последнем выражении =Д—ш {1,035(04^і +

і ^ \ і п0,1(Ё6.( -ї о-З0) , ) о}

+Оё.ш )х10 1 ' + 0,3};

Ц/ай 5 ё - уровень напряжения на выходе спутникового конвертора, дБмкВ; Д—^ї - ширина полосы пропускания спутникового приемника, МГц;

О.. ^ї - шумовая температура спутниковой антенны (50°К); - шумовая температура кон-

вертора; Е6щ - коэффициент усиления конвертора, дБ.

Шумовые свойства конвертора могут определяться с помощью шумовой температуры конвертора ОёМ

Коэффициент шума конвертора связан с шумовой температурой выражением

К0 .м =101о8(1+Г6.^ї То 1).

Таким образом, получены соотношения, позволяющие определить ОСШ на выходе абонентской розетки, и показано, что это отношение зависит не только от параметров усилительного оборудования СКТ, но и от условий приема телевизионного сигнала.

Если в СКТ используются аналоговые спутниковые приемники, то величина ОСШ на выходе абонентской розетки в значительной степени также зависит от параметров оборудования этих приемников.

Определим отношение сигнал/помеха комбинационных частот 3-го порядка ВКЗ, дБ, на выходе абонентской розетки.

В общем виде можно записать:

АЁЗ = 60-2иВ1Ч - 201°§Х ( ДАхбг) Х

г-1

Х 100,1

где N - количество каскадно включенного усилительного оборудования в сети кабельного телевидения (СКТВ); иРС - среднеквадратическое значение нестабильности уровней в распределительной СКТ, которое согласно [З] принимается равным 1,5 дБ; Дг - параметр, учитывающий перекос уровней между НЧ- и ВЧ-каналами на выходе усилителей, дБ; ДАЧХ і - параметр, учитывающий неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усилителя; иай5.б г - уровень напряжения на выходе /-го усилительного оборудования, дБ-мкВ; итахо г - максимальный выходной уровень напряжения двух каналов усилителя при ОСП комбинационных частот З-го порядка, равном 60 дБ, согласно [1].

Определим параметры Дг, и ДАЧХ г из следующих выражений:

-Дай5.6/ -Дай5.6/

Дг = [1 -10 7,5 ][(1 - 10)7,5(от-1)]-1,

где Двых У і - разность уровней между НЧ- и ВЧ-каналами на входе усилителя, дБ; т - число каналов в СКТ, включая УКВ ЧМ-диапазоны,

-Д6 і

ДАхб/ = 0,5(1 +10 7,5 ),

где ДУ г - разность между максимальным и минимальным уровнями напряжения на выходе усилителя в рабочем диапазоне частот, дБ, при неравномерности АЧХ, равной ±1 дБ, ДУ г = 2 дБ.

Если считать, что параметры усилителей одинаковые, и не учитывать перекос между НЧ- и ВЧ-каналами и неравномерность АЧХ (г =иай5.о;

итах6І.г = итахб; ДаЙ5.6 г =Д6/ =0), то (4) примет вид [6]

АЁЗ = 60 - 2иВЙ + 2(итах6 - иай5.б) -

-20^N - 15іо§

На рис. 2 показано, как изменяется ОСП комбинационных частот З-го порядка ВКЗ на выходе абонентской розетки в зависимости от числа каналов т и числа каскадно включенных магистральных усилителей N в сети СКТ, включая УКВ ЧМ-диапазоны. При расчете использовались такие значения: итахо = 108 дБ-мкВ; иай5б = 94 дБ-мкВ.

Рис. 2. Зависимость ВК3 от числа каналов при различном числе магистральных усилителей

Из представленных зависимостей видно, что с увеличением числа каскадно включенных магистральных усилителей п и передаваемых по СКТ каналов ОСП комбинационных частот 3-го порядка на выходе абонентской розетки падает.

Если в СКТ используется импортный усилитель, то в этом случае необходимо воспользоваться его паспортными данными.

В этих данных на усилитель указывается максимальный выходной уровень напряжения для заданного числа каналов mk (mk = 36, 42 или 77) при оговоренных значениях отношения сигнала к суммарным помехам комбинационных частот 3-го порядка - CTB (Composite Triple Beat). По стандарту EN 50083 это UCTB. Иногда может быть указан максимальный выходной уровень напряжения двух каналов усилителя при ОСП комбинационных частот 3-го порядка 60 дБ [1]. По стандарту DIN 45004B это Udin [4].

В этом случае максимальные выходные уровни, определенные по указанным стандартам [4], могут быть определены по эмпирическим зависимостям:

Umax о = Uctb + 0,5(CTB - 60) + 7,5log(mk -1),

Umax О = UDIN — 2 .

Таким образом, осуществлен расчет ОСП комбинационных частот 3-го порядка на выходе абонентской розетки распределительной СКТ. Показано, что эта величина зависит не только от числа каналов в СКТ и среднеквадратического значения нестабильности уровней в распределительной сети, но и от таких параметров усилительного оборудования, как разность уровней (перекос) между НЧ- и ВЧ-каналами на его выходе, неравномерность АЧХ и разность между максимальным и минимальным уровнем напряжения на выходе усилительного оборудования в рабочем диапазоне частот.

Определим уровень напряжения на выходе магистрального усилителя СКТ, исходя из допустимого значения ОСП комбинационных частот 3-го порядка, обусловленных взаимодействием несущих частот изображения, распределяемых в каналах СКТ.

Из (4) можно определить выходной уровень усилителя в магистральной линии СКТ:

Uauo.6i Uauo.6A + Umax6i Umax6A + 7 5 X

x log(A6aA6i ) — 10log N +10 x

r,0,1(Umax6A —Uauo.6A —1U EN—)\ —0,75 i\

xlog

Здесь ивых.УД - выходной уровень домового усилителя, дБмкВ; Umax Уд - максимальный выходной уровень домового усилителя, дБ-мкВ; Umax УМ -максимальный выходной уровень магистрального усилителя, дБ-мкВ; ДУд и АУМ - параметры, определяемые из выражений

Д , (і іо Дай5.6А/7,5)(1 10 Дай5.6А/7,5(т 1))-і

Дбі _ (і - 10-Дай5.6І /7,5)(1 - 10-Дай5.6І /7,5(т-1))-1

где ДвыхУД и ДвыхУМ - соответственно разность уровней между НЧ- и ВЧ- каналами на входе домового и магистрального усилительного оборудования, дБ-мкВ; и*РС и КП - параметры, определяемые из выражений

и*вй _Ца + 7,51овК,

Еї _ 0,5( Б*ёз - із).

В последних выражениях В*КЗ - требуемый уровень помех комбинационных частот З-го порядка,

дБ; Вз = 60 дБ;

Е _ 0,5(1 + 10-А6і /7,5).

Если не учитывать перекос между НЧ- и ВЧ-каналами и неравномерность АЧХ, т. е.

Аай5.6А_Аай5.сі _о, то (6) примет более простой вид

иай5.6І _иай5.6А+итах6І -итах6А-10logN+

+101о§(100,1(итах6А-иай5'6А-ивї-Еї) (т-1)-0,75 -1). (7) Если считать, что все каскадно включенные усилители в распределительной СКТ принадлежат к одному типу (Цтах УД = Цпах ум) и имеют один и тот же уровень напряжения на выходе

( Цай5.6А _ Цай5.6І X то из (7) получается известное соотношение [1]:

Цай 5.6І _ Цтах .6І - ЦВЙ - 0,5(іКЗ - 60) -

-7,5 ^

На рис. З представлены уровни напряжения на выходе магистральных усилителей в зависимости от передаваемых каналов т и числа магистральных усилителей N.

Рис. 3. Уровни напряжения на выходе магистральных усилителей в зависимости от их числа в магистральной линии и передаваемых в СКТ каналов при Цпахо! =108 дБ-мкВ; П?с = 1,5 дБ; Вкз = 60 дБ

Выходные уровни определялись исходя из допустимого ОСП комбинационных частот 3-го порядка, обусловленных взаимодействием несущих частот изображения, распределяемых в сети каналов. При расчете учитывалось, что усилительное оборудование в магистральной линии было однотипным и имело каскадное включение.

Как видно из представленных зависимостей, для сохранения требуемого ОСП комбинационных частот 3-го порядка в СКТ, с увеличением количества усилительного оборудования и распределяемых в сети каналов уровни напряжения на выходе усилительного оборудования необходимо снижать.

Полученные выражения (5) и (8) практически полностью совпадают с выражениями для определения значений ОСП комбинационных частот 3-го порядка на входе телевизионного приемника и уровня напряжения на выходе магистрального усилителя, применяемыми ведущими фирмами мира по оборудованию СКТ, такими как ТБББ8ТБ ОУ, ^№М, 1КШ1 и др.

Если в СКТ планируется эксплуатировать магистральное усилительное оборудование различных типов, то в этом случае расчет его выходных уровней необходимо проводить так же, только в (6) и (7) вместо N следует подставлять приведенное значение количества магистрального усилительного оборудования:

N =Х N

у

V

ч

Лу.вых - разность выходных уровней магистрального усилительного оборудования 1-го и /-го типов.

Если в магистральной СКТ планируется использовать всего два типа усилителей, то в этом случае (9) упрощается и принимает вид

(

N* = N + N 2

afio.6i 2

x10

V айо6 1 J

Umax6i 2—А 6айо)

ХШ0,1

где п - число различных типов магистрального усилительного оборудования; Ni - число магистрального усилительного оборудования /-го типа; ишах УМ1 - максимальный выходной уровень напряжения двух каналов магистрального усилительного оборудования 1-го типа при ОСП комбинационных частот 3-го порядка 60 дБ по ГОСТ [1]; ишахб± / - максимальный выходной уровень напряжения двух каналов магистрального усилительного оборудования /-го типа при ОСП комбинационных частот 3-го порядка 60 дБ по ГОСТ [1];

Таким образом, осуществлен расчет уровня напряжения на выходе магистрального усилительного оборудования СКТ.

Показано, что уровень напряжения на выходе магистрального усилительного оборудования определяется допустимым значением ОСП комбинационных частот 3-го порядка, обусловленных взаимодействием несущих частот телевизионного изображения, распределяемых в СКТ каналов.

Получены выражения, позволяющие определять уровень напряжения на выходе магистрального усилительного оборудования в СКТ, которые используют усилительное оборудование различных типов.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 5203-2003. Сети распределительные систем кабельного телевидения. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений и испытаний.

2. Руководящие технические материалы. Крупные

системы коллективного приема телевидения.

РТМ.6.030-1-87. - М.: Минсвязь СССР, 1988.

3. Крупные системы коллективного приема телевидения. Системы кабельного телевидения. Типовые материалы для проектирования. - М.: Минсвязь СССР, 1988.

4. European standard CENELEC EN 50083 - 3, 1994.

5. Болтов К.А. Сигнал и шум в телекоммуникациях.

- Телеспутник, 1996, № 10, с.9 - 10.

6. Постников Г.И. Методические рекомендации по расчету уровней напряжений в сетях кабельного телевидения // Кабельное телевидение 1999 - 2000. Справочник. - М.: Теле-Спутник Медиа, 2000, с.30 - 33.

Поступила 01.11.2005 г.

i=1