Влияние изменения параметров высокочастотных кабелей на характеристики распределительной сети системы кабельного телевидения

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.315

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КАБЕЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ СИСТЕМЫ КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

В.М. Артюшенко

Осуществлен анализ влияния изменения затухания высокочастотных коаксиальных кабелей на характеристики распределительной сети системы кабельного телевидения; показано, что наибольшее влияние на эти характеристики оказывает изменение затухания высокочастотных кабелей под воздействием перепадов температуры внешней среды на высшей частоте диапазона СКТ.

In this paper analysis of the high frequency attenuation change in the coaxial cable impact on the distributional cable TV system performance is realized;.we demonstrate that high frequency attenuation change in the coaxial cable under temperature drop conditions on the highest frequency of the cable TV system frequency band influence on the distributional cable TV system performance maximally.

Важнейшими пассивными элементами в сети системы кабельного телевидения (СКТ) являются коаксиальные кабели. Их качество и надежность существенно влияют на основные показатели СКТ в процессе ее эксплуатации.

Кабель должен обладать:

достаточно низким затуханием в верхней точке рабочего диапазона частот (от этого параметра зависит протяженность магистралей);

высокой долговременной стабильностью параметров;

высоким коэффициентом радиоэкранной защиты (особенно важный параметр при воздушной прокладке в городских условиях);

однородностью волнового сопротивления; достаточной механической и влагостойкостью; малым сопротивлением центральной жилы и экранной оплетки постоянному току (при дистанционном питании);

низкой стоимостью.

Согласно расположению кабелей в структуре сетей СКТ, можно выделить следующие их группы: магистральные; распределительные; абонентские.

Главную роль в распределении сигнала играют магистральные кабели. Они должны харак-

теризоваться весьма низким коэффициентом затухания при передаче сигналов, а также хорошей электропроводимостью для тока, питающего линейные усилители. Внутренняя структура магистральных кабелей должна обеспечивать полную гидроизоляцию, что особенно важно при прокладке подземных магистралей.

В табл. 1 и 2 представлены параметры магистральных кабелей классов QR (Quantum Reach) и P3 (Parameter III) фирмы CommScope, получивших наибольшее распространение на отечественном рынке СКТ [1].

Оба класса кабелей, представленных в этих таблицах, условно разделяются на два типа: для воздушной и подземной (в коммуникационных колодцах) прокладки. Кабели с двойной полиэтиленовой оплеткой допускается зарывать непосредственно в землю. При необходимости используется кабель и с дополнительной бронированной оплеткой.

Параметры кабелей от фирмы CommScope для домовых сетей и малых субмагистралей представлены в табл. 3 [1].

Кабели со стандартной экранировкой выпускаются с плотностью экранной оплетки от 67%

до 95%. Это позволяет реализовать коэффициент радиоэкранной защиты не менее 75 дБ в диапазонах метровых волн и не менее 65 дБ в диапазоне дециметровых волн (требование СЕКЕЬЕС ЕК 50083) с плотностью оплетки в 67% и не менее 85 дБ (класс А согласно ЕК 50083-4) в полном ТВ-диапазоне (5...1000 МГц). Кабели с суперэкранировкой обладают коэффициентом радиоэкранной защиты не менее 110 дБ.

Во всех типах кабелей использована поливинилхлоридная оболочка и диэлектрик из вспененного полиэтилена низкого давления. Это позволяет обеспечить малые погонные потери, неизменность всех эксплуатационных параметров в течение долгого времени (все приводимые параметры учитывают 10-тилетнее старение), возможность эксплуатации при низких температурах

Таблица 1. Характеристики магистральных кабелей

(до -30°С), а также позволяет реализовать малый радиус изгиба (5.7 см) с сохранением высокого коэффициента возвратных потерь (не менее 22.26 дБ).

Во влагоустойчивом кабеле использована гелиевая изоляционная прослойка, препятствующая проникновению влаги внутрь кабеля и повышающая его коррозионную стойкость. Кабель со стальным тросом рассчитан на суровые условия эксплуатации с учетом максимального провисания в 1 м при длине пролета до 150 м в условиях его обледенения. Двойной кабель удобно использовать для трансляции 8ЛТ-сигналов разных поляризаций или при комбинированном варианте (ТУ+8ЛТ).

В процессе укладки распределительные и абонентские кабели должны соответствовать вы-

Параметр 320 540 ю <л я 860 1125 РЗ 412 РЗ 500 РЗ 565 РЗ 625 РЗ 700

Диаметр центрального проводника, мм 1,8 3,15 4,22 5,16 6,68 2,26 2,77 3,28 3,48 4,14

Диаметр диэлектрика, мм 7,47 13,03 17,42 21,03 27,46 9,19 11,43 13,2 14,3 16,64

Диаметр внешнего проводника, мм 8,13 13,72 18,16 21,84 28,58 10,46 12,7 14,4 15,88 17,86

Внешний диаметр, мм 10,03 15,49 19,94 24,38 31,12 11,99 14,22 15,9 17,4 19,40

Диаметр стального троса, мм 2,77 2,77 4,78 4,78 - 2,77 2,77 2,77 2,77 4,78

Максимальные погонные потери кабеля при Т=20°С, дБ/100 м:

Р = 5 МГц 0,79 0,46 0,36 0,30 0,23 0,65 0,52 0,46 0,43 0,36

F = 50 МГц 2,62 1,44 1,15 0,98 0,72 2,16 1,71 1,48 1,38 1,12

Р = 250 МГц 6,10 3,38 2,66 2,30 1,77 5,05 3,94 3,38 3,28 2,59

F = 450 МГц 7,90 4,59 3,67 3,12 2,46 6,92 5,35 4,59 4,43 3,54

Р = 600 МГц 9,78 5,38 4,30 3,61 2,92 8,10 6,27 5,38 5,18 4,17

Р = 865 МГц 11,87 6,56 5,31 4,36 3,64 9,87 7,68 6,56 6,33 5,15

Р = 1000 МГц 12,76 7,12 5,74 4,72 3,94 10,73 8,27 7,12 6,79 5,54

Коэффициент укорочения, % 87 88 88 88 88 87 87 89 87 89

Минимальный радиус изгиба, мм 76,2 102 127 178 254 152 89 127 114 165

Таблица 2. Сопротивление проводника постоянному току при Т = 20°С, Ом/км

Тип проводника 320 540 715 860 1125 РЗ 412 РЗ 500 РЗ 565 РЗ 625 РЗ 700

Омедненное покрытие:

центральный 10,76 3,34 1,9 1,33 0,79 6,79 4,40 3,15 2,76 1,93

внешний 3,25 1,94 1,37 1,04 0,59 1,64 1,24 1,12 0,75 0,82

суммарная петля 14,01 5,28 3,27 2,37 1,38 8,43 5,64 4,26 3,51 2,75

Сплошная медь:

центральный 6,96 2,20 1,25 0,82 - 4,10 2,72 - 1,84 -

внешний 3,25 1,94 1,37 1,04 - 1,64 1,24 - 0,75 -

суммарная петля 10,21 4,14 2,61 1,86 - 5,74 3,96 - 2,59 -

соким требованиям к эластичности и сопротивляемости к изменению параметров (в частности, коэффициента экранирования). Функцией конструкции наружного проводника является экранирование кабеля. Магистральные кабели с наружным проводником, изготовленным в виде непрерывной металлической трубы, практически не дают излучения. Учитывая определенные механические требования к кабелям, применяемым внутри зданий, невозможно использовать цельный жесткий экран.

Как правило, применяется лента из полистирола, ламинированная с двух сторон алюминием, а в качестве второго слоя используют оплетку из медно-оловянной (Cu-Sn) или алюминиевой (Al) проволоки. Такая комбинация характеризуется хорошим экранированием при сохранении соответствующей эластичности. Если требуется больший коэффициент экранирования, то применяется дополнительная лента (tri-shield) или дополнительная лента и оплетка (quad-shield). Как и в магистральных кабелях, в целях обеспечения низкой затухающей способности диэлектрик изготавливается из вспененного азотом полиэтилена.

Исследования абонентских кабелей показали, что основной проблемой является ухудшение параметров (главным образом, коэффициента экранирования) вследствие напряжений, возникающих в процессе монтажа. Для предотвращения этого применяются специальные внутренние проводники, изготовленные из прочного плакированного медью металлического провода, надежно соединенного с диэлектриком. Они отличаются хорошей проводимостью высокочастотных сигналов и значительной сопротивляемостью к растяжению.

В случае необходимости применения дополнительной гидроизоляции распределительные и абонентские кабели покрываются слоем полиизобутилена. При внутренних инсталляциях наружную оболочку данных кабелей изготавливают из ПВХ белого цвета, при наружных - из черного полиэтилена. Существуют также совмещенные с телефонными проводами абонентские кабели, значительно снижающие стоимость монтажа при совместной установке кабельного телевидения и телефона.

Учитывая, что кабель, применяемый в распределительной СКТ, играет далеко не последнюю роль в ее работе, значительный интерес представляет исследование влияния изменения параметров кабеля на работу распределительной СКТ в целом. Для этого был проведен анализ влияния изменения затухания кабеля на характеристики СКТ, вызванного как увеличением его рабочей частоты, так и изменениями параметров кабеля вследствие перепадов температуры внешней окружающей среды.

Проанализируем влияние изменений затухания высокочастотных коаксиальных кабелей на характеристики распределительной сети кабельного телевидения.

Зависимость затухания коаксиального кабеля Ак, дБ от частоты, получившая название частотный ход затухания, в общем случае можно описать выражением [2, 3]

Ак = аР + ЬР°,5 + с ,

где а, Ь и с - коэффициенты, зависящие от конкретного типа кабеля, от его конструктивного исполнения (как правило, они приводятся на погонную длину кабеля в 100 м).

Таблица 3. Параметры домовых и малых субмагистральных кабелей

Марка кабеля

Параметр F 59.. BV; F 59.. BVM; F 59.. BEF

Диаметр центрального проводника, мм 0,81 1,02 1,3 1,63

Диаметр диэлектрика, мм 3,66 4,57 5,72 7,00

Диаметр экранной оплетки, мм 3,84 4,75 5,89 7,29

Внешний диаметр, мм 6,1 6,91 8,08 10,03

Диаметр стального троса (одиночный / двойной кабель), мм 1,3/1,83 1,3/1,83 1,83/2,72 1,83/2,72

Максимальные погонные потери кабеля при Т=20°С, дБ/100 м:

{ = 5 МГц 2,82 1,9 1,54 1,25

f = 55 МГц 6,73 5,25 4,10 3,15

f = 250 МГц 13,45 10,82 8,40 6,72

f = 450 МГц 17,72 14,43 11,35 9,02

f = 600 МГц 20,34 16,73 13,28 10,43

f = 865 МГц 24,67 20,01 16,17 13,05

f = 1000 МГц 26,64 21,49 17,45 14,27

Коэффициент укорочения длины волны 85 %

Коэффициент а характеризует отклонение частотного затухания кабеля от линейного закона (рис. 1). Чем меньше этот коэффициент, тем ближе данный вид кабеля к идеальному кабелю. На этом рисунке представлена зависимость затухания «идеального» и реального коаксиального кабеля (марка ШбОБУ) от приведенной частоты (№;)0’5, где ^ = 862 МГц [3].

Коэффициент Ь характеризует высокочастотные свойства кабеля, т.е. его погонные потери на каждые 100 м длины. Чем меньше этот коэффициент, тем меньшими потерями обладает кабель.

Коэффициент с указывает на величину потерь кабеля по постоянному току, т. е. на нулевой частоте Данный параметр не оказывает влияния на частотный ход затухания кабеля, он значим только при использовании в СКТ дистанционного питания.

Знание частотных коэффициентов а, Ь и с позволяет с высокой точностью рассчитать затухание кабеля на произвольной частоте Однако в большинстве случаев производитель не указывает частотные коэффициенты затухания кабеля. Для их определения достаточно знать значения погонных затуханий кабеля Ан и Ав соответственно на нижней и на верхней ^в частотах рабоче-

го диапазона, а также величину петлевого сопротивления кабеля Лк, приведенного на погонную длину 100 м. Все эти три параметра могут быть либо взяты из справочных данных на конкретный коаксиальный кабель, либо измерены экспериментально.

Частотные коэффициенты рассчитываются по формулам

а = [^н0,5(Ав - с) - ^0,5(Ан - с)]х

Х[^в^н0,5 - ^в0,5 ]-1,

Рис. 1. Зависимость затухания коаксиального кабеля от частоты

Ь =[ Рв (Ан - с) - (Ав - с)]Х

*[РвРн0,5 - РнРв0,5 ]-1,

с = -20^ [Я,(Як +^0)-1 ] ,

где Я0 = 75 Ом - характеристическое сопротивление кабеля.

Для примера в табл. 4 приведены справочные значения петлевых сопротивлений Як и погонных потерь Ан и Ав некоторых типов коаксиальных кабелей компании Ме&аЬтк, соответствующие трем распространенным классам на частотах 55 МГц и 862 МГц соответственно [2, 3]. Расчетные значения частотных коэффициентов а, Ь и с и погонных затуханий этих кабелей приведены в табл. 5.

Часто при решении практических задач для расчета затухания погонных потерь «идеального» кабеля удобно пользоваться выражением Ад = ЬР0,5, позволяющим вычислять затухания кабеля А2 на произвольной частоте Р2 через известное (или справочное) значение его затухания А1 на частоте Рь

А2 = А( Р2/ РО0,5.

Таблица 4. Справочные значения сопротивлений Як и погонных потерь Ан и Ав

Класс кабеля Марка кабеля Назначение Сравнительные значения на 100 м

Як, Ом &, МГц Ан, дБ Гв, МГц Ав, дБ

дя-540 М 1590 БУ Магистральный 1 ,85 55 1,81 870 7,54

ЯО-11 М 1160 БУ Домовой 6,0 55 3,15 870 13,07

ЯО-6 М 660 БУ Абонентский 12,8 55 5,25 870 20,08

Таблица 5. Расчетные значения частотных коэффициентов и погонных затуханий

Марка кабеля Частотные коэффициенты Погонное затухание, дБ/100 м, на частотах, МГц

а Ь с 5 30 48,5 65 87,5 300 862 2150

М1590 БУ 0,0015 0,2045 0,2117 0,68 1,38 1,68 1,96 2,25 4,20 7,50 12,9

М1160 БУ 0,0039 0,3058 0,6685 1,37 2,46 2,95 3,39 3,87 7,13 13,00 23,21

М 660 БУ 0,0050 0,4861 1,3687 2,48 4,18 4,94 5,25 5,61 6,36 11,30 34,72

Зависимости коэффициента затухания коаксиальных кабелей, применяемых в СКТ, от частоты представлены на рис. 2 [4].

Затухание кабеля, дБ, произвольной длины будет связано с его погонным затуханием Ао, дБ,

т.е. приведенным к длине 100 м, соотношением Л = Ь(Ао /100), где Ь - длина коаксиального кабеля, м.

Как известно, наибольшее влияние на характеристики распределительной сети оказывает изменение затухания высокочастотных кабелей под воздействием перепадов температуры внешней среды на высшей частоте диапазона СКТ.

В общем случае температурная зависимость изменения затухания кабеля может быть описана выражением

Ах = АГ0 [1 + К,(Т - 70)],

где Ах - затухание кабеля, дБ, при рассматриваемой температуре Т, отличной от нормальной температуры То = 20оС; АТо - затухание кабеля, дБ, при То = 20оС; К - температурный коэффициент (как правило К >> 0,002).

На рис. 3 представлены зависимости погонных потерь коаксиальных кабелей от частоты при различных температурах окружающей среды.

3. Зависимость погонного затухания коаксиального кабеля длиной 100 м от частоты при различных температурах внешней среды, где: 1 - кабель марки М1160ВУ; 2 - кабель марки РК 75-17-13С

Из зависимостей видно, что разность изменений затухания в диапазоне температур на одних и тех же частотах может достигать значительных величин. Причем, с увеличением частоты эта разность возрастает. Т>ТЛ П С ^ П ^ 1 Затухание кабеля, дБ, одно!о ^асж^г»?^ / “ А стральной линии протяженностью Ьу, м, на частоте ,МГц, при температуре ty0 С, может быть

Ю“3(Г,

>]

Рис. 2. Зависимость коэффициента затухаНИЯО" часто -ты коаксиальных кабелей СКТ при температуре 20 °С

найдено из выражения

где А о - затухание 1 м кабеля на частоте МГ ц,

при температуре = 20°С.

В зависимости от частоты затухания регулятора наклона (PH) АЧХ усилителя определяется по формуле

-2

РК 75-'

АРН.х = А0Ьу [1 + 1,5 "10 (,р ,0)]Х

х( - ^ )5,

где ,р - расчетная температура внешней среды, равная среднему арифметическому между максимальной (,+) и минимальной (,_) температуры:

,р = 0,5 (,+ -,-).

Суммарное затухание, дБ, кабеля и регулятора наклона одного участка магистральной линии при расчетной температуре ,р не зависит от частоты и определяется по формуле

АУ Р = Ау х.р + АРН.х = А0 Ьу Х

х[1 +1,5• 10-3(,р -,0)](вЦ-1)0,5.

Для телевизионного канала, имеющего Цв, максимальное изменение суммарного затухания, дБ, одного участка магистральной линии при изменении температуры от ,р до , ± выражается в виде

Ау.х = А0Ьу (FвЦ-1 )0,5 [1 +1,5 • 10-3(,р - ,0)] .

При ,р затухание участка магистральной линии равно усилению Ау магистрального усилителя и при ,± изменение затухания, дБ, составит следующую величину:

Ау± =±Ау0,75 •10-3(,+ -,-).

Зависимости изменения затухания участка магистральной линии от перепада температур при различных значениях величины усиления магистрального усилителя представлены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость изменения затухания участка магистральной линии от перепада температур при различных значениях величины усиления магистрального усилителя

Если принять, что при прокладке кабеля в канализации (t+ - t-) = 20° C, a Ау = 20 дБ, то Ау± = ± 0,3 дБ. При подвеске кабеля на открытом воздухе (t+ - t) = 100° С и А± = ±1,5 дБ.

В течение срока службы коаксиальных кабелей (15.20 лет) затухание кабелей возрастает в среднем на 0,1 дБ/дБ, что необходимо учитывать при осуществлении эксплуатации распределительной СКТ.

Изменение уровня сигнала на, дБ, выходе магистральной линии, состоящей из пм участков, составит

Дим = пмАу±=±Амр0,75• 10~3(?+-, ),

м м у± м.р ’ V + - / ?

где Ам.р - затухание магистральной линии на частоте Цв при температуре ,р.

На рис. 5 представлены зависимости изменения отношения сигнал/шум на выходе магистральной линии, состоящей из пм участков, при изменении температуры ,± .

Рис. 5. Зависимости изменения отношения сигнал/шум на выходе магистральной линии, состоящей из п участков, при изменении температуры ,±

Из представленных зависимостей видно, что при определенных условиях эти изменения могут носить существенный характер.

Выходной уровень сигнала, дБ, субмаги-стральной линии изменится:

Д исм = ПСМ Ау.СМ = ± АСМ 0,75 •10 (,+ - ,- ) .

Общее изменение уровня распределительной сети, равное сумме изменений магистральной линии и субмагистральной линии, будет выражено в виде

Дирс = Дим + Дисм .

Приняв для приблизительной оценки допустимое изменение уровня на выходе распределительной сети равным 3 дБ, можно получить максимально допустимое суммарное затухание распределительной сети АРСтах без регулирования по пилот-сигналам (РП), поступающим от ГС.

Так, при прокладке кабеля в телефонной ка-

нализации АРСтах = 200 дБ, при подвеске на открытом воздухе АРСтах = 30 дБ. Следовательно, в первом случае, можно создать распределительную сеть, включающую до 10 участков магистральной линии, без регулирования по пилот-сигналам, поступающим от ГС, во втором - только один участок.

Мера регулирования по пилот-сигналам усилителя ДКу определяется отношением изменения выходного напряжения усиливаемого им пилот-сигнала ДиРПвых, дБ, к изменению его входного напряжения ДиРПвх, дБ:

ДКу = ДиРП.вых /ДиРП.вх .

Кроме параметра ДКу, технические условия на усилитель определяют также пределы изменения входного уровня пилот-сигнала ДиРП±, дБ, в которых действует регулирование по пилот-сигналу с параметром ДКу.

Магистральные усилители, имеющие регулировку по пилот-сигналу, должны включаться в магистральную линию через такое число магистральных участков, изменение уровня на которых ДиМ± было бы близкие к ДиРП±, но имело бы некоторый запас.

Таким образом после рассмотрения влияния изменения затухания высокочастотных коаксиальных кабелей на характеристики распределительной СКТ и получения зависимости коэффициента затухания коаксиальных кабелей, применяемых в СКТ, от частоты, можно сделать следующие выводы:

1) наибольшее влияние на характеристики распределительной сети оказывает изменение затухания высокочастотных кабелей под воздействием перепадов температуры внешней среды на высшей частоте диапазона СКТ;

2) при прокладке кабеля СКТ в телефонной канализации изменение затухания на одном участке магистральной линии может составлять ±0,3 дБ, при подвеске кабеля на открытом воздухе - ±1,5 дБ;

3) при отклонении уровня сигнала на выходе распределительной сети до 3 дБ максимально допустимое суммарное затухание распределительной сети без регулирования рабочего уровня по пилот-сигналам при прокладке кабеля в телефонной канализации может достигать 200 дБ, а при подвеске на открытом воздухе - не более 30 дБ.

4) для оптимальной работы распределительной сети через определенное число участков магистральных линий должны включаться телевизионные усилители с регулировкой по пилот-сигналам, поступающим с ГС, компенсирующие накапливающееся на этих участках изменения рабочих уровней сигнала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Песков С.Н., Колпаков И.А. , Колгатин С.Ю. и др. Энциклопедия кабельных сетей. DVD носитель (ООО «Контур-М»).

2. Песков С.Н. Колгатин С.Ю., Седов Д.Н. Все про кабельные эквалайзеры. Ч 1и 2. «Телеспутник», 2005, №7.

3. Песков С.Н. Колгатин С.Ю., Седов Д.Н. Пересчет искажений в широкополосных высокочастотных усилителях СКТ для разных стандартов.- Телеспутник, 2005, №5, 6.

4. Шелухин О.И., Артюшенко В.М., Молева Л.А. Радиотехнические кабели применяемые в БРЭА и системах кабельного и спутникового телевидения / Под ред. О.И. Шелухина. - М.: ГАСБУ, 1995.

Поступила 15. 05. 2006