Расчет уровней напряжений на выходе электротехнического оборудования головной станции системы кабельного телевидения

УДК 621.316.722

Расчет уровней напряжений на выходе электротехнического оборудования головной станции системы кабельного телевидения

В.М. Артюшенко, И.А. Сотников

Осуществлен расчет уровня напряжения на входе и выходе электротехнического оборудования головной станции системы кабельного телевидения; показано, что за счет схемных решений электротехнического оборудования соотношение сигнал/помеха на выходе головной станции может иметь значительную величину.

Output voltage level calculation for electrotechnical equipment of the cable television system main station is performed. In this paper we show that at the expense of electrotechnical equipment circuit design the output signal-to-noise ratio for the main station can be significant.

Цель статьи - определение допустимых входных и выходных уровней напряжений на входе и выходе электротехнического оборудования головной станции (ГС) системы кабельного телевидения (СКТ), при которых обеспечивается требуемое отношение сигнал/шум (ОСШ) и отношение сигнал/помеха (ОСП) комбинационных частот 3-го порядка на выходе абонентской розетки.

Критерием качества телевизионного сигнала в СКТ являются отношение сигнала к шуму и сигнала к помехам комбинационных частот 3-го порядка в телевизионном канале на любой абонентской розетке [1-3]. Согласно ГОСТу Р52023-2003 [1] эти соотношения составляют не менее 43 и 54 дБ соответственно.

В значительной степени показатели работы СКТ зависят от качества принимаемых сигналов, поэтому большое значение имеют параметры используемых приемных антенн. Основное требование, предъявляемое к антеннам, - высокая помехозащищенность с бокового и заднего направления при необходимом коэффициенте усиления и согласования с 75-Омным коаксиальным кабелем.

Данная задача решается с помощью антенн типа «волновой канал». Как правило, в метровом диапазоне волн используются антенны, каждая из которых рассчитана на работу в полосе одного телевизионного канала, что позволяет значительно улучшить помехозащищенность и согласование в рабочей полосе частот. Целесообразность канальных антенн обусловлена также тем, что места их установки обычно приходится определять в процессе изыскания отдельно по каждому каналу.

В дециметровом диапазоне волн чаще всего применяются два варианта антенн типа «волновой

канал», работающих соответственно в полосах частот 470...638 и 638...862 МГц. В особо трудных условиях рекомендуется применять сдвоенные антенны. При этом ослабление влияния отраженного сигнала достигается путем формирования диаграммы направленности, в которой угол, соответствующий ее нулевому значению, совпадает с углом прихода отраженного сигнала.

Одним из основных факторов, определяющих состав и параметры используемого оборудования СКТ, является напряженность поля принимаемых сигналов. При выборе места установки антенны необходимо учитывать, что качество изображения в устанавливаемой точке должно быть не менее 4 баллов, в соответствии с требованиями ГОСТ Р52023-2003 [1].

Для выполнения этого условия необходимо провести изыскания по определению мест установки приемных антенн. При этом следует иметь в виду, что на пространственную диаграмму направленности значительно влияют кровля здания и надстройки, расположенные в непосредственной близости от антенны. Влияние кровли можно использовать для уменьшения уровня приема отраженных сигналов. Для высоких зданий с горизонтальной кровлей рекомендуется устанавливать антенны на небольшой высоте от поверхности кровли (приблизительно 0,5...1,0Х), подальше от края кровли по направлениям прихода отраженных сигналов и ближе к нему по направлению прихода на передающую станцию. В качестве экранов для отраженных сигналов следует использовать лифтовые и другие надстройки.

Над горизонтальной кровлей антенну целесообразно устанавливать на небольшом расстоянии

и небольшой высоте в районах, близких к передающей станции. При этом угол возвышения, под которым видна передающая антенна, должен быть больше нескольких градусов. В этих условиях можно получить больший уровень прямого сигнала за счет отражений от участка горизонтальной кровли, расположенного перед антенной, и несколько уменьшить уровень приема отраженных сигналов, приходящих под углами в вертикальной плоскости, близкими к 0°, из-за отражения от участка кровли, находящегося в направлении прихода этих сигналов.

При условии прямой видимости напряженность поля, мкВ/м, в точке установки антенны определяется как

Ео = 222 • 103( р.^й)0,5 * Л

где Рпер - мощность передатчика, кВт; Gпеp - коэффициент усиления передающей антенны относительно полуволнового вибратора в абсолютных единицах; Я - расстояние от передающей антенны до приемной, км.

При определении напряженности полей принимаемых сигналов можно воспользоваться графиками, приведенными на рис. 1 [4].

Заметим, что при расчетах напряженности поля на расстояниях от передающей антенны примерно до 5 км в метровом диапазоне и до 10 км в дециметровом диапазоне необходимо учитывать уменьшение уровня сигнала, обусловленное характеристикой направленности передающей антенны.

Величина напряженности поля принимаемых сигналов, дБмкВ/м, может быть определена экспериментальным путем, по результатам измерений уровней сигналов несущих на выходах приемных антенн:

Ео = Лй.а -201о^/2п) -в1бл,

где Апр.а - уровень сигнала несущей изображения на выходе приемной антенны, дБмкВ; X - длина волны несущей изображения, м; Gпp.а - коэффициент усиления антенны относительно полуволнового вибратора, дБ.

Напряжение на выходе приемной антенны, дБмкВ, будет определяться [5] выражением

ис.а = Е0 + 33,57 - 201ов( /к) - в1бл,

где /к - частота телевизионного канала, МГц.

Эффективная температура шумов приемной телевизионной антенны Та с учетом тепловых шумов окружающей среды, шумов радиоизлучения Галактики и шумов сопротивления потерь ан-

30 50 70 100 200 300 500 1000 Г, КМ

а)

30 50 100 200 300 500 1000 Г, КМ

_________________________б)________________________

Рис. 1. Зависимости напряженности поля для 1 кВт эффективной излучаемой мощности от расстояния и частоты: а - 30...250 МГц (I, II и III диапазоны); б - 450...1000 МГц (IV и V диапазоны); к2 = 10 м

тенны зависит от частоты. Приемная антенна всегда согласована с сопротивлением 75 Ом. Эффективное напряжение шумов антенны, дБмкВ, на этом сопротивлении (т.е. на входе антенного фидера) может быть найдена исходя из выражения

и0 .а = и075 + Ю^та-1),

где иш75 = 2,4 дБмкВ - напряжение шумов сопротивления 75 Ом в полосе частот 5,75 МГц телевизионного канала при температуре Т0 = 293°К.

Шумовая температура антенны в зависимости от диапазона частот, времени года, угла, места и других факторов изменяется в довольно широких.

Отношение сигнал/шум на входе антенного фидера будут определяться исходя из выражения

Ваб.а = ^йа - ^0 .а ,дБ

Минимальный уровень сигналов наземного телевизионного вещания на выходе приемной антенны Ца.вых тт зависит от требуемого ОСШ и коэффициента шума Кш.АУ антенного усилителя (или усилительного оборудования ГС).

Зависимость иавых тт от Кш.АУ антенного усилителя (АУ), при ОСШ В = 54 дБ представлена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость минимального уровня сигнала на выходе антенны от коэффициента шума антенного усилителя для различных телевизионных каналов

Из этих зависимостей видно, что, чем больше коэффициент шума антенного усилителя (или усилительного оборудования ГС), тем выше должен быть минимальный уровень принимаемого сигнала на выходе приемной антенны.

Минимальный уровень принимаемого сигнала на выходе приемной антенны иа.вых тт для формирования ОСШ В = 54 дБ при различных значениях коэффициента шума Кш.АУ антенного усилителя (или усилительного оборудования ГС) может быть определен исходя из таблицы [7].

Необходимо отметить, что данная таблица составлена при условии отсутствия потерь между антенной и входом антенного усилителя или ГС. Для учета этих потерь (потери в сплиттерах, ди-плексерах, кабелях снижения и т.п.) необходимо их суммировать с коэффициентом шума усилителя или ГС, если они установлены на входе.

Если информация о коэффициенте шума антенного усилителя или ГС отсутствует, то в этом случае следует принимать Кш.АУ = 10 дБ для метровых диапазонов и 12 дБ для дециметровых диапазонов. При наличии входных защитных устройств эти значения следует увеличить еще на 2 дБ.

Если по каким-либо причинам требуется другое значение ОСШ (5тр), то в этом случае необходимое значение уровня сигнала, дБ, на выходе антенны следует определять исходя из выражения

иа.айб = иа.айб тт + Воб - 54 .

При определении уровней сигналов на входах антенн ГС принимаемые сигналы спутникового телевизионного вещания (СТВ) используют известные значения эквивалентной изотропно излучаемой мощности Рэиим, дБВт. Это справочная величина, отражающая величину произведения излучаемой мощности передатчика бортового ретранслятора на коэффициент усиления передающей антенны в направлении к точке приема.

Для приближенной оценки диаметра рефлектора параболической антенны Оа, м, при требуемом ОСШ (В) на выходе приемника-демодулятора можно воспользоваться соотношением

О > 10( В-рЁЁ1 )/20

Расчеты показывают, что для обеспечения ОСШ В = 54 дБ при РЭИИМ = 44 дБ необходима антенна с диаметром рефлектора 3,2 м. Для обеспечения ОСШ В = 42 дБ при индивидуальном приеме необходима антенна с диаметром 0,8 м.

При выборе приемника-демодулятора сигналов СТВ в первую очередь необходимо учитывать не только его шумовой порог, но и максимально допустимое значение несущая/шум Вн.ш на его входе. Как правило, для снижения шумового порога стандартного тюнера, из-за ограниченности собственного динамического диапазона, используется частотный детектор (ЧД) на основе активной системы ФАПЧ с большими собственными шумами в области больших входных сигналов.

Таблица. Минимальный уровень сигнала на выходе антенны

N Та, иа.вых тіп дБмкВ

канала МГц К° Кш.ау = 0 дБ Кш.АУ 2 дБ Кш.ау = 6 дБ Кш.ау = 10 дБ Кш.АУ = 16 дБ

Я1 49,75 14724 73,4 73,5 73,7 74,1 75,9

Я3 77,25 6357 69,8 69,9 70,3 71,3 74,2

Я6 175,25 1412 63,2 63,7 65,3 67,8 72,8

Я11 215,25 1010 61,8 62,5 64,5 67,4 72,7

к.24 495,25 369,1 57,4 59,1 62,7 66,5 72,4

к.33 567,25 333,6 57,0 58,7 62,6 66,5 72,4

к.38 607,25 319,1 56,8 58,6 62,5 66,5 72,3

к.51 711,25 292,1 56,4 58,4 62,4 66,4 72,3

На рис. 3 представлены типовые демодуляци-

Рис. 3. Типовые демодуляционные характеристики

Кроме того, при формировании уровней сигналов спутникового или наземного телевизионного вещания необходимо учитывать, что при использовании активного распределительного оборудования (усилителей, конверторов и т. п.), обладающих собственным значением ОСШ В,, суммарное ОСШ В% уменьшится на величину АОСш, дБ, зависящую от разности А = В - В, т.е.

Вайб = ВЕ - АЇ N0 .

Зависимость АОСШ (Досш) от А (П) представлена на рис. 4.

Такое снижение будет наблюдаться после каждого включения активного оборудования, при этом его собственное ОСШ В,, дБ, будет определяться по формуле

В, = иаб -Е0Я. -2,41, где ивх - уровень сигнала на входе активного оборудования, дБмкВ; Кш.об - коэффициент шума активного оборудования, дБ.

Уровень входных сигналов спутникового телевизионного вещания, как правило, не оказывает какого-либо существенного влияния на выходное ОСШ. Он должен быть не ниже порогового уровня, приводимого в паспорте на приемник-демодулятор.

Рис. 4. Зависимость снижения от АОСШ

Ориентировочное значение ОСШ на выходе приемника-демодулятора Ввых.Пд при стандартной девиации ДF = 27 МГц. Устанавливаемая ширина полосы пропускания приемника в этом случае должна составлять 24 МГц. При известных значениях коэффициента усиления приемной антенны Gпp.а и шумовой температуре приемной системы Тс (шумы антенны и конвертора с учетом потерь во входных волноводных устройствах) на частоте исследуемого канала ^, ГГц, можно определить Ввых.ПД, дБ, исходя из выражения

Вайб.1 а = В + 201о^) + 6,8 = (01Ь .Тс-1) +

+РуЕЁ! -23,3 -201ов(^-1), где РЭИИМ - эквивалентная изотропно излучаемая мощность, дБВт, отражающая величину произведения излучаемой мощности передатчика бортового ретранслятора на коэффициент усиления передающей антенны, в направлении к точке приема.

Обычно место размещения оборудования ГС определяется экспериментально выбранным местом установки ее антенн. Как правило, оно размещается в специальных помещениях, находящихся на нижних этажах зданий. Размещение оборудования ГС на верхних этажах допускается лишь по согласованию с организацией, осуществляющей техническое обслуживание СКТ. Помещение должно удовлетворять требованиям, изложенным в [8].

Если уровень на выходе кабеля снижения по какому-либо каналу оказывается ниже номинального входного уровня оборудования ГС, то предусматривается использование антенных усилителей или более сложных антенных устройств с большим коэффициентом усиления и меньшим затуханием в кабеле снижения.

Напряжение телевизионного сигнала на входе головной станции, дБмкВ, может быть определено в виде

иаб.АЙ _ ий.а - ,

где Аф - затухание фидера, соединяющего антенну с оборудованием ГС, дБ.

Если ивх.ГС больше номинального входного сигнала ивхнГС, то на входе ГС включается аттенюатор, снижающий его уровень до значения ивхГС. Если уровня сигнала не хватает, то около приемной антенны устанавливается АУ.

При отсутствии АУ на вход ГС поступает полезный сигнал с уровнем ивх.нГС и шум антенны с уровнем иш.а.ГС, дБмкВ:

и& .а.АЙ _ иаб.1 .АЙ - ^а .

онные характеристики стандартного тюнера и приемника-демодулятора ГС [7].

Пересчитанный ко входу собственный уровень шума ГС, дБмкВ, можно выразить в виде

и0 .аб.АЙ = и0 75 + Е0 .АЙ ,

где КшГС - коэффициент шума ГС, показывающий, на сколько децибел собственный уровень шума ГС превосходит уровень шума сопротивления 75 Ом.

Суммарный уровень шума на входе головной станции, дБмкВ, определяется выражением

иX 0 .аб.АЙ = 101ОЕ(10°’1и0 а АЙ + 10'

-ли,

0.

Отношение сигнал/шум на входе (и на выходе) головной станции, дБмкВ, выражается в виде

^АЙ = иаб.1 .АЙ - иЕ0 .а.АЙ .

Уровень полезного сигнала на выходе головной станции, дБмкВ, определяется соотношением

иайб.1 .АЙ _ иаб.1 .АЙ + 4э.АЙ .

где Ау.ГС - усиление усилителей ГС, дБ.

При наличии АУ полагаем, что уровень полезного сигнала на его входе может быть установлен равным его номинальному значению ивх.н.АУ. При этом от приемной антенны на вход АУ поступает напряжение шума с уровнем иш.а.АУ, дБмкВ:

и0 .а.А6 = иаб.1.А6 - А .

Пересчитанный ко входу АУ уровень его собственного шума, дБмкВ, будет равен:

и0 .аб.А6 = и0 75 + Е0 .А6 .

Суммарный уровень шума, дБмкВ, на входе антенного усилителя выражается в виде

и

X 0 .аб.а

= 10^(10'

0,1ия

+10'

0,1ия

>).

Отношение сигнал/шум на входе (выходе) антенного усилителя, дБ, определяется формулой

^АО = иаб.і .АО иX 0 .аб.АО .

Уровень полезного сигнала на выходе антенного усилителя, дБмкВ, выражается соотношением

иайб.1 .АО иаб.1 .АО + 4э.АО .

Примем, что этот уровень достаточен, чтобы установить на входе ГС номинальный входной уровень полезного сигнала, дБмкВ:

иа.0.1 .АЙ = иайб.1 .А6 + Дэ - А ,

где Ад - дополнительное затухание аттенюатора, дБ.

Уровень внешнего шума, дБмкВ, может быть найден исходя из выражения

и0 .а1 .АЙ _ иаб.1 .АЙ - ^А6 .

Суммарный уровень шума на входе головной станции, дБмкВ, определяется в виде

и

X 0 .аб.АЙ

= 10^(10'

+10'

о.

Рис. 5. Зависимость суммарного уровня шума на входе ГС при различных значениях уровня внешнего шума

Отношение сигнал/шум на входе (выходе) головной станции, дБ, выражается формулой

^АЙ _ иаб.і .АЙ — и0 .аб.1 .АЙ .

Выходной уровень сигнала, дБмкВ, каждого телевизионного канала у ГС равен номинальному уровню:

иайб.і .ай = иаб.{ .ай + Дз.ай .

Уровень выходного сигнала не играет принципиальной роли при выборе ГС. Как правило, в паспорте на ГС выходной уровень приводится для конкретного числа каналов при отношении сигнала к суммарным помехам комбинационных частот 3-го порядка СТВ (или С80), равном 60 дБ.

При построении крупных СКТ необходимо, чтобы СТВвых был не ниже 80.84 дБ, поэтому при формировании т каналов уровень итах, дБ, для тп (по паспорту) каналов следует уменьшить на величину Аивых [7]:

Аиайб = итах + 1°1og(mї т^) — ^(Ш^йб — 60) .

Любое последующее включение активного оборудования с собственным значением СТВ, понизит исходную величину СТВ на величину АсТВ, зависящую от разности СТВА, дБ:

СТВа = СТВ, - СТВ.

На рис. 6 представлена зависимость АСТВ (аСТБ) от СТВа (ф.

Зависимость суммарного уровня шума на входе ГС от пересчитанного ко входу собственного уровня шума ГС при различных значениях уровня внешнего шума представлена на рис. 5.

Рис. 6. Зависимость снижения АСТВ от СТВА

Заметим, что величина ДСТВ должна вычитаться из наименьшего от заданных значений СТВ, или СТВ, дБ, т.е

СТВвых = СТВтт - ДсТВ, где СТВтт - величина, которая принимается равной наименьшему из заданных значений СТВ, или СТВ.

Если в техническом паспорте на ГС указаны максимальные выходные уровни итах3 (1МБ3 = 60 дБ) и итах2 (1МБ2 = 60 дБ) для тп каналов, то рабочий выходной уровень ГС ивых.р при наличии выходного широкополосного усилителя для трансляции т каналов выбирается как наименьшая величина из двух значений:

Диайб.р1 ^ 30 + итах3 - 101оЕ(тт1-1) - 0,5А3 ;

Диайб.р 2 ^ 60 + итах2 - 101оЕ(тт-1) - А2 , где В3 и В2 - допустимые уровни интермодуляционных продуктов ГС соответственно 3-го и 2-го порядков, рассчитанные по традиционным методикам исходя из количества каскадно включенного усилительного оборудования по магистрали, конструктивных запасов на перепады температуры окружающей среды и т.п.; тп и т - число транслируемых каналов, заявленных по техническому паспорту и на выходе ГС соответственно.

Запасы в выполнении норм ГОСТа на ОСШ Дсш и ОСП Дсп при сложении сигналов на выходе головной станции фильтровым методом, дБ, выражаются формулами

Дсш.ГС = ВГС - ВГОСТ;

Дсп.ГС ^ да.

Значение ДспГС ^  достигается путем схемных решений оборудования ГС (например, использование в конверторах двойного преобразования частоты).

Таким образом, осуществлен расчет уровней напряжений полезного сигнала и шума на входе и

выходе электротехнического оборудования головной станции СКТ. Показано, что при сложении сигналов на выходе ГС фильтровым методом запасы на выполнение норм ГОСТов на ОСШ и ОСП зависят от характеристик оборудования головной станции. При этом запас на выполнение норм ГОСТов на соотношение сигнал/помеха за счет схемных решений оборудования головной станции может быть очень большой величины.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 52023-2003. Сети распределительные систем кабельного телевидения. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений и испытаний.

2. Артюшенко В.М., Соленов В.И. Интермодуляционные помехи в многоканальных системах кабельного телевидения. - Вестник МГТУ, Сер. Приборостроение, 1996, №4. с.62 - 74.

3. Артюшенко В.М., Сотников И.А. Расчет и оптимизация уровней напряжений сигналов в распределительных сетях системы кабельного телевидения. -Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2006, т.2, №2. с.3-7.

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

5. Рейнфельдер Вильям А. Разработка малошумящих входных цепей на транзисторах. - М.: Связь, 1967.

6. Сборник нормативных документов по крупным системам коллективного приема телевидения. - М.: Прейскурантиздат, 1989.

7. Артюшенко В.М., Соленов В.И. Монтаж систем кабельного телевидения. - Алматы: КазНИИЭОАПК, 1996.

Поступила 10. 05. 2007 г.