УчреждениеОбразования Республики Беларусь
БелорусскийГосударственный Университет
Информатикии Радиоэлектроники
Кафедрасистем телекоммуникаций
Факультеттелекоммуникаций
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
на тему
“Расчет соединительнойлинии звукового вещания”
Выполнил: Р.Р. Климов
Руководитель: В.И. Шалатонин
Минск2002
Содержание
Перечень исходных данных
Назначение СЛ
Принципы корректирования АЧХ Назначение КК
Принципы корректирования
Корректирование с помощью шунта
Корректирование с помощью разделительного трансформатора
Пупинизация
Способы уменьшения влияния внешних помех
Линейно-разделительные и защитные устройства
Обоснование места включения КК
Расчет затухания СЛ и КК
Расчет элементов КК
Литература
Приложение
Переченьисходных данных
Диаметр жилсимметричной пары кабеля d=0.8мм
Длина СЛ l=12км
Параметрыкабеля используемого в качестве соединительной линии приведены в таблице 1.
Таблица 1.f, Гц R, Ом C, нФ L, мГн G, мкСм/км 50 72.2 33 0.551 0.5 100 72.2 33 0.551 0.75 300 72.2 33 0.551 1.1 1000 72.2 33 0.551 2.6 3000 72.2 33 0.551 9.8 10000 72.2 33 0.551 42.4
Остальныеданные будут выбираться по справочной литературе по ходу выполнения проекта. Расчётбудем вести для характеристик, соответствующим нормам первого класса качестваГОСТ- 11515-75.
Назначение соединительной линии
Соединительные линии (СЛ) связываютмежду собой различные территориально разобщённые вещательные аппаратные. Онислужат для передачи электрических сигналов вещательных программ из однойаппаратной в другую, а также для контроля дистанционного управления. Иногда поСЛ осуществляют также дистанционное питание необслуживаемых устройств и служебнуютелефонную связь.
/>
СЛ связывают трансляционные пункты (ТП), находящиеся в зрелищныхпредприятиях (в театрах и концертных залах) и в спортивных комплексах, странсляционной (ТА) или центральной аппаратной радиодома (ЦА РД); центральнуюаппаратную радиодома с коммутационно-распределительной аппаратурой (КРА);коммутационно-распределительную аппаратуру с междугородной вещательнойаппаратной междугородной телефонной станцией (МВА МТС), передающим радиоцентром(РЦ) и центральной станцией местного узла проводного вещания (ЦС УПВ);центральную станцию местного узла проводного вещания с усилительными станциямипроводного вещания (УПВ) и т.д.
Передавать вещательные сигналы на удаленные от центральной станцииОУС трудно: затухание длинных СЛ превышает норму, а получить необходимоеколичества прямых СЛ не всегда возможно. В этих случаях предполагаетсяприменять промежуточные усилители ПУ (рис.2), устанавливаемые в районныхАТС. С их помощью можно осуществить дополнительное усиление сигнала,например, в СЛ, идущей к ОУС-1, разветвлять каналы подачи программ, например кОУС-2 И ОУС-3, и тем самым экономить некоторое количество СЛ, а такжедополнительно резервировать отдельные участки каналов подачи программ, напримерСЛ к ОУС-4 и ОУС-5.
/>
Кроме промежуточных усилителей, предназначенных для усиления всехпрограмм, на АТС устанавливают усилители сигналов обратного контроля,корректирующие контуры и устройства, служащие для разветвления каналов подачипрограмм на несколько направлений
В качестве СЛ чаще всего используют на условиях аренды парыгородских телефонных кабелей. Поэтому каждая СЛ проходит через кроссировочныестойки (щиты переключений) городских телефонных станций (ГТС) и состоит покрайней мере из двух участков: от одной вещательной аппаратной до ГТС и от ГТСдо другой вещательной аппаратной. На участках ЦС УПВ-ОУС (УПС) применяют парытелефонного кабеля с диаметром жил 0,5 и 0,7 мм. На участках КРА-ЕЦ, имеющихбольшую протяженность, используют пупинизированные кабели с диаметром жил 1,2 и1,4 мм (пупинизация позволяет обойтись без частотной коррекции), кабели ТЗЭГ сдиаметром жил 0,9 мм, ТДСГ с экранированными парами с диаметром жил 1,4 мм. Научастках ТП-ЦА и ЦА РД-КРА в зависимости от местных условий используют либопары специально проложенного вещательного кабеля, либо пары телефонного кабеля.Воздушные линии связи для организации вещательных СЛ не используют ввиду ихменьшей надежности и худших параметров качества.
Для передачисигналов вещательной программы из передвижных ТП применяют радиолиниидециметрового диапазона радиоволн.
Основные параметры качества СЛ:
номинальный диапазон частот
неравномерность амплитудно-частотной характеристики
коэффициент гармоник
защищенность от помех.
Под номинальным диапазоном частот понимают полосу частот от fminдо fmax, в пределах которой неравномерность АЧХ не превышает заданнойвеличины. Неравномерность АЧХ оценивают либо изменениями коэффициента передачиК относительно коэффициента передачи /> на частоте 1 кГц:
/>;
либо изменениями затухания СЛ в полосе частот fmin до fmax:
/>
Очевидно, что первые два параметра тесно связаны между собою и немогут нормироваться отдельно.
Коэффициент гармоник служит мерой нелинейных искажений.Коэффициент гармоник равен отношению эффективного напряжения всех гармоник кэффективному напряжению измерительного синусоидального сигнала на выходеконтролируемого канала (звена):
/>
где n – номера гармонических составляющих;
m – номер наивысшей измеряемой гармоники;
/> и /> - соответственно мощность инапряжение гармоники с номером n.
Соединительныелинии с проводами из неферромагнитного материала, используемые в диапазонезвуковых частот, и корректирующие контуры, катушки индуктивности которых неимеют ферромагнитных сердечников, являются линейными электрическими цепями. Онине вносят нелинейных искажений.
Линейные трансформаторы(ЛТ), включенные на входе и выходе СЛ, в силу формы своей амплитуднойхарактеристики, повторяющей кривую намагничивания, создают нелинейные искажениякак при больших, так и при малых уровнях сигнала. Этой особенностью обладают икатушки индуктивности корректирующих контуров (КК) с ферромагнитнымисердечниками. Уменьшения возникающих в этих элементах нелинейных искажений доприемлемой величины достигают конструктивными мерами и выбором уровней сигнала.
Источником нелинейных искажений являются также промежуточныеусилители (ПУ). При нормировании коэффициента гармоник ПУ необходимо учитыватьособенности корректирования АЧХ СЛ. Например, если АЧХ участка СЛ, следующегопосле ПУ, исправляют КК, включенным до ПУ, то наибольшая величина /> ПУ можетсместиться в область высших звуковых частот.
Особое положение складывается при передаче по СЛ вещательныхсигналов при помощи модулированных по амплитуде токов высокой частоты. Различиезатухания СЛ в области нижней и верхней боковых полос модуляции и наличиефазо-частотных искажений в этой области вызывают асимметрию спектра AMколебания, а это, в свою очередь, вызывает нелинейные искажения при последующемдетектировании. При таком использовании СЛ нужно нормировать величину />.
Влияние помех оценивают с помощью понятия«защищенность»:
/>
где /> - номинальная мощность сигнала;
/> — номинальное действующее значениенапряжения сигнала на частоте I кГц;
/> - мощность помехи;
/> — действующее значение напряженияпомехи.
Различают интегральную помеху, когда напряжение помех измеряютвольтметром с квадратичной характеристикой, и пcофометрический шум, когданапряжение помех измеряют псофометром — вольтметром с нормированнымипараметрами зарядно-разрядной цепи и взвешивающим фильтром, учитывающимразличную чувствительность слуха к звукам разных частот. Для оценки влиянияпереходных помех, наводимых из одного канала в другой, пользуются понятиемзащищенности от внятной переходной помехи. Требуемая защищенность определяетсяуровнем помех в канале.
Норма на уровень помех в СЛ устанавливается с учетом помех,обусловленных линейными переходами от соседних пар кабеля, и помех от системуплотнения СЛ, служащих для дистанционного управления и контроля, а также оучетом уровня вещательного сигнала, передаваемого по СЛ. В свою очередь, нормана уровень вещательного сигнала обусловлена применяемым способомкорректирования АЧХ и допустимой величиной помехи от СЛ другим парам кабеля.Все нормы на параметры качества СЛ взаимосвязаны, поэтому их устанавливают совместно,комплексно.
Не все пары кабелей ГТС пригодны для передачи вещательныхсигналов, поскольку обладают недостаточным переходным затуханием. Дляорганизации вещательных СЛ выбирают те пары кабелей ГТС, которые обладаютнаибольшей величиной переходного затухания по отношению к соседним парам инаименьшей величиной асимметрии.
Нормы параметров качества СЛв соответствии с ГОСТ 11515-75 приведены в табл.2.
Таблица 2.
Нормы параметров качествасоединительной линии звукового вещанияПараметры качества Классы качества Высший Первый Второй Номинальный диапазон частот, Гц 30-15000 50-1000 100-6300
/>/>/>Допускаемые отклонения АЧХ, дБ, не более
В области частот /> до /> и от /> до />
от /> до />
+0.5
-1.0
-0.5
+1.0
-2.0
/>
+1.0
-2.0
/> Защищённость от интегральной помехи, дБ 66 60 57 Защищённость от псофометрического шума, дБ 64 60 57 Защищённость от внятной переходной помехи, дБ 74 70 60 /> /> /> /> />
Принципы корректирования АЧХ. Назначение корректирующих контуров
Звенья вещательных каналоввносят амплитудно-частотные искажения. Это означает, что их коэффициентпередачи или затухание является функцией частоты и частотная характеристикакоэффициента передачи отличается от горизонтальной прямой.
Во многихвещательных устройствах величину амплитудно-частотных искажений, проявляющихсякак спад коэффициента передачи на крайних частотах, сводят к нормированномузначению рациональным построением электрической схемы, выбором величин ееэлементов и режима работы, применением отрицательной обратной связи. Ноамплитудно-частотные характеристики некоторых звеньев вещательного канала,соединительных линий, устройств звукозаписи и звуковоспроизведения,междугородных линий, линий проводного вещания не имеют горизонтального участка.В этих случаях амплитудно-частотные искажения уменьшают, включая в вещательныйканал особую цепь—корректирующий контур КК.Принципы корректирования
Амплитудно-частотнаяхарактеристика КК должна быть такой, чтобы общая амплитудно-частотнаяхарактеристика искажающего звена и. КК в заданной полосе частот от fmaxдо fmin была горизонтальной прямой. Итак, условие частотной коррекцииискажающего звена:
/> или /> при />
где /> и /> - соответственнокоэффициент затухание (передачи) искажающего звена и корректирующего контура.
К методам корректирования амплитудно-частотных искажений потехническим приемам и способам расчета близки методы частотных предыскажений.Частотными предыскажениями называют искусственное искажение спектравещательного сигнала с целью улучшения ОСШ. Частотные предыскажения широкоприменяют в каналах подачи вещательных программ, например в соединительных линиях,в устройствах звукозаписи, в радиовещании с частотной модуляцией.
Поскольку СЛ включают в вещательный канал в различных произвольныхкомбинациях, их рассматривают как самостоятельные звенья канала. Нежелательнакомпенсация амплитудно-частотных искажений, вносимых СЛ, в других звеньяхканала — ЛУ или ПУ, так как в том случае невозможно маневрировать усилителями иСЛ и присоединять к любому усилителю любую СЛ. Каждая СЛ должна бытьскорректирована, независимо от других звеньев канала. Идентичность АЧХ скорректированныхСЛ облегчает их эксплуатацию и взаимное резервирование. АЧХ скорректированнойСЛ должна укладываться в пределы шаблона:
/>
/>
В СЛ применяют принципиально иные метода корректирования АЧХ, чемв линиях проводного вещания. Ввиду большого количества СЛ, последовательновключаемых в вещательный канал, требуется высокая точность корректирования (см.табл. 1).
Соединительные линии нагружены на активное сопротивление, величинакоторого соизмерима с модулем волнового сопротивления СЛ. В этих условияхзатухание СЛ /> монотонно возрастает с частотой.Физически это явление может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы.
/>
Она справедлива, если длина линии не превосходит четверти длиныволны передаваемого сигнала />, т.е. при электрически короткойлинии. Сопротивление проводов линии /> вместе с сопротивлением />, образованнымсопротивлениями активных и емкостных утечек между проводами линии, исопротивлением нагрузки /> образуют делитель напряжения. Сувеличением частоты модуль /> увеличивается, а модуль /> уменьшается.Поэтому коэффициент передачи этой цепи с увеличением частоты уменьшается, азатухание растет.
Дополнительные амплитудно-частотные искажения возникают из-заизменения входного сопротивления соединительной линии по диапазону частот.Поскольку СЛ является нагрузкой ЛУ, изменения входного сопротивления СЛприводят к изменению падения напряжения на внутреннем сопротивлении источникавещательного сигнала — ЛУ. Но при малой величине внутреннего сопротивления ЛУэти искажения незначительны, и их не учитывают.
Для корректирования АЧХ СЛ используют особый четырехполюсник ссосредоточенными параметрами — корректирующий контур (КК). Его затухание /> в рабочемдиапазоне частот должно изменяться так, чтобы общее затухание СЛ и КК /> не зависело отчастоты. Предположение, что общее затухание СЛ и КК равно сумме затуханий /> и /> справедливолишь в том случае, когда входное сопротивление КК постоянно в рабочем диапазонечастот и равно сопротивлению нагрузки />. В противном случае приподключении КК к СЛ изменится нагрузка СЛ и изменится ее затухание.
Наибольшее затухание КК должен вносить на низшей рабочей частоте />. До частот500-700 Гц затухание должно оставаться примерно постоянным, а затем плавноспадать до нуля на высшей рабочей частоте />.Физические свойства СЛ и ККразличны; линия — четырехполюсник с распределенными параметрами, КК,-четырехполюсник с сосредоточенными параметрами. Поэтому достичь с помощью ККполной компенсации амплитудно-частотных искажений, вносимых СЛ, невозможно.
Чем больше будет взято точек на оси частот, для которых затуханиеКК должно совпасть с затуханием, полученным из идеализированной кривой />, тем сложнеесхема КК.
КК должен иметь минимальное количество настраиваемых (подбираемых)элементов. На высшей частоте затухание КК должно приближаться к нулю. ВключениеКК не должно изменять частотной характеристики затухания сопряженного с нимзвена, в данном случае, СЛ, иначе частотное корректирование превратиться всложный и трудоемкий процесс эмпирического подбора элементов КК. При включенииКК в конце СЛ следует применять КК с постоянным входным сопротивлением, а привключении в начале СЛ — с минимальным выходным сопротивлением. Уменьшениевыходного сопротивления КК желательно и при включении КК в конце СЛ, так какпри этом уменьшаются напряжения внешних помех наводимые на входную цепьусилителя, следующего после КК. Постоянство входного сопротивления полезно и втех случаях, когда КК включен перед СЛ, так как это стабилизирует режим ЛУ.
Следовательно, КК должен иметь постоянное входное сопротивление,минимальное выходное сопротивление, минимальное затухание на высшей рабочейчастоте и наименьшее количество настраиваемых элементов.
Основные схемы КК:
/>
Простейший двухполюсник, включаемый в цепь последовательно снагрузкой или параллельно нагрузке, не дает хорошего корректирования, так каквходное сопротивление такого КК зависит от частоты и изменяет ход частотнойхарактеристики СЛ.
Полный параллельный контур обладает постоянным входнымсопротивлением и большим выходным сопротивлением, изменяющимся с частотой.Полный последовательный контур имеет постоянное входное сопротивление инебольшое выходное сопротивление, также изменяющееся с частотой. По этойпричине полный последовательный контур наиболее пригоден для корректированияСЛ. Т-образный мостовой контур обеспечивает постоянство входного сопротивления,но его выходное сопротивление больше, чем у полного последовательного. Поэтомуон менее подходит для корректирования СД, хотя в типовой аппаратуре встречаетсядовольно часто.
Степень сложности двухполюсников />, и /> зависит от требуемой точностикорректирования. Если двухполюсники /> и с содержат по два элемента,причем />,образован параллельным соединением активного сопротивления и емкости, /> -последовательнымсоединением активного сопротивления и индуктивности, то расчетнаяхарактеристика затухания совпадет с идеализированной в двух точках – на /> (практически,в области низших частот) и на />. Если />, /> - трехэлементные, то совпадениеполучается в трех точках. При повышении требований к точности корректированияАЧХ одного КК оказывается недостаточно. Тогда используют два и более КК, причемдополнительные КК служат для корректирования неравномерности АЧХ, остающейсяпосле введения первого КК.
Усложнение КК по экономическим причинам нежелательно. Поэтомуобычно ограничиваются условием совпадения идеализированной и расчетной кривойзатухания КК в трех точках, в качестве которых берут />,/>и одну промежуточную. Расчетныеформулы существенно упрощаются, если в качестве промежуточной точки принятьчастоту />,на которой затухание КК равно половине максимального />.
Схемы двухполюсников /> и /> синтезируют на основе следующихсоображений.
В области низших частот сопротивления /> и /> должны быть чисто активными. Навысшей расчетной частоте />, должно обращаться в нуль, а /> приближаться кбесконечности. Этого можно достичь, выполнив /> в виде последовательного, a /> в видепараллельного колебательного контура. Резонансные частоты контуров должны бытьравны и совпадать с высшей частотой рабочего диапазона />. Затухание КК в области низшихчастот определяется соотношением /> и />:
/>
Крутизна частотной характеристики затухания КК растет сувеличением отношения />, соответственно при этомувеличивается частота половинного затухания />. Потери в колебательных контурахуменьшает точность корректирования на высших частотах. Поэтому катушкииндуктивности /> и /> должны иметь возможно меньшееактивное сопротивление. Конденсаторы /> и /> должны иметь малыедиэлектрические потери.
К методам корректирования амплитудно-частотных искажений потехническим приемам и способам расчета относятся:
Корректирование с помощьюшунта (согласующего сопротивления)
АЧХ электрически короткойвоздушной корректируют путём включения в конце линии активного сопротивления />.
/>
Включение /> увеличивает затуханиелинии, в результате чего режим линии на высших частотах приближается к режимубегущей волны. Однако наличие /> снижает коэффициент передачи надругих частотах. Чтобы шунт действовал только в области высших частот,последовательно с /> вводят ёмкость />, играющую рольсвоеобразного ключа, размыкающего цепь коррекции для токов средних и низшихчастот. Коэффициент передачи имеет наименьшую величину /> на низшей частоте />, а наибольшую — /> на />. Послевключения /> коэффициентпередачи на высшей частоте уменьшается до некоторого значения />.
Элементы шунта выбирают наследующей основе. Полное сопротивление шунта
/>
на /> должно быть близко к />, а в областисредних и низших частот в несколько раз превосходить />.Такие соотношения получаются втом случае, если выбрать постоянную времени шунта равной приблизительно однойтрети периода />, соответствующего высшей частотерасчётной полосы пропускания:
/>
При большой длине линииполезно согласовать линию на высших частотах. Для этого в конце линии включаютсопротивление, равное эквивалентному сопротивлению на высших частотах с учётомраспределённых нагрузок: />. Из-за больших величинсопротивлений нагрузок эквивалентное сопротивление /> на /> близко к волновому сопротивлениюлинии без нагрузки />. Применение этого метода вдлинных линиях может привести к спаду частотной характеристики К на высшихчастотах. Чтобы уменьшить опасность спада АЧХ, полезно взять величину согласующегосопротивления больше />, т.е. допустить некотороерассогласование.
Корректирование с помощьюразделительного трансформатора
Если длина воздушной линиивелика и включение шунта приводит к спаду АЧХ в области высших частот, выходящемуза допустимые пределы целесообразно применить дополнительную коррекцию спомощью трансформатора Тр, разделяющего линию на 2 участка: первый –длиной /> ивторой /> -электрически длинный.
/>
Разделительный трансформаторслужит для того, чтобы ослабить шунтирующее действие собственной проводимостивторого участка. Он должен быть понижающим, чтобы уменьшить величинупересчитанного в первичную обмотку значения проводимости. Если коэффициенттрансформации выбрать таким образом, чтобы получит значительное ослаблениевлияния проводимости на высших частотах, то режим участка /> на высших частотахбудет приближен к режиму холостого хода. В результате на участке /> получится подъёмчастотной характеристик. К на высших частотах, который до некоторой степенискомпенсирует спад частотной характеристики К на высших частотах на участке />. Уменьшениерабочего напряжения на участке />, возникающее из-за включенияпонижающего трансформатора, компенсируют повышением напряжения на участке />. Величину коэффициентатрансформации ограничивают величиной 0.5 (1:2). Уменьшение коэффициентатрансформации от 0.5 до 0.25 даёт прибавку К менее чем на 25% (около 2 дБ).Дальнейшее снижение коэффициента трансформации выигрыша практически не даёт. Ктому же при меньших значениях коэффициента трансформации пришлось бы чрезмерноповысить рабочее напряжение на участке />.
На втором участке на высшихчастотах благодаря наличию шунта /> сохраняется режим бегущей волны.Поэтому можно не опасаться появления узлов и пучностей напряжения на этомучастке.
Пупинизация
Хевисайд показал, чтоминимальное значение коэффициента затухания /> получилось бы в том случае, еслибы удалось выполнить условие
/> или />
Неравномерность частотнойхарактеристики затухания в этом случае также была бы наименьшей. В реальныхлиниях L/R
Уменьшение R или С –экономически не выгодно. Первый связан с возрастанием расхода металла приувеличении диаметра проводов или при применении более дорого металла – меди вместостали; второй – с применением более сложных конструкций линий. Для уменьшенияёмкости необходимо увеличивать расстояние между проводами. На воздушных линияхэто связано с применением траверс вместо штырей, на кабельных – с увеличениемтолщины изоляции, следовательно, с увеличением диаметра кабеля.
Можно приблизиться кусловию, искусственно увеличив индуктивность линии. Физически обоснованиемэтого является следующее. Коэффициент затухания /> можно представить в виде двухсоставляющих — /> и />, первая из которых обусловленапотерями в проводах, а вторая – в диэлектрике (изоляции):
/>
Формула в полосе звуковыхчастот является недостаточно точной, но она наглядно показывает зависимостьзатухания от L. С ростом L первое слагаемое уменьшается, а второе увеличивается.Существует некоторое оптимальное значение /> при котором /> проходит через минимум.
Существует несколькоспособов искусственного увеличения индуктивности линии: пупинизация, т.е.включение в линию через равные промежутки S сосредоточенных индуктивностей />, крарупизация- обматывание жил кабеля ферромагнитной проволокой или лентой. В техникепроводного вещания получил распространение метод пупинизация.
/>
По электрическим свойствампупинизированная линия аналогична ФНЧ. В полосе частот ниже так называемойпредельной частоты пупинизации (в полосе пропускания) затухание линии мало, авыше этой частоты велико.
/>
где /> - индуктивность, приходящаяся научасток линии, равный шагу пупинизации S, а CS – ёмкость между проводами научастке длиной S.
Коэффициент затуханияпупинизированной линии в два с лишним раза меньше коэффициента затуханияаналогичной по конструкции непупинизированной линии. Лишь на частотах, близкихк предельной, он резко возрастает и становиться даже больше, чем унепупинизированной линии. Модуль характеристического сопротивленияпупинизированной линии пости в три раза больше модуля волнового сопротивленияаналогичной по конструкции непупинизированной линии и в рабочем диапазонечастот изменяется значительно меньше, чем />. Возрастание /> приводит к увеличению /> и принеизменном входном напряжении к уменьшению потребления мощности.
Чтобы уменьшитьамплитудно-частотные искажения при передаче по пупинизированной линии, обычноиспользуют диапазон частот от 0 до />
Способы уменьшения влияния внешних помех
Норма на относительный уровень помех в СЛ весьма жестка. Дляразличных видов она составляет от -63 до -85 дБ. Для того чтобы выполнить ее,приходится прибегать к различным конструктивным и схемным мерам: уравновешивать(симметрировать) и экранировать вещательную цепь, применять частотныепредыскажения, включать промежуточные усилители.
Помехи из других цепей переносятся в СЛ ввиду электромагнитной(индуктивной) и электростатической (емкостной) связи… При значительномрасстоянии между цепями (воздушная линия) преобладает электромагнитная связь,при небольшом (кабельная линия)—электростатическая. Рассмотрим случайэлектростатической связи. Для упрощения задачи примем, что на двухпроводнуюцепь 1-2 влияет однопроводная цепь 3-0.
/>
Величины потенциалов помехи U'п и,U"п на проводах 1и 2 зависят от соотношения емкостей /> и />, />и /> (или от соотношения емкостныхсопротивлений). Для уменьшения этих потенциалов необходимо, чтобы коэффициентыпередачи емкостных делителей /> и /> были меньше. Однако возможностиэтого способа снижения помех ограничены, так как для уменьшения связинеобходимо уменьшать емкости /> и/>и увеличивать /> и />. Первое приводит кувеличению сечения кабеля, второе к возрастанию затухания на высших частотах. Ито, и другое невыгодно экономически.
Существует другой путь — уравнять потенциалы помехи U'п и U"п.Для этого необходимо, чтобы коэффициенты передачи делителей /> и /> были равны. В частномслучае это достигается при/>и/>. Поскольку фазы обоих потенциаловпомехи одинаковы, то разность потенциалов помехи между проводами равна нулю иток помехи в цепи не циркулирует. Этот способ подавления помех называют симметрированиемцепи. Кабельные цепи симметрируют, скручивая обе жилы цепи в пару. Шаг скрутки,т. е. расстояние, через которое жилы, совершив полный цикл, займутпервоначальное положение, имеет величину порядка 10—30 см. Обе жилы цепизанимают последовательно различные положения относительно других жил кабеля.Поэтому их емкости по отношению к остальным жилам по длине кабеля усредняются иоказываются равными.
Воздушную цепь симметрируют, скрещивая провода, т. е. меняя через равныепромежутки их положение по отношению к соседним цепям.
/>
При высокочастотной помехе вдоль линии укладывается значительная частьдлины волны помехи или даже несколько длин волн. В проводах линии возникаютпродольные ЭДС помехи, и задача сводится к тому, чтобы уменьшить и уравнять их.Фазы продольных ЭДС помехи в обоих проводах одинаковы.
/>
При равенстве амплитуд ЭДС токи, вызванные ими, направлены навстречу ивзаимно компенсируются. В зависимости от соотношения расстояния, через котороепровода цепи меняются местами, и длины волны помехи асимметрия может иуменьшаться и увеличиваться. Так, если это расстояние равно l/4, скрещивание приведет к увеличению помехиесли оно равно l/8,то уровень помехи не изменится. Положительный эффект от скрещивания получаетсялишь в том случае, если оно сделано чаще, чем через l/8.
В особо ответственных случаях, например, для связи РД с передающимРЦ, в качестве СЛ используют экранированные пары. Так какрасстояние между проводами цепей в кабеле невелико, преобладаетэлектростатическое влияние. Его практически полностью устраняют, обвивая экранируемуюпару лентой алюминиевой, оловянной, медной фольги или металлизированной бумаги.Электромагнитное влияние остается. Для его уменьшения жилы каждой пары свиваютс различным шагом. Рассмотренные меры устраняют влияние вещательных цепей другна друга и смежных телефонных цепей на вещательные цепи.
/>
Для уменьшения влияния помех используют частотные предыскажения. Пустьимеется СЛ, на которую действует помеха. Будем считать, чтоамплитудно-частотные искажения СЛ полностью скомпенсированы. Предположимтакже, что энергия помех П сосредоточена преимущественно в областивысших звуковых частот (см. график зависимости Sп от f).
/>
Распределение энергии по спектру /> звукового вещательного сигналанеодинаково: уровни сигнала на низших и высших частотах ниже, чем на средних.Поэтому в рассматриваемом случае отношение С/П будет наименьшим на высшихчастотах. Улучшить отношение С/П можно было бы, увеличив уровень сигнала,подаваемого на вход СЛ. Но это невозможно, так как максимальный уровеньна средних частотах на входе СЛ нормирован. Он равен +17 дБ. Поэтомуподнимают уровень сигнала лишь в области высших частот, что разрешаетсянормами. В спектре вещательного сигнала /> уровни на высших частотах на10-20 дБ ниже, чем на средних. На эту же величину, т. е. до уровня на среднихчастотах. Для этого на входе СЛ включают предыскажающий контур ПК..Затухание /> снижаетсяпо мере роста частоты. В результате действия ПК спектр сигнала /> исказится иотношение С/П в точке 3 возрастет. В конце СЛ включаютвосстанавливающий контур ВК, затухание которого /> возрастает с частотой. Оннеобходим для того, чтобы восстановить первоначальную форму спектра сигнала />, т.е.устранить искусственно введенные амплитудно-частотные искажения. Соотношениемежду уровнями сигнала и помехи ВК. не изменяет, так как он в равнойстепени ослабляет и сигнал, и помеху. Однако благодаря форме частотнойхарактеристики затухания ВК уменьшает в паузах передачи помеху лежащую вобласти высших звуковых частот.
Если энергия помехи сосредоточена в области низших частот, предыскажениясостоят в подъеме низкочастотных составляющих спектра вещательного сигнала.
Системапредыскажений обеспечивает наибольшее подавление помех в тех случаях, когдаэнергия помехи сосредоточена в области высших или низших частот, т.е. в техслучаях, когда спектры сигнала и помехи заметно различаются. Если энергияпомехи распределена по спектру равномерно, то отношение С/П улучшается не болеечем на 4-5 дБ. Если спектры сигнала и помехи одинаковы, применять предыскажениябесполезно.
Линейно-разделительные изащитные устройства
Для того чтобы создатьстабильную работу вещательных трактов, необходимы дополнительные элементы. Кним относятся линейно-разделительные устройства.
В ряде участков канала вещания встречается задача распределенияэнергии звуковой частоты нескольким потребителям, СЛ которых подключаются квыходу одного усилителя. Это могут быть СЛ, подключаемые к выходу линейногоусилителя студийного тракта или АЦ КРА, центральной усилительной станциипроводного вещания и т. д. Рассмотрим недостатки этой структурной схемы:
Короткое замыкание на одной из линий. Если оно произошло близко краспределительной шине Ш, то произойдет замыкание выхода ЛУ. Вслучае заземления одного провода линии СЛ1 и другого провода любой другой линииСЛn также происходит замыкание выхода линейного усилителя ЛУ.
/>
Подключение линий потребителей к выходу усилителя.
/>
Схема с разделительными усилителями.
/>
Схема с защитными устройствами.
Заземление одного из проводов вызывает асимметрию всех линий поотношению к земле. Такие линии более чувствительны к помехам, чем симметричныецепи. Кроме того, они сами будут создавать помехи линиям связи, если онипроходят в общем кабеле. Помехи, появляющиеся на одной из линий, проходят черезшину Ш на остальные линии. Напряжение этих помех может быть весьмазначительным. Полное или частичное устранение этих недостатков производится припомощи линейно-разделительных устройств.
На структурных схемах, приведенных на рисунках выше, каждая линияСЛ подключена к шине Ш через линейно-разделительный усилитель ЛРУ. Вследствиеэтого невозможен переход помех, а также влияние короткого замыкания в линии наразделительную шину Ш. Такой метод защиты выхода линейного усилителя отвоздействия поврежденных линий применяют в случаях, когда число соединительныхлиний невелико. При большом числе СЛ чаще применяют устройства, которыеобеспечивают не полное разделение, а ослабление до допустимой величины помех ивлияния короткого замыкания в линиях на распределительную шину Ш. Дляосуществления этого необходимо:
— устранить гальваническую связь между линиями с помощью симметричныхтрансформаторов, включенных в начале каждой из них;
--последовательно в начале каждой линии включить ограничивающеесопротивление r с тем, чтобы короткое замыкание в линии не вызывало перегрузкувыхода линейного усилителя и существенно не отражалось на уровне сигнала востальных линиях;
--с помощью тех же элементовнадо добиться такого ослабления напряжения помех, чтобы они не распространилисьна другие линии.
Рассмотренные ЛРУ защищают линии от перехода помех и последствийкороткого замыкания, но не дают защиты от заземления двух разных проводовразных линий. Чтобы предотвратить в этом случае короткое замыкание шин, линиразобщают с помощью линейных трансформаторов ЛТ. Коэффициент трансформации ЛТобычно равен единице, так что их включение не изменяет диаграммы уровней. Дляповышения эффективности стремятся получить наименьшую индуктивность рассеяния иминимальную емкость между обмотками, сопротивление обмоток равно несколькимдесяткам омов.
Если сопротивление обмоток трансформатора Трn достаточно великодля защиты шины Ш от короткого замыкания со стороны линии, то ограничивающееток сопротивление r в схему не включается. Вносимое затухание такого устройствав направлении передачи сигнала значительно меньше, чем в обратную сторону отлинии СЛ. Этим и достигается защита распределительной шины Ш от влияния помех икороткого замыкания поврежденной линии.
Уровень наводимых помех зависит от электрического состояния линиии от близости цепей, которые являются источником помех. Помехи, наводимые наданном участке, распространяются вдоль линии и затухают, как и любой сигнал.Поэтому величина помех, попадающих с линии на шину Ш, в значительной мереопределяется помехами, наводимыми на ближайшем к началу линии участке.
Для уменьшения мощности сигнала, потребляемой линией,сопротивление r выбирается малым и должно быть меньше модуля полного входногосопротивления линии. Минимальная величина сопротивления r, при которой короткоезамыкание на одной линии вблизи от защитного устройства вызовет лишь небольшоеснижение уровня напряжения на выходе линейного усилителя, выбирается в пределах(0,1—0,15) Zвх. При этом значение модуля входного полного сопротивления линииZвх выбирается на той частоте, где оно минимально. Для кабельных СЛ входноесопротивление с увеличением частоты падает до значения, близкого к их волновомусопротивлению, которое на верхних частотах мало.
Таким образом, при выбранных величинах r и Zвх защитное действиеустройства можно увеличить лишь путем уменьшения Rвых. Чтобы обеспечитьтребуемое ослабление помех в случае подключения к его выходу двух линий путем расчетов, мы находим максимальное выходноесопротивление линейного усилителя.
Обоснование места включениякорректирующего контура
Взависимости от места включения корректирующего контура различают два основныхметода корректирования частотных искажений: систему с коррекцией в начале СЛ исистему с коррекцией на конце.
/>
В первомслучае КК устанавливается перед корректируемой линией, во втором случае- посленее. Обычно КК подключаются непосредственно к линии в стационарных устройствахкоммутации и образуют с ней единое звено тракта передачи.
Если быпередача вещательных сигналов осуществлялась по линиям без помех, то оба методабыли бы равноценными. Однако при передаче сигналов программ по существующимлиниям городских телефонных сетей приходится учитывать требования к номинальнымуровням сигнала и уровню помех, неизбежно имеющихся в линиях (минус 58-65 дБ).
Привключении корректирующего контура в начале линии максимальный входной уровеньсигнала по действующим нормам не должен превышать плюс 17 дБ на частоте 1000Гци плавно повышаться в области верхних частот полосы пропускания. Так какодновременно с этим процессом переходное затухание между цепями СЛ в кабелеуменьшается с ростом частоты, то повышение уровня сигнала может приводить кповышению уровня переходных помех в других цепях кабеля. Отмеченное явление невызывает опасений, когда остальные пары кабеля используются для телефоннойсвязи, так как полоса пропускания такого канала ограничена частотой 3400 Гц.Кроме того, спектральная плотность мощности вещательного сигнала быстро убываетв области верхних частот.
Однако еслипо цепям кабеля передаются сигналы различных программ с более низким уровнем,то могут появиться заметные переходные помехи от цепей с более высоким уровнемпередачи. Чтобы избежать этого не следует применять смешанную системукоррекции, а максимальный уровень сигнала на верхней граничной частоте следуетограничить величиной 30-32 дБ. Следовательно, максимальное затухание в этомслучае ограничено величиной 17 дБ лишь для частоты 1000 Гц, а для частот,лежащих выше этого предела, допускается увеличение затухания в линии до 30-32дБ.
Прикоррекции на конце номинальный уровень сигнала в начале СЛ не зависит отчастоты. Следовательно, максимальное затухание, которое можно допустить в линиипри этом способе коррекции, равно 17 дБ. Из сравнения двух методов видно, чтокоррекция в начале СЛ позволяет использовать линии в 2 раза большей длины, чемкоррекция на конце линии. Это достигается значительным увеличением требуемоймощности источника сигнала.
Получили:
1)Помехозащищенностьв конце линии для низких и значительной области средних частот одинакова дляобоих случаев и равно 65 дБ.
2)Мощностьусилителя в схеме б должна быть на 18 дБ (приблизительно в 60 раз) большемощности в схеме а.
3)Еслиосновные компоненты шумового спектра лежат в области низких и средних частот,преимущество имеет схема а.
4)Чем меньшедлина линии или ее затухание, тем выгоднее использовать схему а.
На практикевозможны случаи, когда из-за большой протяженности линии ее затухание настольковелико, что не удается обеспечить требуемой защищенности от интегральной помехии ОСШ. В этом случае линию разделяют на участки (в), между которыми включают ККи промежуточный усилитель(ПУ).Затухание участка выбирается таким, чтобыобеспечить защищенность и ОСШ, соответствующее данному классу качества.
Особенностьюсистемы коррекции с ПУ является то, что помехи в обоих участках суммируются.Отсюда видно, что для получения требуемой защищенности в такой линии необходимообеспечить уровень помехи в каждом из участков на 3 дБ ниже нормы.
Расчёт затухания СЛ и КК
Затухание СЛ рассчитываетсяпо формуле:
/>
где /> - коэффициентраспространения, 1/км;
/> - длина линии,км;
/> - волновоесопротивление нагрузки, Ом;
/> -сопротивление нагрузки.
Коэффициентраспространения и волновое сопротивление связаны с первичными параметрами линии– сопротивлением проводов на километр длины Z (Ом/км) и проводимостью изоляциимежду проводами Y (См/км) – соотношениями:
/>
/>
Рассчитаем для примеразатухание СЛ на одной частоте, а остальные расчёты сведём в таблицу. Первичныепараметры кабеля приведены в таблице 1. Примем сопротивление нагрузки равным600 Ом, допустимую величину неравномерности частотной характеристики затухания1 дБ.
На частоте50 Гц:
/> Ом/км,
/> См/км.
Отсюдавычисляем Z и Y:
/> Ом/км,
/> См/км.
Далеевычисляем /> и/>:
/> Ом,
/> 1/км,
/>
/>
/>
Затуханиесоединительной линии:
/> дБ.
Аналогичноопределяем затухание для других частот, промежуточные расчёты и результатысведём в таблицу 3.
Таблица 3.
Расчётзатухания СЛf, Гц 50 100 300 1000 3000 10000 Z, Ом/км 72,2+0.173i 72,2+0.346i 72.2+1.039i 72.2+3.462i 72.2+10.386i 72.2+34.62i 1 2 3 4 5 6 7
Y/>, См/км 0.5+10.37i 0.75+20.73i 1.1+62.2i 2.6+207.3i 9.8+622i 42.4+2073i
/>/>, Ом 1912-1817i 1346-1292i 773.904-749.478i 429.91-404.675i 260.549-222.182i 167.349-102.975i
/>, 1/км 0.02+0.019i 0.028+0.027i 0.047+0.047i 0.085+0.088i 0.141+0.16i 0.221+0.343i
/> 1,002+0.054i 1.001+0.108i 0.984+0.323i 0.77+1.051i -0.955+2.458i -4.011-5.792i
/> 0.234+0.231i 0.322+0.335i 0.507+0.627i 0.593+1.365i -0.892+2.632i -3.971-5.851i
/>, дБ 7.778 7.79 7.861 8.531 11.929 19.188
По этимданным строим частотную характеристику затухания СЛ (рис.17).
Далееграфически определяем ординаты идеализированной частотной характеристики затуханияКК. Принимаем />, равным 20 дБ. Тогда величинызатухания КК определяются как разность между этой величиной и соответствующими величинамизатухания СЛ. В частности, максимальное затухание КК />20-7.778=12.222 дБ. Помаксимальной величине затухания контура находим параметр k:
/> отсюда /> />
а из графика/> -параметр f1. Он равен 4000 Гц.
Расчётзатухания корректирующего контура произведём аналогично расчёту затухания СЛ.Затухание КК определяем по формуле:
/>
Результаты расчёта сводим втаблицу 4.
Таблица 4.
Расчётзатухания КК.f, Гц 50 100 300 1000 3000 10000
/> 12.222 12.21 12.139 11.469 8.071 0.812
/> 12.219 12.212 12.129 11.301 7.601 1.817
/> 19.997 20.002 19.99 19.832 19.53 21.005 /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
По даннымприведённым в таблице построим частотное затухание КК.
/>
Расчет элементов корректирующего контура
Для расчетаэлементов КК нужно получить идеализированную характеристику затухания КК, прикоторой амплитудно-частотные искажения были бы полностью скомпенсированы.
Величиныэлементов, входящих в КК, удовлетворяют условиям:
/>
/>
В схеме сопротивления/> и /> объединяют водно — />.Его величину рассчитывают по формуле:
/>
/> Ом
Величиныэлементов КК рассчитываются по формулам:
/> Ом
/> мГн
/> мГн
/> нФ
/> нФ
где />, а />
и />, />
Сопротивление/>.
Далее выбираем значенияэлементов корректирующего контура из стандартного ряда Е24:
/> Ом;
/> Ом;
/> мГн
/> мГн;
/> нФ;
/> нФ.
Неравномерность суммарной частотной характеристики затуханияполучилась равной 1 дБ, что удовлетворяет допустимой. Поэтому результат расчётаследует принять удовлетворительным.
Мощность, потребляемая СЛ от ЛУ, равна:
/> ВА
Диаграммы уровней для частот 50, 1000 и 10000 Гц изображены нарис.18. Уровень в конце СЛ доводится до номинального уровня 0 дБ установочнымрегулятором, имеющимся на входе аппаратуры.
/>
Литература:
1. А.П. Ефимов“Радиовещание”;
2. И.Е. Горон“Радиовещание”;
3. И.Е. Горон“Корректирование амплитудно-частотных искажений”.
4. А.А. Глухов“Основы звукового вещания”.
5. Методическое пособиепо курсовому проекту расчёт соединительной линии ЗВ по предмету: ”РВ и ЭА ”.
Приложение
/>
Структурная схема СЛ
/>
Схема электрическая принципиальная корректирующего контура.