Усилители для сетей кабельного телевидения

Усилители для сетей кабельного телевидения
При построении КСКТП, оператор (разработчик) кабельных сетей оказывается в растерянностипри выборе магистральных и домовых усилителей. При кажущемся равенстве (или близостипо величине) заявляемых параметров, цена может отличаться в два и более раз. Посколькудействующий в настоящее время ГОСТ 28324-89 (Сети распределительные приемных системтелевидения и радиовещания) нормирует только требования к КСКТП в целом, а не наусилительные устройства, то в настоящее время практически все: и поставщики, и кабельныеоператоры ориентируются на европейский стандарт EN 50083, разработанный ЕвропейскимКомитетом по электротехнической стандартизации CENELEC. Несмотря на то что все основныетребования, предъявляемые к усилительным устройствам, подробно изложены в одномиз разделов этого стандарта — EN 50083-3, правильный выбор усилительного оборудованияявляется одним из основных ключевых моментов при построении КСКТП.
Опыт построения КСКТП показывает, что все усилители можно условно разделить натри функциональные группы:
1. антенные (мачтовые) усилители;
2. магистральные (линейные) усилители;
3. дистрибутивные (домовые) усилители.
Если первая группа явно выделяется по своему функциональному назначению, то двепоследние порой трудно различимы, особенно при использовании в оптических системахна участке «последней мили». Такие усилители часто стали именовать универсальными.
В отличие от указанного Стандарта, рассмотрим не требования,предъявляемые к усилителям, а совокупность электрических и конструктивно-технологическиххарактеристик с их комплексной экономической оценкой, на которые следует обращатьосновное внимание при выборе усилителя. Существует старинная, многократно оправдавшаясебя поговорка: то, что дорого — то мило, то, что дешево — то гнило. Из чего жескладывается цена усилителя? Постараемся разобраться в этом нелегком вопросе, предварительноосветив основные критерии выбора усилителей.
/>
Рис.1
/>
Рис.2
Максимальный уровень выходного сигнала Umax (max. output level) характеризуеттот уровень сигнала на выходе усилителя, при котором нелинейные искажения (обычновторого и третьего порядков) меньше заданной величины (обычно — 60 dB по отношениюк несущей изображения). При этом в зависимости от порядка нелинейных искажений илиот числа транслируемых каналов величина Umax будет различной. Его измерениеосуществляется методом двух несущих (рис.1). Плавно увеличивают уровень сигналана входе усилителя, сформированного из двух немодулированных гармонических составляющихравной амплитуды, до появления интермодуляционных искажений (IMD — Inter ModulationDistortion), лежащих ниже основного сигнала на 60 dB. Комбинационные составляющиепоявляются на частотах fi =|nfa ± mfb|. На практикепроводят оценку продуктов искажения только двух первых порядков (остальные гармоническиесоставляющие резко убывают по амплитуде) — IMD2 и IMD3. Сумма коэффициентов n иm (они принимают значения 0, 1,2) определяет порядок искажений. Например, P2a =fb — fa, P2b = fa + fb, P3a = fb — 2fa (для 2fa fb), P3b = 2fb — fa и т.д. Важно отметить, что Umax2 (для IDM2 = — 60 dB)всегда меньше Umax3 (для IMD3 = — 60 dB) или IMD2 > IMD3 для фиксированногоUвых.
Для определения максимального уровня выходного сигнала при трансляции большогочисла каналов согласно стандарту EN 50083-3 принято вести оценку интермодуляционныхсоставляющих по композитным биениям второго — CSО (Composite Second Order) и третьего- СTB (Composite Tripple Beat) порядков. При этом установлено, что для усилителейс верхней частотой в 606 МГц испытания проводят при 29-ти каналах, а для усилителейс верхней частотой в 862 МГц — при 42-х каналах. Испытуемые каналы расставляютсяпо утвержденной сетке частот, исключающей появление «чистых» каналов.Оценку CSO и CTB проводят по наихудшему каналу. Полезно заметить, что все интермодуляционныепродукты располагаются или на частоте видеонесущей поражаемого канала (третий порядок),или отстоят от нее на расстоянии ±0,25 МГц (второй порядок), или на расстоянии ±0,5МГц (третий порядок). Данное обстоятельство облегчает их поиск на экране анализатораспектра или селективным микровольтметром при оценке помеховой обстановки.
Максимальный уровень выходного сигнала Umax является самым дорогостоящимпараметром усилителя в прямом и переносном смысле этого слова. Для получения значительныхвеличин Umax необходимы дорогие мощные СВЧ транзисторы, устанавливаемыев гибридные микросборки. Важно заметить, что измерения CSO и СТВ относятся к весьмадорогим и трудоемким процессам. Не каждая фирма-производитель, даже специализирующаясяна выпуске усилителей, может позволить себе проведение таких испытаний (особеннов центре сертификационных испытаний). В паспорте должны приводиться уровни выходногосигнала (строго говоря, гарантированные, а не типовые), при которых CSO
При трансляции N сигналов, выходной уровень усилителя Uвых долженбыть снижен относительно Umax3 на величину DU1, легко получаемуюиз условия сохранения суммарной мощности сигнала, приходящейся на усилитель:
Uвых=Umax3-DU1=Umax3-10lg(N/2), dBmV (1)
Величина уменьшения уровня выходного сигнала в зависимости от числа транслируемыхканалов представлена в табл.1. В силу этого при изучении технической документациина усилители следует обратить внимание на заявляемые значения Umax3(IMD3
Зависимость, аналогичная (1) для продуктов второго порядка может быть полученаиз эмпирического выражения:
Uвых=Umax2-DU1 (2) =Umax2-(3,5.4,3) lg (N/2), dBmV (2)
Результаты расчетов DU1 (2) в зависимости от числатранслируемых каналов N также представлены в табл.1.
/>
Рис.3
/>
Рис.4
Максимальный уровень выходного сигнала реверсного канала в той же степени характеризуетэнергетические возможности усилителя реверсного канала, как и прямого. СтандартEN 50083-3 не регламентирует критерии измерения этого уровня (методика измеренийв стадии обсуждения). Большинство фирм-производителей пользуются традиционным методомдвух несущих. Желательно, чтобы выполнялось соотношение Umax3 >= 116.118dBmV.
Схема выходного каскада играет важную роль в формировании свойств усилителя вцелом. До недавнего времени в выходных каскадах в подавляющем большинстве использовалисьинтегральные микросхемы. Широкополосное согласование в таких усилителях достигалосьза счет схемотехнических ухищрений. Основное внимание разработчиков уделялось реализацииминимального коэффициента отражения при малой неравномерности АЧХ. Увеличение выходногоуровня достигалось за счет использования все более мощных СВЧ транзисторов.
Совершенство полупроводниковой технологии и появление миниатюрных сверхширокополосныхферритовых трансформаторов (на их базе строятся направленные 3 dB ответвители — НО) с малыми потерями позволили строить широкополосные усилители с выходным каскадом,собранным по балансной схеме и выполненным по гибридной технологии. По английскойтерминологии схемы таких усилителей именуются push-pull. Структурная система балансногокаскада показана на рис.2 (выравнивание фазовых плеч учтено в конструкции НО и насхеме не отражено).
К основным достоинствам таких усилителей следует отнести:
· повышенный уровень выходной мощности (на 3 dB при идеальных НО);
· высокую линейность фазочастотной характеристики;
· высокий коэффициент подавления всех четных гармоник (до 20 dB и более);
· малый коэффициент возвратных потерь (return loss), гарантированныйсвойствами НО (при равенстве нагрузок на входных зажимах НО с произвольным значениемиммитанса* выходной импеданс равен сопротивлению балансной нагрузки);
· *) Напомним читателям:
· импеданс (impedance) — полное сопротивление;
· адмитанс (admittance) — полная проводимость;
· иммитанс (immitance) — полное сопротивление или полная проводимость.
· коэффициент шума балансного усилителя близок (в идеальном случае равен)коэффициенту шума одиночного каскада;
кабельное телевидение усилитель сеть
· независимость настроек входной цепи с точки зрения минимизации коэффициенташума и максимизации коэффициента усиления. В общем случае минимальный коэффициентшума реализуется при иммитансе генератора, при котором не наблюдается максимизациякоэффициента усиления. В этом случае входной коэффициент отражения |Гвх| 0. Иными словами, в балансном усилителе возможна реализация минимальногокоэффициента шума при идеальном согласовании;
· незначительный перекос АЧХ при климатических воздействиях (нулевойпри равенстве температурных изменений иммитансов выходных транзисторов);
· повышенную надежность. Так, при выходе из строя одного из усилителей,сохраняется работоспособность усилителя с понижением коэффициента передачи на 6dB;
· простоту реализации малой неравномерности АЧХ за счет использованияпростейших диссипативных выравнивающих цепей. Монотонность АЧХ существенно упрощаетее коррекцию путем использования частотных эквалайзеров.
Столь высокие преимущества усилителей, построенных по балансной схеме, и снижениецены на выходные микросхемы (в основном, от фирм Philips и NEC) за счет увеличенияобъема их выпуска, привели к массовому переходу практически всех фирм на производствоусилителей такого типа. Типовой максимальный уровень выходного сигнала таких усилителейсоставляет 119-121 dBmV (IMD3
Дальнейшее стремление повысить линейный выходной уровень привело к созданию двухбалансныхусилителей (power doubler), построенных по такому же принципу и обладающих темиже достоинствами. Теоретически максимальный уровень выходного сигнала усилителейкласса power-doubler превышает аналогичный уровень усилителей класса push-pull на3 dB, практически — на 2 dB (за счет потерь в ферритовых НО) и обычно составляет121.123 dBmV (IMD3
Выходные каскады усилителей собираются с использованием гибридной технологии,при которой большинство пассивных компонентов выполняется методом тонкопленочнойтехнологии, а дискретные активные приборы и ферритовые НО непосредственно устанавливаютсяна керамическую подложку.
В последнее время с целью дальнейшего повышения линейности усилителейстали использовать GaAs транзисторы, обладающие расширенным динамическим диапазоном(в сравнении с кремниевыми транзисторами). При этом используют каскадную схему сдинамической нагрузкой (схема Дарлингтона). Примером могут служить новые усилителиGPV851, LA86-3D (Hirschmann) и U8xx-F8-36Y (Vector), обладающие Umax3= 124,5 dBmV. ТАБЛИЦА 1 Число транслируемых каналов DU1 (3), dB DU1 (2), dB 1 -3,0 -1,1 2 3 1,8 0,7 4 3,0 1,1 5 4,0 1,5 6 4,8 1,8 7 5,5 2,1 8 6,0 2,3 10 7,0 2,7 12 8,0 3,0 16 9,0 3,4 20 10,0 3,8 24 11,0 4,1 40 13,0 4,9 50 14,0 5,3 60 15,0 5,6
/>/>
Рис.5                                                Рис.6
Частотный диапазон прямого канала определяется полосой пропускания активных элементовусилителя — транзисторов. Старые отечественные усилители серии УМ имеют верхнюючастоту 240 МГц и пригодны только для сетей с числом транслируемых аналоговых каналовне более 12-16 при условии использования головной станции (ГС), позволяющей работатьв соседних (смежных) каналах.
Однако все возрастающие потребности населения в развлеениях иполучении информации привели к тому, что в Европе за последние 10 лет число транслируемыхканалов возросло до нескольких десятков. Все это потребовало существенного увеличенияпропускной способности кабельных сетей и, в первую очередь полосы пропускания усилителей,которая в Европе, а теперь уже и во многих городах России, в настоящее время составляет47-862 МГц. КСКТП, построенные на таких усилителях, позволяют транслировать 50-70каналов, что с учетом цифрового уплотнения (например, путем использования стандартаMPEG-2) эквивалентно передаче свыше 200 TV программ. Такие КСКТП обладают минимальнойстоимостью в пересчете на канал, однако они дороже старых сетей в пересчете на одногоабонента, так как, во-первых, применение более мощных и широкополосных современныхусилителей повышает общую стоимость оборудования, во-вторых, расширение полосы приводитк сокращению длины регенерационных участков и, следовательно, к увеличению числаусилителей при той же длине магистрали. В табл.2 представлены ориентировочные значениямаксимально возможного числа транслируемых каналов. Разумеется, что приведенныезначения уточняются в каждом конкретном случае после определения частотного планаконвертации.ТАБЛИЦА 2 Число транслируемых каналов Вид трансляции 4>Верхняя частота полосы пропускания магистрального усилителя, МГц   240 450 606 862 аналоговые каналы 12-16 24-32 28-42 50-70 цифровые каналы 2-3 5-8 10-14 20-30 всего программ 18-22 30-45 50-80 100-180
Частотный диапазон реверсного канала. При трансляции сигналов в прямом направлении(downstream — нисходящий поток), нижняя частотная точка диапазона соответствует47 МГц (частота первого телевизионного канала европейского стандарта CCIR). Приэтом участок диапазона 0-47 МГц оказался невостребованным. Именно наличие этогонеиспользованного участка навело на мысль о создании наложенных интерактивных системпередачи информации. Полосу частот от 0 до начала диапазона ВI было предложено использоватьдля передачи сигналов в обратном направлении от абонента к ГС. Такой канал получилнаименование реверсного (reverse channel) или обратного (return channel) канала.Частотное разделение прямого и реверсного каналов осуществляется путем включениячастотных диплексеров на входе и выходе усилителей (рис.3). Конструктивно диплексерпредставляет собой звездообразно включенные фильтр верхних частот (ФВЧ или HP — High Pass) и фильтр нижних частот (ФНЧ или LP — Low Pass). Иногда вместо усилителяреверсного канала включают перемычку. Такой канал именуют пассивным (passive). Егокоэффициент передачи обычно не хуже — 1,0. — 1,5 dB (удвоенные потери частотногодиплексера на нижних частотах).
До недавнего времени верхняя граница реверсного канала определялась низкочастотнойточкой спектра первого TV канала, т.е.47 МГц. Однако, с развитием интегрированныхсетей потребности пользователей возрастали (в первую очередь, за счет высокоскоростногодоступа в Internet и цифровой телефонии), и, соответственно, возникла необходимостьв расширении полосы реверсного канала. Именно поэтому фирмы-производители перешлик производству усилителей с различной шириной полосы прямого и реверсного каналов.
В различных кабельных сетях может потребоваться различная полоса реверсного канала.Для удобства изменения частотного диапазона реверсного канала желательно, чтобыусилитель имел модульную конструкцию. Такая конструкция усилителя при модернизацииКСКТП позволяет легко заменить частотные диплексеры (а не весь модуль реверсногоканала) в зависимости от требуемой ширины диапазона реверсного канала без существенныхзатрат. Подобное решение использовано, например, в линейно/распределительных усилителяхфирм Hirschmann, Vector, Arcodan и др.
В реверсном канале наиболее подверженной воздействию внешних электромагнитныхнаводок оказывается низкочастотная область (5-12 МГц). Уровни внешних наводок сравнимыс входными уровнями транслируемых сигналов, что часто на практике (особенно в крупныхиндустриально развитых городах) приводит к значительному снижению транслируемогоотношения сигнал/помеха (S/D) на выходе усилителя реверсного канала.
Требования к ширине полосы реверсного канала снижаются, есливысокоскоростные магистральные линии передачи строятся на основе волоконно-оптическихлиний связи (ВОЛС), как это делается в крупных КСКТП (а интерактивный сервис экономическицелесообразно внедрять только в крупных КСКТП). Особенностью таких систем являетсято обстоятельство, что сигналы реверсного канала от оптического приемника в направлениик ГС передаются по отдельной оптической жиле. Это позволяет использовать реверсныйканал с информационной полосой любой ширины. Именно по данной причине все вновьвыпускаемые оптические системы предусматривают диапазон реверсного канала не менее4-200 МГц. В непосредственной близости от оптического приемника (входящего в составместной ГС) располагают цифровые коммутаторы, серверы и блоки частотно/временногоуплотнения цифровых сигналов. Применение конверторов реверсного канала, входящихв состав профессиональных ГС (например, CSE7500, Hirschmann), позволяет на участке«последней мили» (т.е. в коаксиальных цепях) использовать усилители счастотным диапазоном реверсного канала не более 5-30.50 МГц (см. рис.4).
/>/>
Рис.7                                                Рис.8
Диплексерная развязка (Decoupling between Forward/Return channel), т.е. уровеньразвязки между прямым и обратным каналами. Этот параметр редко приводится в паспортныхданных на усилители. Тем не менее он является одним из важнейших при внедрении услугинтерактивного сервиса. Уровень развязки определяется избирательностью ФНЧ и ФВЧ.
Требуемая величина избирательности ФНЧ (см. рис.5) объясняется простым условиемобеспечения устойчивости (в первую очередь усилителя реверсного канала), т.к. усилительпрямого канала по отношению к реверсному является петлей положительной обратнойсвязи. Достаточно выполнения традиционных условий баланса фаз и баланса амплитуд,чтобы усилитель возбудился. Так как коэффициент передачи усилителя обычно не превышает40.45 dB, достаточно избирательности ФНЧ величиной 20.25 dB.
Совершенно по-иному стоит вопрос с избирательностью ФВЧ. Основное его назначение- препятствовать проникновению продуктов интермодуляции 2-го и 3-го порядков с выходаусилителя прямого канала на вход усилителя реверсного канала. Так как шаг частотнойсетки составляет 8 МГц (OIRT), то комбинационные помехи будут группироваться вблизичастот 8, 16, 24. ±0,5 МГц.
Приняв, для определенности, Uвых = 105 dBmV (см. рис.6), IMD = 60dB и избирательность ФВЧ a = 25 dB, получим, что уровень помехи, развиваемой навходе усилителя реверсного канала, составит 20 dBmV, что эквивалентно формированиюотношения сигнал/помеха S/D = 50 dB при входном уровне сигнала реверсного каналаUвх = 70 dBmV. При трансляции сигналов в цифровых форматах, чувствительныхк воздействию синхронных помех (с учетом их накопления по магистрали), такое отношениеS/D является недопустимым.
Учитывая накопленный опыт внедрения услуг интерактивного сервиса,ряд крупных фирм-производителей магистрального оборудования, таких как Hirschmann,Philips, Arcodan и др., используют частотные диплексеры с избирательностью не менее40 dB (например, серии GPV., LA/DA, Hirschmann; 93188 Arcodan), а в последних моделях(GLV., GPV851, GPV841) — с гарантированной (приводимой в паспортных параметрах)избирательностью не менее 63 dB! (с указанием также времени задержки в полосе канала).ТАБЛИЦА 3 F, dB Тш, К0 Рш, pW Uш, dBmV 1 75,87 0,006 -3,47 2 171,4 0,014 0,066 3 291,6 0,023 2,37 4 443,0 0,035 4, 19 6 873,5 0,069 7,14 8 1556 0,123 9,65 10 2637 0, 208 11,94 14 7067 0,558 16,22 19 22980 1,82 21,34
/>/>
Рис.9                                                Рис.10
Коэффициент шума (noise factor, noise figure) характеризует уровень собственныхшумов усилителя.
Согласно определению EN50083-3, коэффициент шума — это отношение несущая/шумна входе (C1/N1) к несущая/шум на выходе (C2/N2) усилителя (любого активного прибора),принимая, что изменение несущей не зависит от шумовой мощности (т.е. отсутствуютнелинейные искажения):
F = (C1/N1) / (C2/N2)(3)
Другими словами, коэффициентом шума (или фактором шума) является отношение мощностишума на выходе реального усилителя Pш. р (активного прибора) к мощности шума в тойже точке Pш. и, если бы использовался идеальный (не добавляющий собственной шумовоймощности) усилитель:
F=Pш. р/Pш. и. (4)
Коэффициент шума является безразмерной величиной и часто выражается в децибелах:
F[db] =10lgF (5)
Из самого определения следует, что коэффициент шума идеального (не шумящего)усилителя F = 1 (0 dB). Чем меньше численное значение коэффициента шума усилителя,тем меньший вклад он вносит в снижение отношения сигнал/шум по трассе.
Иногда на практике пользуются понятием шумовой температуры (особенно при малыхзначениях коэффициента шума):
Tш=T0(F-1), (6)
где Т0= 2930К — нормальная шумовая температура.
Например, паспортное значение шумовой температуры малошумящего конвертора фирмыGardiner величиной 170К эквивалентно его коэффициенту шума F = 0,24 dB.
Через известную величину коэффициента шума усилителя (обязательноприводимую в паспорте согласно EN50083-3) находится шумовая мощность и шумовое напряжение,развиваемые на входе усилителя в полосе пропускания П: Pш=kПТш=kПТ0(F-1);
Uш= (kПТ0R0(F-1)) 1/2(7)
Uш [db] =20lgUш,
где k = 1,38 х10-23 — постоянная Больцмана. Собственная шумовая мощностьРш усилителя (развиваемая на его входе) не зависит от его коэффициентапередачи, а определяется только его коэффициентом шума F и полосой пропускания П.В табл.3 приведены зависимости численных значений упомянутых величин (Тш,Рш, Uш) от коэффициента шума усилителя для последующих расчетовотношения несущая/шум при трансляции TV сигналов в системе цветности SECAM (П =5,75 МГц). Для системы PAL (П = 4,75 МГц) величина шумового напряжения должна бытьснижена на 0,83 dB. При проведении расчетов следует помнить правило, что на входеусилителя суммируются входная Рш. вх и собственная Рш шумовыемощности (а также шумовые температуры), но не шумовые напряжения.
Если на входе усилителя установлено пассивное устройство с потерями L (например,аттенюатор, эквалайзер, кабель и т.п.), то эквивалентный коэффициент шума FS,выраженный в децибелах, будет равен сумме коэффициента шума усилителя F и потерьL, выраженных в децибелах, т.е. FS = F + L (рис.7).
Полезно помнить широко используемую формулу Фриза, позволяющую вычислить суммарныйкоэффициент шума каскадно включенных активных устройств (рис.8):
FS=F1+ (F2-1) /Kном1+ (F3-1) /Kном1Kном2 +. (Fn-1) /Kном1.Kном (n-1)
Формула (8) наглядно показывает, что наибольший вклад в суммарный коэффициентшума вносит первый усилитель (каскад) при условии, что его номинальный коэффициентусиления (с учетом потерь между ним и последующим усилителем) Кном1«1.В силу этого достаточным коэффициентом усиления мачтового усилителя является величина15.25 dB.
Усилители в кабельных сетях устанавливаются с целью компенсации потерь по магистралям,т.е. коэффициент усиления каждого из усилителей равен потерям от выхода предыдущегодо его входа. Обратившись к формуле (8), можно заметить, что при использовании идентичныхусилителей и равенстве потерь коэффициенту усиления, суммарный коэффициент шумацепочки из n усилителей запишется в виде:
FS=1+n (F-1), (9)
т.е. осуществляется накопление шумов (шумовой мощности) по магистрали.Физически это означает, что по магистрали с удалением от ГС наблюдается снижениеотношения сигнал/шум (S/N) по мере увеличения числа каскадно включаемых усилителей.ТАБЛИЦА 4 Устройство S/N, dB (варианты)   1 2 3 ГС 54 66 51 УСn (5 шт.) 52,6 52,6 64,6 УСс (1 шт.) 56,1 56,1 56,1 S/Nвых, dB 44,7 45,2 49,2
/>/>
Рис.11                                              Рис.12
Приведенный динамический диапазон. Из анализа соотношений (6-9) становится ясно,что выходное отношение S/N усилителя зависит от трех факторов (см. рис.9): уровнявходного сигнала Pc, входной шумовой мощности Pш. вх (совместнос сигналом характеризует входное отношение сигнал/шум S/Nвх) и собственнойшумовой мощности усилителя Pш (зависящей от коэффициента шума усилителя).
Если на вход усилителя с коэффициентом шума F и коэффициентом усиления Кномот ВЧ генератора с сопротивлением R0= 75 Ом подать TV сигнал с уровнемUвх, то выходное отношение сигнал/шум будет определяться величиной:
S/N[db] =Uвых [dBmV] — Кном [dB]- F[dB] — 2,41 (10)
где 2,41 dBmV — уровень теплового шума, рассчитываемого из выражения:
Uш= (kT0ПR0) 1/2(R0= 75 Ом).
Так, например, при Uвых = 96 dBmV, Кном = 38 dB и F = 8dB, на выходе формируется S/N = 47,59 dB. Формула (10) наглядно показывает, чтодля реализации возможно большего S/N необходимо выбирать усилители с возможно большимуровнем выходного сигнала при минимальном коэффициенте усиления и минимальном коэффициентешума. Однако при этом необходимо учитывать, что при заданной длине магистрали применениеусилителей с малым коэффициентом усиления приводит к увеличению их числа и, следовательно,удорожанию магистрального оборудования. Хотя качество транслируемых сигналов приэтом повышается.
Величину S/N, определяемую по (10), часто именуют приведенным динамическим диапазоном.Этот параметр удобно использовать при выборе усилительного оборудования и расчетеКСКТП.
С приведенным динамическим диапазоном связано такое важное явление,как накопление шумов. Другими словами: величина приведенного динамического диапазонахарактеризует количество шумов, вносимых активными устройствами, которые могут бытьнакоплены по магистрали. Накопление шумов в магистрали в основном обязано активнымустройствам (усилителям). При использовании нескольких усилительных каскадов (ГС,магистраль, стояк), выходное отношение S/Nвых (рис.10) легко находитсячерез известные значения приведенных динамических диапазонов каждого из активныхустройств: S/Nвых [dB] =-10lg (10 — (S/N) 1+10 — (S/N)2+.10 — (S/N) n) (11)
При каскадировании n активных устройств (усилителей) с равными S/N, выходноеотношение S/Nвых уменьшится на величину D = 10lgn. Для иллюстрации сказанного,в табл.4 приведены результаты расчета выходного отношения сигнал/шум для трех вариантовпостроения произвольной КСКТП (рис.10) — с ГС первого и второго классов, а такжес оптическим приемником. В ветвях использованы усилители с различным приведеннымдинамическим диапазоном. Тепловыми шумами абонентских разветвителей TV сигналовв расчетах можно пренебречь (погрешность не превысит десятой доли децибела).
Анализ вариантов табл.4 убедительно показывает, сколь велика значимость приведенногодинамического диапазона. Так, при варианте 2 в сравнении с вариантом 1, ГС второгокласса с S/N = 54 dB заменена на профессиональную ГС с S/N = 66 dB. В результатевыходное отношение S/N улучшилось всего на 0,5 dB. Вариант 3 демонстрирует использованиетипового оптического приемника с выходным отношением S/N = 51 dB с дальнейшим использованиеммагистральных усилителей с повышенным приведенным динамическим диапазоном при томже домовом усилителе. Выигрыш в выходном отношении S/Nвых очевиден. Этолишний раз свидетельствует, что самым дорогостоящим параметром является максимальныйуровень выходного сигнала Umax3, через значение которого определяетсярабочий выходной уровень сигнала:
Uвых. р.
Формула (11) является исходной для синтеза магистралей при известных значенияхS/N, CTB и CSO ГС и домового усилителя (согласно EN 50083-7 СТВS на выходе абонентскойрозетки должна быть не хуже 57 dB).
На рис.11 показана зависимость минимально допустимого уровня выходного сигналаот числа последовательно включенных усилителей GPV840 (Hirschmann) при двух значенияхкоэффициента усиления (28 dB и 36 dB), фиксировано изменяемого путем исключенияпромежуточного (2-го) каскада усиления (с сохранением всех остальных эксплуатационныхпараметров). Графики построены с использованием формул (7), (9) и (11). Анализ этихграфиков (рис.11) показывает, что при использовании усилителей GPV840 с коэффициентомусиления в 36 dB их максимальное число при каскадировании составляет 10. Это эквивалентнокомпенсации суммарных потерь величиной в 360 dB. При использовании того же усилителяс коэффициентом передачи в 28 dB, их максимальное число при каскадировании увеличиваетсядо 25, что эквивалентно компенсации потерь величиной в 700 dB! При этом построениевыполнено в предположении, что уровень интермодуляционных продуктов третьего порядкаСТВ = 60 dB, т.е. оставлен малый запас на аналогичные искажения ГС, оптической системыи домового усилителя. При СТВ = 70 dB (пунктир на рис.11) nmax = 5 приKном = 36 dB, что и рекомендовано фирмой-производителем.
Этот пример еще раз показывает важность таких параметров, какмаксимальный уровень выходного сигнала и коэффициент шума (в итоге эквивалентноприведенному динамическому диапазону).
Коэффициент усиления — это параметр, на который чаще всего обращает вниманиеначинающий оператор кабельных сетей, хотя значимость его не очень велика.
Как уже отмечалось, меньшему коэффициенту усиления соответствует большая величинаприведенного динамического диапазона (10), меньшее накопление шумов по магистрали(11), большее потенциальное число каскадно включаемых усилителей n и, следовательно,большая величина компенсации суммарных потерь L = n x Kном. Однако нерациональноеувеличение числа магистральных усилителей приводит к неоправданно завышенным финансовымзатратам.
Какова же оптимальная величина коэффициента передачи усилителя (считается, чтовсе усилители по магистрали идентичны) при известных потерях по магистрали L (легкорассчитываемых при заданной топологии КСКТП и выбранных типах разветвителей TV сигналов)?Постараемся ответить на этот вопрос. Для этого обратимся к формулам (10-12) с учетом,что выходной уровень каждого из магистральных усилителей должен быть дополнительнопонижен на величину:
D= (CTBM-60) /2, (13)
где CTBM — заданный (рассчитанный на этапе эскизного проектирования)уровень продуктов интермодуляционных искажений третьего порядка по всей магистралив целом. Формула (13) наглядно отражает тот факт, что снижение (увеличение) выходногоуровня усилителя на 1 dB приводит к улучшению (ухудшению) уровня CTB на 2 dB.
Решив совместно (10-13) относительно конечной величины S/NS, получим:
S/NS=A-20lg (n) — K. (14)
Здесь:
A=Umax3-10lg (N/2) — (CTBM-60) /2-F-2,41(15)
исходная справочная величина, вычисляемая на этапе эскизного проектирования.Учитывая, что потери по магистрали L компенсируются n числом усилителей, каждыйиз которых обладает номинальным коэффициентом передачи Kном:
L[dB] =nKном (16)
получим формулу по расчету S/N магистрали:
S/NS=A-20lg (L/Kном) — Кном.(17)
Анализ (17) на экстремум относительно Kном показывает, что максимальноезначение S/Nmax наблюдается при Kном = 1 неп = 8,69 dB. Хотяиспользование таких „золотых“ усилителей и позволяет реализовать максимальнуюпротяженность магистралей (или реализовать максимально возможную величину S/Nmaxпри заданных потерях L), но экономически явно не целесообразно.
Уравнение (17) относительно оптимального коэффициента передачи усилителя, прикотором наблюдается требуемая (т.е. минимально допустимая) величина S/Nтреб,в явном виде решения не имеет. Однако оно легко решается графически. Для примерана рис.12 представлена зависимость S/NS = f (n) при различных значенияхпотерь по магистрали L для усилителя c Umax3 = 124,5 dBmV и F = 7 dBпри трансляции 32-х каналов с СТВк = 62 dB (например, GPV851, Hirschmann).
Дальнейший анализ показывает, что для сохранения по магистрали S/NS= 44-50 dB при СТВ = 60-66 dB и F = 6-8 dB усилитель должен обладать оптимальным,с экономической точки зрения, коэффициентом передачи порядка 28-38 dB. Если же кмагистрали предъявляются жесткие требования по поддержанию S/N, это коэффициентпередачи усилителя не должен превышать 20-27 dB (например, магистральные усилителисерии LA86-4D, Hirschmann).
Необходимо также отметить, что некоторые фирмы-производители(например, FUBA, WISI, Германия) указывают технологический допуск на заявляемыйноминальный коэффициент усиления. Другие, как, например, фирма Hirschmann, такойдопуск не приводят, так как заявляемый коэффициент усиления указывается с учетомпогрешности используемых измерений (т.е. не более 2,5% относительно заявляемой величины).Такие значения коэффициентов передачи можно непосредственно использовать при расчетах(без технологического запаса).