Магистральные усилители

Практическая работа №3

«Изучение параметров и структурных схем антенных и магистральных усилителей СКТ»

Учебная цель:

1.Научиться анализировать параметрыи читать структурные схемы антенных и магистральных усилителей системы кабельного телевидения (СКТ).

Учебные задачи:

1. Ознакомиться с принципами построения антенных и магистральных усилителей СКТ для трансляции ТВ-сигналов.

Образовательные ресурсы, заявленные во ФГОС.

Студент должен:

Уметь:

- анализировать параметрыи читать структурные схемы антенных и магистральных усилителей СКТ.

Знать:

- технические требования и практические рекомендации по выбору оборудования антенных и магистральных усилителей СКТ.

Обеспеченность занятия:

1. Учебно-методическая литература:

Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Папантонопуло В.Н., Шувалов В.П., Телекоммуникационные системы и сети. Учебное пособие - М.: Горячая линия-Телеком, 2010.

Зима З.А., Колпаков И.А., Романов А.А., Тюхтин М.Ф. Системы кабельного телевидения - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана,2004.

Величко В.В., Катунин Г.П., Шувалов В.Д., Основы информационных технологий – М.: Горячая линия – Телеком 2009.

2. Отчет о выполнению практической работы.

3. Карандаш простой.

4. Чертежные принадлежности: Линейка.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы:

Усилители

Рассмотрев пассивные устройства, перейдем к активным устройствам — усилителям. Они различаются способами применения и функциональными возможностями, поэтому обычно их условно делят на группы: антенные, магистральные и домовые. Для усилителей наиболее важными являются следующие параметры: коэффициент шума (NF, дБ); максимальный выходной уровень (МВУ, дБмкВ); коэффициент усиления (Ку, дБ); динамический диапазон. Для антенных усилителей и усилителей обратного канала главными являются минимальный коэффициент шума и большой динамический диапазон. Для прочих усилителей основным является МВУ, хотя немаловажен и коэффициент шума. Здесь, если это особо не оговаривается, приводятся значения МВУ при IMA₃ < 60 дБ.

Антенные усилители

Усилители антенные (УА) предназначены для усиления ТВ- сигналов, принимаемых эфирными антеннами. Антенный усилитель устанавливается рядом с эфирной антенной на мачте перед фидером снижения. Иногда УА называют мачтовыми усилителями. Они позволяют улучшить ОСШ приемной системы. Очевидные требования к УА следующие: минимальный коэффициент шума; достаточный коэффициент усиления (он должен на 10... 15 дБ превышать потери в фидере снижения); большой динамический диапазон; стабильные электрические характеристики во всем возможном температурном интервале эксплуатации.

Для предохранения от воздействий погодных условий антенные усилители выпускают в прочных пластмассовых корпусах или помещают в специальные пластмассовые кожухи. Питание УА обычно осуществляется по радиочастотному кабелю снижения от выносного блока питания через инжектор питания. Промышленность (отечественная и зарубежная) выпускает большой спектр антенных усилителей различного назначения. Некоторые из производителей: «Polytron», «Планар», «Бутис-М», «СтандарТелеком», «Микротек».

Магистральные усилители

Усилители магистральные (УМ), как и рассматриваемые далее усилители домовые (УД) являются широкополосными линейными усилителями. Основной задачей УМ является доведение композитного телевизионного сигнала от ГС или от оптического приемника до домовой распределительной сети с сохранением его качества.

Магистральные усилители иногда подразделяются на магистральные и субмагистральные. Это деление условное, оно зависит от размера коаксиального участка и количества усилителей в магистрали. Магистральные усилители предназначены для усиления сигнала по магистрали кабельной распределительной сети. В каскаде может быть несколько УМ. Субмагистральный усилитель — последний усилитель в магистрали, после него устанавливается лишь УД. Субмагистральный усилитель может быть функционально более простым. Например, он может не иметь мест для установки модуля АРУ, может иметь менее гибкую конфигурацию, может не иметь сменных межкаскадных эквалайзеров. В сетях с небольшими протяженностями магистралей при отсутствии каскадирования можно ограничиться применением лишь субмагистральных усилителей. Выбирать усилители для сетей с большим количеством абонентов, с протяженными магистралями и каскадированием магистральных усилителей нужно дифференцированно. На наиболее ответственных участках устанавливаются усилители с большими возможностями и лучшими характеристиками.

За основной показатель качества УМ можно принять максимальный выходной уровень (МВУ). Но МВУ не является раз и навсегда установленным параметром. При 25 телепрограммах, транслируемых через СКТ, можно иметь более высокий МВУ, чем при трансляции 50 программ. Это объясняется тем, что 50 телесигналов, усиливаясь неидеально линейным усилителем, создадут более мощные интермодуляционные продукты, чем 25 телесигналов.

Стандартное измерение МВУ проводят двухсигнальным методом. На вход усилителя подают два смодулированных сигнала одинаковой амплитуды. Амплитуду сигналов плавно увеличивают до достижения уровня интермодуляционных искажений (Inter Modulation Distortion — IMD) 60дБ. Важны только искажения второго (IMD_II) и третьего (IMD_III) порядков. В справочных данных для УМ указываются значения U_max2 (т. е. МВУ при IMD_II < -60 дБ) и U_max3 (т. е. МВУ при IMD_III < -60 дБ).

Более объективно оценить МВУ можно при воздействии на УМ набора реальных ТВ-сигналов (стандартом EN 50083 определены 29 каналов для УМ с верхней частотой 606 МГц и 42 канала для УМ с верхней частотой 862 МГц). В этом случае интермодуляционные продукты называются композитными биениями второго (CSO) и третьего (СТВ) порядков. По аналогии с IMD_II в паспортах УМ приводят U_maxCSO, т.е. гарантированный МВУ, при котором в результате воздействия 42 ТВ-сигналов получают CSO << —60 дБ. По аналогии с IMD_III в паспортах УМ приводят значения U_maxCTB, т. е. гарантированный МВУ, при котором в результате воздействия 42 телесигналов СТВ < -60 дБ.

При произвольном числе сигналов, воздействующих на УМ, МВУ снижается по сравнению со случаем воздействия двух сигналов. Для IMD_II его можно вычислить по формуле:

а для IMD_III — по формуле:

где М — число телеканалов.

Для удобства прогнозирования МВУ величины снижения его исходного значения при увеличении числа телеканалов приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6-Связь максимального выходного усиления с максимальным количеством каналов

Величина, на которую нужно снизить МВУ	Количество каналов
4lg(М/2)		2,7	3,8	4,5	4,9	5,3	5,6	5,9
10lg(М/2)				11,9				15,8

Если задаться вопросом, каков должен быть оптимальный коэффициент усиления УМ, чтобы реализовать максимальную длину магистрали, то результат ее решения даст величину 8,7 дБ. Конечно, использовать УМ с таким малым усилением экономически невыгодно, так как потребуется очень много таких УМ. Считается, что УМ будет наилучшим образом подходить для создания СКТ при К_у = 25..35 дБ, а при особо жестких требованиях к ОСШ рекомендуется К_у = 20...27 дБ. Поскольку УМ включаются каскад но, то предъявляются повышенные требования к равномерности их АЧХ. Дело в том, что усилители одной модели обладают очень высокой повторяемостью формы АЧХ, вследствие чего при каскадировании усилителей их неравномерность суммируется. Для протяженных магистральных линий необходимо применять усилители с собственной неравномерность АЧХ одного усилителя не выше 0,5 дБ.

Длина кабеля усилительного участка может составлять десятки и сотни метров, поэтому запаздывающие сигналы, возникающие вследствие отражений от входов УМ, должны обладать достаточно малым уровнем. Это требует хорошего согласования УМ как по входу, так и по выходу, особенно в нижней части ТВ-диапазона, где потери в кабеле меньше. Например, европейский стандарт устанавливает коэффициент возвратных потерь для протяженных кабельных пролетов не менее 18...20 дБ на частоте 40 МГц и снижает эту величину при каждом двукратном увеличении частоты.

Кроме увеличения сигнала УМ должен выполнять дополнительные функции. К ним относятся регулирование коэффициента усиления и коррекция АЧХ. Эти функции выполняются специальными узлами УМ — аттенюатором и эквалайзером.

При построении длинных магистральных участков с воздушной прокадкой кабеля часть усилителей (20...30%) должны обладать системой АРУ (автоматическая регулировка усиления; AGC — Automatic Gain Control). Схема АРУ обычно работает по пилот-сигналу, передаваемому на частоте в диапазоне МВ1 (зависит от фирмы-производителя). Наличие системы АРУ увеличивает стоимость УМ, но в будущем это окупается снижением эксплуатационных расходов, так как АРУ компенсирует влияние температурных перепадов и изменение параметров СКТ за счет старения.

В СКТ с обратным каналом УМ должны обеспечивать передачу сигналов в обратном направлении на низких частотах. Сигналы обратного канала должны усиливаться в специальном усилителе. Его называют усилителем обратного (реверсного) канала.

Структурные схемы УМ большинства производителей весьма схожи. Они отличаются в основном типом выходного каскада. Практически всегда применяют двухтактную схему (Push Pull — РР). Для увеличения МВУ два РР-каскада объединяют с помощью трехдецибельных НО, делая сдвоенный выходной каскад (Power Double — PD), что иллюстрируется на рис. 2.41, а. Повысить МВУ теоретически на 3 дБ позволяет счетверенный выходной каскад (Power Quadro — PQ), что показано на рис. 2.41, б. На практике из- за наличия на выходе НО с неидеальными характеристиками выигрыш МВУ составляет 2,2...2,5 дБ.

Рис. 2.41. Схемы выходных каскадов усилителей: PD (а) и PQ (б)

Вместо одного выходного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером или общим истоком, иногда на выходе усилителя ставят сдвоенные транзисторные структуры: схему Дарлингтона (составной эмиттерный повторитель) или каскодную схему (один транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а другой — по схеме с общей базой). Каскад Дарлингтона имеет малое потребление мощности, хорошее согласование, повышенную линейность. Каскодная схема имеет еще более высокую линейность, особенно в диапазоне 47...600 МГц, поэтому ее можно рекомендовать для СКТ с передачей программ в цифровом формате. Общая схема УМ изображена на на рис. 2.42.

Рис. 2.42. Структура магистрального усилителя с обратным каналом: РА, РЭ — плавно регулируемые аттенюатор и эквалайзер; МА, МЭ — ступенчатые межкаскадный аттенюатор и эквалайзер; ПУ, У1, У2 — предварительный, раскачивающий и выходной усилители; УР — усилитель реверсного канала

Для примера рассмотрим семейство магистральных усилителей ACCESS производства фирмы «Teleste». Семейство ACCESS основано на универсальной оптико-усилительной платформе, которая позволяет осуществлять поэтапное расширение функции магистрального усилителя путем установки дополнительных модулей вплоть до преобразования в оптический узел. Семейство ACCESS включает в себя платформы АС500, АС 1000, АС2000, АС8000, имеющие модульную конфигурацию: АС8000 — оптическая платформа с возможностью изменения конфигурации; АС2000 — магистральный усилитель с двумя активными выходами; АС500 и АС 1000 — магистральные усилители с возможностью модернизации в оптический узел. Выходные каскады усилителей выполнены по технологии GaAs PD (power doubling — удвоение мощности), обеспечивающей высокий выходной уровень сигнала. Параметры усилителей семейства ACCESS приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7- Усилители семейства ACCESS

Параметры	Тип усилителя
АС500	АС 1000	АС2000
Технология выходного каскада	GaAs PD
Модернизация в оптический узел	Есть	Есть	Нет
Количество входов (пассивные вставки)		До 2 (1 вставка)	До 2 (1 вставка)
Количество активных выходов
Количество выходов общее (пассив­ные вставки)	До 2 (1 вставка)	До 3 (2 вставки)	До 3 (1 вставка)
Прямой канал
Частотный диапазон, МГц	47/54/70/85... 852
Возвратные потери, дБ
Коэффициент усиления, дБ	31...39	29...39	2x31...39
Диапазон регулировки входного аттенюатора, дБ
Диапазон регулировки входного (эквалайзера, дБ
Межкаскадный наклон, дБ
Неравномерность АЧХ, дБ	±0,4
Групповое время задержки, нс
Ослабление в контрольной точке, дБ
Коэффициент шума, дБ	7,7	5.5	6,5
Выходной уровень DIN45004, дБмкВ	127,5	129,0
Выходной уровень СТВ (CENELEC, 42 канала), дБмкВ	113,0	113,0	115,0
Выходной уровень CSO (CENELEC, 42 канала), дБмкВ	114,0	117,0	118,0
Обратный канал
Частотный диапазон, МГц	5...30/42/50/65
Возвратные потери, дБ
Коэффициент усиления (активная/ пассивная вставка), дБ	21/—6,5	2x177-9,5
Подавление шумов ингрессии, дБ	0/-6/<-50
Диапазон регулировки усиления, дБ
Диапазон регулировки наклона АЧХ, дБ
Неравномерность АЧХ, дБ	±0,5
Коэффициент шума, дБ	8,5	9,0
Выходной уровень DIN45004, дБмкВ	113,0
Общие характеристики
Уровень фоновой модуляции, дБ	≤-70
Максимальный проходной ток, А
Питание дистанционное, В	27...65, ±33... 90
Питание местное, В	205... 255
Потребляемая мощность, Вт
Электромагнитная совместимость	Согласно EN 50083-2
Класс защиты	IP67
Диапазон рабочих температур, °С	-40... +55
Габариты, мм	245x255x100
Входные/выходные разъемы	PG11
Разъемы контрольных точек	F (гнездо)

Имеется возможность деления входного и выходного сигналов вставками ответвителей или делителей: АС 500 позволяет подавать сигнал на два выхода одной вставкой; в АС 1000 имеется возможность установки трех вставок. Одной вставкой можно подать входной сигнал на транзитный выход, а двумя другими поделить выходной сигнал на два выхода. Или можно двумя вставками подать выходной сигнал на три выхода. Платформа АС2000 позволяет выходной сигнал одного из каскадов подать на два направления либо организовать транзитный вход как АС 1000.

На входе и выходе УМ устанавливается по частотному диплексеру, который осуществляет разделение сигналов прямого и обратного каналов. Возможность сменной вставки диплексера позволяет менять ширину полос обратного и прямого каналов в зависимости от потребностей оператора. Возможные варианты диапазонов обратного/прямого каналов: 5...30/47...862 МГц; 5...42/54...862 МГц; 5...50/70...862 МГц; 5...65/85...862 МГц.

С помощью аттенюатора и эквалайзера на входе УМ осуществляется регулировка усиления и выравнивание АЧХ входного сигнала. Межкаскадными аттенюатором и эквалайзером устанавливается требуемый коэффициент усиления сигнала и предварительный наклон АЧХ. При необходимости вместо них может устанавливаться модуль АРУ.

По обратному каналу имеется возможность использования активной или пассивной вставки. При поражении коаксиального сегмента шумами ингрессии возможно дистанционное снижение уровня сигнала или полное отключение обратного канала. В тракте обратного канала аттенюатор и эквалайзер стоят после усилителя, так как для цифровых сигналов, которые передаются по обратному каналу, низкий коэффициент шума более важен, чем высокий МВУ.

При помощи модуля менеджмента осуществляется дистанционный контроль и управление параметрами УМ. Дистанционно измеряются: уровни сигналов по каждому каналу; напряжение дистанционного питания в линии, выходные напряжения блока питания; температура в корпусе УМ. Дистанционно определяется несанкционированное открытие корпуса УМ.

Усилитель АС 1000, помимо наличия вставок входных ответвителей, отличается от АС500 более низким уровнем продуктов интермодуляции, более широкими возможностями межкаскадной регулировки. В этих усилителях имеется возможность дистанционной регулировки наклона АЧХ и коэффициента усиления. Схема АС 1000 приведена на рис. 2.43.

Рис. 2.43. Структурная схема магистрального усилителя АС 1000

Передача по СКТ данных требует уменьшения размеров коаксиальных кластеров и приближения оптики к абоненту. Усилители АС500 и АС 1000 позволяют преобразовать магистральный усилитель в оптический узел, когда количество абонентов передачи данных в СКТ увеличится.

Структурная схема усилителя АС 1000, модернизированного в оптический узел, приведена на рис. 2.44.

Рис. 2.44. Структурная схема узла АС 1000

Сравнение комплектации и назначения различных типов усилителей приведено в табл. 2.8.

Таблица 2.8-Сравнение комплектации и назначения различных типов усилителей

Характеристика	Усилитель / универсальная платформа
СХЕ100, СХЕ101	АС500	АС1000	АС2000	АС8000
Комплектация
Тестовые точки
Сменный диплекс-фильтр
Вставки разветвителей по входу
Вставки разветвителей по выходу
Входной аттенюатор
Входной эквалайзер
Межкаскадный аттенюатор
Межкаскадный эквалайзер
Местное питание
Дистанционное питание
Менеджмент
Дистанционное управление
Назначение
ДРС
Крупные ДРС
Субмагистраль
Магистраль
ВОЛС

Примечание. — существующие опции.

Выпускаются УМ на биполярных кремниевых транзисторах, но им приходят на смену усилители на полевых арсенид-галлиевых транзисторах. Хотя они и дороже, но имеют более высокий, МВУ. Допустим, что магистраль содержит десять УМ, в каждом из которых работает межкаскадный эквалайзер 9 дБ. Первые девять усилителей имеют выходной уровень 95 дБмкВ, а последний — 105 дБмкВ. Суммарные интермодуляционные искажения третьего порядка (СТВ) и второго порядка (СSO) для разных типов выходных каскадов изображены на рис. 2.45. 

Рис. 2.45. Сравнительные зависимости СТВ и CSO для разных типов усилительных каскадов

Больший уровень искажений имеет место при каскадировании УМ, выполненных на кремниевых транзисторах. Полностью преимущества GaAs-технологии проявляются в работе последнего усилителя в каскаде, имеющего выходной уровень 105 дБмкВ. Значительное падение уровня CTB/CSO при каскадировании кремниевых усилителей контрастирует с незначительным падением, наблюдавшимся в каскаде усилителей на арсениде галлия. Это преимущество может использоваться несколькими способами: а) оно позволяет строить сеть с более высокими уровнями сигнала на выходе каждого каскада, что приводит к повышению ОСШ; б) увеличение достижимых выходных уровней позволяет снизить количество каскадов; в) GaAs-компоненты сети могут обеспечить такие же выходные уровни, как и кремниевые, но при лучших значениях CTB/CSO, что приведет к улучшению качества предоставляемых услуг.

С учетом сложившихся реалий практически каждая фирма, производящая УМ, выпускает их как с кремниевыми, так и с арсенид-галлиевыми выходными каскадами. Проиллюстрируем это на примере УМ фирмы «Polytron», имеющих хорошее соотношение цена/качество. Кремниевые усилители типов CV25122 и CV36122 имеют МВУ=122 дБмкВ, а тот же конструктив, но с выходными каскадами на GaAs-усилителях типов CV30126 и CV40126 имеет МВУ = 126 дБмкВ и усиление на 5 дБ больше.

Выделим конструктивные особенности УМ. Отметим в первую очередь необходимость обеспечения надежности их работы, гак как при отказе хотя бы одного УМ от СКТ отключается сразу большое количество абонентов. Такие отказы могут происходить вследствие отключения электроэнергии. Целесообразно запитывать УМ дистанционно по кабелю. Для этого каждый УМ должен обеспечивать транзит тока до 8... 10 А. Такой ток должны выдерживать входные и выходные высокочастотные разъемы. Поэтому в УМ не применяют разъемы типа F. Для дистанционного питания используют напряжение 20.. .65 В переменного тока 50 Гц.