Усилители для сетей кабельного телевидения

Усилители для сетей кабельного телевидения

При построении КСКТП, оператор (разработчик) кабельных сетей оказывается в растерянности при выборе магистральных и домовых усилителей. При кажущемся равенстве (или близости по величине) заявляемых параметров, цена может отличаться в два и более раз. Поскольку действующий в настоящее время ГОСТ 28324-89 (Сети распределительные приемных систем телевидения и радиовещания) нормирует только требования к КСКТП в целом, а не на усилительные устройства, то в настоящее время практически все: и поставщики, и кабельные операторы ориентируются на европейский стандарт EN 50083, разработанный Европейским Комитетом по электротехнической стандартизации CENELEC. Несмотря на то что все основные требования, предъявляемые к усилительным устройствам, подробно изложены в одном из разделов этого стандарта - EN 50083-3, правильный выбор усилительного оборудования является одним из основных ключевых моментов при построении КСКТП.

Опыт построения КСКТП показывает, что все усилители можно условно разделить на три функциональные группы:

1. антенные (мачтовые) усилители;

2. магистральные (линейные) усилители;

3. дистрибутивные (домовые) усилители.

Если первая группа явно выделяется по своему функциональному назначению, то две последние порой трудно различимы, особенно при использовании в оптических системах на 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-технологических характеристик с их комплексной экономической оценкой, на которые следует обращать основное внимание при выборе усилителя. Существует старинная, многократно оправдавшая себя поговорка: то, что дорого - то мило, то, что дешево - то гнило. Из чего же складывается цена усилителя? Постараемся разобраться в этом нелегком вопросе, предварительно осветив основные критерии выбора усилителей.

Рис.1

Рис.2

Максимальный уровень выходного сигнала U_max (max. output level) характеризует тот уровень сигнала на выходе усилителя, при котором нелинейные искажения (обычно второго и третьего порядков) меньше заданной величины (обычно - 60 dB по отношению к несущей изображения). При этом в зависимости от порядка нелинейных искажений или от числа транслируемых каналов величина U_max будет различной. Его измерение осуществляется методом двух несущих (рис.1). Плавно увеличивают уровень сигнала на входе усилителя, сформированного из двух немодулированных гармонических составляющих равной амплитуды, до появления интермодуляционных искажений (IMD - Inter Modulation Distortion), лежащих ниже основного сигнала на 60 dB. Комбинационные составляющие появляются на частотах f_i =|nf_a ± mf_b|. На практике проводят оценку продуктов искажения только двух первых порядков (остальные гармонические составляющие резко убывают по амплитуде) - IMD2 и IMD3. Сумма коэффициентов n и m (они принимают значения 0, 1,2) определяет порядок искажений. Например, P2a = f_b - f_a, P2b = f_a + f_b, P3a = f_b - 2f_a (для 2f_a < f_b), P3a = 2f_a - f_b (для 2f_a > f_b), P3_b = 2f_b - f_a и т.д. Важно отметить, что U_max2 (для IDM2 = - 60 dB) всегда меньше U_max3 (для IMD3 = - 60 dB) или IMD2 > IMD3 для фиксированного U_вых.

Для определения максимального уровня выходного сигнала при трансляции большого числа каналов согласно стандарту EN 50083-3 принято вести оценку интермодуляционных составляющих по композитным биениям второго - CSО (Composite Second Order) и третьего - СTB (Composite Tripple Beat) порядков. При этом установлено, что для усилителей с верхней частотой в 606 МГц испытания проводят при 29-ти каналах, а для усилителей с верхней частотой в 862 МГц - при 42-х каналах. Испытуемые каналы расставляются по утвержденной сетке частот, исключающей появление "чистых" каналов. Оценку CSO и CTB проводят по наихудшему каналу. Полезно заметить, что все интермодуляционные продукты располагаются или на частоте видеонесущей поражаемого канала (третий порядок), или отстоят от нее на расстоянии ±0,25 МГц (второй порядок), или на расстоянии ±0,5 МГц (третий порядок). Данное обстоятельство облегчает их поиск на экране анализатора спектра или селективным микровольтметром при оценке помеховой обстановки.

Максимальный уровень выходного сигнала U_max является самым дорогостоящим параметром усилителя в прямом и переносном смысле этого слова. Для получения значительных величин U_max необходимы дорогие мощные СВЧ транзисторы, устанавливаемые в гибридные микросборки. Важно заметить, что измерения CSO и СТВ относятся к весьма дорогим и трудоемким процессам. Не каждая фирма-производитель, даже специализирующаяся на выпуске усилителей, может позволить себе проведение таких испытаний (особенно в центре сертификационных испытаний). В паспорте должны приводиться уровни выходного сигнала (строго говоря, гарантированные, а не типовые), при которых CSO <= - 60 dB и СТВ <= - 60 dB, а не указываться фиксированные уровни, при которых наблюдаются те или иные значения CTB и CSO, как это делается некоторыми фирмами. Хотя следует признать, что такой отсчет проще при измерениях.

При трансляции N сигналов, выходной уровень усилителя U_вых должен быть снижен относительно U_max3 на величину DU₁, легко получаемую из условия сохранения суммарной мощности сигнала, приходящейся на усилитель:

U_вых=U_max3-DU₁=U_max3-10lg (N/2), dBmV (1)

Величина уменьшения уровня выходного сигнала в зависимости от числа транслируемых каналов представлена в табл.1. В силу этого при изучении технической документации на усилители следует обратить внимание на заявляемые значения U_max3 (IMD3 <= - 60 dB, два канала) и U_max для СТВ <=-60 dB (42 канала). Разница между ними должна составлять 13.14 dB. Если эта разница выше или ниже указанного значения, следует осторожно подходить к заявленным в документации параметрам.

Зависимость, аналогичная (1) для продуктов второго порядка может быть получена из эмпирического выражения:

U_вых=U_max2-DU_{1 (2)} =U_max2- (3,5.4,3) lg (N/2), dBmV (2)

Результаты расчетов DU_{1 (2)} в зависимости от числа транслируемых каналов N также представлены в табл.1.

Рис.3

Рис.4

Максимальный уровень выходного сигнала реверсного канала в той же степени характеризует энергетические возможности усилителя реверсного канала, как и прямого. Стандарт EN 50083-3 не регламентирует критерии измерения этого уровня (методика измерений в стадии обсуждения). Большинство фирм-производителей пользуются традиционным методом двух несущих. Желательно, чтобы выполнялось соотношение U_max3 >= 116.118 dBmV.

Схема выходного каскада играет важную роль в формировании свойств усилителя в целом. До недавнего времени в выходных каскадах в подавляющем большинстве использовались интегральные микросхемы. Широкополосное согласование в таких усилителях достигалось за счет схемотехнических ухищрений. Основное внимание разработчиков уделялось реализации минимального коэффициента отражения при малой неравномерности АЧХ. Увеличение выходного уровня достигалось за счет использования все более мощных СВЧ транзисторов.

Совершенство полупроводниковой технологии и появление миниатюрных сверхширокополосных ферритовых 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 английской терминологии схемы таких усилителей именуются push-pull. Структурная система балансного каскада показана на рис.2 (выравнивание фазовых плеч учтено в конструкции НО и на схеме 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), гарантированный свойствами НО (при равенстве нагрузок на входных зажимах НО с произвольным значением иммитанса* 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 коэффициента шума и максимизации коэффициента усиления. В общем случае минимальный коэффициент шума реализуется при иммитансе генератора, при котором не наблюдается максимизация коэффициента усиления. В этом случае входной коэффициент отражения |Г_вх| <> 0. Иными словами, в балансном усилителе возможна реализация минимального коэффициента шума при идеальном согласовании;

· незначительный перекос АЧХ при климатических воздействиях (нулевой при равенстве температурных изменений иммитансов выходных транзисторов);

· повышенную надежность. Так, при выходе из строя одного из усилителей, сохраняется работоспособность усилителя с понижением коэффициента передачи на 6 dB;

· простоту реализации малой неравномерности АЧХ за счет использования простейших диссипативных выравнивающих цепей. Монотонность АЧХ существенно упрощает ее коррекцию путем использования частотных эквалайзеров.

Столь высокие преимущества усилителей, построенных по балансной схеме, и снижение цены на выходные микросхемы (в основном, от фирм Philips и NEC) за счет увеличения объема их выпуска, привели к массовому переходу практически всех фирм на производство усилителей такого типа. Типовой максимальный уровень выходного сигнала таких усилителей составляет 119-121 dBmV (IMD3 <= - 60 dB).

Дальнейшее стремление повысить линейный выходной уровень привело к созданию двухбалансных усилителей (power doubler), построенных по такому же принципу и обладающих теми же достоинствами. Теоретически максимальный уровень выходного сигнала усилителей класса power-doubler превышает аналогичный уровень усилителей класса push-pull на 3 dB, практически - на 2 dB (за счет потерь в ферритовых НО) и обычно составляет 121.123 dBmV (IMD3 <= - 60 dB).

Выходные каскады усилителей собираются с использованием гибридной технологии, при которой большинство пассивных компонентов выполняется методом тонкопленочной технологии, а дискретные активные приборы и ферритовые НО непосредственно устанавливаются на керамическую подложку.

В последнее время с целью дальнейшего повышения линейности усилителей стали использовать GaAs транзисторы, обладающие расширенным динамическим диапазоном (в сравнении с кремниевыми транзисторами). При этом используют каскадную схему с динамической нагрузкой (схема Дарлингтона). Примером могут служить новые усилители GPV851, LA86-3D (Hirschmann) и U8xx-F8-36Y (Vector), обладающие U_max3 = 124,5 dBmV.