TELEVIZNÍ DISTRIBUČNÍ SÍTĚ A SYSTÉMY

TELEVIZNÍ DISTRIBUČNÍ SÍTĚ A SYSTÉMY

Přednášky a numerická cvičení

Prof. Ing. Václav Říčný, CSc.

ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY

© Václav Říčný, 2005

ISBN 80-214-2816-3

Název

TELEVIZNÍ DISTRIBUČNÍ SÍTĚ A SYSTÉMY Přednášky a návrhová cvičení

Autor

Prof. Ing. Václav Říčný, CSc.

Vydavatel

Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky Purkyňova 118, 612 00 Brno

Vydání

první

Rok vydání 2005 Náklad

80 ks

Tisk

MJ Servis s.r.o., Kouty 16, 621 00 Brno

ISBN

80-214-2816-3

Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou

Předmluva

Skriptum Televizní distribuční sítě a systémy je určeno nejen studentům FEKT VUT studujícím v původních magisterských i bakalářských studijních programech „Elektrotechnika a informatika“ a v nově akreditovaném navazujícím magisterském studijním programu „Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídicí technika“, ale také dalším zájemcům o tuto zajímavou a rychle se rozvíjející oblast multimediální komunikace. Skriptum se zabývá problematikou různých forem distribuce analogových i digitálních televizních a rozhlasových signálů, s výjimkou terestrického vysílání. Pokrývá obsahovou náplň přednášek a numerických cvičení volitelného předmětu Televizní kabelové rozvody, zařazeného do studijních plánů oborů Elektronika a sdělovací technika a Elektronika a rádiová komunikace. Jsou v něm stručnou formou vysvětleny teoretické základy kabelové, optické a bezdrátové distribuce televizních i rozhlasových signálů, popsány používané technické prostředky pro ni a uvedeny postupy návrhu odpovídajících distribučních rozvodů různých úrovní, demonstrované na číselných příkladech. Doufám, že vám skriptum pomůže ve studiu a probudí váš trvalý zájem o tuto zajímavou, perspektivní a dynamický se rozvíjející oblast televizní techniky.

Ve studiu vám přeje mnoho úspěchů autor

V Brně 3.1.2005

1

2

O B S A H 1

KABELOVÁ DISTRIBUCE TELEVIZNÍCH SIGNÁLŮ…………………………...5 1.1 Základní způsoby multikanálové distribuce….…………………………………………5 1.2 Zdroje signálu pro televizní distribuční sítě…....…………………………………………….8 1.3 Základní pojmy systémů TKR…………………………………………………………………..8

2

ZKRESLENÍ SIGNÁLŮ V TELEVIZNÍCH DISTRIBUČNÍCH SYSTÉMECH…10 2.1 Subjektivní hodnocení obrazu dle EBU (Evropská rozhlasová unie)..…………………10 2.2 Typy zkreslení…….………………………………………………………………………………..10 2.2.1 Rušení vnějšími signály…………………………………………………………………..10 2.2.2 Rušení odrazy na vedení vlivem nepřizpůsobení….………………………………..10 2.2.3 Lineární zkreslení………………………………………………………………………….10 2.2.4 Nelineární zkreslení……………………………………………………………………….11 2.2.5 Šumy………………………………………………………………………………………….12

3

METALICKÁ VEDENÍ PRO TELEVIZNÍ DISTRIBUČNÍ SÍTĚ…………………...15 3.1 Typy vedení…………………………………………………………………………………………15 3.2 Koaxiální kabel vedení…………………………………………………………….……………..15 3.2.1 Měrný útlum bk…………………………………………………………………………….15 3.2.2 Vliv zátěže a vstupního přizpůsobení koaxiálního vedení………………………...16 3.2.3 Technologické provedení a značení kabelů………………………………….……….17 3.3 Stojaté vlny na vedení…………………………………………………………………………….18 3.3.1 Změny napětí podél vedení………………………………………………….. ………….18 3.3.2 Kmitočtová závislost kolísání napětí podél vedení………………………….……...18 3.4 Zkreslení způsobená průchodem signálu vedením…………………………………………18 3.4.1 Lineární zkreslení vlivem kmitočtové závislosti útlumu vedení…………….…..18 3.4.2 Zkreslení vlivem nepřizpůsobení ………………………………………………………19 3.5 Kritická délka kabelu……………………………………………………………..……………….19 3.6 Stanovení napětí na výstupu vedení…………………..……………………………….….20 4

PASIVNÍ KOMPONENTY DISTRIBUČNÍCH SYSTÉMŮ………………………. 24 4.1 Útlumové články – obousměrně impedančně přizpůsobené……………………….…….24 4.2 Symetrizační členy……………………………………………………………………….……….24 4.3 Směrové vazební členy…………………………………………………………………………..25 4.3.1 Směrový vazební člen s vedením…………………………………………….…………25 4.3.2 Transformátorový vazební člen – širokopásmový…………………………………..26 4.4 Odbočovače…………………………………………………………………………………………26 4.5 Rozbočovače………………………………………………………………………………………..26 4.6 Slučovače…………………………………………………………………………………………...26 4.7 Účastnické zásuvky ………………………………………………………………………………28 4.8 Kmitočtové filtry ………………………………………………………………………………….30 4.8.1 Dolní a horní propust……………………………………………………………………...31 4.8.2 Pásmová propust, pásmová zádrž ……………………………………………………...31

5

AKTIVNÍ KOMPONENTY DISTRIBUČNÍCH SYSTÉMŮ……………………………32

3

5.1 Zesilovače - rozdělení, vlastnosti……………………………………………………………..32 5.1.1 Anténní předzesilovače…………………………………………………………………..32 5.1.2 Zesilovače hlavní stanice ………………………………………………………………..33 5.1.3 Zesilovače primárních tras A distribuční sítě …………………………………….…33 5.1.4 Zesilovače pro podúrovně B primárních tras. ………………………………………35 5.1.5 Zesilovače pro sekundární trasy C …………………………………………………….36 5.1.6 Zesilovací bod ………………………………………………………………………….….37 5.2 Dynamický rozsah jednoho zesilovače…………………………………………….…………38 5.3 Dynamický rozsah kaskády zesilovačů ………………………………………………………38 5.4 Optimální zisk zesilovače ……………………………………………………………………….39 5.5 Počet zesilovačů v rozvodu známé délky ……………………………………………………40 5.6 Napájení zesilovačů ………………………………………………………………………………41 6

KONCEPCE DISTRIBUČNÍCH SÍTÍ TKR ……………………………………………….43 6.1 Individuální a malé společné televizní antény….…………………………………………..43 6.2 Střední společné televizní antény ……………………………………………………………..44 6.3 Skupinové televizní rozvody …………………………………………………………………...46 6.4 Rozsáhlé televizní kabelové rozvody (TKR) ……………………………………………….47 6.5 Širokopásmová distribuční síť TKR BK 450 (SRN) ……………………………………...49 6.6 Obousměrné distribuční sítě TKR …………………………………………………………….50

7

ENERGETICKÁ ROZVAHA A NÁVRH TKR …………………………………………..51 7.1 Energetická rozvaha malé společné televizní antény ……………………………………..52 7.1.1 Kontrola úrovní signálů v rozvodu dle obr.76 ………………………………………53 7.1.2 Kontrola odstupu signálu od šumu na účastnických zásuvkách …………………54 7.2 Energetická rozvaha střední STA ……………………………………………………………..55 7.2.1 Kontrola úrovní signálů v rozvodu STA dle obr.77 ……………………………….56 7.2.2 Kontrola odstupu signálu od šumu v rozvodu STA dle obr.77 ………………….56 7.3 Energetická rozvaha v distribuční síti rozsáhlého TKR ………………………………….57 7.3.1 Návrh úseku trasy širokopásmové sítě rozsáhléhoTKR ..……………………….. 58

8

VYUŽITÍ OPTICKÝCH KABELŮ V TELEVIZNÍCH DISTRIBUČNÍCH SÍTÍCH …………………………………………………………………………………………………. 60 8.1 Základní pojmy a vlastnosti optických vláken (kabelů) ………………………………….60 8.1.1 Konstrukce optických vláken ...…………………………………………………………61 8.1.2 Princip šíření světla (záření) optickým vláknem…………………………….. ……..61 8.1.3 Materiály používané pro optická vlákna……………………………………………...62 8.1.4 Buzení optických vláken…………………………………………………….………….. 62 8.1.5 Používané vlnové délky záření…………………………………………….….62 8.1.6 Disperze a její vliv…………………………………………………………………………63 8.2 Komutační rozvod televizních signálů ……………………………………………………….64 8.3 Multifunkční integrované informační sítě …………………………………………………...65 8.4 Optický přenos digitálních signálů ……………………………………………………………66

9

SYSTÉMY MVDS …………………………………………………………………………………..67 9.1 Úvod………………………………………………………………………………………………….67 9.2 Analogové systémy MMDS.……………………………………………………….……………68 9.2.1 Analogové systémy MMDS s kanálovým zpracováním kmit. multiplexu…….68 9.2.2 Analogové systémy MMDS s širokopásmovým zpracováním kmitočtového multiplexu………………………………………………………………...69 9.3 Kmitočtová pásma pro systémy MMDS……………………………………………………...70 9.4 Digitální systémy MMDS………………………………………………………….…………….71 4

10 STANDARD DIGITÁLNÍ KABELOVÉ TELEVIZE DVB-C………………………….73 10.1 Úvod………………………………………………………………………………………………..73 10.2 Základní principy evropského standardu DVB-C………………………………………...73 11 SMĚROVÉ PŘENOSOVÉ SYSTÉMY (SPOJE)………………………………….……….75 11.1 Úvod………………………………………………………………………………………………75 11.2 Fiktívní referenční okruh……………………………………………………………………..75 11.2.1 Lineární zkreslení a zbytkový útlum bz……………………………………………….76 11.2.2 Nelineární zkreslení…………………………………………………….………………...76 11.2.3 Hlukové signály……………………………………………………………………………76 11.2.4 Přepočet parametrů FRO pro reálný televizní spoj………………………….……..76 11.3 Směrové televizní přenosové systémy (radioreléové spoje)……………………………77 11.3.1 Úvod…………………………………………………………………….……………………77 11.3.2 Mobilní směrové televizní spoje……………………………………………………….78 11.3.3 Pevné (stacionární) směrové televizní spoje…………………………………………79 LITERATURA………………………………………………………………………………………………82

5

1

KABELOVÁ DISTRIBUCE TELEVIZNÍCH SIGNÁLŮ

Hlavní, ale nikoli jedinou, formu distribuce televizních a rozhlasových signálů představují televizní kabelové rozvody (dále TKR). Jsou to velmi kvalitní přenosové kanály umožňující společný a na vnějších podmínkách (počasí, průmyslová rušení aj.) prakticky nezávislý příjem především televizních a rozhlasových signálů. Jsou výhodné zejména v hustě obydlených lokalitách. V tzv. multifunkčních sítích s obousměrným přenosem umožňují realizovat řadu nových multimediálních služeb pro účastníky (např. objednávkové služby, registrace poplatků za energie, bezpečnostní služby aj.). Pro různé formy distribuce televizních a rozhlasových signálů v analogové i digitální formě (pozemní, kabelovou a satelitní) se využívá řada kanálů v několika kmitočtových pásmech. Pro kabelovou distribuci jsou, kromě standardních TV pásem pro pozemní vysílání, vyhrazena speciální pásma USB, OSB a ESB – viz tabulka 1. 1.1 Základní způsoby multikanálové distribuce • kabelový multiplex − dnes již prakticky není využíván, • kmitočtový multiplex − např. současné analogové systémy TKR (viz tab.1 a 2) • časový multiplex − určen pro digitální distribuční multimediální sítě − např. ISDN Tab.1: Kmitočtová pásma pro rozhlasové a TV vysílání Název kmitočtového pásma

Označení

kmitočtové pásmo [MHz]

Dlouhé vlny

DV

0,150 − 0,285

střední vlny

SV

0,524 − 1,605

velmi krátké vlny

VKV FM I

66,0 − 73,0

velmi krátké vlny

VKV FM II

87,50 − 108,0

I. televizní pásmo

TV I

48,5 − 66,0

C1,C2

II. televizní pásmo

TV II

76,0 − 100,0

C3 − C5

III. televizní pásmo

TV III

174,0 − 230,0

C6 − C12

IV. televizní pásmo

TV IV

470,0 − 622,0

C21 − C39

V. televizní pásmo

TV V

622,0 − 862,0

C40 − C69

I. pásmo CATV

USB

105,0 − 174,0

S1 − S10

II. pásmo CATV

OSB

230,0 − 300,0

S11 − S20

III. pásmo CATV

ESB

302,0 −470,0

S21 − S41

Družicová televize

Ku1 PDS

10950 − 11670

40 kanálů


Ku3 RDS

11700 −12500

40 kanálů


Ku5 PDS

12500 − 12750


Ka1 PDS

17700 − 20200

Experiment


Ka3 RDS

22500 − 23000

Experiment

MMDS a další služby

40500 - 42500

6

Označení kanálů

Nosné kmitočty obrazu a zvukového doprovodu (tzv. kmitočtový rastr) televizní normy CCIR D/K pro pozemní a kabelovou distribuci televizních signálů jsou uvedeny v tabulce 2. Tab.2: Rozdělení televizních kanálů dle TV normy CCIR D/K (speciální kanály pro kabelovou televizi USB, OSB, ESB, odpovídají normě CCIR B/G) pásmo

I.

II.

USB

III.

OSB

ESB

kanál

fn0 [MHz]

fnz [MHz]

C1

49,75

C2

Pásmo

kanál

fn0 [MHz]

fnz [MHz]

56,25

S24

327,25

59,25

65,75

S25

C3

77,25

83,75

C4

85,25

C5

pásmo

kanál

fn0 [MHz]

fnz [MHz]

332,75

C38

607,25

613,75

335,25

340,75

C39

615,25

621,75

S26

343,25

348,75

C40

623,25

629,75

91,75

S27

351,25

356,75

C41

631,25

637,75

93,25

99,75

S28

359,25

364,75

C42

639,25

645,75

S1

105,25

110,75

S29

367,25

372,75

C43

647,25

653,75

S2

112,25

117,75

S30

375,25

380,75

C44

655,25

661,75

S3

119,25

124,75

S31

383,25

388,75

C45

663,25

669,75

S4

126,25

131,75

S32

391,25

396,75

C46

671,25

677,75

S5

133,25

138,75

S33

399,25

404,75

C47

679,25

685,75

S6

140,25

145,75

S34

407,25

412,75

C48

687,25

693,75

S7

147,25

152,75

S35

415,25

420,75

C49

695,25

701,75

S8

154,25

159,75

S36

423,25

428,75

C50

703,25

709,75

ESB

S9

161,25

166,75

S37

431,25

436,75

C51

711,25

717,75

S10

168,25

173,75

S38

439,25

444,75

C52

719,25

725,75

C6

175,25

181,75

S39

447,25

452,75

C53

727,25

733,75

C7

183,25

189,75

S40

455,25

460,75

C54

735,25

741,75

C8

191,25

197,75

S41

463,25

468,75

C55

743,25

749,75

C9

199,25

205,75

C21

471,25

477,75

C56

751,25

757,75

C10

207,25

213,75

C22

479,25

485,75

C57

759,25

765,75

C11

215,25

221,75

C23

487,25

493,75

C58

767,25

773,75

C12

223,25

229,75

C24

495,25

501,75

C59

775,25

781,75

S11

231,25

236,75

C25

503,25

509,75

C60

783,25

789,75

S12

238,25

243,75

C26

511,25

517,75

C61

791,25

797,75

S13

245,25

250,75

C27

519,25

525,75

C62

799,25

805,75

S14

252,25

257,75

C28

527,25

533,75

C63

807,25

813,75

S15

259,25

264,75

C29

535,25

541,75

C64

815,25

821,75

S16

266,25

271,75

C30

543,25

549,75

C65

823,25

829,75

S17

273,25

278,75

C31

551,25

557,75

C66

831,25

837,75

S18

280,25

285,75

C32

559,25

565,75

C67

839,25

845,75

S19

287,25

292,75

C33

567,25

573,75

C68

847,25

853,75

S20

294,25

299,75

C34

575,25

581,75

C69

855,25

861,75

S21

303,25

308,75

C35

583,25

589,75

:

S22

311,25

316,75

C36

591,25

597,75

:

S23

319,25

324,75

C37

599,25

605,75

C81

IV.

7

V.

v ČR nevyužíváno

Obr.1: Hlavní stanice televizní kabelové distribuční sítě

1.2 Zdroje signálů pro televizní kabelové distribuční sítě • • • •

terestrické televizní a rozhlasové vysílače, televizní a rozhlasové signály z geostacionárních družic televizní a rozhlasové signály z regionálních (místních) studií signály z navazujících distribučních sítí (např. TKR).

1.3 Základní pojmy systémů TKR a další atributy definují normy ČSN EN 50083 – 1 “Kabelové distribuční systémy pro televizní a rozhlasové signály” a další (ČSN EN 50083-2 až 10). Společná televizní anténa STA - nejjednodušší varianta TKR (hlavní stanice napojena na účastnický rozvod bez aktivních dílů). Skupinový televizní rozvod STR - výstup hlavní stanice napojen na pasivní sekundární síť s více domovními stanicemi a účastnickými rozvody. Televizní kabelový rozvod TKR - na výstup hlavní stanice napojeny primární a sekundární sítě s průběžnými zesilovači navazujícími na STA. Předpokládá se i přenos dalších informačních signálů zpětnými kanály (obr.1). V anglosaské literatuře jsou označovány CATV - Community Antenna Television System. Hlavní stanice HS - zařízení sloužící k úpravě, zesílení a sloučení všech distribuovaných signálů – ke tvorbě tzv. kanálového multiplexu (obr.1 a 2). Rozvodná síť - soubor zařízení zabezpečující v TKR rozvod vysokofrekvenčních signálů z hlavní stanice k účastníkovi. Sestává z metalických nebo optických kabelů (případně bezdrátových spojů) a dalších pasivních i aktivních částí. Tvoří ji: a) primární síť PS spojující hlavní stanici se sekundárními sítěmi. Obsahuje zesilovače s tzv. pilotní regulací úrovně signálu (trasy A,B v obr.2), 8

b) sekundární síť SS spojuje hlavní stanici nebo primární síť s domovní stanicí (předávací bod) s účastnickým rozvodem. Obsahuje pasivní i aktivní prvky (trasy C, D v obr.2), c) účastnický rozvod ÚR - terciální síť za tzv. domovní stanicí. Obsahuje pouze pasivní prvky a zabezpečuje přenos signálů mezi domovní stanicí a účastnickou zásuvkou, d) domovní stanice DST - soubor aktivních a pasivních prvků napájející účastnický rozvod, e) účastnická zásuvka ÚZ - zařízení umožňující impedančně přizpůsobené připojení přijímače účastníka s definovaným odbočovacím útlumem. Z provozních hledisek se rozvodné sítě dělí na: • distribuční sítě DS - od hlavní stanice po předávací bod, • uživatelské sítě US - od předávacího bodu po účastnickou zásuvku. Aktivní díly TKR obsahují aktivní součástky - předzesilovače, zesilovače (průběžné, koncové, primární, sekundární, domovní), měniče kmitočtu, modulátory, demodulátory apod. Pasivní díly TKR neobsahují aktivní součástky - kabely, slučovače, odbočovače, rozbočovače, účastnické zásuvky, korektory útlumu, útlumové články, zakončovací členy, symetrizační členy, anténní soustavy, kmitočtové filtry apod.

Obr.2: Principiální blokové schéma výseku distribuční sítě TKR

V obrázku značí : A . . . .primární síť B . . . .podúroveň primární sítě C . . . .sekundární síť D . . . .pomocné úseky sekundární sítě T . . . .terciární síť (účastnický rozvod) - vertikální, horizontální, kombinovaný

9

2

ZKRESLENÍ SIGNÁLŮ V TELEVIZNÍCH DISTRIBUČNÍCH SYSTÉMECH

2.1 Subjektivní hodnocení obrazu dle EBU (European Broadcasting Union) Tab. 3: Subjektivní hodnocení obrazu dle EBU Stupeň

Kvalita

Vzniklé zhoršení

1A

velmi dobrá

nepozorovatelné

2A

dobrá

právě pozorovatelné (prahová hodnota)

3A

ještě dobrá

Pozorovatelné, ale neruší

4A

nevalná

poněkud závadný obraz

5A

špatná

závadný obraz

6A

nepoužitelná

nepoužitelný obraz

Působí-li pouze jeden typ zkreslení, platí pro přijatelný obraz stupeň 3A až 3,5A. Při více faktorech nesmí vliv žádného z nich překročit stupeň 2A. 2.2 Typy zkreslení 2.2.1 Rušení vnějšími signály Přípustné hodnoty pro kvalitní obraz odstup min. 36 dB odstup min. 52 dB při ofsetu 58 dB bez ofsetu odstup min. 46 dB odstup min. 46 dB

• vícenásobný příjem signálů • rušení jiným TV vysílačem ve stejném kanálu • rušení harmonickým signálem • rušení impulsním signálem 2.2.2 Rušení odrazy na vedení vlivem nepřizpůsobení

Pro zpoždění odraženého signálu tz < 100 ns je nutný útlum odrazu minimálně 20 dB, pro zpoždění tz > 1 µs je nutný útlum odrazu minimálně 36 dB. 2.2.3 Lineární zkreslení vzniká v aktivních i pasivních součástkách. Lze je dělit na • zkreslení amplitudové • zkreslení fázové přípustné hodnoty pro kvalitní obraz • útlumové zkreslení • skupinové zpoždění τsk v oblasti fnb • skupinové zpoždění τsk v pásmu fno - fnb

max. ± 0,2 dB/100 kHz max. 20 ns pro ∆ f = 100 kHz max. 50 ns

Příklady: Kmitočtová závislost útlumu koaxiálních kabelů a dalších komponent, kmitočtová závislost stojatých vln na vedeních vlivem nepřizpůsobení apod.

10

2.2.4 Nelineární zkreslení vzniká v aktivních prvcích (zesilovačích, směšovačích, modulátorech apod.) především vlivem přebuzení nebo za působení dalších rušivých signálů. Přípustné hodnoty pro kvalitní obraz jsou: a) zkreslení diferenciálního zesílení max. 15 % b) zkreslení diferenciální fáze max. ± 3° c) intermodulace - produktem jsou vyšší harmonické složky a signály kombinačních kmitočtů (požadované odstupy jsou v tab.4 a na obr.3). Tab. 4: Odstup intermodulačních zkreslení pro požadovanou kvalitu obrazu (dle EBU) Stupeň

Odstup [dB] pro

Kvality

I2dB

I3dB

kdB

1A

58

64

66

2A

55

62

60

3A

51

57

52

Obr.3: Požadovaný odstup intermodulačních zkreslení v TV kanálu pro soustavu CCIR D/ K

V případě kaskády n shodných zesilovačů je požadovaný odstup I2dB (I2dB) intermodulačních zkreslení jednoho zesilovače dán přibližným vztahem I2dB = (Us /Ui )dB = I2ndB + 10 log n pro intermodulační produkty 2. řádu

(1)

a podobně I3dB = (Us /Ui )dB = I3ndB + 20 log n + c.log (nk - 1) pro intermod. produkty 3.řádu, (2) kde značí: Ui………….amplitudu intermodulačního signálu vzniklého v každém z n zesilovačů, I2ndB , I3ndB…požadované odstupy celé soustavy n zesilovačů (viz tab.4), Us…………amplitudu signálu, nk……….…počet rozváděných signálů, c….……….konstanta (pro nesynchronní signály c ≈ 20, pro synchronní signály c ≈ 8. d) křížová modulace. Vzniká při působení dvou a více signálů. Jejím produktem je průnik rušivé modulace do modulace užitečného signálu. Pro hloubku křížové modulace mkm platí mkm = 3(a3/a1) m.U s2

.

nebo pro poměr křížové modulace pkmdB [dB] pkmdB = 20log pkm = 20log [(mkm/m)] = 20log [3(a3/a1)U s2 ],

(3) (4)

kde značí: a1,a3………aproximační konstanty převodní charakteristiky zesilovače [A.V-1, A.V-3], Us ………..amplitudu užitečného signálu [V] , m…………hloubku modulace užitečného signálu [-], mkm………hloubku křížové modulace [-]. 11

2.2.5 Šumy Dostatečný odstup signálu od šumu je nutný pro správnou funkci distribučního systému. křivka

1 - hladina termického šumu 2 - vlastní šum typického přijímače 3 - hladina kosmického šumu 4 - hladina šumu způsobeného provozem ve středně velkém městě 5 - atmosférický šum v noci 6 - atmosférický šum v poledne

Obr.4: Grafické znázornění typických úrovní intensity pole šumových příspěvků různých zdrojů v závislosti na kmitočtovém pásmu pro šumovou šířku pásma Bš = 8 MHz a R = 75 Ω

Vyjádření šumových parametrů a) poměr napětí signálu k šumu Φ = Us/Uš (definice používaná často v televizní technice) nebo v logaritmické míře ΦdB = 20 log(Us/Uš). b) poměr výkonů signálu a šumu S/N (Signal to Noise) v základním kmitočtovém pásmu c) poměr výkonů signálu a šumu C/N (Carier to Noise) ve vysokofrekvenčním pásmu a značí poměr výkonu nosné obrazu k celkovému šumovému výkonu v šumovém kmitočtovém pásmu Bš, nebo v logaritmické míře (S/N)dB = 10 log (S/N)., případně (C/N)dB = 10 log(C/N). d) Šumové číslo F je definováno vztahem F = (C/N)1 / (C/N)2 = 1 + T/TO, případně v logaritmickém vyjádření FdB = 10 log F ( někdy také tzv. míra šumu). e) Šumové číslo kaskády přenosových článků s dílčími šumovými čísly F1, F2, F3,… Fi a výkonovými přenosy jednotlivých článků Av1, Av2, Av3,…. Avi je dáno vztahem

Fc = F1 +

F2 − 1 F3 − 1 + + K. Av1 Av1 Av2

(5)

________ Pro šumové napětí termického šumu odporu R (dvojpólu) platí Uš = √4 kBT Bš R . (6) V případě impedančního přizpůsobení zdroje signálu ke vstupu zesilovače se šumovým číslem F je odstup signálu od šumu Φ2 = Us2 /Uš2 na výstupu zesilovače dán vztahem __________ (7) Φ2 = Us2/ Uš2 = Us1 /√ F kB T Bš R , v němž značí kB = 1,37.10-23 Ws.K-1 (Boltzmanova konstanta), T.....absolutní teplotu odporu [K], pro niž platí T = 293 + t, Bš....šumovou šířku pásma [Hz].

Grafické řešení tohoto výrazu je patrné z obr.6. 12

Obr.5: Závislost Uš = F(R, Bš) při teplotě t = 22°C dle vztahu (6) Obr.6: Diagram pro stanovení potřebného vstupního napětí Us pro požadovaný odstup ΦdB signálu od šumu při teplotě t = 20°C, Bš = 6 MHz a R = 75 Ω dle vztahu (7)

Šumová čísla komponent distribučních systémů

• Šumové číslo ztrátových pasivních prvků (kabelů, atenuátorů, náklonových členů apod.)

a míra šumu

T -1 ( Av − 1) T0

pro T ≈ T0 je Fk ≅ Av -1

(8a)

FkdB = 10 log Fk = 10 log Av-1 = bdB ,

(8b)

Fk = 1 +

kde značí Av < 1 výkonový přenos [ - ] , útlum (b>0) [dB] . bdB • Šumové číslo rozbočovačů a slučovačů (s transformátorovou vazbou) a míra šumu kde značí

Fr = brm . n

(9a)

FrdB = 10 log brm + 10 log n ,

(9b)

brm ... .maximální výkonový útlum (obvykle na nejvyšším kmitočtu) daný reálnými ztrátami např. ve feritových jádrech, oddělovacích tlumivkách apod. Transformátorová vazba sama není zdrojem šumu. Obvykle bývá brmdB = 1 až 2dB n.…...počet výstupů rozbočovače.

• Šumové číslo odbočovačů Kvalitní odbočovače bývají obvykle realizovány jako směrové vazební členy navinuté na feritových jádrech. Vazba je transformátorová a proto se opět jejich šumové číslo neshoduje s jejich vložným útlumem. Pro šumové číslo Fop průchozího výstupu platí 13

Fop = bopm a míra šumu FopdB = 10 logbopm + 10log

bv bv − n

(10a)

bv b = bopmdB + 10log v ≈ bopmdB pro n = 1, (10b) bv − n bv − n

kde značí n.......počet výstupů odbočovače (pro případ vícenásobných odbočovačů s vazebním útlumem bv v kaskádě) [ -], bv......vazební útlum napětí odbočovače bv = (U1/U2) > 1 [ - ], bopm ..maximální průchozí útlum napětí na nejvyšším kmitočtu [ - ] . Určení šumového čísla Fov je velmi obtížné, protože nelze přesně oddělit vazební a reálný ztrátový útlum. Pro jednoduchý odbočovač lze uvažovat FovdB ≅ 1 dB. V případě vícenásobných odbočovačů je třeba přičíst míru šumu FopdB předcházejících směrových vazeb. • Šumové číslo účastnických zásuvek Fúz závisí na jejich technickém provedení. Kvalitní účastnické zásuvky (průchozí i koncové) s vazebním (odbočovacím) útlumem 10 -15 dB bývají obvykle tvořeny dvěma kaskádně zapojenými směrovými vazebními členy a kmitočtovými filtry. Míra jejich šumu odpovídá zhruba průchozímu útlumu FúzdB ≅ 1- 2 dB. • Šumové číslo zesilovačů Fz . V televizních kabelových rozvodech bývají zesilovače často kombinovány s atenuátory (AT) a náklonovými členy (NČ). Vlastnosti těchto prvků je třeba zahrnout do jejich výsledného šumového čísla. Na obr.7 jsou dva možné způsoby řešení .

Obr.7: Bloková schémata a) zesilovače s předřazeným atenuátorem AT a náklonovým členem NČ, b) tzv. hybridní zapojení zesilovače s vloženým atenuátorem AT a náklonovým členem NČ

Pro zapojení a) platí

Fzc a = Fz . Aat-1. Anč-1 ,

pro zapojení b) platí

Fzc b = Fz1 +

Aat-1. Anè-1 − 1 Fz2 − 1 + Az1 Az1. Aat . Anè

(11) ,

(12)

kde Aat , Anč , Az1 , Az2 , Az jsou výkonové přenosy jednotlivých článků kaskády. Pro srovnatelné hodnoty Az1 . Az2 = Az a Fz1 = Fz2 = Fz vychází je šumové číslo Fzc b hybridního zapojení zesilovače výrazně nižší Fzc b << Fzc a .

14

3 METALICKÁ VEDENÍ PRO TELEVIZNÍ DISTRIBUČNÍ SÍTĚ 3.1 Typy vedení Charakteristická impedance Zo

a) souměrné vedení (dvoulinka)

Z0 ≅

b) souměrné vedení stíněné

c) souosé vedení koaxiální kabel

⎞ ⎛a a2 ⎟ ln ⎜⎜ + − 1 ⎟ d2 εr ⎝ d ⎠

(12)

⎛ 2a D 2 − a 2 ⎞ ln ⎜ ⎟ εr ⎝ d D2 + a 2 ⎠

(13)

120

Z0 ≅

Z0 ≅

120

138

εr

log

D d

(14)

d) pásková vedení (symetrická i nesymetrická) nejsou v účastnických sítích používána

Obr.8: Charakteristická impedance Z0 nesouosého stíněného vedení pro εr = 1

Obr .9: Charakteristická impedance Z0 nesouosých nestíněných vedení pro εr = 1

Obr.10: Charakteristická impedance Z0 souosých vedení s různým tvarem stínění pro εr = 1

Poznámka: Pro jiná dielektrika je nutno z grafů odečtené hodnoty charakteristické impedance Zo dělit druhou odmocninou z relativní permitivity dielektrika (εr)1/2 . 3.2 Koaxiální vedení

Pro účastnické distribuční sítě představují koaxiální vedení nejužívanější typ vedení.

3.2.1 Měrný útlum bkdB [dB/m] - je způsoben vlivem skinefektu vnitřního vodiče, ztrátami v mědi, αCu , v dielektriku αD a únikem elmg. energie pláštěm kabelu. 15

Pro kmitočtovou závislost měrného útlumu platí přibližný vztah f , (15) bkdB(f) ≅ k .bk0dB (f0) f0 kde značí bk0dB …měrný útlum při f = f0 [dB/100m], k…….. empirická konstanta (pro f > f0 je k = 1 až 1,2, pro f ≤ f0 je k = 1).

1 2 3 4

Obr.11: Kmitočtová závislost měrného útlumu bkdB(f) různých koaxiálních kabelů – č. 1: VCCOY 75- 5,6 č. 2 : VCCUD 75- 7,3 č. 3: VCDFE 75- 17,3 č. 4: VODZE 75- 20,3

(graf platí pro k = 1)

3.2.2 Vliv zátěže a vstupního přizpůsobení koaxiálního vedení

Obr.12: Zatížené koaxiální vedení

Za zjednodušujících podmínek Z1 ≅ R1 a Z2 ≅ R2 lze definovat a) Činitel odrazu ρ1 na vstupu ρ1 =

R1 − Z0 m −1 = 1 R1 + Z0 m1 + 1

pro R 1 > Z0 ,

ρ1 =

Z 0 − R 1 1 − m1 = Z 0 + R 1 1 + m1

pro R1 < Z0 ,

(16a,b)

ρ2 =

Z 0 − R 2 1 − m2 = Z 0 + R 2 1 + m2

pro R2 < Z0 ,

(17a,b)

a na výstupu

ρ2 =

R 2 − Z0 m2 − 1 = pro R2 > Z0 , R 2 + Z0 m2 + 1

kde m 1 =

R R1 a m2 = 2 Z0 Z0

jsou činitele přizpůsoben (nepřizpůsobení).

b) Útlum odrazu

b ρdB = 20log

c) Poměr stojatých vln

psv =

1

ρ

= 20 log

U max 1 + ρ = U min 1 − ρ

psv + 1 . psv - 1

(18)

.

(19)

Při vstupním přizpůsobení (R1 ≅ Z0) platí pro psv vlivem výstupního nepřizpůsobení (R2 ≠ Z0) psv =

Z0 pro R2 < Z0 R2

a psv =

R2 Z0

pro R2 > Z0 . Naopak

16

ρ2 =

psv - 1 . psv + 1

(20)

Obr.13: Graficky vyjádřený převod činitele stojatého vlnění na útlum odrazu

d) Účinnost přenosu na vstup (výstup) koaxiálního kabelu vlivem nepřizpůsobení pro přenos napětí ηU =

U p − U0 Up

=

2

a výkonu η P =

1 2+ m+ m

P = Pmax

4 1 2+ m+ m

(21a,b)

kde Up ,U 0 jsou amplitudy přímé a odražené vlny na vedení. e) Fázová rychlost vf na vedení vyjádřena vztahem

vf =

c

µ rε r

≅

c

εr

.

(22)

Relativní dielektrické konstanty pro pevné dielektrikum: εr ≅ 2,30 a potom vf ≅ 0,66 c a pro pěnové dielektrikum: εr ≅ 1,42 a potom vf ≅ 0,82 c 3.2.3 Technologické provedení a značení kabelů V ČR se užívá značení pomocí 5 písmen a dvou dvoumístných čísel – např.VCCOY 754-4,8 1. číslo označuje jmenovitou impedanci kabelu v Ω 2. číslo určuje průměr dielektrika pod vnějším vodičem v mm

Obr.14: Různá technologická provedení kabelů

1. písmeno označuje druh kabelu V. …..vysokofrekvenční souosý kabel P …..vysokofrekvenční souměrný dvojvodič 2. písmeno udává materiál a konstrukci vnitřního vodiče C……měděný drát L……lanko z měděných drátů 3. písmeno vyjadřuje materiál dielektrika C….. dielektrikum z pěnového polyetylénu (pěnový PE) E…. dielektrikum z plného polyetylénu (PE) D…...“rourko-balónková“ konstrukce dielektrika 4. písmeno určuje materiálově-konstrukční provedení vnějšího vodiče O….. jednoduché opředení měděnými drátky D……dvojité opředení měděnými drátky U……měděná páska s jednoduchým opředením měděnými drátky F…….konstrukce s přeloženou měděnou fólií (u typů pro TKR) V…….měděná páska s podélně uloženými měděnými drátky Z…….zvlněná měděná trubka (vlnovec) Al……hliníková páska 5. písmeno určuje materiálově-konstrukční provedení pláště Y….…měkčené PVC E…….polyethylén D…….dvojité opláštění PE + PVC (kabely pro vnější prostředí)

17

3.3

Stojaté vlny na vedení

3.3.1 Změny napětí podél vedení

Obr. 15: Rozložení napětí na krátkém (l = λ) bezeztrátovém a oboustranně nepřizpůsobeném vedení při uvažování reálných hodnot R1, R2 ≠ Z0

Stojatá vlna U (obr.15) je superpozicí složek U0, U1, U2, U3, ...

Obr.16: Pokles poměru stojatých vln psv1 na vatupu v závislosti na celkovém útlumu bk vedení a poměru stojatých vln psv2 na jeho výstupu

U U U U U ≅ 0 + 1 + 2 +L+ n , U max U max U max U max U max kde značí U0 U1 U2 Un

( 23)

průchozí (neodraženou) složku signálu, složku způsobenou 2 odrazy (na začátku a konci vedení), složku způsobenou 4 odrazy, složku způsobenou 2n odrazy.

Vliv odrazů klesá (poměr stojatých vln psv1 na začátku vedení) klesá s růstem útlumu bk kabelu (obr.16). Na stoupacích vedeních je třeba zabránit velkému kolísání úrovně napětí. 3.3.2 Kmitočtová závislost kolísání napětí podél vedení Z obr.17 jsou patrné rozdíly úrovní nosných signálů obrazu a zvuku u jednotlivých účastníků, které vedou ke vzniku lineárních zkreslení. Zmenšení těchto rozdílů lze dosáhnout použitím kabelů s větším měrným útlumem.

Obr.17: Rozložení stojatých vln na rozvodném vedení pro signály nosné obrazu (fno) a nosné zvuku (fnz) v jednom TV kanálu

3.4

Zkreslení způsobená průchodem signálu vedením

3.4.1 Lineární zkreslení vlivem kmitočtové závislosti útlumu vedení Kompenzace tohoto zkreslení (viz obr.18) se uskutečňuje změnou náklonu přenosové charakte18

ristiky zesilovače. Kmitočtové závislosti úrovně signálu na délce trasy platí pro měrný útlum kabelu 3,84 dB/100m při 280 MHz a 1,77 dB/100 m při 50 MHz. Potom potřebné zisky zesilovače jsou AzdB 50 = 11,5 dB a AzdB 280 = 25 dB.

průběhy 1 - 4 plný kladný náklon: výstup zesilovače má stejnou úroveň v celém kmitočtovém pásmu průběhy 1 - 2 plný záporný náklon: vstup zesilovače má stejnou úroveň v celém kmitočtovém pásmu průběhy 1 - 3 poloviční náklon: zabezpečuje stejnou úroveň v celém kmitočtovém pásmu uprostřed trasy

Obr.18: Tři možnosti realizace náklonu přenosové charakteristiky zesilovače

3.4.2 Zkreslení vlivem nepřizpůsobení Zpoždění to odraženého signálu v bodě X vlivem nepřizpůsobení v bodě Y je dáno vztahem 2 l εr . (24) t0 = c Pro úroveň odstupu odraženého signálu (U0/U)dB platí (měrný útlum kabelu bkdB v dB/100m) U ⎛U0 ⎞ = 20log 0 = 20log ρ − 2b kdB l ⎜ ⎟ . (25) U ⎝ U ⎠ dB Projev odrazu v obraze vlivem nepřizpůsobení je závislý na úrovni Uo a době zpoždění to odraženého signálu v bodě připojení přijímače X. Obr.19: Stanovení intenzity odrazu v délce l od místa odrazu

3.5 Kritická délka kabelu l = lk je délka, měřená od místa nepřizpůsobení (Y) k místu připojení přijímače (X). Při této délce se vyžaduje nejlepší přizpůsobení (obr.21,22), protože pro ni je projev odrazu v obraze nejrušivější. Příklad: Je použit koaxiální kabel s pěnovým dielektrikem vf /c = 0,82, Z0 = 75 Ω, Rz = 100 Ω, bk = 6 dB/100 m (obr.22, křivka 5)

a) stanovte kritickou délku lk = ? b) vypočtěte, v jakých vzdálenostech l = ? lze provést odbočení 19

_______________________________________________________________________________ Řešení: ad a) Z obr.22 je patrné, že pro kritická délka tento kabel je lk = 50 m

ad b) m2 =

R z 100 = = 1,33 , Z0 75

ρ2 =

m2 − 1 1,33 − 1 = = 0,142 m2 + 1 1,33 + 1

a útlum odrazu je potom bρdB = 20 log ρ2-1 = 20 log (1/ 0,142) ≅ 17 dB Z grafu na obr.22 lze odečíst, že odbočení lze provést ve vzdálenostech l1 < 18 m nebo naopak l2 > 111m. Na obr.20 je znázornění vlivu odražených signálů v obraze. Na základě této experimentálně získané závislosti byly vytvořeny grafy uvedené v obrázcích 21 a 22.

Obr.20: Diagram pro stanovení míry subjektivního rušení v obraze vlivem odrazu při pozorovací vzdálenosti 1,7 m (diagram platí pro úhlopříčku obrazu 63 cm)

Obr.21: Kritické délky kabelů s pevným dielektrikem

Obr.22: Kritické délky kabelů s pěnovým dielektrikem

pro vf /c = 0,66 a různé měrné útlumy. Označení křivek: 1…. 20 dB/100m , 2….. 15 dB/100m, 3….10 dB/100m, 4….…8 dB/100m, 5……6 dB/100m, 6…….4 dB/100m, 7……3,7 dB/100m, 8…….2 dB/100m, 9……1,6 dB/100m

pro vf /c = 0,82 a různé měrné útlumy. Označení křivek: 1…. 20 dB/100m , 2…...15 dB/100m, 3…..10 dB/100m, 4….…8 dB/100m, 5……6 dB/100m, 6…….4 dB/100m, 7……2 dB

20

3.6 Stanovení napětí na výstupu vedení

Ideové znázornění nepřizpůsobeného vedení (zakončené obecnou impedancí Zz) je na obr.23a. Na obr.23b je potom náhradní obvod dle Theveninova teorému, který umožňuje stanovit výstupní

Obr.23: a) Ideové znázornění nepřizpůsobeného vedení, b) náhradní obvod dle Theveninova teorému

napětí U2 při libovolném vstupním i výstupním impedančním nepřizpůsobení. Řešením vlnových rovnic na vedení lze odvodit pro napětí U20(l ) náhradního zdroje (obr.23b) vztahy a) při impedančně přizpůsobeném vstupu vedení Zg = Rg = Z0 U 20 (l ) = U 10 e - γ l = U 10 e -α l ⋅ e -j β l

(γ = α + j β )

,

(26)

b) při impedančně nepřizpůsobeném vstupu vedení Zg ≠ Z0 U 20 (l ) = 2U 10

V těchto vztazích značí:

kde značí:

l …. U10 ... Z0 …. Zg … γ ..… α ..… β … λv …

Z g (e

γl

−e

-γ l

Z0 . ) + Z 0 (e γ l + e -γ l )

délku vedení [m] , napětí generátoru naprázdno [V] , charakteristickou impedance vedení [Ω] , vnitřní impedanci generátoru [?] , konstantu šíření [m-1] , měrný útlum vedení [Npm-1] , fázovou konstanta β = 2π / λv [rad.m-1] , délku vlny na konkrétním vedení, pro níž platí v c 3.10 8 , = λv = f = f0 εr ⋅ f εr ⋅ f

(27)

(28)

εr ……relativní dielektrickou konstantu [ - ] , vf ……fázovou rychlost šíření na konkrétním vedení [m s-1] , c……. .rychlost šíření elmg. vlny volným prostorem – c = 3.108 m.s-1.

Pro stanovení napětí naprázdno U20(l) náhradního zdroje lze vypočítat hledanou velikost výstupního napětí U2 na zatěžovací impedanci Zz podle vztahu (viz obr.23) Zz (29) U 2 = U 20 (l ) = U 2 ⋅ e jϕ . Z0 + Z z Ve vztazích (26) a (27) platí)

e γl = e α l ⋅ e jβ l = e α l ⋅ (cos β l + j sin β l ) , e

−γ l

= e

-α l

⋅e

-jβ l

= e

21

-α l

⋅ (cos β l − j sin β l ) .

(30) (31)

Pro časové zpoždění ∆ t signálu na výstupu obecně zatíženého vedení platí ) ) l εr l ϕ ϕ2 (∆tφ << ∆tv) . ∆ t = ∆ t v + ∆ tϕ = + 2 = + v f 2 π f 3.108 2 π f

(32)

Příklad: Koaxiální kabel s pěnovým dielektrikem (εr = 1,4) má délku l = 150 m , charakteristickou impedanci Z0 = 75 Ω a měrný útlum α0 = 0,5 Np/100 m při kmitočtu f0 = 200 MHz. Je buzen na vstupu z generátoru harmonických kmitů o kmitočtu f = 400 MHz. Generátor má výstupní odpor RG = 75 Ω a napětí naprázdno U10 = 1 V . Vypočtěte: 1) Velikost vektoru, modulu a argumentu výstupního napětí U2 , |U2| , φ2 a) pro Zz = Rz = 75 Ω ; b) pro Zz = Rz = 100 Ω , c) pro Zz = (50 + j50) Ω . 2) Časové zpoždění ∆t výstupního napětí U2 proti vstupnímu .

_______________________________________________________________________________ Pomocné výpočty:

Řešení:

Měrný útlum pro f = 400 MHz eα l = e

O,707

150 100

= 2,888

a

α ≅ α0 e -α l = e

f 0,5 400 ⋅ 10 6 = = 0,707 Np/100m , f 0 100 200 ⋅ 10 6

-0,707

150 100

= 0,204 .

Dle vztahu (28) c 3 ⋅ 10 8 2π 2π λv = = = 0,634 m, β l = ⋅l = ⋅ 150 = 1486,56 rad = 85173,5016 ° 6 λv 0,634 εr ⋅ f 1,4 ⋅ 400 ⋅ 10 . Ze vztahů (30) a (31) γl

αl

e = e (cos β l + j sin βl) = 2,888 (cos 85173,5016 + j sin 85173,5016) = - 2,4080 – j 1,5939 e-γ l = e-α l (cos β l - j sin βl) = 0,204 (cos 85173,5016 - j sin 85173,5016) = - 0,1701 + j 0,1126 Protože generátor je na vstupu impedančně přizpůsoben k vedení je možno pomocí vztahu (26) vypočítat napětí náhradního zdroje

U20 (l ) = U10 e- γ l = 1 ( -0,1701 + j 0,1126) V = 0,204·e-j 33,5° Ad 1)

Potom dle vztahu (29)

Ad 1a)

pro Zz = Rz = 75 Ω

U 2 = U 20 (l ) Ad 1b)

Rz 75 = 1 ⋅ (− 0,1701 + j 0,1126 ) = 0,102 e - j 33,5° Z0 + R z 75 + 75

pro Zz = Rz = 100 Ω

U 2 = 1 ⋅ (− 0,1701 + j 0,1126) Ad 1c)

100 = 0,116 e j 33,5° 75 + 100

pro Zz = (50 + j 50) Ω

22

U 2 = 1 ⋅ (− 0,1701 + j 0,1126 )

50 + j 50 50 + j 50 = = (− 0,1701 + j 0,1126) 125 + j 50 75 + 50 + j 50

= (− 0,1701 + j 0,1126)(0,4827 + j 0,2069 ) = −0,1054 + j 0,0191 = 0,1071 e -10,27° Ad 2) Časové zpoždění výstupního signálu na výstupu vedení je dáno vztahem (32). Po dosazení Ad 2a),b) ∆ t =

Ad 2c)

l εr c

2π − 33,5 ⋅ 150 1,4 360 = 75 ⋅ 10 −6 − 2,3 ⋅ 10 −6 ≈ 75 µs + = + 2π f 3 ⋅ 10 8 2π ⋅ 400 ⋅ 10 6 )

ϕ2

2π − 10,27 150 1,4 360 = 75 ⋅ 10 −6 − 7,13 ⋅ 10 −11 ≈ 75 µs ∆t = + 3.10 8 2π ⋅ 400 ⋅ 10 6

Pomocí této metody použitím vztahů (27) a (29) lze takto řešit i obecné případy, kdy vedení není impeadančně přizpůsobeno ani na výstupu ani na vstupu.

23

4

PASIVNÍ KOMPONENTY DISTRIBUČNÍCH SYSTÉMŮ

4.1 Odporové útlumové články – obousměrně impedančně přizpůsobené

Obr. 24: Obousměrně impedančně přizpůsobené odporové útlumové články: a - tvaru Τ , b - tvaru Π

2b Z bn − 1 , R 2 = 2n 0 , bn + 1 bn − 1

(33a,b)

Z 0 bn2 − 1 b +1 , , R 2 = Z0 n 2 bn bn − 1

(34a,b)

Pro článek Τ platí:

R1 = Z0

pro článek Π platí:

R1 =

kde bn je poměr napětí bn = U1/U2 > 1 (převratná hodnota napěťového přenosu). Tyto články jsou širokopásmové. Jejich nevýhodou je, že zhoršují šumové poměry (pro jejich šumové číslo platí F ≅ bn2 ). 4.2 Symetrizační členy

Provedení různých typů symetrizačních členů pro impedanční převod ze symetrické impedance 300 Ω na nesymetrickou impedanci 75Ω je patrné z obr.25.

Obr.:25: Příklady provedení symetrizačních členů: a) odporový širokopásmový symetrizační člen, b) úzkopásmový symetrizační člen s půlvlnným vedením, c) symetrizační člen s půlvlnným vedením na plošném spoji, d) transformátorový symetrizační člen, e) symetrizační člen ze dvou čtvrtvlnných úseků vedení 150 Ω 24

4.3 Směrové vazební členy

tvoří podstatnou část kvalitních slučovačů, rozbočovačů, odbočovačů i účastnických zásuvek. U1 U1 průchozí útlum bp = , bpdB = 20 log [ dB] U2 U2 vazební útlum

bv =

U1 U1 , bvdB = 20 log U3 U3

[ dB]

zpětný útlum

bz =

U2 U2 , bzdB = 20 log U3 U3

[ dB]

Např. pro bpdB = 3 dB je bvdB = 3 dB…..rozbočovač bpdB = 0,5 dB je bvdB = 15 dB.….odbočovač bzdB >> bpdB , bvdB

Přitom platí, že Obr.26: Ideové schéma směrového vazebního členu ve funkci odbočovače

4.3.1 Směrový vazební člen s vedením má selektivní vlastností - vazební útlum se zvětšuje pro nízké kmitočty

Obr. 27: a) Směrový vazební člen s vedením , b) závislosti bpdB , bvdB , bzdB = F ( f ) pro směrový vazební člen s vedením l = λ / 4 (bvdB = 10 dB při f0 = 200 MHz)

Pro R1 = R2 = R3 = R4 = Z0 = Za = Zb platí

Za = kde značí:

La , Ca

Zb =

Lb , Cb

La , Lb…...indukčnosti vedení a , b, Ca , Cb.….kapacity vedení vůči společnému stínění M..........….vzájemnou indukčnost vedení a , b Za , Zb…......charakteristické impedance vedení a, b 25

(35a,b)

Při l = λ / 4 je potom

bvdB = 20 log

U1 M = 20 log U3 La

.

(36)

4.3.2 Transformátorový vazební člen - širokopásmový

Obr.28: a) Transformátorový směrový vazební člen , b) závislosti bpdB , bvdB , bzdB = F ( f ) pro transformátorový směrový vazební člen realizovaný na feritovém jádru z materiálu N 0l

4.4 Odbočovače

Požadavky:

malý průchozí útlum bpdB v širokém kmitočtovém rozsahu, vhodný odbočovací bodB = bvdB (vazební) útlum, velký zpětný útlum bzdB, konstantní impedance vstupu i výstupů v pracovním kmitočtovém pásmu. Obvyklá provedení:

Obr. 29: Schéma odbočovače s transformátorovým směrovým vazebním členem

• jednoduché odporové děliče (vhodné pro bodB > 20 dB), odbočení bez • odbočovací členy s transformátorem směrových účinků bpdB < 2 dB , bodB = 10 až 20 dB použitelné v I. až V. TV pásmu, • odbočovače se směrovými vazebními členy - nejkvalitnější bpdB < 1 dB (obr.28, 29), • odbočovače s kmitočtovými filtry (tzv. výhybky - viz odstavec 4.8), obvykle kombinace DP a HP.

4.5 Rozbočovače

slouží k rozbočení signálu do dvou, případně více výstupů se stejnými úrovněmi (zvláštní případ odbočovačů) Požadavky: malý rozbočovací (průchozí) útlum brdB, široký kmitočtový rozsah, konstantní impedance vstupu i výstupů v pracovním kmitočtovém pásmu, minimální zpětné ovlivňování vstupu změnami zatěžovacích impedancí na výstupech

26

Provedení: • • • •

odporové rozbočovače (obr.30), rozbočovače se směrovými vazebními členy (s vedením - obr.27), hybridní rozbočovače - slučovače (obr.31), rozbočovače s kmitočtovými filtry ( mohou rozbočit pouze kmitočtově rozdílné signály).

Obr. 30: a) Odporový rozbočovač 4-směrný (impedančně přizpůsobený pouze ze vstupu), b) odporový rozbočovač 2-směrný (obousměrně impedančně přizpůsobený)

Pro variantu a) platí

Pro variantu b) platí

R = Z0 (n - 1) (37), kde n je počet výstupů brdB = 20 log n [dB] (38) br = U1/U2i = n

R1 = R2 = R3 = Z0/3 br = 2 , brdB = 6 dB

4.6 Slučovače

Slouží ke slučování dvou a více signálů. Většina rozbočovačů je použitelná i jako slučovače. Požadavky:

Provedení:

minimální útlum slučovaných signálů, možnost sloučení libovolně kmitočtově blízkých signálů, zachování impedance jednotlivých vstupů bez vzájemného ovlivňování v pracovním kmitočtovém pásmu, průchozí pro stejnosměrný proud apod. stejné jako u rozbočovačů.

Slučovací (rozbočovací) útlum bsdB oddělovací útlum bodB

bsdB = brdB = 20 log (U3/U2) = 20 log (U3/U1). bodB = 20 log (U1/U2) .

Obr. 31: a) Principiální schéma hybridního slučovače, b) provedení 27

Obr. 32: Přenosové vlastnosti hybridního obvodu dle obr.31

Obr. 33: Příklad sloučení signálů 4 kanálů pomocí tří hybridních slučovačů. Průchozí útlum A,B,C,D) : E = 6 až 6,5 dB; oddělovací útlum (B,C,D):A = 25 až 35 dB

Typické hodnoty pro hybridní slučovače (viz obr.31) určené pro I. až V. TV pásmu jsou: bsdB = brdB ≤ 4 dB ; bodB > 20 dB ; Z1 ≅ Z2 ≅ Z3 ≅ Z0 = 75 Ω ; psv ≤ 1,5 4.7 Účastnické zásuvky

Účastnické zásuvky (dále ÚZ) se vyrábějí jak průchozí a nebo koncové zásuvky. Ukázky provedení jsou na obrázcích 34 a 35.

a)

b)

c)

Obr. 34: Průchozí ÚZ: a) se dvěma směrovými odbočovacími transformátory SOT a filtrem DP, a) s jedním SOT a rozbočovačem, c) s jedním SOT a filtrem typu dolní propust

a) b) c) d) Obr. 35: Koncové ÚZ: a) se dvěma SOT, b) s rozbočovačem, c) s kmitočtovou výhybkou, d) s jedním SOT a filtre typu dolní propust

Výstup televizních signálů (TV) přenáší celé kmitočtové pásmo s výjimkou rozhlasových pásem. Výstup rozhlasových signálů (R) přenáší pásmo 87 až 108 MHz (mívá charakter dolní nebo pásmové propusti). Koncepce účastnických zásuvek pro bývají různé (s jedním nebo dvěma 28

směrovými odbočovacími transformátory SOT - obr. 34 a,b,c, 35 a,d) nebo jednoduché zásuvky realizované pomocí rozbočovačů, příp. kmitočtových výhybek (obr.35 b,c). Ukázky obvodového zapojení některých zásuvek jsou na obrázcích 36 až 39. Parametry účastnických zásuvek: • útlum odrazu

brdB = 20log

psv + 1 . psv - 1

[dB]

Útlum odrazu je definován v pro několik režimů: br1 br11 br2

útlum odrazu na vstupu ÚZ při zatížení všech výstupů jmenovitými impedancemi, útlum odrazu na vstupu ÚZ při nezatíženém TV nebo R výstupu , útlum odrazu na výstupu ÚZ při zatížení všech výstupů jmenovitými impedancemi. U1 , U2

• průchozí útlum

bpdB = 20log

• vazební útlum

bvTV(R)dB = 20log

[dB]

U1 , U TV(R)

[dB]

U2 , [dB] U TV(R) U • oddělovací útlum [dB] bdTV = RdB = 20log R , U TV U rus . bsdB = 20log • útlum stíněním [dB] U 1 (U 2 ) Tento parametr je velmi důležitý z hlediska EMC - jak ve smyslu EMS, tak i EMI Průchozí a vazební útlumy jsou závislé na typu a konstrukci ÚZ a schopnostech výrobce. Obvykle je bpdB = 0,8 až 2 dB ; bvdB = 8 až 20 dB. Ostatní typické parametry jsou v tab.5. • zpětný oddělovací útlum bdTV(R) = 20 log

Tab.5: Typické parametry účastnických zásuvek Parametr

Symbol

kmitočtové pásmo

Minimální požadovaná hodnota 5 − 40 MHz

fd , fh

1)

40 − 470 MHz

470 − 870 MHz

75 dB

65 dB

útlum stíněním

bsdB

útlum odrazu vstupu

brtdB

útlum odrazu vstupu při nepřizpůsobených účastnických výstupech

brt1dB

útlum odrazu výstupu 2)

br2dB

18 dB

18 dB − 1,5 dB/okt

útlum odrazu výstupu TV

brTVdB

14 dB

14 dB − 1,5 dB/okt

útlum odrazu výstupu R vazení útlumy účastnických výstupů oddělovací útlum mezi výstupy

75 dB

18 dB − 1,5 dB/okt

18 dB

10 dB (průchozí zásuvky) 8 dB (koncové zásuvky)

brRdB 2)

10 dB

bvTVdB bvRdB

bvTV + 18 dB

bdTV-RdB

bvTV + 18 dB − 1,5 dB/okt min bvR + 10 dB 20 dB

Poznámka 1) Požadováno až od 30 MHz Poznámka 2) Označené parametry nejsou definovány pro koncové zásuvky 29

Požadované úrovně signálů na výstupech účastnických zásuvek jsou v tab.8 (kapitola 7).

Obr: 36: Schéma průchozí ÚZ se dvěma SOT a kmitočtovým filtrem typu dolní propust pro výstup R

Obr. 38: Schéma koncové ÚZ s jedním SOT a filtrem typu dolní propust pro výstup R

Obr. 37: Schéma průchozí ÚZ s jedním SOT a transformátorovým rozbočovačem

Obr. 39: Schéma koncové ÚZ s rozbočovačem

Příklady vyráběných účastnických zásuvek: Průchozí a koncové ÚZ se dvěma SOT: DO 06, 09 (fa. WISI), GAD 252 až 255 (fa.FUBA), SE 12, 15, 83 (fa. BOSCH) a další. Průchozí a koncové ÚZ s jedním SOT: ESD 47 (fa.KATHREIN), GAD 215 (fa.FUBA), DO 17 (fa.WISI) a další.

4.8 Kmitočtové filtry

slouží pro realizaci kmitočtových výhybek, slučování signálů různých kmitočtových pásem, k potlačení rušivých signálů apod.

30

Typy oboustranně impedančně přizpůsobených kmitočtových filtrů pro TKR • dolní propust DP • horní propust HP • pásmová propust PP • pásmová zádrž PZ 4.8.1

Dolní a horní propusti Výpočetní vztahy platí pro zapojení na obr.40 a 41:

Obr. 40: Dolní propusti

Obr. 41: Horní propusti

L=

Z0 , 2π f h

(38)

C=

1 , 2 π f h Z0

(38)

kde fh je hraniční kmitočet, pro který platí 1 (40) 2π f h L = 2π f C

4.8.2 Pásmová propust, pásmová zádrž Výpočetní vztahy platí pro zapojení na obr.43 a 44:

a)

L1 =

Z0 Z ( f − fd ) , L2 = 0 h , 2π ( f h − f d ) 2π f stř

C1 =

f h − fd 1 , C2 = , (42a,b) 2π f stř Z0 2π Z0 ( f h − f d ) kde f stø =

b)

fd ⋅ fh

(41a,b)

(43)

Obr. 42: Přenosové charakteristiky: a) pásmové propusti, b) pásmové zádrže

Obr. 43: Pásmové propusti: a) , c) nesouměrné, b) , d) souměrné

Obr. 44: Pásmové zádrže: a) , c) nesouměrné, b) , d) souměrné

31

Obr. 46: Zapojení slučovače televizních pásem I a II s televizním pásmem III (podle příkladu) Obr. 45: Příklad sloučení tří signálů pomocí DP, HP a PP

Příklad: Navrhněte souměrný slučovač dvou signálů z I. , II. a III. TV pásma Z0 = 300 Ω, hraniční kmitočet zvolen dle tab.2 fh = 120 MHz _______________________________________________________________________________ Řešení: L =

300 Z0 = ≅ 0,4 µH; 2 π f h 6,28 ⋅ 120 ⋅ 106

C=

1 1 = = 4,43 pF 2 π f h Z0 6,28 ⋅ 120 ⋅ 106 ⋅ 300

Zapojení slučovače realizovaného kombinací filtrů typu horní - dolní propust je na obr.46. 5 AKTIVNÍ KOMPONENTY DISTRIBUČNÍCH SYSTÉMŮ

V účastnických distribučních systémech jsou aktivní komponenty reprezentovány především zesilovači (selektivními i širokopásmovými), směšovači, modulátory (remodulátory) a demodulátory. V první části této kapitoly budou popsány pouze základní struktury různých typů zesilovačů užívaných v distribučních systémech. Problematika ostatních aktivních nelineárních obvodů byla probrána v jiných předmětech a jejich aplikace v distribučních systémech nejsou tak časté. Zesilovače tvoří naopak základní aktivní komponenty a jejich vlastnosti zásadním způsobem ovlivňují kvalitu rozváděných signálů a jejich analýza bude obsahem druhé části této kapitoly. 5.1

Zesilovače - rozdělení, vlastnosti

5.1.1 Anténní předzesilovače jsou selektivní zesilovače určené pro zesilování výstupních signálů z anténních systémů s těmito typickými parametry: šířka kmitočtového pásma . . . . . . 10 až 12 MHz, míra šumu . . . . . . . . . . . . . . . . . < 3 dB (dle kmitočtového pásma), zisk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 až 40 dB, vstupní impedance . . . . . . . . . . . 75 Ω (někdy také 300 Ω symetricky), výstupní impedance........................ 75 Ω, maximální úroveň výstupního signálu .............................................větší jak 80 dBµV (pro odstup intermodulačních zkreslení větší jak 60 dB). Příklady zapojení kanálových předzesilovačů jsou na obrázcích 47 a 48. 32

Obr. 47: Schéma selektivního předzesilovače pro jeden kanál UHF

Obr. 48: Schéma selektivního předzesilovače pro jeden kanál VHF

5.1.2 Zesilovače hlavní stanice jsou obvykle selektivní (jednokanálové). Tvoří součást aktivního slučovače při tvorbě kmitočtového multiplexu programové nabídky distribuční sítě kabelového rozvodu Přijímané kanály jsou obvykle přeloženy do speciálních kmitočtových pásem kabelové televize USB, OSB, ESB (kanály S1 až S 41 uvedené v tabulce 2).Velmi důležitým parametrem je linearita převodní charakteristiky. Typické parametry kanálových zesilovačů hlavní stanice:

šířka kmitočtového pásma . . . . . míra šumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . zisk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . maximální výstupní úroveň . . . .. vstupní a výstupní impedance . . . .

10 až 12 MHz, < 8 dB (dle kmitočtového pásma), až 50 dB, větší jak 115 dBµV, 75 Ω.

5.1.3 Zesilovače primárních tras distribuční sítě Jsou to širokopásmové zesilovače (pracující obvykle v kmitočtovém pásmu 47 až 450 MHz), které slouží pro zesilování signálu v primárních trasách A a podúrovních primárních tras B - viz obrázky 2 a 49. Jsou vybaveny korektory náklonu a pilotní regulací zisku pro zajištění konstantní výstupní úrovně signálu (tzv. provozní úrovně) při změnách parametrů kabelové trasy (např. vlivem teploty apod.). Mají obvykle kromě hlavního výstupu koncového zesilovače do primární trasy další odbočovací výstupy ( bodB ≅ 15 dB) a výstup pro měření odbočovacím útlumem asi 20 dB. Struktura části distribuční sítě TKR v blízkosti hlavní stanice je patrná z obr.49. Příklad koncepce primárních zesilovačů představuje zesilovač CD 12 firmy WISI (SRN) s automaticky řízeným zesílením pomocí dvou pilotních signálů obsa- kmitočtech 80,15 MHz a 287,25 MHz, jehož blokové schéma je na obr.50. Zesilovač CD 12 obsahuje také korektor náklonu N1, teplotně závislý atenuátor T1, pilotními signály řízený atenuátor T2 a korektor náklonu N2. Zesilovač má hlavní (průchozí) výstup (H) do primární sítě A, dva odbočovací výstupy D, E s odbočovacím útlumem 14 dB pro trasy B, případně výstup (G) pro přijímač pilotních signálů a výstup (F) pro měření s odbočovacím útlumem 20 dB. 33

Obr. 49: Ukázka struktury části distribuční sítě televizního kabelového rozvodu

Obr. 50: Blokové schéma zesilovače CD 12 firmy WISI

Základní technické parametry zesilovače CD 12 (fa.WISI)

kmitočtový rozsah . . . . . . . . . . . . . . . .. zisk (UH/UA) dB . . . . . . . . . . . . . . . . . .. provozní výstupní úroveň . . . . . . . . . . . míra šumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . útlum odbočení D,E . . . . . . . . . . . . . . . . útlum odbočení F . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47 až 446 MHz, 18,2 + 0,4 (-0,1) dB, 93 dBµV pro 446 MHz, ≤ 9 dB pro 47 MHz; ≤ 8,5 dB pro 446 MHz, 14 ± 0,4 dB, 20 ± 0,4 dB, 34

> 20 dB pro 47 MHz, 75 Ω .

zpětný útlum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vstupní a výstupní impedance………….

Automatické řízení zesilovačů pilotními signály V řízených zesilovačích primárních tras je třeba automaticky řídit zisk a náklon přenosové charakteristiky tak, aby se kompenzoval vliv příslušného úseku kabelové trasy. Obvykle se tak děje pomocí dvou pilotních signálů. Zpracování pilotních signálů a vytváření řídicích signálů pro řízený atenuátor T2 a náklonový člen N2 v zesilovači se uskutečňuje v přijímači pilotních signálů, který je doplňkem zesilovače CD 12 a jehož blokové schéma je na obr. 51. První pilotní signál, vydělený ze spektra rozváděných signálů pásmovou propustí (naladěnou v případě zesilovače ABP na kmitočet 80,15 MHz), je porovnáván s referenční úrovní a odvozené regulační napětí odchylky řídí paralelní řízený atenuátor T2 (obr.50). Regulační napětí odvozené obdobným způsobem z druhého pilotního signálu o kmitočtu 287,25 MHz řídí proměnný náklonový člen N2 (sklon amplitudově-kmitočtové charakteristiky zesilovače.

Obr. 51: Blokové schéma pilotního přijímače pro zesilovač CD 12

5.1.4

Zesilovače pro podúrovně B primárních tras Tyto zesilovače jsou neřízené a slouží pro zesilování signálů v podúrovních B primárních tras nebo pro odbočování do sekundárních tras (úseky C v obr. 50). Firma WISI vyrábí 2 typy těchto zesilovačů – CD 14 a CD 15. Typ CD 14 má jediný hlavní výstup (H) - neobsahuje rozbočovač R1. Blokové schéma zesilovače CD 15 je na obr.52. Obr.52: Blokové schéma zesilovače CD 15 firmy WISI I

35

Základní technické parametry zesilovače CD 15 (fa WISI)

kmitočtový rozsah . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 až 446 MHz, zisk na výstupu (H,G) . . . . . . . . . . . . . . . 14 ± 0,3 dB, míra šumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≤ 9,2 dB CD14; ≤ 8,3 dB CD15 pro 47 MHz, ≤ 10 dB CD14; ≤ 9,7 dB CD15 pro 446 MHz, provozní výstupní úroveň . . . . . . . . . . . 93 dBµV pro 446 MHz, odbočovací útlum (E) . . . . . . . . . . . . . . 14 dB, zpětný útlum mezi (H,G a F,E) . . . . . . . ≥ 65 dB, vstupní a výstupní impedance . . . . . . . . . 75 Ω. 5.1.5 Zesilovače pro sekundární trasy C Tyto zesilovače slouží k odbočení a zesilování signálů do sekundárních tras C (připojují se vstupem na odbočovací výstupy zesilovačů tras A nebo B. Jsou obvykle vybaveny automatickým řízením zisku jediným pilotním signálem (člen Kp) a fixním náklonovým členem N1. Teplotně citlivý atenuátor T1 minimalizuje vliv změn okolní teploty na přenosové parametry kabelové trasy. Automatické řízení zisku zesilovače prostřednictvím nastavené požadované úrovně pilotního signálu se uskutečňuje paralelním atenuátorem Kp. Firma WISI vyrábí dva typy těchto zesilovačů - CD 16 a CD 17. Blokové schéma zesilovače CD 16 je na obr. 53. Interní rozbočovač R1 vytváří, kromě výstupu (H), další dva výstupy (C,D) s rozbočovacím útlumem 3,8 dB. Výstup (G) slouží přenos signálů tzv.zpětných kanálů v pásmu 6 až 30 MHz (televize, digitální datové signály apod.).

Obr. 53: Skupinové schéma zesilovače CD 16 firmy WISI

Základní technické parametry zesilovače CD 16 (fa WISI)

kmitočtový rozsah . . . . . . 47 až 446 MHz, zisk v neřízeném provozu . 24 dB CD 16; 23/26 dB CD 17 - na 47 MHz, 26 dB CD 16; 26/29 dB CD 17 - na 446 MHz, provozní výst.napětí . . . . . . 105 dBµV CD 16; 105/108 dBµV CD 17 - na 446 MHz, míra šumu . . . . . . . . . . . . ≤ 16,5 dB CD 16; ≤ 13,5 dB CD 17 - na 47 MHz, ≤ 15 dB CD 16; ≤ 13,5 dB CD 17 - na 446 MHz, ochranný odstup . . . . . .. . . ≥ 65 dB, vstupní a výstupní impedance 75 Ω.

36

5.1.6 Zesilovací bod představuje seskupení zesilovačů v bodech rozbočení primárních (úseky A), primárních nižší úrovně (úseky B) a sekundárních (úseky C) tras distribuční sítě TKR, jejíž část je patrná z obr.49. Vnitřní struktura zesilovacího bodu s vyznačením úrovní signálu v dBµV na různých kmitočtech přenášeného pásma je na obr.54. Schématické značky užívané v blokových schématech účastnických distribučních systémů jsou na obr.55.

Obr. 54: Příklad vnitřní struktury zesilovacího bodu s vyznačením úrovní signálů v dBµV

Obr.55: Schématické značky užívané v blokových schématech účastnických distribučních systémů

Schématické značky (k obr. 55) 1 - zesilovač, 2 - zesilovač s nastavitelným zesílením, 3 - řízený zesilovač, 4 – konvertor (směšovač), 5 – modulátor, 6 - – pilotní signál, 7 – napájecí zdroj (usměrňovač), 8 - stabilizátor, 9 – uzemněná sběrnice, 10 – zem, 11 – rozhlasová přijímací anténa, 12,13 – dlouhovlnná, středo a krátkovlnná anténa (včetně svodu), 14 – antenní dipól, 15 – pevný útlumový člen, 16 – nastavitelný útlumový člen, 17 – AM nebo FM demodulátor, 18 – satelitní přijímací anténa, 19 – regulovatelný nebo řízený útlumový člen, 20 – korektor náklo-nu, 21 – polarizační výhybka, 22 – přenosový člen, 23 – pásmová (kanálová) propust, 24 – pásmová zádrž, 25 – dolní propust, 26 – horní propust, 27 – vý-hybka pro napájení, 28 – oddělovací člen pro stejnosměrnou složku, 29 – dvojitý rozbočovač , 30 – trojitý rozbočovač, 31 – rozbočovač do čtyř výstupů, 32 – jednoduchý odbočovač, 33 – dvojitý odbočovač, 34 – účastnická zásuvka průběžná, 35 – účastnická zásuvka koncová, 36 – připoj vedení.

37

5.2

Dynamický rozsah jednoho zesilovače

je dán poměrem maximální a minimální úrovně signálu vztažené na stejné svorky zesilovače. Určuje se zpravidla na nejvyšším kmitočtu zesilovaného kmitočtového pásma. Poznámka: V následujících vztazích i v dalším textu bude velikost signálů vyjadřována nikoli v základních jednotkách [V], ale jejich úrovní v logaritmické míře vztažené k 10-6 V (v jednotkách dBµV), pro niž platí U [dBµV ] = 20 log (U [V]/10-6). To umožňuje vyjadřovat vztahy v logaritmické formě a zjednodušit je (snížit použitých matematických operací.

Pro dynamický rozsah DzdB na výstupu zesilovače platí v logaritmickém vyjádření DzdB = U2max - ( Uš1 + FzdB + AzdB ) ,

(44)

kde značí FzdB …. . . .míru šumu zesilovače [dB] AzdB . . …. .zisk zesilovače [dB] U2max…….maximální úroveň výstupního napětí zesilovače pro zachování požadovaného odstupu signálu od nelineárních zkreslení [dBµV]. Obvykle se za postačující odstup signálu od produktů intermodulace považuje hodnota 60 dB (údaj U2max poskytuje výrobce zesilovače). Uš1……… vstupní úroveň šumového napětí [dBµV] odpovídajícího tepelnému šumu při impedančním přizpůsobení vstupu zesilovače, pro kterou platí ________ (45) Uš1 = 20 log (√ kB T Bš R .106) [dBµV] . Pro t = 20° C, (T = 293 K), šumovou šířku pásma Bš = 6 MHz a R = 75 Ω je úroveň šumového napětí tepelného šumu při impedančním přizpůsobení vstupu zesilovače Uš1 ≅ 2,6 dBµV .

Obr. 56: Znázornění dynamického rozsahu DzdB zesilovače [dB]

5.3 Dynamický rozsah kaskády zesilovačů

Pro zjednodušení úvah budeme předpokládat, že všechny zesilovače v kaskádě mají stejné vlastnosti (Az1 = Az2 = ...= Azn; Fz1 = Fz2 = ... = Fzn ) a rovněž kabelové úseky mezi nimi jsou shodné (úroveň výstupního signálu zesilovačů tedy zůstává konstantní). Každý zesilovač pak dodává do soustavy stejný šumový výkon. Odstup signálu od šumu ΦdB proto klesá se zvětšováním počtu n zesilovačů v kaskádě. Na vstupu n-tého zesilovače jej lze vyjádřit v logaritmické míře vztahem

Φ1ndB = 20 log (U1n/Uš1n) = U1 - (FzdB + 10 log n + Uš1) 38

(46)

a na výstupu n-tého zesilovače:

Φ2n = U2n - (FzdB + 10 log n + AzdB + Uš1).

(47)

Pro maximální úroveň signálu U2maxn n-tého zesilovače v kaskádě (pro jeden kanál) platí U2maxn = U2max - 10 log n .

(48)

Dynamický rozsah D′sdB kaskády n shodných zesilovačů při zachování požadovaného signálu od šumu Φ2ndB je vyjádřen vztahem (viz obr.57) D′sdB = U2max - 10 log n - (Uš1 + FzdB + AzdB + 10 log n + ΦdB)

(49)

a bez respektování požadovaného odstupu signálu od šumu (ΦdB = 0 dB) DsdB = U2max - 20 log n - Uš1 - FzdB - AzdB ,

je tedy DsdB > D′sdB (50)

Obr. 57: Grafické znázornění napěťových úrovní kaskády n shodných zesilovačů a stanovení dynamického rozsahu celé soustavy. Graf platí pro: AzdB = 22 dB, FzdB = 10 dB, U2max = 112 dBµV a pro požadovaný odstup signálu od šumu na výstupu Φ2dB = 42 dB.

Je patrné, že při zvoleném zisku každého zesilovače (22 dB) je v kaskádě rozvodu možno použít nejvýše n = 50 zesilovačů. Nejvyšší přípustná úroveň napětí na výstupu 50-tého zesilovače je U2max50 = 95 dBµV a na jeho vstupu U1max = 73 dBµV. Čím menší bude zisk zesilovačů, tím více jich bude možno v kaskádě použít. Z obr.57 lze např.také zjistit, že v rozvodu daných parametrů lze použít např. jediný zesilovač (n = 1) se ziskem 57 dB, 5 zesilovačů se ziskem 44 dB nebo 10 zesilovačů se ziskem 36,5 dB. Délka rozvodu l´dB [v dB] bývá definována jako součin počtu n zesilovačů a zisku AzdB [v dB]. Pro n = 10 je to tedy ldB= 10.36,5 = 365 dB. Se skutečnou délkou rozvodu l souvisí vztahem l dB 365 (51) l= = = 7300m , bkdB / l 0 5 / 100 kde bkdB/l0 značí měrný útlum použitého kabelu (obvykle v dB/100 m) na nejvyšším přenášeném kmitočtu.

39

Z grafů na obr.57 lze zjistit i dynamický rozsah DsdB soustavy. Např. pro n =10 shodných zesilovačů zapojených v kaskádě je výsledný dynamický rozsah DsdB = 55 dB (D´sdB = 13 dB). 5.4

Optimální zisk zesilovače

Za předpokladu stejných zesilovačů v kaskádě (Az1 = Az2 = ... = Azn a Fz1 = Fz2 = ... = Fzn) lze z rovnice (49) odvodit pro optimální hodnotu zisku Azopt zesilovače s ohledem na dosažení největší délky rozvodu AzdB.n při zachování požadované hodnoty Φ2dB AzoptdB = 8,69 dB (= 1 Np).

Obr. 58: Pokles odstupu signálu od šumu v závislosti na změně zisku zesilovače od optimální hodnoty AzoptdB = 8,69 dB

0br.59: Změna dynamického rozsahu DsdB soustavy při zvětšování počtu n zesilovačů v kaskádě (platí pro: U2maxdB = 112 dBµV, FzdB = 10 dB)

Zvýšení zisku zesilovače AzdB > AzoptdB může sice zvětšit dosažitelnou délku rozvodu, ale má při konstantním počtu n zesilovačů za následek • zmenšení odstupu signálu od šumu na výstupu dle obr.58 a rovnice (47), • zmenšení dynamického rozsahu DsdB kaskády n zesilovačů dle obr.59 a rovnice (49). Zmenšení počtu zesilovačů při odpovídajícím zvětšením jejich zisku AzdB rovněž sníží dosažitelný dynamický rozsah DsdB soustavy dle obr.59.

Poznámka: V reálných podmínkách mohou dynamický rozsah soustavy DsdB snížit další faktory.Při širokopásmovém zesilování počet k rozváděných kanálů způsobuje růst produktů intermodulace a křížové modulace. Maximální úroveň výstupního napětí Usmax každého zesilovače a tedy i dynamický rozsah celé kaskády zesilovačů se potom sniží o hodnotu ∆Usmax = K log (k – 1) = 7,5 log (k - 1).

(52)

V obvyklém případě synchronních televizních kanálů je konstanta K ≈ 7,5. Jestliže se např. přenáší v zesilovaném pásmu kmitočtů přenáší k = 5 kanálů, je třeba snížit maximální využitelnou úroveň výstupního signálu UsmaxdB zesilovače o ∆Usmax = 7,5 log (5 - 1) = 4,5 dB. 40

5.5

Počet zesilovačů v rozvodu známé délky

Z uvedených rozborů vyplývá, že stanovení optimálního počtu nopt zesilovačů v rozvodu známé délky není jednoznačné. Představuje kompromis mezi požadovaným odstupem signálu od šumu ΦdB (největší je při AzdB = AzoptdB = 8,6 dB), požadovaným dynamickým rozsahem DsdB rozvodu a je ovlivňován i řadou dalších provozně ekonomických parametrů (např. parametry vyráběných zesilovačů, cenou apod.). V praxi je však počet zesilovačů určován především strukturou distribuční sítě - zejména počtem, vzdálenostmi a provozními potřebami všech rozbočení a odbočení (zesilovacích bodů) v primárních i sekundárních trasách TKR a parametry použitých kabelů. Kritický počet nkrit zesilovačů v kaskádě, s ohledem na dosažení požadovaného odstupu signálu od šumu ΦdB a dynamického rozsahu D′smindB (odstupu signálu od nelineárních zkreslení) je pro k zesilovaných kanálů dán vztahem

n krit = 10 v němž značí

U 2 maxk −U 2 min − D,smindB 20

= 10

U 2 max −7 , 5log( k −1)−U 2 min − D,smindB 20

,

(53)

U2max.….maximální výstupní úroveň signálu zesilovače pro odstup 60 dB vůči nelineárním zkreslení [dBµV], U2min..…minimální výstupní úroveň signálu [dBµV] zesilovače pro zachování požadovaného odstupu signálu od šumu ΦdB. Platí U2min = Uš1 + FzdB + AzdB + ΦdB,

(54)

DsmindB...minimální požadovaný dynamický rozsah kaskády n zesilovačů [dB], k......…..počet rozváděných kanálů v zesilovaném kmitočtovém pásmu.

Příklad: Vypočtěte kritický počet nkrit shodných zesilovačů v kaskádě s těmito parametry: AzdB = 20 dB, FzdB = 10 dB, U2max = 120 dBµV, ΦdB = 43 dB, Uš1 =2,6 dBµV, k = 20, D′smin = 6 dB

_______________________________________________________________________________ Řešení: Pro k = 20 platí dle (52)

U2max20 = U2max - 7,5 log (k - 1) = 120 - 7,5 log (20 - 1) = 110,4 dBµV.

Dosazením do vztahu (54) U2min = 2,6 + 10 + 20 + 43 = 75,6 dBµV a po dosazení do vztahu (46) nkrit = 10

110 , 4 − 75, 6 − 6 20

= 27 zesilovačů .

Největší počet kaskádně řazených zesilovačů nkritmax pro zajištění minimálního přípustného dynamického rozsahu Dsmin bez respektování odstupu (ΦdB = 0) je podstatně vyšší, ale prakticky nevyužitelný. Platí pro něj U2min = Uš1 + FzdB + AzdB = 2,6 + 10 + 20 = 32,6 dBµV a potom nkritmax = 10

110 , 4 − 32 , 6 − 6 20

= 3890 zesilovačů.

41

5.6

Napájení zesilovačů

Kaskádně řazené zesilovače mohou být napájeny buď zvláštním vedením nebo přímo po koaxiálním vedení (častěji). Z důvodů snížení korozních účinků se tak děje střídavým napětím (asi 36 V), které se do rozvodu zavádí v napájecích bodech přes dolní propusti bránící ztrátám vf. energie a narušení charakteristické impedance kabelu. V primárních sítích se volí napájecí bod zpravidla u každého 6.až 8.zesilovače. Napájecí napětí Uzn na n-tém výstupu rozvodu m zesilovačů, za předpokladu stejně dlouhých kabelových úseků mezi shodnými zesilovači, je dáno vztahem Uzn = Uz0 – Ri.m.Iz1 - Rk Iz1 [ n + (n - 1) + (n - 2) + ... + 1 ] =

= Uz0 - Ri.m.Iz1 - Rk Iz1 Přitom musí platit:

Uzn ≥ Usmin

(n - 1) (2m − n ) . 2 n

a

∑ I z1

(55)

≤ Izmax .

1

V těchto vztazích značí Uz0 . . . . . . . . Ri ………… Izmax . . . . . . . n ........ Iz1 . . . . . . . . Rk . . . . . . . . Usmin . . . . . . m .........

Příklad:

napětí napájecího zdroje naprázdno [V], vnitřní odpor napájecího zdroje [Ω], maximální proud zdroje [A], pořadí zesilovače v kaskádě [-], napájecí proud jednoho zesilovače [A], ohmický odpor úseku kabelu mezi dvěma zesilovači [Ω], minimální napájecí napětí na vstupu stabilizátoru napětí [V], počet zesilovačů v kaskádě [−].

Uz0 = 36 V; Ri ≈ 0, Usmin ≥ 22 V; Rk = 2,5 Ω; Izmax = 2 A; Iz1 = 0,2 A

Stanovte maximální počet mmax napájených zesilovačů v kaskádě (tzv. krok napájení). _______________________________________________________________________________ Řešení:

Pro n = mmax přejde vztah (55) do tvaru m 2max − m max ≥ U smin a odtud 2 2(U z0 − U smin ) 2(36 − 22) = = 56 . R k I z1 2,5 ⋅ 0,2

U zn = U z 0 − R k I z1

m 2max − m max =

Odtud řešením mmax = 8 , -7 (záporný kořen nemá fyzikální význam) . 7

Podmínka maximálního proudového odběru je splněna, protože

∑ 0,2 = 1

42

1,4 A ≤ Izmax (2 A) .

6 KONCEPCE DISTRIBUČNÍCH SÍTÍ TKR Obr. 60: Ideový nákres různých typů kabelových rozvodů a tras a) vertikální rozvod, b) horizontální rozvod, c) hvězdicový rozvod (vhodný pro různé pro programové nabídky kabelové televize)

Systémy pro společný rozvod televizních a rozhlasových signálů lze dělit podle rozsáhlosti (počtu účastníků a velikosti oblasti kabelové distribuce TV a rozhlasových programů) na: • individuální a malé společné televizní antény (do 30 účastníků), • střední společné televizní antény (do 200 účastníků), • skupinové televizní rozvody (do 1000 účastníků), • rozsáhlé televizní kabelové rozvody TKR - obsahující víceúrovňové distribuční sítě. V české odborné literatuře se užívá ne zcela přesný termín „společná televizní anténa“ – dále STA, který bude použit i v další textu (v anglosaské literatuře CATV (Community Antenna Telelevision). 6.1 Individuální a malé společné televizní antény

Příklady struktury malých STA

Obr.61: Individuální STA pro čtyři účastnické zásuvky

Obr.62: Malá STA pro 24 účastníků s vertikálním rozvodem a a širokopásmovým průběžným zesilovačem

43

Nejjednodušší variantou jsou tzv. individuální STA. Obvykle obsahují 4 vstupy (AM-FM, VHF I, VHV III, UHF) do pasivního nebo aktivního slučovače a zesilovače s jediným výstupem (obr.61). Pro větší počet účastníků je třeba zvýšit počet výstupů rozbočovači. Zesilování jednotlivých přijímaných signálů se uskutečňuje obvykle selektivními kanálovými zesilovači, jejichž výstupy jsou sloučeny pasivním slučovačem. V případě větších vzdáleností ke stoupacím vedením vertikálního rozvodu lze použít další širokopásmový zesilovač (obr.62) Případné selektivní antenní předzesilovače lze napájet ze zdroje přímo po kabelech (přes vyhybku - AC/DC slučovač). 6.2

Střední společné televizní antény

jsou určeny obvykle pro sídlištní bloky a výškové domy (vertikální rozvod) do 200 účastníků.

Obr.63: Kanálové zesilovače hlavní stanice

Obr.64: Princip slučování výstupních signálů kanálových zesilovačů

Na dvě pásková vedení 75 Ω se pomocí konektorů připojují výstupy 6 až 8 kanálových zesilovačů obvykle jeden kanál (pásmo UHF se nerozvádí přímo, ale je konvertováno do speciálních kmitočtových pásem kabelové televize, případně do pásma VHF). Pomocné výstupy PV1 a PV2 slouží pro měření nebo pro připojení krátkých úseků vedení.

Obr.65: Rozšíření počtu slučovaných signálů pomocí rozbočovačů 44

Typické základní parametry kanálových zesilovačů střední STA

kmitočtové pásmo . . . . . . . . . . . . . . . . . do 300 MHz, zisk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . asi 50 dB, míra šumu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . < 10 dB, úroveň signálu na výstupu HV . . . . . . . . 114 až 124 dBµV, ochranný poměr proti intermodulaci. . . . .> 60 dB, možnost automatického řízení zisku. Snaha rozvádět v TV rozvodech stále větší počty TV a rozhlasových kanálů vyžaduje využívání sousedních kanálů v kmitočtovém multiplexu, což předpokládá vysokou selektivitu filtrů potlačujících sousední kanály (větší jak 60 dB). V nových koncepcích hlavních stanic se tento problém řeší konversí přijímaných signálů do mezifrekvenčního pásma (30 až 40 MHz) a následnou filtrací pomocí pásmových propustí s akustickou povrchovou vlnou (SAW) a další kmitočtovou konversí (obr.66) na vybraný volný kanál rozvodu (bez nebezpečí interferenčního rušení).

Obr. 66: Princip hlavní stanice s dvojí konverzí kmitočtů přijímaných signálů přes mezifrekvenční kmitočtové pásmo využívající filtraci pomocí filtrů s akustickou povrchovou vlnou

Příklad blokového schéma hlavní stanice, umožňující slučování a rozvod pozemního i družicového televizního a rozhlasového vysílání (včetně signálu místního AV studia), která využívá pro rozvod i speciální kanály (tzv. S-kanály) kmitočtových pásem kabelové televize (viz tab.2), je na obr.67.

45

Obr.67: Příklad blokového schéma hlavní stanice umožňující příjem a distribuci 8 družicových TV kanálů, 2 pozemních TV kanálů, signálů FM rozhlasového vysílání a vkládání pilotní signálů pro automatické řízení úrovně signálů v distribuční síti.

6.3

Skupinové televizní rozvody

představují přechod mezi lokální STA a televizním kabelovým rozvodem. V místě dobrého příjmu je umístěna anténní soustava a hlavní stanice, z níž se signály v kmitočtovém multiplexu rozvádí k domovním stanicím (DS) pasivním sekundárním rozvodem (obr.68). Pokud se v rozvodech využívá kmitočtový multiplex kanálů pouze do III.TV pásma včetně (do 230 MHz) lze takto rozvádět nejvýše 12 TV kanálů a několik kanálů VKV (FM) rozhlasu.

Obr.68: Část skupinového TV rozvodu se strukturou domovní stanice

46

6.4

Rozsáhlé televizní kabelové rozvody (TKR)

TKR - M . . . . . malé (do 2000 účastníků) TKR - V . . . . . velké (do 105 účastníků i více) s pilotní regulací úrovně signálu Velké distribuční televizní sítě TKR (v USA jsou používány již od roku 1948) zajišťují zejména v městských a průmyslových aglomeracích kvalitní obraz i zvukový doprovod (včetně rozhlasového vysílání) a bohatou programovou nabídku z terestrických i satelitních vysílačů pro velké počty účastníků. Základní skladba středně rozsáhlého televizního kabelového rozvodu je patrná z obrázku 69 a výsek struktury jeho části je patrný z obr. 70. Distribuční síť rozsáhlého TKR tvoří : • • • •

hlavní a vedlejší primární vedení (trasy A,B) – kvalitní metalická, příp. optická vedení, sekundární vedení (trasy C), přípojná vedení k předávacím bodům (trasy D), terciální rozvody -rozvody za předávacím bodem (domovní účastnické rozvody vertikální, horizontální, hvězdicové, kombinované).

Obr. 69: Příklad distribuční sítě středního TKR s vyznačením typů a délek úseků kabelových tras

Obr.70: Část struktury rozsáhlého TV kabelového rozvodu V obr.70 jsou také patrné používané typy terciálních (účastnických) rozvodů za domovní stanicí. V současné době je nejužívanějším typem hvězdicový rozvod, který umožňuje diferenco-vat programovou nabídku pro účastníky v rámci placené televize (Pay TV, nebo Pay perView) – např. kmitočtovou filtrací jednotlivých sekcí kmitočtového multiplexu umožňující jednotlivým účastníků přístup pouze k některým programům. Tento problém lze řešit i v jiných typech rozvodů 47

výrazně složitějšími metodami – např. doplněním signálů jednotlivých kanálů digitálními identifikačními signály. V tom případě musí mít účastník dekodér těchto signálů. Současné televizní kabelové rozvody využívají pro rozvod kanálového multiplexu kmitočtové pásmo do 450 MHz ( pásma S-kanálů USB, OSB, ESB), což umožňuje distribuci až 40 standardních analogových televizních a 20 rozhlasových kanálů. Hierarchie úrovní distribuční sítě rozsáhlého TKR je patrná z obr.71. Na obr.72 je příklad struktury účastnického domovního rozvodu (čtvrtá úroveň) za předávacím bodem.

Obr.71: Znázornění úrovní rozsáhlého TKR

Obr.72: Struktura domovního účastnického rozvodu za předávacím bodem

Pokud se v distribuční síti rozvádí TV signály ve speciálních kanálech (S- kanály OSB, USB, ESB - viz tab.2), lze je v domovní stanici konvertovat do I. až III.TV pásma, aby byl možný příjem i na starších přijímačích, jejichž vstupní díl neumožňuje příjem speciálních kanálů kabelové televize (obr.73). Jiným řešením je účastnický terminál (vysokofrekvenční vstupní díl s kmitočtovou syntézou) umožňující převod S-kanálů na některý kanál IV.V. televizního pásma, který operátor, provozující kabelovou distribuci, zapůjčuje účastníkovi.

Obr.73: Příklad kmitočtové konverse S-kanálů do I a III. televizního pásma v domovní stanici rozvodu pomocí měničů kmitočtu

48

6.5

Širokopásmová distribuční síť TKR BK 450 (SRN)

Jako příklad jsou uvedeny technické parametry širokopásmového televizního kabelového rozvodu BK 450 (Breitband Kommunikationsnetz). Výrobcem komponentů tohoto systému je fa.WISI (Spolková republika Německo). Parametry některých z nich jsou uvedeny v tabulce 7. Tato soustava se využívá i v některých městech ČR. Její technické parametry odpovídají mezinárodnímu standardu IEC 728. Využívá pro rozvod kmitočtová pásma do 450 MHz (tab.6 a obr. 74). Umožňuje distribuovat až 35 televizních a 30 rozhlasových programů (analogových i digitálních) v pásmu 87,5 až 125 MHz. Umožňuje rovněž zpětný přenos signálů od účastníka do hlavní stanice (např. automatizované odpočty spotřeby energií, INTERNET apod.). Tab. 6: Základní technické parametry soustavy TKR BK 450

Obr. 74: Rozdělení kanálů (tzv. kanálový rastr) použitý v distribuční síti BK 450 49

Tab. 7: Základní technické parametry odbočovačů a rozbočovačů firmy WISI 5 − 10 MHz

Kmitočtový rozsah Odbočovač 1 odbočení

47 − 450 MHz

Tolerance

XN 81

XN 82

XN 83

XN 81

XN 82

Průchozí útlum dB

1,2

0,6

0,4

1,2

0,7

0,6

≤ dB

Útlum odbočení dB

10,0

15,5

20,0

10,0

15,5

20,0

± 0,7 dB ≤ dB

Vzájemné oddělení

Výstup/odbočení dB

Odbočovač 2 odbočení

XN 83

25,0

25,0

25,0

30,0

30,0

30,0

XN 84

XN85

XN 86

XN 84

XN 85

XN 86


2,0

1,0

0,8

2,3

1,2

0,9

≤ dB

Útlum 1.odbočení dB

10,0

15,5

20,0

10,0

15,5

20,0

± 0,7 dB


11,0

16,0

20,5

11,0

16,0

20,5

± 0,5 dB; -1,0 dB



25,5

25,5

25,5

30,0

30,0

30,0

≥ dB



35,0

40,0

40,0

40,0

40,0

40,0

≥ dB

XN 92

Odbočovač 3 odbočení

XN 90

XN 91

XN 92

XN 90

XN 91


3,0

1,15

1,0

3,5

1,8

1,3


10,0

15,0

20,0

10,0

15,5

20,0

± 0,7 dB


11,0

16,0

20,5

11,0

16,0

20,5

± 0,5 dB; -1,0 dB

≤ dB

11,5

16,0

20,5

11,5

16,0

20,5

± 1,0 dB



25,0

25,0

25,0

30,0

30,0

30,0

≥ dB



35,0

40,0

40,0

40,0

40,0

40,0

≥ dB


DBXN − rozbočovače

6.6

Rozbočovač

XN 80

XN 8O

Průchozí útlum na každý z obou výstupů

3,5 dB

3,5 dB

± 0,5 dB

Vzájemné oddělení mezi oběma výstupy

20 dB

20 dB

≥ dB

Obousměrné distribuční sítě TKR

V moderních distribučních sítích TKR může účastník, vybavený příslušným terminálem, komunikovat obrazovými, zvukovými i datovými signály pomocí zpětného přenosu s hlavní stanicí. Takto je možno využívat distribuční síť např. pro dálkové měření energií, ochranu bytů proti požáru, vloupání, obousměrný přenos informací mezi uživatelem a bankami, obchodními domy, objednávání letenek, služby všeho druhu, Pay TV apod. Kmitočtově odlišené signály zpětné komunikace musí pomocí výhybek s kmitočtově závislým přenosem obcházet širokopásmové zesilovače A, B a C v zesilovacích bodech.

Obr. 75: Rozdělení kmitočtového pásma do 28,75 MHz v distribuční síti BK 450 pro zpětný přenos informací 50

7

ENERGETICKÁ ROZVAHA A NÁVRH TKR

Cílem energetické rozvahy distribuční sítě TKR je kontrola a zajištění požadovaných parametrů distribuovaných televizních a rozhlasových signálů na výstupních bodech rozvodu známé struktury. Při návrhu menších a středních STA je to požadovaná úroveň signálů, odstup signálu o šumu C/N, příp. dynamický rozsah signálů na odbočovacích výstupech účastnických zásuvek. Tyto parametry jsou uvedeny v tabulce 8. V případě rozsáhlých TKR je třeba dodržet předepsané parametry rozváděných signálů v předávacích bodech na vstupu domovní stanice. Požadované parametry jsou uvedeny v tabulce 9. Vstupy pro energetickou rozvahu představují velikosti sig- nálů jednotlivých antén, detailní struktura distribuční sítě (geometrická konfigurace) a technické parametry (zejména útlumy, míry šumu,zisky apod.) všech pasivních i aktivních součástí rozvodu (kabely, Tab. 8: Žádané parametry signálu na výstupu účastnické zásuvky odbočovače, rozbočovače, účastnické zásuvky, zesilovače apod.). odstup C/N Kmitočtové pásmo Úroveň signálu [dBµV] Kontrolu úrovní signálů je třeba ve STA s kanálovými zesilovači prominimální maximální [dB] vádět na všech rozváděných kanálech, případně alespoň na kanále DV, SV 38 74 s nejvyšším kmitočtem. Maximální VKV mono 40 80 41 úroveň signálu se potom kontroluje naopak a kanále s nejnižším kmiVKV stereo 50 80 51 točtem nebo s největším signálem. Korekce kmitočtové závislosti útluTV I, II, III, STV I, II 58 83 43 mu kabelu se provádí nastavením TV IV, V, STV III 60 83 45 zisku jednotlivých kanálových zesilovačů. Kontrola úrovní signálů v televizních kabelových rozvodech se širokopásmovými zesilovači se obvykle provádí na dolním a horním okraji kmitočtového pásma. Korekce kmitočtové závislosti útlumu kabelu se uskutečňuje náklonovými členy. Energetická rozvaha se provádí ve dvou krocích: a) prvním krokem návrhu je kontrola a zajištění Tab.9: Požadované parametry signálu v předápožadovaných úrovní signálů (dle tab.8) v nejvzdávacím bodě (vstup domovní stanice) lenějším bodě rozvodu dané konfigurace. V rámci tohoto kroku je třeba kontrolovat (případně nastavit) Odstup C/N pro TV větší jak 45 dB odstup C/N pro VKV větší jak 60,5 dB maximální úrovně signálu v účastnických zásuvkách odstup intermodulačních větší jak 62 dB blízkých hlavní stanici, aby nedošlo k přebuzení zkreslení – TV vstupních dílů přijímačů a nárůstu nelineárních zkresúroveň signálu: lení. TV (do 300 MHz 66 až 83 dBµV TV (nad 300 MHz) rozdíl úrovní kanálů snížení úrovně s filtrem pro omezení programové nabídky VKV rozdíl úrovní kanálů

3 až 83 dBµV max. 10 dBµV max. –5 dBµV 62 až 79 dBµV max. 4 dB

b) druhým krokem návrhu je stanovení odstupu signálu od šumu φ (C/N) na odbočovacím výstupu nejvzdálenější účastnické zásuvky, který musí opět odpovídat hodnotám uvedeným v tabulce 8. Technické parametry zesilovačů používaných v TKR jsou uvedeny v 5.kapitole především pro

51

výrobky německé firmy WISI. V tab.7 jsou proto uvedeny základní technické parametry pasivních odbočovačů a rozbočovačů téhož výrobce. Ostatní potřebné údaje je třeba v konkrétním případě vyhledat v příslušných katalozích výrobců (např. FUBA, WISI, Kathrein, Siemens a další). Tab. 10: Měrný útlum bk0 koaxiálních kabelů užívaných v distribučních sítích TKR BK 450 Užití

Označení

Měrný útlum [dB/100 m] při fo = 200 MHz

širokopásmová trasy

A−2YOKD2Y ItKx

1,5 dB/446 MHz

kabelové trasy A

A−2YOK2Y IsKx

2,9 dB/446 MHz

kabelové trasy B

A−2YOK2Y IqKx

4,1 dB/446 MHz

kabelové trasy C

A−2YOK2Y InKx

6,2 dB/446 MHz

kabelové trasy D

A−2YK2Y

12,2 dB/446 MHz

vedení 1. úrovně

IiKx

7.1 Energetická rozvaha malé společné televizní antény

Příklad:

Úrovně vstupních signálů: Ua1 = Ua2 = 65 dBµV 8. kanál (195 MHz) 24. kanál (500 MHz) Ua3 = 70 dBµV 49. kanál (700 MHz) Parametry součásti rozvodu: • koaxiální kabel: VCCOD 75-5.6 bk0dB = 10 dB/100 m při f0 = 200 MHz • slučovač S: bsdB = 2 - 3 dB • rozbočovače R1, R2, R3: brdB = 4,5 dB • širokopásmový zesilovač Z: AzdB = 33 dB, FzdB = 10 dB, U2max =110 dBµV • účast. zásuvky průchozí ÚZP: bpdB = 3,5 dB, bvdB = 14 dB • účast. zásuvky koncové ÚZK: • bvdB = 14 dB (vazební útlum) Obr. 76: Příklad rozvodu malé společné (individuální) TV antény

52

Řešení: 7.1.1 Kontrola úrovní signálů v rozvodu dle obr. 76 Tab. 11: Útlumy dílčích částí rozvodu dle obr. 76 Útlum (zisk) dílčí části rozvodu Koaxiální kabel VCCOD 75-5.6 [dB/100m] Celková délka kabelu k účastnické zásuvce [m] Celkový útlum kabelu bcdB [dB] slučovací útlum bsdB slučovače S [dB] rozboč. útlum brdB rozbočovačů [dB] vazební útlum bvdB koncových ÚZK [dB] zisk zesilovače AzdB [dB] Celkový útlum větve bcdB = Σbi − AzdB [dB]

nejvzdálenější ÚZ (č.1,2) kanál 8. 24. 49. 10,0 16,0 20,0 38,0 38,0 38,0 3,8 6,1 7,6 2,5 3,0 9,0 9,0 9,0 14,0 14,0 14,0 -33,0 -33,0 -33,0 -6,2 -1,4 +0,6

nejbližší ÚZ (č.3,6) Kanál 8. 24. 49. 10,0 16,0 20,0 15,0 15,0 15,0 1,5 2,4 3,0 2,5 3,0 9,0 9,0 9,0 14,0 14,0 14,0 -33,0 -33,0 -33,0 -8,5 -5,1 -4,0

Pro minimální výstupní úrovně Uvmin signálu nejvzdálenější účastnické zásuvky ( č.1, 2) platí: Uvmin = Uai − bcdB

[dBµV] .

Tedy pro 8. kanál Uvmin = 65 − (−6,2) = 71,2 dBµV 4. kanál Uvmin = 65 − (−1,4) = 66,4 dBµV 49. kanál Uvmin = 70 − (0,6 ) = 69,4 dBµV Podobně pro maximální výstupní úrovně Uvmax signálu nejbližší účastnické zásuvky (č.6) platí pro

8. kanál Uvmax = 65 − (−8,5) = 73,5 dBµV 24. kanál Uvmax = 65 − (−5,1) = 70,1 dBµV 49. kanál Uvmax = 70 − (−4,0) = 74,0 dBµV

Porovnáním s údaji tab.8, ve které jsou uvedena požadovaná rozmezí výstupních úrovní signálů na odbočovacích výstupech účastnických zásuvek (58 až 83 dBµV) je patrné, že tyto úrovně požadavkům vyhovují. Poznámka: Výstupní úrovně by bylo možné v případě nutnosti zvýšit náhradou koncových účastnických zásuvek pouhými konektory (bez vazebního útlumu), které by musely být trvale zatíženy charakteristickou impedancí Zk = Z0 = 75 Ω. Pro úplnost je třeba zkontrolovat, zda úroveň signálu Uz2 na výstupu zesilovače Z nepřekročí v krajním případě největšího přijímaného signálu (Ua3 = 70dBµV) výrobcem povolenou úroveň U2max = 110 dBµV. Vzhledem k širokopásmovému zesilování tří rozváděných kanálů je třeba tuto úroveň snížit na hodnotu U '2max = 110 – 7,5 log( 3 - 1) = 107,7 dBµV. Kontrolu provedeme pro největší přijímaný signál. Pro 49. kanál (700 MHz) tedy platí U 'z2 = Ua3 − bk1dB - bk2dB − bsdB + AzdB =

= 70 − 0,48 − 0,64 - 2,5 + 33 = 99,4 dBµV < U '2max (107,7 dBµV). 7.1.2

Kontrola odstupu signálu od šumuφ na účastnických zásuvkách

Přesný výpočet je složitý, protože celkové šumové číslo FcdB větve rozvodu od antény k účast- nické zásuvce zahrnuje řadu pasivních a aktivních součástí s různými šumovými příspěvky. Vzhledem k velkému zisku zesilovače Z se však části rozvodu za výstupem zesilovače 53

svými šumovými příspěvky prakticky neuplatňují. Z obr.76 je patrné, že z hlediska šumových poměrů je kritický signál Ua2 antény Aa2 (24.kanál). Před vstupem zesilovače jsou předřazeny tři pasívní prvky (3 m koaxiálního kabelu, slučovač S a 4m koaxiálního kabelu). Jejich vliv lze vyjádřit takto a) Koaxiální kabel (3m): bk0dB = 16 dB/100 m ⇒ bk1dB = bk0dB.3/100 = 16.3/100 = 0,48 dB výkonový přenos ak1 = 10-bk/10 = 10 -0,48/10 = 0,895, šumové číslo Fk1dB = ak1-1 = 0,895-1 = 1,12 . b) Slučovač S :

bsdB = 2,5 dB

výkonový přenos míra šumu kde útlum (vliv ztrát)

−

bsdB

as = 10 10 = 10 −0, 25 = 0,56 , FsdB = brmdB + 10 log n (dle odstavce 2.2.5) brmdB = 1 dB a počet slučovaných signálů n = 2. 4

FsdB

Po dosazení FsdB = 1 + 10 log 2 = 4 dB ⇒ šumové číslo Fs = 10 10 = 1010 = 2 ,51 . c) Koaxiální kabel (4m): podobně jako v bodě a) bk2dB = 0,64 dB, ak2 = 0,862 a Fk2 = 1,16. d) Zesilovač Z: míra šumu

AzdB = 33 dB ⇒ FzdB = 10 dB ⇒

výkonové zesílení šumové číslo

Az = 10

AzdB 10

Fz = 10

FzdB 10

33

= 10 10 = 1995 , 10 10

= 10 = 10 .

Podle vztahu (5) je výsledné šumové číslo Fc kaskády těchto čtyř prvků Fc = Fk1 +

Fs − 1 Fk2 − 1 Fz − 1 2,51 − 1 1,16 10 − 1 + + = 1,12 + + + = 25,29 0,895 0,895.0,56 0,895.0,56.0,862 a k1 a k1 ⋅ a s a k 1 .a s .a k 2

Pro odstup signálu od šumu na výstupu zesilovače Z pro signál z antény A2 platí (56) Φ = Ua2 / (Uš1 Fc ) , kde: Ua2 = 1,78 mV (65 dBµV) a pro t = 20°C, Bš = 8 MHz a Rv = 75 Ω je Uš1 = k BT Bš Rv = = 1,56 µV . Po dosazení do vztahu (56) dostaneme

Φ =

1,78 ⋅ 10 −3 1,56 ⋅ 10 − 6 25,29

= 226,9

a tedy ΦdB = 20log Φ = 20 log 226,9 = 47,11 dB.

Ze srovnání s tabulkou 8 je patrné, že i tato hodnota vyhovuje a zaručuje velmi kvalitní obraz na tomto i zbývajících kanálech.

Poznámka:

K vyjádření odstupu signálu od šumu ΦdB lze použít i zjednodušený postup

ΦdB = Ua2 − Uš1 − bk1dB − bsdB - bk2dB − FzdB a po dosazení

(57)

ΦdB = 65 − 3,86 - 0,48 − 2,5 − 0,64 - 10 = 47,52 dB.

Odchylka od výsledku přesného výpočtu (v tomto případě nepatrná) vzniká uvažování shodného vlivu útlumů obou úseků kabelů před a za zesilovačem hlavní stanice na výsledný odstup signálu od šumu. 54

7.2 Energetická rozvaha střední STA 7.2.1 Kontrola úrovní signálů v rozvodu STA dle obr.77

Příklad:

Vstupní signály Ua1 = 70 dBµV (FM rozhlas) Ua2 = 80 dBµV (TV 6.kanál) Ua3 = 75 dBµV (TV 24.kanál) Ua4 = 65 dBµV (TV 49.kanál) Parametry součástí STA kabel 1: VCCOD 75-5,6 při 200 MHz bk0dB = 8 dB/100 m kabel 2: VCCOY 75-4,8 bk0dB = 12 dB/100 m při 200 MHz rozbočovače R:

brdB = 4,2 dB

účastnické zásuvky:

průchozí útlum: bpdB = 1,2 dB vazební útlum: bvdB = 15 dB kanálové zesilovače a měniče kmitočtu hlavní stanice HS:

maxim.zisk zesilovačů: AzdB = 50 dB míra šumu: FzdB = 8 až 10 dB maxim. úroveň výstupního signálu HS U2max = 120 dBµV nastavitelný útlum: budB = 0 až 25 dB slučovač ZJ6 v HS: průchozí útlum: bpsdB = 4 dB.

Kmitočtové pásmo rozváděných signálů je 100 až 230 MHz. Protože přijímané Obr.77: Struktura analyzované STA signály kanálů 24, 49, jsou v hlavní stanici konvertovány do III.TV pásma, je nejvyšší kmitočet signálů rozváděných v domovním rozvodu fmax = 230 MHz . _______________________________________________________________________________ Řešení: Stanovení výsledného útlumu větve rozvodu od výstupu zesilovačů hlavní stanice k nejvzdálenější a nejbližší účastnické zásuvce je provedeno v tabulce 12. Protože zisk kanálových zesilovačů je nastavitelný, je třeba zkontrolovat, zda pro všechny vstupní signály Ua1 až Ua4 lze dodržet požadované výstupní napětí na nejvzdálenější účastnické zásuvce rozvodu a na jaké hodnoty je třeba nastavit zisky jednotlivých zesilovačů. Úroveň vstupních signálů Uvi zesilovačů je snížena o kmitočtově závislý útlum bk(f ) 10 metrů kabelu č.1- viz obr.77 (bk0dB = 8 dB/100m při f0 = 200 MHz). Tak např. pro 49. kanál je celkový útlum 10 m kabelu na kmitočtu 700 MHz je bkdB(700) = 8.1,1.(700/200)1/2.10/100 = 1,6 dB

Uv1 Uv2 Uv3 Uv4

= = = =

Ua1 − bkdB ( f1) Ua2 − bkdB ( f2) Ua3 − bkdB ( f3) Ua4 − bkdB ( f4)

= = = =

70 dBµV − 0,6 dB 80 dBµV − 0,8 dB 75 dBµV − 1,4 dB 65 dBµV − 1,6 dB

= = = =

69,4 dBµV 79,2 dBµV 73,6 dBµV 63,4 dBµV

55

pro pro pro pro

f1 = 100 MHz f2 = 175 MHz f3 = 500 MHz f4 = 700 MHz

(FM rozhlas) , (TV 6. kanál) , (TV 24. kanál) , (TV 49. kanál) .

Tab. 12: Stanovení útlumu domovního rozvodu STA za zesilovačem dle obr.77 nejvzdálenější ÚZ

kmitočet rozváděných signálů [MHz]

Útlum dílčí části rozvodu za zesilovači HS

Koaxiální kabel VCCOY 75-4,8

nejbližší ÚZ

100

175

230

100

175

230

[dB/100m]

8,5

11,3

14,1

8,5

11,3

14,1

[m]

71,0

71,0

71,0

20,0

20,0

20,0

6,0

8,0

10,0

1,7

2,3

2,8

délka rozvodu od výstupu HS po ÚZ celkový útlum kabelové trasy bkdB [dB] útlum rozbočovačů R (3 x 4,2 dB) brdB

[dB]

12,6

12,6

12,6

12,6

12,6

12,6

průchozí útlum průchozích ÚZ bpdB

[dB]

8,4

8,4

8,4

-

-

-

vazební útlum koncových ÚZ budB

[dB]

15,0

15,0

15,0

15,0

15,0

15,0

průchozí útlum slučovače ZJ6 v HS bpsdB [dB]

4,0

4,0

4,0

4,0

4,0

4,0

[dB]

46,0

48,0

50,0

33,3

33,9

34,4

celkový útlum větve rozvodu bcidB

Zisk každého kanálového zesilovače je třeba nastavit tak, aby na nejvzdálenější účastnické zásuv- ce byla nejméně požadovaná úroveň signálu Uvýstmin - pro TV 58 dBµV, pro rozhlas 50dBµV (viz tabulka 8). Skutečná hodnota zisků zesilovačů bude nastavena tak, aby úrovně signálu na nejvzdá-lenější zásuvce byly co nejvyšší a pokud možno shodné pro všechny rozváděné signály. Lze ji tedy zvýšit na všech rozváděných kanálech o 5,4 dB (omezeno maxim. ziskem Az4max = 50 dB).

AzidB = Uvýstmin − Uvi + bcmaxidB a po dosazení Az1dB ≥ 50 − 69,4 Az2dB ≥ 58 − 79,2 Az3dB ≥ 58 − 73.6 Az4dB ≥ 58 − 63,4

+ + + +

46,0 48,0 50,0 50,0

= = = =

26,6 dB, 26,8 dB, 34,4 dB, 44,6 dB

Ve všech případech jsou zisky AzidB < AzmaxdB (50 dB) v rozsahu nastavitelného útlumového článku v zesilovačích HS.

Kontrola výstupních úrovní signálu Uvýst i na nejbližší účastnické zásuvce

Uvýst1 Uvýst2 Uvýst3 Uvýst4

= = = =

Az1dB + Uv1 − bcmin1dB Az2dB + Uv2 − bcmin2dB Az3dB + Uv3 − bcmin3dB Az4dB + Uv4 − bcmin4dB

= = = =

26,6 + 69,4 − 33,5 26,8 + 79,2 − 34,1 34,4 + 73,6 − 34,4 44,6 + 63,4 − 34,4

= = = =

62,5 dBµV 71,9 dBµV 73,6 dBµV 73,6 dBµV

< < < <

Uvýstmax Uvýstmax Uvýstmax Uvýstmax

(= 80 dBµV), (= 83 dBµV), (= 83 dBµV), (= 83 dBµV).

Nejvyšší úrovně signálů všech rozváděných kanálů na nejbližší účastnické zásuvce nepřesahují povolenou úroveň 83 dBµV (viz tabulka 8) a to i v případě zvýšení zisku všech zesilovačů o 5,4 dB. Zbývá ještě zkontrolovat maximální úroveň výstupního napětí kanálových zesilovačů v hlavní stanici.V tomto směru bude zřejmě rozhodující opět situace na 49. kanálu, kde je potřebný zisk zesilovač největší Az4dB = 44,6 dB. Úroveň výstupního signálu Uz2 zesilovače tedy bude

Uz2 = Az4dB + Uv4 = 44,6 + 63,4 = 108 dBµV < U2max (120 dBµV). Protože se jedná o selektivní (kanálové) zesilovače, není třeba uvažovat počet kanálů k.

7.2.2 Kontrola odstupu signálu od šumu v rozvodu STA dle obr.77 Celkové šumové číslo Fc větve rozvodu k nejvzdálenější účastnické zásuvce lze vyjádřit vztahem 56

Fc =

F − 1 Frozv − 1 + =10 Fk + z a pk Azi ⋅ a pk

bk ( f i ) 10

+

10

FzdB 10

10

−1

b (f ) − k 10 i

+

10

bcmaxdB 10

−1

b (f ) − kdB i 10

AzdB 10

.

10 ⋅ 10 Kontrola by se měla provádět na všech rozváděných kanálech. V tomto případě je provedena pouze na kanálu nejvyššího kmitočtu, kde ekvivalentní šumová čísla jsou největší. Pro 49. kanál tedy platí bkdB( fi ) = bkdB( f4 ) = 1,4 dB , bcmaxdB = 50 dB ; AzdB = Az4 = 44,6 dB ; FzdB = 10 dB. Celkové šumové číslo Fc = 10

1, 6 10

10

+

50

10 10 − 1 10

−

1, 6 10

10 10 − 1

+

10

−

1, 6 10

⋅ 10

45 10

= 1,44 + 13,04 + 5,02 = 19,5.

Pro odstup signálu od šumu Φ na 49. kanálu potom platí (Uš1 = 1,56.10-6 V – viz předcházející příklad) U a4 1,78 ⋅ 10 −3 = 258,4 nebo ΦdB = 20 log 298,6 = 48,24 dB. . Φ = = U š1 Fc 1,56 ⋅ 10 − 6 19,5 Tato hodnota zajišťuje z hlediska šumu velmi kvalitní obraz. 7.3

Energetická rozvaha v distribuční síti rozsáhlého TKR

Energetická rozvaha v distribučních sítích rozsáhlých TKR je velmi složitá a vyžaduje automatizovanou výpočetní techniku. Cílem návrhu je zajistit v koncových bodech distribuční sítě (v předávacích bodech domovních stanic, z nichž vychází terciární rozvody) požadované parametry televizních a rozhlasových signálů − úroveň, odstup (viz tabulka 9) a dynamický rozsah. Při návrhu širokopásmové distribuční sítě TKR se vychází uživatelského záměru, který musí obsahovat především tyto základní vstupní údaje: • strukturu primárních (A,B) a sekundárních (C,D) tras rozvodu od hlavní stanice až po předávací body (domovní stanice) • detailní trasování a délky jednotlivých úseků kabelových tras mezi body odbočení, • technické parametry použitých kabelů (měrné útlumy a jejich kmitočtovou závislost), • umístění zesilovacích bodů (průběžných i odbočovacích zesilovačů) s ohledem na stávající zástavbu a délky kabelových úseků, • specifikaci použité technologie (výrobcem definované parametry aktivních i pasivních částí rozvodu), • kmitočtový plán TKR, • úrovně všech vstupních signálů. V hlavních větvích rozvodu (trasy A, AB a C) bývá obvykle udržována stálá provozní úroveň signálů v celém kmitočtovém pásmu s ohledem na proměnné vlastnosti kabelů a dalších pasivních částí rozvodu (vliv teploty, stárnutí apod.) pomocí pilotních signálů. Vzhledem k tomu, že úseky kabelů mezi jednotlivými zesilovači nejsou stejné, je třeba této skutečnosti přizpůsobit také provozní zisk a náklon odpovídajících zesilovačů, což se děje rovněž automatickým řízením pomocí pilotních signálů (viz odst.5.1.3). Příklad dílčí části distribuční sítě TKR, ze kterého jsou patrné úrovně signálů na výstupech zesilovačů všech úrovní na různých kmitočtech rozváděného pásma, je na obr.54 v odstavci 5.2. Při návrhu distribuční sítě je třeba dodržovat některé zásady, vyplývající z předcházejících rozborů. 57

V primárních trasách (A, AB) se užívají kvalitní kabely (bk0dB = 1,2 až 2 dB/100m při f0 = 200 MHz). Počet zesilovačů v primární síti obvykle nepřekračuje 10. Společně s vedlejší primární sítí musí být počet zesilovačů n < nkrit (viz odst.5.5). Sekundární trasy C (D) vychází z odbočení zesilovačů B (C) v zesilovacích bodech. Z každého zesilovacího bodu se dvěma zesilovači C lze při použití vnějších rozbočovačů signál rozbočit až do 8 větví. Pomocí úseků D (prakticky pouze kratší kabelové úseky) je signál přiveden k předávacímu bodu, kde na ně navazuje terciární síť (účastnický domovní rozvod) a v němž musí mít distribuované signály parametry dané tabulkou 9. V sekundárních trasách se již používají kabely s většími měrnými útlumy, protože kabelové úseky jsou obvykle kratší (max. 300 m). Typické maximální hodnoty měrného útlumu koaxiálních kabelů pro trasy C bk0dB ≅ 4,5 dB při f0 = 200 MHz, pro trasy D bk0dB ≅ 8 dB při f0 = 200 MHz, V těchto trasách TKR všech úrovní od hlavní stanice k jednotlivým předávacím bodům je počet zesilovačů rovněž omezen. S počtem zesilovačů n roste míra šumu o ∆FzdB = 10log n. Současně se také zvyšuje úroveň intermodulačních složek, klesá vybuditelnost zesilovačů a tím i dynamický rozsah soustavy. Jeho nejmenší přijatelná hodnota omezuje shora počet nkrit zesilovačů (viz odst.5.5). Jednotlivé zesilovače (řízené i neřízené) vyrovnávají pokles úrovně signálu způsobený útlumem předcházejícího úseku kabelové trasy tak, aby jeho provozní úroveň byla v celém rozvodu konstantní. Protože dílčí úseky nemusí mít stejnou délku, je třeba případný přebytek zisku zesilovače upravit nastavitelným nebo pilotními signály automaticky řízeným útlumovým členem. Kmitočtově závislý útlum kabelu proto je třeba v zesilovačích rovněž vyrovnávat manuálně nastavitelnými nebo automaticky pilotními signály řízenými náklonovými členy. 7.3.1 Návrhu úseku trasy širokopásmové sítě rozsáhlého TKR

Příklad: V širokopásmové trase (46 až 446 MHz) TKR se stejnými neřízenými zesilovači je použit koaxiální kabel s měrným útlumem bk0 = 1,5 dB/100m při f = 46MHz a 4,5 dB/100m při f = 446 MHz. Zisk zesilovače ...................................................... AzdB = 18 dB, míra šumu zesilovače ............................................ FzdB = 10 dB, maximální úroveň výstupního signálu .................. U2max = 120 dBµV pro odstup nelineárních zkreslení > 60 dB) požadovaný odstup signálu od šumu……………..ΦdB ≥ 44 dB na výstupu trasy (v předávacím bodě úroveň šumu na výstupu hlavní stanice ................ UšHS = 12,6 dBµV, počet rozváděných kanálů ..................................... k = 10, průchozí útlum odbočovačů O1, O2 ....................... bodB = 1 dB.

Obr. 78: Dílčí úsek kabelové trasy TKR

58

a) Stanovte maximální (kritický) počet nkrit zesilovačů v trase rozvodu, jestliže minimální dynamický rozsah při zachování požadovaného odstupu ΦdB bude DsmindB ≥ 10 dB. b) Vypočtěte maximální délku lmax trasy rozvodu pro n = nkrit . c) Stanovte optimální systémovou úroveň U2S signálu v rozvodu a vypočtěte pro ni a pro počet n = nkrit zesilovačů v kaskádě dynamický rozsah soustavy DsdB (bez uvažování odstupu ΦdB). d) Nakreslete úrovňový diagram pro dílčí úsek kabelové trasy dle obr.78. e) Stanovte hodnotu základního útlumu náklonového členu v zesilovači Z2 v obr.78. f) Stanovte náklon N přenosové charakteristiky zesilovače Z2 . g) Vypočtěte výstupní odstup signálu k šumu na výstupu trasy pro n = nkrit a zkontrolujte, zda odpovídá požadavkům uvedeným v tab.9. _______________________________________________________________________________ Řešení: Ad a) Dle odstavce 5.5 platí pro nkrit U 2max − 7 , 5log ( k −1) −U SHS − FzdB − AzdB − Φ dB − DSmindB

nkrit = 10 a po dosazení

nkrit = 10

20 120 − 7 , 5log (10 −1)−12 , 6 −10 −18 − 44 −10 20

≅ 8 zesilovačů .

Ad b) Pro f = 446 MHz je bkdB = 4,5 dB/100m a proto maximální délka rozvodu lmax lmax =

n krit ⋅ AzdB 8 ⋅ 18 = ⋅100 = 3200m 4,5 bkdB / 100m

(144 dB)

Ad c) Pro optimální systémovou úroveň signálu U2S v rozvodu platí pro jeden kanál U 2S = U 2S =

U 2 max + U 2 min U 2max + U šHS + AzdB + ΦdB a po dosazení = 2 2

120 + 12 ,6 + 18 + 44 ≅ 97 dB µ V 2

a pro k = 10 kanálů je U2SdBuV = 93,7 µV.

Pro dynamický rozsah DsdB při nkrit = 8 zesilovačů a k = 10 kanálů (bez uvažování náklonu) platí DsdB = U2S − 20 log n − UšHS − FzdB − AzdB a po dosazení pro provozní úroveň U2S = 93,7 µV DsdB = 93,7 − 20 log 8 − 12,6 − 10 − 18 = 35,03 dB. Ad d) Úrovňový diagram pro dílčí úsek trasy dle obr.78 je patrný z obr.79. Ad e) Pro základní útlum bzdB náklonového členu zesilovače Z2 na kmitočtu f = 446 MHz platí bzdB(446) = AzdB − bkdB/m(446) . l1-2 − 2 . bodB [dB] a po dosazení

bzdB(446) = 18 −

4 ,5 ⋅ 300 − 2 ⋅ 1 = 2,5 dB . Podobně bzdB(46) = 11,5 dB . 100

Pokud by vyšel útlum záporný (bzdB(446) < 0), znamenalo by to, že zisk AzdB zesilovače nestačí krýt útlum, ke kterému dochází v kabelovém úseku na horním kraji kmitočtového pásma (na kmitočtu f = 446 MHz). 59

Obr. 79: Úrovňový diagram pro dílčí úsek kabelové trasy dle obr.78 s plným kladným náklonem (pro k = 1 kanál)

Ad f) Pro náklon N přenosové charakteristiky zesilovače Z2 vyjádřený v dB platí NdB = [bkdB/m(446) − bkdB/m(46)] . l1-2 NdB = [bkdB/m(446) − bkdB/m(46)].l1-2 =

a po dosazení 4,5 − 1,5 . 300 = 9 dB . 100

Ad g) Pro odstup signálu od šumu ΦdB8 na výstupu 8. zesilovače na dolním okraji pásma platí

ΦdB8 = U2s − (UšHS + 10 log n + AzdB – NdB + FzdB) a po dosazení ΦdB8 = 93,7 − (12,6 + 10 log 8 + 18 - 9 + 10) = 53,1 dB. Tato hodnota bohatě splňuje požadavky na tento parametr výstupního signálu v předávacím bodě – ΦdB8 = 53,1 dB > ΦdBPB = 44 dB (minimální hodnota v předávacím bodě - viz tab.9). V širokopásmových kabelových rozvodech je třeba odstup signálu od šumu kontrolovat na obou okrajích přenášeného kmitočtového pásma, kde jsou zisky zesilovačů s ohledem na náklon N různé. Obdobným způsobem je třeba navrhovat (kontrolovat) ostatní dílčí větve rozsáhlého TKR a jejich návaznosti mezi hlavní stanicí a jednotlivými předávacími body distribuční sítě televizního kabelového rozvodu.

8 VYUŽITÍ OPTICKÝCH KABELŮ V TELEVIZNÍCH DISTRIBUČNÍCH SÍTÍCH 8.1 Základní pojmy a vlastnosti optických vláken (kabelů)

Zcela novou kvalitu v oblasti televizních distribučních sít (zejména primárních tras) představují optická vlákna, která umožňují v pásmu záření vlnových délek 0,5 až 1,5 µm dosáhnout teoreticky využitelnou šířku kmitočtového pásma až několik GHz. Pro přenos analogových signálů se 60

přenosová kapacita PK optických vláken vyjadřuje jako součin šířky pásma kanálu [Hz] (v případě digitálních signálů přenosové rychlosti R [bit.s-1]) a maximální překlenutelné vzdálenosti [m] omezené dispersí a měrným útlumem. Optická vlákna se slučují do optických kabelů.

8.1.1 Konstrukce optických vláken Podle rozložení indexu lomu v průřezu vlákna a konstrukčního provedení se dělí na: jednovidová (SM - Single Mode) a mnohovidová (SI - Step Index) vlákna se skokovou změnou mezi konstantními indexy lomů jádra a pláště a tzv. gradientní (GI-Gradient Index) vlákna, u nichž se index lomu se v průřezu jádra mění. Zjednodušené konstrukční uspořádání optických vláken a funkce jejich impulsové odezvy jsou na obr.80. Typický průměr jádra

dj < 100 µm

dj < 100 µm

dj < 100 µm

dj < 10 µm

Obr. 80: Základní druhy optických vláken a jejich impulsové odezvy: a) mnohovidové vlákno SI se skokovou změnou indexu lomu, b) gradientní vlákno GI, c) jednovidové vlákno SM se skokovou změnou indexu lomu

8.1.2 Princip šíření světla (záření) optickým vláknem je patrný z obrázku 81. Pro totální odraz od pláště uvnitř vlákna platí Snellův zákon n2/n1 = sinα/ sinβ, při n1 > n2 . (58) Pro vstupující světelný paprsek musí platit obdobně n1/n0 = sinθ/ sinθ′ při n1 > n0,

(59)

kde n2, n1, n0 značí indexy lomu pláště, jádra a vzduchu. Významy úhlů α, β, θ, θ′ jsou patrné z obr.81. Obr.81: Princip šíření světla optickým vláknem 61

Celkový počet vidů, které se mohou vláknem šířit je dán jeho konstrukcí, ale především rozdílem indexů lomu jádra n1 a pláště n2 , který se obvykle vyjadřuje pomocí tzv. numerické apertury NA, vyjádřené vztahem NA =

(n

2 1

− n 22 ) ≈ sin θmax.

(60)

Numerická apertura (pro gradientní vlákna se používá pojem lokální numerická apertura) určuje přibližně maximální úhel dopadu optického svazku na čelo vlákna, při kterém se svazek odráží se od rozhraní jádra s pláštěm do vlákna a definuje schopnost vlákna přijmout optický výkon. Nevhodným buzením vznikají tzv. tunelové vidy, které pronikají mimo vlákno a zvyšují tak útlum. Typické hodnoty numerické apertury pro různé konstrukce optických vláken jsou vlákna SI , GI NA = cca 0,3 vlákna SM NA = cca 0,05. 8.1.3 Materiály používané pro optická vlákna

Základní materiál pro výrobu skleněných optických vláken tvoří SiO2 a legovací příměsi (např. GeO2, P2O2, B2O3 apod.), jejichž koncentrací a rozložením v průřezu jádra se dosahuje požadovaný průběh indexu lomu jádra a pláště vlákna. Jejich měrný útlum se pohybuje v jednotkách dB/1km. Jsou také vyráběna podstatně levnější optická vlákna z plastických hmot (např. polymetylmetakrylát), ale jejich měrný útlum je výrazně větší (až 150 dB/km na vlnové délce 0,57 µm). 8.1.4 Buzení optických vláken

Pro buzení optických vláken se používají tři základní typy zdrojů: • elektroluminiscenční dioda - šířka spektra 30 až 40 nm, • polovodičový injekční laser (laserová dioda) – typická šířka spektra ∆λ asi 1 nm, • neodymový laser - typická šířka spektra několik desetin nm. Vhodným způsobem buzení vlákna lze potlačit nežádoucí vidy a vidové disperse šířícího se světelného vlnění. 8.1.5 Používané vlnové délky záření

Měrný útlum je závislý na použité vlnové délce. Vlivem různých typů disperse v některých oblastech vlnových délek klesá měrný útlum ( tzv. dispersní okna kolem 850 nm, 1250 nm, 1550 nm), která jsou patrná z obr. 82. Tyto oblasti je vhodné využívat pro přenos.

Obr. 82: Závislost koeficientu útlumu volného prostředí na vlnové délce záření 62

8.1.6

Disperze a její vliv

Přenos optické informace v optických kabelech ovlivňuje také disperze, která způsobuje vícenásobné šíření a z něj vyplývající deformaci výstupního, zejména digitálního, signálu. V případě optických vláken se uplatňují různé typy disperse: Materiálová disperze je důsledkem závislosti indexu lomu na vlnové délce n = F(λ). Uplatňuje se zejména u širokospektrálních zdrojů záření. Dochází vlivem ní k časovému rozptylu jednotlivých kmitočtových složek a tím i k rozšiřování impulsní odezvy optického vlákna. Vidová disperze. Dochází k ní u mnohovidových vláken, protože jednotlivé vidy mají různý charakteristický směr šíření paprsku vzhledem k ose vlákna a tedy i různé dráhy šíření se stej- nými důsledky na výstupní signál jako v případě materiálové disperse. Lze ji eliminovat pou- žitím jednovidových nebo gradientních vláken. Vlnovodová disperze. Uplatňuje se i u jednovidových vláken (nebo vláken jednovidově buzených), protože rychlost šíření vidu závisí na kmitočtu - vi = F(f).

Vliv materiálové disperze lze vyjádřit vztahem (61) Ti = Dm . ∆λ .lov, v němž značí Ti….šířku impulsové odezvy [ps] - viz obr.80, Di….koeficient materiálové disperse [ps.nm-1.km-1] - viz obr.83, ∆λ…šířku spektra budiče optického záření [nm], lov….délku optického vlákna [km].

Obr.83: Spektrální závislost koeficientu materiálové disperze pro křemenné sklo

8.1.6 Přednosti optických vláken Výhody optických vláken ve srovnání s klasickými metalickými koaxiálními kabely se projevují zejména v těchto směrech: • nepatrný měrný útlum a s tím související možnost distribuce signálů na větší vzdálenosti, • podstatně větší využitelná šířka kmitočtového pásma umožňující multiplexní vícekanálový přenos digitálních obrazových signálů, • velmi dobrá izolace přenosového média vůči okolí, • nepatrný vliv vnějších polí na kvalitu přenosu, • úspora mědi apod. 63

Z předcházejícího vyplývá, že přenosové parametry optického spoje ovlivňuje řada faktorů. Měrný útlum současných optických kabelů na bázi SiO2 se pohybuje v hodnotách několika dB/km (dle použité konstrukce vlákna, vlnové délky, způsobu buzení apod.). Využitelná šířka kmitočtového pásma může být několik desítek MHz (mnohovidová vlákna buzená elektroluminiscenční diodou), ale také několik desítek GHz (speciální jednovidová vlákna buzená neodymovým laserem). Světový trend vývoje směřuje k využívání levnějších materiálů a zejména delších vlnových délek (λ ≥ 5 µm), kde lze dosáhnout nízký měrný útlum (teoreticky < 0,01 dB/km) Přenášenou šířku pásma (v případě digitálních signálů přenosovou rychlost R) ovlivňuje kromě měrného útlumu optického kabelu také disperze záření , vlivem níž dochází k rozšiřování impulsů, jejich překrývání a zvýšení chybovosti. Tento jev se zvětšuje s kmitočtem a délkou kabelu. Pro přenosovou kapacitu PKdig digitálních signálů šířených optickým vláknem platí PKdig [bit.s-1.m] = lov [m]. R[bit.s-1].

(62)

Typické hodnoty přenosových kapacit různých typů různě buzených optických vláken Vlákno SI buzené LED…………………… PKdig …..10 – 100 Mbit.s-1.km, vlákno GI buzené LED……………….……PKdig ….200 – 300 Mbit.s-1.km, vlákno GI buzene laserovou diodou……….PKdig ….500 – 1000 Mbit.s-1.km, vlákno SM buzené laserovou diodou………PKdig…1000 – 2000 Mbit.s-1.km, vlákno SM buzené neodymovým laserem…PKdig….5000 – 20000 Mbit.s-1.km. Aplikace optických vláken v širokopásmových analogových TKR však není bez problémů. Při vzdálenosti (délce vlákna) lov = 1 km dosahují jednovidová optická vlákna přenosovou kapacitu PK cca 1 GHz.km, mnohovidová jen asi do 500 MHz.km. Vlivem disperse proto nelze realizovat analogový přenos optickým vláknem na delší vzdálenosti za předpokladu širokopásmového kmitočtového multiplexu, byť je útlum kabelu podstatně menší v porovnání s metalickým kabelovým vedením. Proto se pro optický přenos kmitočtového multiplexu analogových (obvykle amplitudově modulovaných) televizních signálů používá (např. v magistrálních spojích) tzv. prostorový multiplex. V něm se každý televizní kanál, nebo malá skupina kanálů, přenáší jedním vláknem optického kabelu s mnoha vlákny. Přenos televizních signálů mezi ústřední distribuční stanicí a uzlovou stanicí pomocí optických kabelů s mnoha vlákny (prostorového multiplexu) může nahradit mikrovlnné směrové spoje. Jiný příklad aplikace optických spojů v kombinaci s klasickými metalickými spoji představuje tzv. komutační rozvod

8.2

Komutační rozvod televizních signálů

Optické spoje mohou nahrazovat klasický metalický televizní kabelový rozvod v distribuční síti, tj. mezi hlavní stanicí a účastníkem. Rozvod lze realizovat při stávajícím kmitočtovém multiplexu (46 až 446 MHz) také tzv. komutačním provedením, které je patrné z obr.84. V tomto uspořádání se rozvádí signál v optickém prostorovém multiplexu (jeden nebo více kanálů v jednom vláknu) z hlavní stanice do přepojovací stanice. Tento typ rozvodu je založen na myšlence, že účastník (divák) nevyžaduje obvykle současnou distribucí více než dvou televizní programů. Účastník je propojen s přepojovací stanicí klasickým metalickým, (případně optickým) úzkopásmovým spojem. Po něm dostává v kmitočtovém nebo časovém multiplexu vyžádanou alternativu dvou televizních a jednoho rozhlasového programu. Které to z nabídky např. 35 programů budou, si účastník zvolí kódovou volbou ve zpětném spoji směrem do přepojovací stanice. Zde jsou po číslicovém dekódování přepnuty vyžádané kanály 64

(programy) do účastnického vedení po amplitudové remodulaci na vybrané volné rozvodu a distribuovány až do vyžádání změny.

kanály

Obr. 84: Princip komutovaného rozvodu televizních (rozhlasových) signálů

8.3

Multifunkční integrované informační sítě

Celosvětový směr vývoje se snaží sloučit komunikační úzkopásmové spoje (telefon, dálnopis, přenos dat) s distribučními širokopásmovými spoji (rozhlas, televize) do integrované servisní digitální sítě ISDN (Integrated Service Digital Network) spolu s dalšími interaktivními službami. U nich je uživatel ve styku se zařízením v datové základně, pomocí dotazů získává žádané informace, nebo spolupracuje s počítačem. Příkladem širokopásmové informační sítě je v Německu soustava BIGFON (Breitbandiges Integriertes Glasfaser Ort Netz). Multifunkční obousměrná integrovaná síť vychází z primárních tras televizních kabelových rozvodů a používá se v ní obvykle kombinace optických a metalických kabelů. V komunikační a informační základně (KIZ) je umístěna hlavní stanice TKR zásobující rozvod rozhlasovými a televizními programy, telefonní ústředna a informační báse pro zpracování a přenos dat i řízení celé sítě. Ze základny vycházejí jednotlivé trasy kratších primárních metalických, ale především optických kabelů (vedení B, C, D, E, F - viz. obr.85) s optickými odbočovači. Z nich vycházejí primární odnože (např. B1 až B5) napájející tzv. koncentrační, spínací a distribuční body (KCDB) v maximálním počtu šesti. Z těchto bodů jsou hvězdicovou sekundární sítí napájeni jednotliví účastníci. Sekundární síť může být rovněž realizována metalickými (max. do 200 m) nebo při delších vzdálenostech účastníků optickými kabely. Oblast kolem základny KIZ se dělí na několik zón. V blízké zóně (do 0,5 km) jsou účastníci napájeni přímo ze základny KIZ sekundárními účastnickými vedeními (A), neboť příslušný koncentrační, spínací a distribuční bod (KSDB) je přímo v základně KIZ. Střední zóna sahá asi do 5 km od základny a optický rozvod nevyžaduje použití zesilovačů (na rozdíl od TKR). Primární i sekundární vedení jsou dvousměrná (např. vedení C vede v jednom směru optické signály s délkou vlny λ0, v opačném pak signály jiných vlnových délek ). S délkou trasy klesá úroveň optického signálu. Proto je ve vzdálené zóně (5 až 20 km) třeba signál opticky detekovat, bez nebo s elektrickou demodulací 65

jej zesílit a opět namodulovat na optickou nosnou. To se děje v tzv. opakovačích (bod O - obr. 85). Velké instituce jsou napájeny vlastní primární sítí (např. F). Instituce má svou pobočkovou ústřednu PSX a svou lokální datovou síť LAN s jednotlivými účastníky. Na pomocných nosných kmitočtech (subnosných) se zde přenášejí 4 televizní programy, rozhlas FM a digitální signály. Digitální signály lze též přenášet v základním pásmu a modulovat jím intenzitně další laserovou diodu (optický multiplex). Digitálními signály se přenášejí telefonní hovory, obrazový telefon a data, a to v obou směrech. Pro větší počet televizních kanálů, např. dvanáct a více, má optický kabel větší počet vláken (prostorový multiplex).

Obr. 85: Příklad multifunkční informační sítě s optickými kabely

8.4

Optický přenos analogových a digitálních signálů

Na obr.86 jsou znázorněny dvě možnosti multiplexování analogových televizních signálů a to v kmitočtovém signálovém multiplexu (obr.86a) nebo v tzv. optickém multiplexu (obr.86b). Výhodnější z hlediska přenosu je však časový multiplex více digitálních obrazových signálů. Na obr.86c je blokové schéma části optické přenosové trasy pro 4 obrazové a 5 zvukových signálů. Podobná soustava byla poprve instalována již v roce 1975 v Kanadě a sloužila k přenosu 28 televizních kanálů pomocí 7 paralelních optických kabelů. V uvedené soustavě byla použita PCM v časově děleném multiplexu (TDM) se vzorkovacím kmitočtem 10,74 MHz (trojnásobek kmitočtu barvonosné vlny v televizní normě CCIR M).

66

Obr. 86: a) Princip slučování dílčích analogových televizních signálů v optickém spoji kmitočtovým multiplexem, b) optické slučování televizních signálů pomocí optických modulátorů, c) příklad aplikace časového multiplexu v digitální optické trase distribuční sítě

9 SYSTÉMY MMDS 9.1 Úvod Systémy MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System), případně LMDS (Local Multipoint Distribution System), nebo MVDS (Microwave Video Distribution Systém) se ve světě používají již od 80.let minulého století, ale stále představují nezanedbatelnou složku otevřených distribučních sítí pro přenos televizních a rozhlasových, případně datových signálů. Lze je zařadit na rozhraní mezi analogové i digitální telekomunikační prostředky a pozemské vysílací systémy. Jsou vhodné zejména tam, kde by budování kabelových sítí bylo neekonomické (např. v aglomeracích s nerovnoměrnou nebo sníženou hustotou účastníků distribuce). Obvykle na ně navazují klasické (metalické) domovní účastnické nebo individuální kabelové rozvody. Přenos signálů (v současnosti převážně analogových) v systémech MMDS mezi hlavní stanicí a účastníky se uskutečňuje bezdrátovým mikrovlnným spojem. Nacházejí uplatnění především ve velkých městských aglomeracích. K jejich výhodám patří menší investiční náklady a krátká doba připojení účastníka, protože nevyžadují budování primárních a sekundárních kabelových tras a jejich nákladnou údržbu. Lze je provozovat i tam, kde by se z důvodů malého uživatelského zájmu kabelový rozvod nevyplatil. Nutným předpokladem je přímá viditelnost 67

mezi anténními systémy hlavní stanice a předávacího bodu. Za oblast dostatečně pokrytou signálem MMDS se považuje oblast, kde je intensita pole větší než 66 dBµV/m.

Obr.87: Ideové znázornění různých části distribučního systému MMDS

9.2 Analogové systémy MMDS

V analogových systémech MMDS pracujících v kmitočtových pásmech 2 až 10 GHz se užívá téměř výhradně analogová modulace. Maximální počet distribuovaných TV kanálů je dán národní kmitočtovou alokací. Podle způsobu zpracování signálu v hlavní stanici HS se dělí na systémy s kanálovým zpracováním signálového multiplexu (SM) - obrázek 88, systémy s širokopásmovým zpracováním signálového multiplexu - obrázek 89.

9.2.1 Analogové systémy MMDS s kanálovým zpracováním kmitočtového multiplexu

Příjem u účastníka se uskutečňuje pomocí konvertoru, který převádí celý signálový kmitočtový multiplex do kmitočtových pásem, která lze TV přijímačem přijímat. Velký problém u této otevřené signálové distribuce je její ochrana proti pirátskému příjmu. Pokud je v systému z tohoto důvodu zaveden tzv. podmíněný přístup, vřazuje se mezi konvertor a přijímač účastníka tzv. Set Top Box (STB), který dekóduje programové indikace a spolupracuje s hlavní stanici při adresování a účtování jednotlivých programů (v jednodušších versích jej nahrazuje soustava kmitočtových filtrů) podobně jako je tomu v televizních kabelových rozvodech. Podle požadavku provozovatele jsou proto některé, nebo všechny, programové kanály v enkodéru EN zakódovány. Vstupy signálů jednotlivých programů jsou v základním kmitočtovém pásmu audio a video. V systémech s kanálovým zpracováním (obr.88) jsou modulační signály zvukových doprovodů A (audio) a úplných barevných signálů V (video) v amplitudových a kmitočtových modulátorech MOD namodulovány na společné mezifrekvenční nosné vlny (stejného kmitočtu). Ty jsou pomocí směšovačů SM konvertovány na příslušný vysílaný kanálový kmitočet, 68

výkonově zesíleny v zesilovačích VZ a sdruženy pomocí jednoho nebo dvou sdružovačů do výsledného kmitočtového multiplexu KM (maximální výkon na jeden kanál je asi 200W).

Obr.88: Blokové schéma vysílače analogového systému MMDS s kanálovým zpracováním signálového multiplexu

Obr.89: Blokové schéma vysílače analogového systému MMDS se širokopásmovým zpracováním signálového multiplexu (kanály K3 až Kn jsou volně přístupné)

69

9.2.2 Analogové systémy MMDS se širokopásmovým zpracováním signálového multiplexu

V případě širokopásmového zpracování (obr.89) se mezifrekvenční signálový multiplex vytváří v modulátorech a sdružovači již na nízké výkonové úrovni. Potom je ve vysílači MMDS přeložen do vysílaného kmitočtového pásma a výkonově zesílen. S ohledem na dostatečné potlačení intermodulačních produktů je tomto případě i při použití ultralineárních GaAs FET tranzistorů dosáhnout nižší výkon na jeden kanál (cca 0,5 W/kanál při počtu 16 kanálů v multiplexu). 9.3 Kmitočtová pásma pro systémy MMDS

V analogových systémech MMDS, pracujících v kmitočtových pásmech do 10 GHZ, se používá obvykle amplitudová modulace. V systémech MMDS (MVDS, LMDS), pracujících ve vyšších pásmech (v současnosti do 42 GHz) se používá kmitočtová modulace. V grafu na obr.90 je vynesena závislost útlumu šíření volným prostorem v kmitočtových pásmech 2 až 42 GHz. Tabulka 13 obsahuje informativní hodnoty parametrů trasy a signálu v oblasti pokrytí analogového systému MVDS s kmitočtovou modulací, pracujícího v kmitočtovém pásmu 40,5 – 42,5 GHz, v závislosti na délce trasy (vzdálenosti přijímače). Tabulka 13 platí pro: výkon vysílače……….20dBm/kanál, zisk vysílací antény ....15 dB, zisk přijímací antény ..31 dB, míru šumu přijímače ..12 dB, polarizaci…………….vertikální Obr.90: Útlum šíření elektromagnetických vln volným prostorem v závislosti na vzdálenosti a kmitočtu

Tab.13: Parametry přijímaného signálu v systému MVDS pracujícím v pásmu 40,5 - 42,5 GHz Vzdálenost [ km ] 1

Útlum trasy [ dB ] 124,8

C/N [ dB ] 28,9

Rezerva na únik [ dB ] 16,9

Přídavný útlum deštěm pro 99,7 % času [ dB ] 1,7

2

130,8

22,9

10,9

3,3

3

134,3

19,4

7,4

4,7

4

136,8

16,9

4,9

6,0

5

138,7

15,0

3,0

7,3

6

140,3

13,4

1,4

8,4

7

141,7

12,0

0,0

9,4

8

142,8

10,9

-1,1

10,4

9

143,8

9,9

-2,1

11,3

10

144,8

8,9

-3,1

12,2

V současnosti se systémy MMDS používají ve více jak 90 státech světa (v ČR je do roku 2001 používal např. operátor Kabel NET aj.) Jen v USA a Kanadě je cca 260 operátorů těchto systémů. Jedním z největších je např. společnost Multivision v Mexico City, Scylabe v provincii Manitoba (Kanada), jejíž digitální celulární systém MMDS od roku 1996 pokrývá území cca 95000 km2, nebo Image Wireless Communications Inc. v provincii Saskatchewan (13 distribuč70

ních stanic celulárního digitálního systému MMDS pokrývá území větší jak 110000 km2 ). Výrazný rozvoj těchto systémů je patrný v posledních létech i v Evropě. Např. v pásmu 2,1 až 2,3 GHz lze přenášet v analogové formě až 16 TV kanálů tzv. skupiny A (do 2228 MGz) a 9 TV kanálů skupiny B (do 2300 MHz) o šířce 8 MHz. V tabulce 14 jsou příklady kmitočtové alokace pro služby MMDS v některých zemích. Tab.14: Příklady kmitočtové alokace systémů MMDS ve světě Oblast

do 10 GHz

1

Afrika

2,5 – 2,7

2

Asie

2,5 – 2,7

3

Austrálie

2,1 – 2,4

4

Belgie

5

Česká republika

6 7

nad 10 GHz

Oblast

do 10 GHz

nad 10 GHz

17

Německo

42

13 (Hong-Kong)

18

Norsko

42

19

Polsko

19;42

28

20

Portugalsko

42

21

Rumunsko

2,1 – 2,3

Dánsko

42

22

Rusko a Pobaltské rep.

2,5 – 2,7

Finsko

42

23

Rakousko

42

8

Holandsko

42

24

Řecko

42

2,1 – 2,3

42

9

Chorvatsko

42

25

Slovensko

2,1 – 2,3

10

Irsko

2,5 – 2,7

42

26

Slovinsko

2,0 – 3,0

11

Island

2,5 – 2,7

42

27

Švédsko

42

12

Itálie

1,0 – 3,0

13

Jižní Amerika

2,5 – 2,7

14

Kanada

2,5

15

Lichtenštejnsko

16

Maďarsko

2,5

13;42

13;28;38;42

17;42

28

Švýcarsko

29

Turecko

2,5 – 2,7

42 42

28

30

USA

2,1 – 2,3; 2,5 – 2,7

28

42

31

Velká Británie

42

Poznámka: Od roku 2002 bylo v ČR kmitočtové pásmo 2,1 - 2,3 GHz vyhrazeno pro nové služby UMTS operátorů mobilních radiokomunikací.

9.4 Digitální systémy MMDS

poskytují novou kvalitu (větší dosah, vyšší kvalita obrazu, na kterém se méně uplatňují rušení a zkreslení přenosového kanálu, lepší využití kmitočtového pásma apod.). Ideové blokové schéma zpracování signálu v digitálním systému MMDS pro jeden vysokofrekvenční kanál (obsahující několik TV kanálů) je na obr.91. Pro přenos televizních, rozhlasových a datových signálů s podmíněným přístupem k účastníkům se v systémech MMDS, pracujících v kmitočto-vých pásmech do 10 GHz, používá typicky digitální modulace 64-QAM (obrazové signály jsou komprimovány dle standardu ISO/ EC 13818 MPEG 2 s výslednou přenosovou rychlostí 4 až 8 Mbit/s. K přenosové rychlosti komprimovaných televizních dat např. 4 Mbit/s je třeba připočíst cca 400 kBit/s na audio data a podmíněný přístup a dále cca 12,5 % na ochranné kódování FEC). Výsledná přenosová rychlost na jeden televizní kanál v základním pásmu je potom cca 5 Mbit/s. Výstupy jednotlivých kodérů MPEG 2 jsou multiplexovány do transportního multiplexu MPX a vedeny na vstup modulátoru QAM . Modulovaný signál v odpovídajícím kmitočtovém pásmu je vysílán vysílačem MMDS. Sdružování jednotlivých vysokofrekvenčních kanálů ve vysílači se provádí buď na nízké, nebo na vysoké výkonové úrovni (za výstupy jednotlivých výkonových vysokofrekvenčních zesilovačů). Koncové stupně vysílače jsou podobné jako u analogových systémů MMDS. Zvláštní důraz je však kladen na linearitu jejich fázové charakteristiky (malý fázový šum) a specifika modulu přenosu filtrů pro digitální kanály. Jak vyplývá z tab. 15, ve které jsou uvedeny kapacity 71

vysokofrekvenčních přenosových kanálů, lze v jednom kanálu o šířce 8 MHz přenášet při použití kanálové modulace QAM-64 až 6 televizních kanálů (programů ve standardní kvalitě). Digitální systémy MMDS (LMDS, MVDS), pracující v kmitočtových pásmech nad 10 MHz, používají typicky digitální modulaci QPSK s většími požadavky na amplitudově-kmitočtovou i fázově-kmitočtovou charakteristiku přenosového kanálu pro daný počet televizních kanálů. Tato modulace naopak klade nižší požadavky na odstup C/N na vstupu přijímače a umožňuje tak při stejném výkonu a zvolené chybovosti (kvalitě obrazu) zvětšit dosah vysílačů. Velký počet evropských zemí akceptoval doporučení CEPT T/R 52-01 z roku 1990, které doporučuje jako perspektivní pásmo pro vícekanálové televizní distribuční systémy 42GHz.

Obr.91: Blokové schéma zpracování signálu ve vysílači digitálního systému MMDS

Tab.15: Kapacity přenosových kanálů v digitálním systému MMDS Užitečná bitová rychlost MPEG-2 [Mb/s] 38,48

Celková bitová rychlost včetně RS (204,188) [Mb/s] 41,76

32,00

34,80

26,65

Symbolová rychlost [Mbaud]

Šířka pásma [MHz]

Druh modulace

6,96

8

64-QAM

6,96

8

32-QAM

27,84

6,96

8

16-QAM

28,86

31,32

5,22

6

64-QAM

24,00

26,10

5,22

6

32-QAM

19,24

20,88

5,22

6

16-QAM

Propustnost kanálů lze dále zvýšit použitím tzv. statistického multiplexování STM, při kterém se operativně mění přenosová rychlost v jednotlivých datových tocích v rámci jednoho vysokofrekvenčního kanálu v závislosti na kvalitě zdrojových video dat, ale tato problematika se již vymyká z rozsahu tohoto skripta. 10 STANDARD DIGITÁLNÍ KABELOVÉ TELEVIZE DVB-C 72

10.1 Úvod

Na rozdíl od přenosu analogových úplných barevných signálů, komponovaných dle stávajících analogových standardů NTSC, PAL, příp. SECAM, je možno přenosem těchto signálů v digitální (digitalizované) a následně komprimované formě výrazně zvýšit odolnost těchto signálů vůči zkreslením (především nelineárním) reálného přenosového kanálu a zásadně zvýšit využití přidělených kmitočtových pásem pro kabelovou televizi. Do jednoho kanálu běžného kmitočtového rastru kabelového rozvodu lze tak při použití úplného barevného signálu digitalizovaného dle standardu CCIR ITU R-601 a následné kompresi digitálních obrazových dat (včetně odpovídajícího zabezpečení) dle kompresního standardu MPEG2 umístit čtyři až osm televizních programů srovnatelné kvality. Výraznou výhodou digitálního přenosu je skutečnost, že současně se signály programové televize lze v datovém toku přenášet i další datové soubory (digitální rozhlas, telefon, faksimile, počítačová data a programy a data jiných služeb). V budoucnosti tedy zřejmě současné televizní kabelové rozvody nahradí integrované transportní i přístupové obousměrné sítě umožňující přenos digitálních multimediálních signálů a zabezpečující všechny myslitelné služby. Protože do náplně tohoto učebního textu spadá především kabelová distribuce televizních signálů, zmíníme se v dalším odstavci pouze o evropsky standardizované formě kabelové distribuce DVB - C (Digital Video Broadcasting – Cable). Kromě evropských standardů digitálního televizního vysílání DVB je ve světě nejznámější americký standard ATSC (Advanced Television System Committee), který využívá pro kompresi digitálních videosignálů standard MPEG 2, ale se od evropského standardu liší především jinou formou zdrojového kódování zvukových doprovodů (Dolby Digital AC-3) a jiným způsobem modulace v terestrickém provozu (8-VSB - Vestigial Side Band). 10.2 Základní principy evropského standardu DVB - C

Evropská skupina pro digitální televizi ELG (European Launching Group) vydala v roce 1993 tzv. Memorandum porozumění, kterým byl zahájen evropský projekt digitální produkce, distribuce a televizního vysílání DVB. Dnes je členem tohoto sdružení více jak 200 evropských nevládních institucí, vysílacích společností a firem (např. EBU, ARD, BBC, RAI, Philips, Thompson, Nokia a další - od roku 1994 i Česká televize). Řídicí komise má 34 členů a kancelář projektu DVB je zajišťována EBU (Svaz evropských vysílacích společností), který má sídlo v Ženevě. Největší skupinu projektu tvoří tzv. technický modul, který je prakticky koordinačním centrem. Navrhuje technické standardy různých forem DVB pro schválení Evropským standardizačním institutem pro telekomunikace (ETSI) a řídí dílčí vědecké a výzkumné projekty z této oblasti. Do této doby byly již schváleny následující evropské normy pro DVB (další se projednávají) • • • • •

ETS 300 421 ETS 300 429 ETS 300 468 ETS 300 472 ETS 300 473

Digitální družicové systémy Digitální kabelové distribuční systémy Služební informace v systému DVB/ MPEG 2 Způsob přenosu Teletextu dle ITU-R systém B Systémy pro distribuci pomocí SMATV (společných televizních antén) a další.

Standard DVB je určen pro digitální přenos signálů obrazu, zvuku a dat šířených k divákovi a to a) satelitním vysíláním DVB - S 73

b) kabelovým přenosem (CATV, SMATV) DVB - C c) terrestrickým (pozemním) vysíláním DVB –T Ve všech typech přenosu je požadovaný odstup signálu od šumu C/N pro dosažení kvalitního obrazu podstatně nižší než v případě přenosu analogových signálů. Pro všechny typy distribuce jsou zachovány tyto společné principy a vlastnosti kódování v základním pásmu: • • • •

• •

zdrojový úplný barevný signál je digitalizován složkově dle doporučení CCIR ITU R 601, použití kompresního algoritmu MPEG 2, použití společného systému služebních informaci SI (Service Information) o právě přenášeném pořadu, použití kanálového kódování pouze ve formě vnějšího ochranného kódu FEC 1 (Forward Error Correction) - blokový Reed-Solomonovův kód a v případě přenosů DVB-S a DVB-T také vnitřního ochranného kódu FEC 2 ve formě konvolučního kódu a tzv. prokládacího stupně (Interleaver) pro ošetření shlukových přenosových chyb, použití enkrypčních systémů ( různých systémů pro podmíněný přístup), scramblování dat pomocí pseudonáhodné posloupnosti pro zrovnoměrnění výkonového spektra signálu.

Tyto systémy se liší vnějšími modulačními metodami, odvislými od různých šířek pásma, úrovně možného zkreslení a rušení v přenosovém kanálu i od rozdílných limitů vyzářených výkonů. Jsou používány tyto modulace: DVB - S:

kvadraturní fázová modulace QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) s Grayovým kódováním,

DVB - T:

modulace OFDM (COFDM) (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex),

DVB - C:

kvadraturní amplitudová modulace QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Kanály kabelové televize DVB-C jsou charakterizovány obvykle stejnou šířkou pásma jako analogové televizní kanály pro pozemního vysílání. Kanálový rastr je rozšířen o speciální kanály (tzv. S-kanály - viz tab.2). Tento typ distribuce představuje kvalitnější přenosový kanál s nízkou úrovní rušení. Proto se nepředpokládá použití vnitřního konvolučního ochranného kódu FEC 2, ale pouze vnějšího ochranného kódování FEC 1 stejného jako u systémů DVB-S a DVB-T (Reed-Solomonův blokový kód s volitelným kódovacím poměrem 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 nebo 7/8 s pevnou délkou K = 7). Pro kabelovou distribuci byla zvolena vnější modulace 64-QAM. Mohou však být použity i modulace 16-QAM, 32-QAM nebo v budoucnosti i 256-QAM, s niž by bylo možno přenášet transportní datové toky přenosovou rychlostí až 41 Mbitů/s (při uvažování povoleného překrývání sousedních pásem o 15 %). Např. bitový tok o rychlosti cca 35 Mbitů/s může být přenesen modulačním systémem 64-QAM kabelovým kanálem se šířkou pásma cca 7 MHz.

11

SMĚROVÉ PŘENOSOVÉ SYSTÉMY (SPOJE)

11.1 Úvod 74

Televizní spoje zprostředkovávají přenos úplných televizních a rozhlasových signálů z místa jejich produkce do ústředního TV studia v tzv. příspěvkových sítích a odtud k jednotlivým vysílačům v tzv. distribučních sítích. Tranzitní sítě pak slouží k mezinárodním přenosům, aniž by na území státu muselo docházet k využití signálu. Tato distribuce se může uskutečňovat -

metalickými, případně optickými kabelovými spoji, pevnými (stacionárními) nebo mobilními směrovými (bezdrátovými) spoji v pásmu dm nebo cm vln (jsou také nazývány radioreléové spoje), družicovým přenosem.

Rostoucí měrou se pro tyto účely uplatňuje digitální družicová distribuce – v České republice např. pomocí digitálního paketu CZECH LINK provozovaného na jednom z transpondérů družice EUROBIRD 1, která je umístěna na posici 28,2° východně. Transpondér vysílá na území střední Evropy na kmitočtu 12607 GHz s horizontální polarizací signál digitálního paketu obsahujícího v současné době 4 TV programy (ČT1, ČT2, PRIMA, Stanice O) a 6 rozhlasových programů v profesionální kvalitě. Tyto signály tak lze distribuovat k libovolně umístěným pozemním vysílačům, případně hlavním stanicím kabelových rozvodů. Mohou jej také přijímat diváci vybavení digitálním družicovým přijímačem za použití odpovídající enkrypce (paket CZECH LINK používá enkrypční systém Cryptoworks). S ohledem na zachování autorských práv tvůrců programů je tento způsob příjmu určen pouze divákům na území České republiky. Tento způsob distribuce televizních a rozhlasových signálů k pozemním vysílačům je však vždy vzájemně zálohován - obvykle směrovými bezdrátovými spoji. Ty však vyžadují velké investiční náklady a náročnou údržbu, zejména v zimním období. Naopak družicová distribuce je značně zranitelná především za mimořádných, zejména válečných, situací. S ohledem na obsahové zaměření tohoto skripta budou dále zmíněny pouze základní údaje o řešení kabelových a zejména směrových přenosových systémech pro účely interní distribuce televizních a rozhlasových signálů. 11.2 Fiktívní referenční okruh

Každá přenosová (distribuční) soustava vnáší do signálu zkreslení, případně nežádoucí rušivé složky (brum, hluk, šum apod.). Meze únosnosti takového zkreslení jsou pro televizní kanál stanoveny mezinárodními doporučeními organizace CCIR. Pro zachování jednoznačnosti těchto doporučení byl zaveden pojem fiktivní referenční okruh CCIR (dále FRO). Při jeho definici se vychází z tzv. dlouhého mezinárodního televizního spoje. FRO je charakterizován -

celkovou délkou 2500 km se dvěma mezilehlými body, ve kterých se provádí demodulace do základního pásma a zpětná modulace a které rozdělují FRO na tři stejné úseky obsahující 18 skoků po 46,3 km, samostatným nastavováním parametrů těchto dílčích úseků, absencí převaděčů TV norem a obnovitelů synchronizační směsi.

Pro Českou republiku a řadu jiných států je FRO příliš dlouhý. Proto jsou pro FRO doporučeny CCIR přenosové parametry, které slouží jako základ pro přepočet požadovaných parametrů reálných televizních spojů a jejichž hodnoty jsou uvedeny dále. 11.2.1 Lineární zkresĺení a zbytkový útlum bz

je pro FRO stanoven 0 ± 1 dB s krátkodobým přípustným kolísáním ± 0,3 dB a střednědobým (jednotky hodin) kolísáním ± 1 dB. Toleranční pole kmitočtové závislosti zbytkového útlumu a přechodové charakteristiky FRO jsou na obrázcích 92 a 93 (symbol fh značí mezní kmitočet uvažované normy – pro uvažovanou normu CCIR D je fh = 6 MHz). Skupinové zpoždění signálů 75

τsk v FRO nesmí přesáhnout hodnotu 20ns v oblasti barvonosného kmitočtu fnb a 50ns v kmitočtové oblasti fno - fnb (viz odst.2.2.3).

Obr.92: Toleranční pole zbytkového útlumu v FRO pro TV normu CCIR D

Obr.93: Toleranční pole přechodové charakteristiky FRO pro TV normu CCIR D

11.2.2 Nelineární zkreslení Povolené hodnoty byly zmíněny v odstavci 2.2.4. Mezivrcholová hodnota synchronizačních impulsů nesmí ve FRO se zbytkovým útlumem 0 dB vybočit z rozsahu 0,21 – 0,33 V.

11.2.3

Hlukové signály

Uvažují se: náhodný spojitý šum, periodické hlukové signály a impulsní hlukové signály. a) Poměr signálu k šumu φ (viz odst.2.2.5) je obvykle definován jako logaritmicky vyjádřený poměr mezivrcholové hodnoty úplného barevného signálu a efektivní hodnoty šumu φdB = 20 log (Uo/Uš) v kmitočtovém pásmu 0 – 6 MHz, měřený přes tzv. videometrický filtr (dolní proupust 2. řádu respektující subjektivní vjem šumu v obraze). Jeho hodnota v FRO by měla přesahovat 49 dB po více jak 99,9% času a 61 dB po více jak 80% času libovolného měsíce v roce. b) Poměr signálu k periodickém hlukovému signálu φphdB je definován jako logaritmicky vyjádřený poměr mezivrcholové hodnoty úplného barevného signálu a mezivrcholové hodnoty periodického hlukového signálu. Jeho hodnota v FRO by být: - větší než 30dB pro nízkofrekvenční hlukové signály (obvykle síťový brum 50(100) Hz), které lze potlačit klíčovanými obnoviteli stejnosměrné složky, - větší než 50 dB pro hluk způsobený jedním harmonickým rušivým signálem v kmitočtovém pásmu 1 kHz až 1 MHz (pro vyšší kmitočty může klesat až ke 30 dB). c) Poměr signálu k impulsnímu hluku φidB je definován stejně jako v bodě b). Jeho hodnota v FRO nemá klesnout pod 25 dB pro sporadicky se vyskytující impulsní hluky.

11.2.4

Přepočet parametrů FRO pro reálný televizní spoj

Pro reálný televizní spoj s počtem sekcí n se parametry PFRO doporučené pro FRO přepočítavají pomocí obecného vztahu Pn = PFRO(n/3)1/h , (63) v němž konstanta h = 2 při přepočtu zbytkového útlumu a jeho kolísání, odstupů signálu od šumu a hlukových signálů, h = 3/2 při přepočtu tolerancí modulu přenosu, skupinového zpoždění apod. 76

Hodnoty P mohou být vyjádřeny dle přepočítávaného parametru v [dB, %, s.]. Příklad: reálný

Vypočtěte požadovaný zbytkový útlum bz2 a odstup signálu od šumu φ2dB pro televizní spoj se dvěma (n = 2) sekcemi (h = 2). Po dosazení do vztahu (63) Pn = P2 = bz2 = ± 1(2/3)1/2 = ± 0,82 dB a podobně Pn = P2 = φ2dB = 61(2/3)1/2 = 49,8 dB.

11.3 Směrové televizní přenosové systémy (radioreléové spoje)

11.3.1 Úvod

Pro směrové bezdrátové spoje s velkou přenosovou kapacitou a vysokou směrovostí anténních systémů, která umožňuje přenášet signály s relativně malými výkony (desítky mW až jednotky W), je nutno využívat velmi vysoké kmitočty (kmitočtová pásma 2 až 38 GHz). Pro mobilní zařízení jsou užívána kmitočtová pásma 2, 8, 10 a 13 GHz. Stabilní zařízení magistrálního typu pracují v pásmech 4 a 6 GHz a spoje druhého řádu v pásmech 7 a 8 GHz. Vyšší kmitočtová pásma (13 až 30 GHz) jsou používána pro digitální přenosy. Vzhledem k tomu, že na těchto kmitočtech se elmg. vlny šíří prakticky pouze šíří přímočaře, musí být mezi vysílací a přijímací stanicí přímá viditelnost. Směrový spoj je proto nutno rozdělit na několik úseků tzv. – reléovými stanicemi. Vzdálenost mezi nimi je dána vlastnostmi terénu a bývá max. 50 km. Důležitými parametry těchto zařízení jsou spolehlivost, 100% zálohování, malý příkon kon (s ohledem na dislokaci je nutno budovat také energetické přípojky v náročných terénech) a nízké nároky na údržbu.Velkým problémem je také mechanická stabilita a ochrana anténních systémů proti klimatickým vlivům (vítr, vlhkostr, námraza apod.) Z hlediska složitosti lze směrové systémy dělit na jednoduché, střední a magistrální. Mezi jednoduché patří tzv. reportážní spoje, do kategorie středních patří např.místní spoje zajišťující přenos signálů ze studia do míst nanavazujících na sítě vyššího řádu. Obr. 94: Hlavní řídicí stanice dálkových spojů v Praze na Strahově (převzato z lit.[2] )

11.3.2 Mobilní směrové televizní spoje

V mobilních směrových spojích, používaných pro přenos televizního signálů z exteriérů do nejbližší stacionární stanice směrového televizního spoje. Vysílače pro analogový přenos úplného televizního signálu používají vesměs stejný princip. Úplný barevný signál v základním kmitočtovém pásmu je sloučen se signály zvukových doprovodů kmitočtově namodulovanými na 77

pomocné nosné kmitočty a takto získaný signál se znovu kmitočtově moduluje na mezifrekvenční nosný signál o kmitočtu obvykle 70 MHz (používán i ve stacionárních směrových spojích Mezifrekvenční signál se v jednom, nebo v modernějších zařízeních ve dvou směšovačích (2. mezifrekvence např. 800 MHz), překládá do příslušného mikrovlnného pásma a zesiluje. Tyto operace se obvykle uskutečňují ve dvou jednotkách – řídicí a anténní. Příklad detailního blokové-ho zapojení těchto jednotek vysílače soupravy směrového televizního spoje VML-D firmy Microwave Continental v plně polovodičovém provedení je na obrázcích 95 a 96.

Obr.95: Blokové schéma řídicí jednotky vysílače mobilního směrového spoje VML-D (převzato z lit.[2] )

Řídicí jednotka obsahuje rovněž potřebné napájecí zdroje a generátory zkušebních signálů.

Obr.96: Blokové schéma anténní jednotky vysílače mobilního směrového spoje VML-D (převzato z lit.[2] )

Zapojení přijímací části směrového spoje VML-D je reciproké k vysílací části a využívá společnou parabolickou anténu. Do jedné antény lze pomocí kmitočtových slučovačů sloučit signály až čtyř vysílačů (přijímačů). Zařízení umožňuje rovněž digitální přenos datových signálů s přenoso-vou rychlostí 2 Mbitů/s. společně s analogovým přenosem televizního signálu, případně pouze datový přenos s přenosovou rychlostí až 34 Mbitů/s. (např. přenos až 1800 78

telefonních kanálů. Dodává se pro kmitočtová pásma 1,7 až 24 GHz s výkony vysílačů 100mW až 5W. Poznámka: Popsaná mobilní přenosová zařízení jsou sice mobilní, ale realizují spojení mezi dvěma pevnými body. Pro speciální televizní přenosy – zejména sportovní (např. cyklistické nebo automobilové závody apod.) se používají tzv. pohyblivé televizní bezdrátové spoje (reportážní spoje). Signál snímaný kamerou, umístěnou v jedoucím nebo letícím prostředku, je přenášen do přijímače přenosového vozu a odtud, po režijním zpracování, dále pomocí mobilního směrového spoje. Koncepce těchto zařízení je podobná jako v případě popsaných mobilních směrových spojů, ale jsou použity širokoúhlé, případně všesměrové antény. Vysílače těchto pojítek mají malé rozměry, pracují v kmitočtových pásmech jednotek až desítek GHz a vzhledem k nesměrovým anténám mají i větší výkony (např. souprava pohyblivého spoje MA2X firmy Microwave Associates o hmotnosti cca 2,7 kg pracuje s výkonem 15 W v kmitočtovém pásmu 2 GHz a je schopna přenést v plné kvalitě barevný obraz se dvěma zvukovými doprovody). S ohledem na způsob provozu jsou tyto prostředky napájeny z baterií. 11.3.3 Pevné( stacionární) směrové televizní spoje

Přestože distribuční a kontribuční sítě přechází ve stále rostoucí míře na technologie optických kabelů a družicových přenosů, představují pevné směrové spoje stále podstatnou část této distribuce. Vzhledem ke stále rostoucím požadavkům na telekomunikační přenosy různých typů (telefon, počítačová data aj.), které lze rovněž uskutečnit směrovými spoji, bývají na trasách vyšších řádů používána kombinovaná zařízení umožňující kromě přenosu analogových televizních signálů také přenos signálů jiných služeb. S postupující digitalizací se smazává rozdíl mezi jednotlivými službami a moderní zařízení tohoto typu jsou tudíž zcela univerzální. Základním požadavkem na tyto přenosové systémy je vysoká spolehlivost a stálá úroveň signálu. Ta se může být ovlivněna tzv. únikem, způsobeným kolísáním útlumu volného prostoru mezi stanicemi (např. vlivem srážek) nebo vlivem interferencí mnohacestného šíření, které však lze omezit vhodným vyzařovacím diagramem antén. Pro zajištění spolehlivosti a stálé úrovně signálu se používají metody a prostředky výběrového (diverzitního) příjmu s kmitočtovou nebo prostorovou (použití dvou prostorově oddělených antén) diverzitou, jejichž bližší popis se však vymyká z rozsahu tohoto skripta. a) Základní pojmy

Pevný směrový spoj je obvykle vícenásobný a skládá se z koncových a vnitřních reléových stanic. Podle typu přenosu se přenosové trasy dělí na simplexní, ve kterých se přenos uskutečňu-je pouze v jednom směru a duplexní , které přenášejí signály v obou směrech. Pro zvětšení spolehlivosti přenosu se v těchto systémech užívá systém rezervování. Dříve používané neeko-nomické staniční rezervování bylo nahrazeno tzv. stvolovým zálohováním Jeden přenosový kanál určité kapacity (šířka pásma 8 -14 MHz, výjimečně 28 MHz) se nazývá stvol. V něm je možno přenášet jeden analogový program barevné televize s jedním až čtyřmi zvukovými doprovody nebo až 2700 standardních telefonních kanálů, případně několik desítek (dle kvality) rozhlasových kanálů. Digitální stvoly umožňují přenosovou rychlost 34 nebo 140 (155) Mbitů/s. V hlavních (magistrálních) přenosových trasách obvykle požadavky na přenosovou kapacitu přesahují možnosti jednoho stvolu a proto se zde používají vícestvolové systémy (až 8 stvolů do jedné antény), se speciálně řešeným mikrovlnným traktem. V něm jsou pomocí kmitočtových sdružovačů a polarizačních filtrů (cirkulátorů) sdružený do jedné antény stvoly více zařízení, jak je patrné z obr.97. Jeden až dva stvoly jsou ponechány v záloze a umožňují zmíněné stvolové zálohování přenosu označovanou n + 1 (n + 2), kde n značí počet provozních stvolů (obr.97) 79

Obr.97: Princip stvolového zálohování (4 + 1) v soustavě 6 radioreleových stanic (převzato z lit. [2] )

b) Koncepce pevných (stacioníárních) směrových televizních spojů

Ve směrové spojích se pro přenos analogových televizních signálů dosud používala kmitočtová modulace. V současné době přenos datových a telefonních i televizních signálů se uskutečňuje digitálně pomocí odpovídajících nespojitých modulačních metod QAM aj.

Obr.98: Zjednodušené blokové schéma pevného duplexního směrového spoje pro 3 stvoly (převzato z lit.[2] )

Zjednodušené blokové schéma duplexního směrového spoje umožňujícího sdružení tří stvolů (vstupních a výstupních signálů dílčích vysílačů) do jediné antény prostřednictvím feritových cirkulátorů je na obr. 98. Na obr. 99 je zjednodušené blokové schéma vnitřní radioreléové stanice stacionárního směrového spoje bez demodulace signálu do základního pásma se zesilováním na mezifrekvenčním kmitočtu .Ten má mezinárodně standardizovanou hodnotu fmf = 70 MHz, případně 140 MHz, což umožňuje vzájemná propojení zařízení různých výrobců. 80

Obr. 99: Zjednodušené blokové schéma vnitřní radioreléové stanice stacionárního směrového spoje

Vzhledem ke kvalitě přenášených signálů (ovlivněné počtem nelineárních operaci) a složitostí představuje tato nejčastěji používaná koncepce kompromis mezi třemi možnými způsoby řešení (stanice se zesilování na vf. kmitočtu, zesilováním na mf. kmitočtu a stanice s demodulací do základního kmitočtového pásma a následnou modulací). Velmi důležitou problematiku při návrhu spoje představuje kmitočtový plán, který musí v případě duplexních spojů vyloučit možnosti nežádoucích signálových vazeb mezi vysílači a přijímači koncových i vnitřních stanic v přímém a zpětném směru. Příklad kmitočtového plánu duplexního radioreléového spoje se třemi skoky se dvěma kmitočty je na obr.100. Jednotlivé sta nice spoje by neměly být umístěny v bodech tvořících přímku. Další nežádoucí vlivy lze ome zit střídající se polarizací a vysokou směrovostí antén.

Obr.100: Obr.100: Pevný duplexní směrový spoj se se dvěma kmitočty

c) Širokopásmový stvol pro analogový přenos

Šířka kmitočtového pásma širokopásmového stvolu pro analogový přenos je závislá na druhu přenášeného signálu a v případě televizních signálu tedy i na odpovídající TV normě. Tyto stvoly jsou navrhovány tak, aby v nich bylo možno přenášet signál odpovídající barevnému obrazu standardní kvality včetně signálů zvukových doprovodů umístěných na subnosných kmitočtech. Pro kontrolu úrovně signálu se do stvolu vkládá v kmitočtovém multiplexu rovněž tzv.pilotní signál (harmonický signál definované úrovně např. na kmitočtech 8,5 MHz, 9,0234 MHz aj.), který lze rovněž použít k indikaci „průchodnosti“ stvolu i pro účely reservování. Širokopásmové stvoly magistrálních přenosových systémů jsou navrhovány tak, aby v nich bylo možno přenášet až 2700 telefonních hovorů (dle šířky pásma). Příklady doporučených kmitočtových plánů magistrálních spojů se šesti a osmi širokopásmovými stvoly je na obr.101. Jedna polovina pásma je učena v jedné stanici pro vysílání, druhá pro příjem. V následující stanici se využití obrátí. Pro sousední stvoly zařazené ve stejné polovině kmitočtového pásma se střídavě mění polarizace. Ve společných anténách se obvykle sdružují signály sudých stvolů do jedné a signály lichých stvolů do druhé antény (viz obr. 101) a to v obou směrech, což u kompletního systému představuje čtyři antény v každé radioreléové stanici. Pro uvedený příklad šestistvolového systému (obr.101a) lze střední kmitočet fn každého stvolu vyjádřit vztahy fn = fo – 208 + 29n a fn = fo + 5 + 29n

pro dolní část kmitočtového pásma pro horní část kmitočtového pásma, 81

kde n značí pořadové číslo stvolu.

Obr. 101: Příklad kmitočtového plánu magistrálního systému se a) šesti, b) osmi širokopásmovými stvoly

Z kmitočtového plánu na obr.101a je zřejmé, že kmitočet vysílaného signálu je v uvedeném příkladu vždy rozdílný od kmitočtu přijímaného signálu o ∆f = 213 MHz. To znamená, že v sousedních stanicích je jednou kmitočet vysílaného signálu proti kmitočtu přijímaného signálu o ∆f vyšší, v následující stanice je tomu naopak. Poznámka: Úzkopásmové stvoly jsou určeny pro přenos signálů potřebných pro správnou funkci magistrálních přenosových systémů (signály dálkové kontroly a dálkového ovládání zařízení na neobsluhovaných radioreléových stanicích, signály pro systém automatického reservování stvolu v případě poruchy, signály služebních telefonů apod.). LITERATURA

[1] VÍT, V.: Televizní technika - anténní rozvody a signálové obvody televizorů. AZ SERVIS Praha, 1993 [2] GREGORA,P.,VÍT,V.: Televizní technika- zařízení pro přenos a vysílání televizního signálu. Nakladatelství BEN Praha, 2000 [3] BRADÁČ, J.: Společný příjem a rozvod pozemských a družicových televizních a rozhlasových signálů, . ELEKTRONIKA 4 až 11/1991 [4] DIANIŠKA, S.: Siete káblovej televizie.. SAKT Bratislava, 2000

82

TELEVIZNÍ DISTRIBUČNÍ SÍTĚ A SYSTÉMY

Recommend Documents