Усилители для сетей кабельного телевидения (стр. 3 из 4)
| ТАБЛИЦА 3 | |||
| F, dB | Тш, К0 | Рш, pW | Uш, dBmV |
| 1 | 75,87 | 0,006 | -3,47 |
| 2 | 171,4 | 0,014 | 0,066 |
| 3 | 291,6 | 0,023 | 2,37 |
| 4 | 443,0 | 0,035 | 4, 19 |
| 6 | 873,5 | 0,069 | 7,14 |
| 8 | 1556 | 0,123 | 9,65 |
| 10 | 2637 | 0, 208 | 11,94 |
| 14 | 7067 | 0,558 | 16,22 |
| 19 | 22980 | 1,82 | 21,34 |
Рис.9 Рис.10
Коэффициент шума (noise factor, noise figure) характеризует уровень собственных шумов усилителя.
Согласно определению EN50083-3, коэффициент шума - это отношение несущая/шум на входе (C1/N1) к несущая/шум на выходе (C2/N2) усилителя (любого активного прибора), принимая, что изменение несущей не зависит от шумовой мощности (т.е. отсутствуют нелинейные искажения):
F = (C1/N1) / (C2/N2) (3)
Другими словами, коэффициентом шума (или фактором шума) является отношение мощности шума на выходе реального усилителя Pш. р (активного прибора) к мощности шума в той же точке Pш. и, если бы использовался идеальный (не добавляющий собственной шумовой мощности) усилитель:
F=Pш. р/Pш. и. (4)
Коэффициент шума является безразмерной величиной и часто выражается в децибелах:
F [db] =10lgF (5)
Из самого определения следует, что коэффициент шума идеального (не шумящего) усилителя F = 1 (0 dB). Чем меньше численное значение коэффициента шума усилителя, тем меньший вклад он вносит в снижение отношения сигнал/шум по трассе.
Иногда на практике пользуются понятием шумовой температуры (особенно при малых значениях коэффициента шума):
Tш=T0 (F-1), (6)
где Т0 = 2930К - нормальная шумовая температура.
Например, паспортное значение шумовой температуры малошумящего конвертора фирмы Gardiner величиной 170К эквивалентно его коэффициенту шума F = 0,24 dB.
Через известную величину коэффициента шума усилителя (обязательно приводимую в паспорте согласно EN50083-3) находится шумовая мощность и шумовое напряжение, развиваемые на входе усилителя в полосе пропускания П: Pш=kПТш=kПТ0 (F-1);
Uш= (kПТ0R0 (F-1)) 1/2 (7)
Uш [db] =20lgUш,
где k = 1,38 х10-23 - постоянная Больцмана. Собственная шумовая мощность Рш усилителя (развиваемая на его входе) не зависит от его коэффициента передачи, а определяется только его коэффициентом шума F и полосой пропускания П. В табл.3 приведены зависимости численных значений упомянутых величин (Тш, Рш, Uш) от коэффициента шума усилителя для последующих расчетов отношения несущая/шум при трансляции TV сигналов в системе цветности SECAM (П = 5,75 МГц). Для системы PAL (П = 4,75 МГц) величина шумового напряжения должна быть снижена на 0,83 dB. При проведении расчетов следует помнить правило, что на входе усилителя суммируются входная Рш. вх и собственная Рш шумовые мощности (а также шумовые температуры), но не шумовые напряжения.
Если на входе усилителя установлено пассивное устройство с потерями L (например, аттенюатор, эквалайзер, кабель и т.п.), то эквивалентный коэффициент шума FS, выраженный в децибелах, будет равен сумме коэффициента шума усилителя F и потерь L, выраженных в децибелах, т.е. FS = F + L (рис.7).
Полезно помнить широко используемую формулу Фриза, позволяющую вычислить суммарный коэффициент шума каскадно включенных активных устройств (рис.8):
FS=F1+ (F2-1) /Kном1 + (F3-1) /Kном1Kном2 +. (Fn-1) /Kном1. Kном (n-1)
Формула (8) наглядно показывает, что наибольший вклад в суммарный коэффициент шума вносит первый усилитель (каскад) при условии, что его номинальный коэффициент усиления (с учетом потерь между ним и последующим усилителем) Кном1"1. В силу этого достаточным коэффициентом усиления мачтового усилителя является величина 15.25 dB.
Усилители в кабельных сетях устанавливаются с целью компенсации потерь по магистралям, т.е. коэффициент усиления каждого из усилителей равен потерям от выхода предыдущего до его входа. Обратившись к формуле (8), можно заметить, что при использовании идентичных усилителей и равенстве потерь коэффициенту усиления, суммарный коэффициент шума цепочки из n усилителей запишется в виде:
FS=1+n (F-1), (9)
т.е. осуществляется накопление шумов (шумовой мощности) по магистрали. Физически это означает, что по магистрали с удалением от ГС наблюдается снижение отношения сигнал/шум (S/N) по мере увеличения числа каскадно включаемых усилителей.
| ТАБЛИЦА 4 | |||
| Устройство | S/N, dB (варианты) | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| ГС | 54 | 66 | 51 |
| УСn (5 шт.) | 52,6 | 52,6 | 64,6 |
| УСс (1 шт.) | 56,1 | 56,1 | 56,1 |
| S/Nвых, dB | 44,7 | 45,2 | 49,2 |
Рис.11 Рис.12
Приведенный динамический диапазон. Из анализа соотношений (6-9) становится ясно, что выходное отношение S/N усилителя зависит от трех факторов (см. рис.9): уровня входного сигнала Pc, входной шумовой мощности Pш. вх (совместно с сигналом характеризует входное отношение сигнал/шум S/Nвх) и собственной шумовой мощности усилителя Pш (зависящей от коэффициента шума усилителя).
Если на вход усилителя с коэффициентом шума F и коэффициентом усиления Кном от ВЧ генератора с сопротивлением R0 = 75 Ом подать TV сигнал с уровнем Uвх, то выходное отношение сигнал/шум будет определяться величиной:
S/N [db] =Uвых [dBmV] - Кном [dB] - F [dB] - 2,41 (10)
где 2,41 dBmV - уровень теплового шума, рассчитываемого из выражения:
Uш= (kT0ПR0) 1/2 (R0 = 75 Ом).
Так, например, при Uвых = 96 dBmV, Кном = 38 dB и F = 8 dB, на выходе формируется S/N = 47,59 dB. Формула (10) наглядно показывает, что для реализации возможно большего S/N необходимо выбирать усилители с возможно большим уровнем выходного сигнала при минимальном коэффициенте усиления и минимальном коэффициенте шума. Однако при этом необходимо учитывать, что при заданной длине магистрали применение усилителей с малым коэффициентом усиления приводит к увеличению их числа и, следовательно, удорожанию магистрального оборудования. Хотя качество транслируемых сигналов при этом повышается.
Величину S/N, определяемую по (10), часто именуют приведенным динамическим диапазоном. Этот параметр удобно использовать при выборе усилительного оборудования и расчете КСКТП.
С приведенным динамическим диапазоном связано такое важное явление, как накопление шумов. Другими словами: величина приведенного динамического диапазона характеризует количество шумов, вносимых активными устройствами, которые могут быть накоплены по магистрали. Накопление шумов в магистрали в основном обязано активным устройствам (усилителям). При использовании нескольких усилительных каскадов (ГС, магистраль, стояк), выходное отношение S/Nвых (рис.10) легко находится через известные значения приведенных динамических диапазонов каждого из активных устройств: S/Nвых [dB] =-10lg (10- (S/N) 1+10- (S/N) 2+.10- (S/N) n) (11)
При каскадировании n активных устройств (усилителей) с равными S/N, выходное отношение S/Nвых уменьшится на величину D = 10lgn. Для иллюстрации сказанного, в табл.4 приведены результаты расчета выходного отношения сигнал/шум для трех вариантов построения произвольной КСКТП (рис.10) - с ГС первого и второго классов, а также с оптическим приемником. В ветвях использованы усилители с различным приведенным динамическим диапазоном. Тепловыми шумами абонентских разветвителей TV сигналов в расчетах можно пренебречь (погрешность не превысит десятой доли децибела).
Анализ вариантов табл.4 убедительно показывает, сколь велика значимость приведенного динамического диапазона. Так, при варианте 2 в сравнении с вариантом 1, ГС второго класса с S/N = 54 dB заменена на профессиональную ГС с S/N = 66 dB. В результате выходное отношение S/N улучшилось всего на 0,5 dB. Вариант 3 демонстрирует использование типового оптического приемника с выходным отношением S/N = 51 dB с дальнейшим использованием магистральных усилителей с повышенным приведенным динамическим диапазоном при том же домовом усилителе. Выигрыш в выходном отношении S/Nвых очевиден. Это лишний раз свидетельствует, что самым дорогостоящим параметром является максимальный уровень выходного сигнала Umax3, через значение которого определяется рабочий выходной уровень сигнала:
Uвых. р. <=Umax3-10lg (N/2) - 10lgn (12)
Формула (11) является исходной для синтеза магистралей при известных значениях S/N, CTB и CSO ГС и домового усилителя (согласно EN 50083-7 СТВS на выходе абонентской розетки должна быть не хуже 57 dB).
На рис.11 показана зависимость минимально допустимого уровня выходного сигнала от числа последовательно включенных усилителей GPV840 (Hirschmann) при двух значениях коэффициента усиления (28 dB и 36 dB), фиксировано изменяемого путем исключения промежуточного (2-го) каскада усиления (с сохранением всех остальных эксплуатационных параметров). Графики построены с использованием формул (7), (9) и (11). Анализ этих графиков (рис.11) показывает, что при использовании усилителей GPV840 с коэффициентом усиления в 36 dB их максимальное число при каскадировании составляет 10. Это эквивалентно компенсации суммарных потерь величиной в 360 dB. При использовании того же усилителя с коэффициентом передачи в 28 dB, их максимальное число при каскадировании увеличивается до 25, что эквивалентно компенсации потерь величиной в 700 dB! При этом построение выполнено в предположении, что уровень интермодуляционных продуктов третьего порядка СТВ = 60 dB, т.е. оставлен малый запас на аналогичные искажения ГС, оптической системы и домового усилителя. При СТВ = 70 dB (пунктир на рис.11) nmax = 5 при Kном = 36 dB, что и рекомендовано фирмой-производителем.