Усилительное оборудование коаксиальных систем

На рис. 10.1 изображена обобщенная схема простейшего усилителя. На этой схеме показаны основные структурные блоки усилителя. Все передаваемые сигналы усиливаются в радиочастотном усилительном модуле.

Каждый усилитель имеет собственный встроенный блок питания, производящий постоянный ток для питания усилительного модуля. Для выделения тока питания из общего сигнального кабеля в структуре имеются ответвители (А/С). Усилительный модуль может содержать несколько (по крайней мере две) ступеней усиления. Для входной ступени наиболее критичным показателем является отношение сигнала к шуму, а для выходной - показатели нелинейных искажений. Ступенчатая структура усилительного модуля характерна для магистральных усилителей. Усилительное устройство может включать несколько эквалайзеров, установленных как на входе или выходе усилителя, так и между ступенями усилительного модуля (межкаскадный эквалайзер). Назначение эквалайзера состоит в компенсации линейного искажения спектра передачи, полученного в результате прохождения сигнала через коаксиальный кабель и пассивные устройства, т.е. в снижении неравномерности АЧХ тракта передачи. В данной схеме сигнал проходит через эквалайзер перед усилением.

Усилители в системах КТВ получают питание непосредственно по магистральному кабелю дистанционно. Переменное напряжение питания (обычно 60 В) подается в кабель с помощью инсертеров через определенные промежутки в точках инжекции мощности питания, которые также называют точками вставки питания (power insertion). Все приборы сети, такие как ответвители, делители, а также сами усилители должны свободно пропускать это напряжение для питания последующих усилителей в магистральном каскаде и в линейных ответвлениях.
В структуре усилителя строго разделены два пути прохождения тока. По одному проходит радиочастотный сигнал, а по другому выделенному пути проходит ток питания. На рисунке путь прохождения тока питания обозначен А/С. Цепь питания образована с помощью низкочастотных фильтров и ответвителей тока питания, чтобы ток питания частоты 50 Гц мог передаваться через усилитель независимо от сигнала радиочастоты. Цепь питания в усилителе, фильтрует, регулирует и выпрямляет переменное напряжение питания и затем подает полученный постоянный ток в блоки усилителя.

Чтобы усилительное устройство создавало необходимое усиление в обоих направлениях передачи, в его схему включается дополнительный усилительный модуль обратного направления передачи. Частотное разделение спектров прямого и обратного каналов внутри усилителя осуществляется путем включения на входе и выходе усилительного устройства специальных радиочастотных фильтров, называемых частотными диплексерами. Конструктивно диплексер представляет собой пару звездообразно включенных фильтров - верхних частот ВЧ (HP, High Pass) и нижних частот НЧ (LP, Low Pass). Иногда вместо усилителя обратного канала включают перемычку. Такой обратный канал называют пассивным, а потери сигнала в нем равны удвоенным потерям частотного диплексера на нижних частотах. Простейшая схема двунаправленного усилителя показана на рис. 10.2. Для простоты изображения на рис. 10.2 и в последующих рисунках цепи питания не показаны. С помощью такого устройства коаксиальная кабельная система может использоваться как двунаправленная передающая система или система с обратным каналом. При разработке двунаправленного усилителя определяется его полоса пропускания в каждом направлении передачи и наличие некоторых дополнительных функций, например, автоматической регулировки. На рис. 10.2 изображена наиболее общая схема, но возможны и другие варианты структуры.

Системы любой значительной протяженности требуют введения определенной степени автоматической регулировки. Используется автоматическая регулировка двух типов: автоматическая регулировка усиления АРУ (в зарубежной литературе она называется Automatic Gain Control, AGC) и автоматическая регулировка наклона АРН (в зарубежной литературе Automatic Slope Control, ASC). Иногда в усилителе используются устройства авторегулировки обоих типов. На рис. 10.3 показана блок-схема однонаправленного усилителя с устройством авторегулировки. В этой схеме на выходе основного усилительного РЧ модуля имеется направляющий ответвитель, который отводит долю выходной энергии РЧ сигнала. Затем этот отведенный РЧ сигнал подается на блок автоматической регулировки. После его обработки блок автоматической регулировки выдает управляющее напряжение для управления рабочими параметрами основного усилительного модуля.

Как магистральные, так и домовые усилители могут иметь любой вариант структуры из показанных на рис. 10.1, 10.2, 10.3. Однако, магистральный усилитель может иметь еще один вариант структуры. Широко используемая конфигурация магистрального усилителя в действительности содержит два отдельных усилительных блока внутри одного устройства. В однонаправленной схеме первый блок предназначен для усиления сигнала в магистральном кабеле, а с помощью второго блока, который называется мостовым усилительным блоком (в зарубежной литературе bridger), часть входного сигнала усиливается и подается через специальный делитель (в зарубежной литературе director) по магистральным ответвлениям в распределительную кабельную сеть. Такое усилительное устройство может содержать различные схемотехнические решения для распределения усиленного сигнала по нескольким направлениям. На рис. 10.4 изображена структура однонаправленного усилителя с главным и мостовым усилительными блоками, имеющая возможность деления сигнала для его последующего ответвления в кабельную сеть. Усилитель с мостовым блоком, предназначенный для подачи сигнала в более чем одно фидерное ответвление, иногда еще называют распределительным усилителем. Усилитель с мостовым блоком часто называют просто мостовым усилителем.

На рис. 10.5 показана типичная структура двунаправленного распределительного усилителя с пассивным обратным каналом. В данной схеме сигнал делится между тремя выходными портами, а ниже показаны варианты применения перемычек для управления прохождением сигнала. Закорачивающие перемычки в делителе позволяют подключать к усилителю входной и выходной кабель со стороны одного порта. Если усилитель имеет встроенный делитель или ответвитель, разделение сигналов выполняет внутренняя схема устройства (не показана на рисунке). Возможность деления сигнала таким способом в длинном каскаде усилителей значительно снизит количество кабельных разъемов. На рис. 10.6 показаны варианты использования делителя сигнала в распределительном усилителе.

Мостовые магистральные усилители применяются для создания так называемой распределительной структуры транк-фидер, в которой различают тран-ковый кабель (trunk) и фидерный кабель (feeder). Транком называют магистральный кабельный маршрут, а фидером называют второстепенный кабельный маршрут, ответвляемый от транкового кабеля. В соответствии с архитектурой системы КТВ транком является любая магистральная линия, а фидером любое магистральное ответвление. Например, транковый кабель находится между узловой головной станцией системы КТВ и пунктом домового ввода, а по фидерному кабелю сигнал подается в домовую сеть. Структура транк-фидер будет подробно рассмотрена в главе, посвященной проектированию усилительных участков. Используя отдельные усилительные модули для магистрального (тран-кового) кабеля и кабеля магистрального ответвления (фидерного кабеля), разработчик может осуществлять раздельное управление уровнем этих сигналов. Транковый и фидерный выходы имеют независимые модули регулировки усиления и, если необходимо, можно установить различные амплитуды для выходных уровней транкового кабеля и фидерного кабеля. Удобство такого использования усилителя станет очевидным при последующем обсуждении методик проектирования сети. Понятия "транк" и "фидер" используются в терминологии стандарта EN-50083, но по существу являются синонимами понятий "магистраль" и "магистральное ответвление" и здесь используются лишь для удобства разграничения принципиально различных частей распределительной сети.

На рис. 10.7 изображен магистральный мостовый усилитель, аналогичный показанному на рис. 10.4, с добавленным усилительным модулем обратного направления передачи, предназначенный для работы в двунаправленной кабельной системе. Эта схема может служить иллюстрацией к последующему рассмотрению принципа передачи в обоих направлениях через одно усилительное устройство. Принцип действия этого устройства довольно прост. Радиочастотный сигнал направляется в коаксиальный кабель и, пройдя по нему некоторое расстояние, поступает в данное устройство, включенное на удаленном конце кабеля (с левой стороны рисунка). Внутри усилителя этот сигнал сначала попадает на вход фильтра НЧ-ВЧ. Этот фильтр действует таким образом, что на одном из его выходов (НЧ) создается более высокое сопротивление для высокочастотных сигналов, а на другом выходе (ВЧ) создается более высокое сопротивление для низкочастотных сигналов. Поэтому на высокочастотном выходе отсутствуют низкочастотные сигналы и наоборот. Встречая высокое сопротивление на каком-либо из входов, сигнал выходит через общий выходной порт. Заметим, что понятия "вход" и "выход" здесь относительны, поскольку рассматриваем двунаправленную систему и каждый порт фильтра (и любого другого блока) может действовать и как вход и как выход.

Затем сигналы с высокочастотного выхода проходят через эквалайзер и поступают на вход основного радиочастотного усилительного ВЧ модуля. После усиления сигналы ВЧ поступают на направленный ответвитель. С одного из выходов ответвителя некоторая часть ВЧ энергии проходит на другой НЧ-ВЧ фильтр идентичный тому, что находится на входе устройства. Здесь ВЧ сигнал встречает высокое сопротивление на низкочастотном входе фильтра и направляется на общий выход данного устройства, а затем распространяется через коаксиальный кабель к последующим приборам системы. Со второго выхода направленного ответвителя оставшаяся часть ВЧ энергии поступает на вход мостового усилительного ВЧ модуля, который действует тем же образом, что и аналогичный блок на рис. 10.3. С выхода мостового усилителя энергия РЧ сигнала поступает на высокочастотный вход еще одного НЧ-ВЧ фильтра. ВЧ сигнал встречает высокое сопротивление со стороны низкочастотного входа фильтра и поэтому направляется далее на общий выходной порт фильтра. Здесь сигнал поступает на делитель сигналов, откуда все сигналы подаются в несколько распределительных (фидерных) кабелей.

Проследим процесс прохождения по усилительному устройству сигналов обратного направления передачи (НЧ). Низкочастотные составляющие радиочастотного сигнала будут поступать на вход устройства, показанного справа на рис. 10.7. Затем эти сигналы поступят на общий порт НЧ-ВЧ фильтра. Здесь они встретят высокое сопротивление на высокочастотном выходе и пройдут на НЧ выход фильтра. Затем они пройдут через устройство объединения сигналов (сумматор) и поступят на вход низкочастотного усилительного модуля. После усиления НЧ сигналы поступят на низкочастотный порт НЧ-ВЧ фильтра (слева на рис. 10.7), где они встретят высокое сопротивление со стороны высокочастотного порта и выйдут на общий порт фильтра, а затем поступят в коаксиальный кабель, подключенный к этому порту.

На рис. 10.8 показан промежуточный мостовой усилитель, располагаемый в той точке транкового кабеля, где не требуется усиления для транка, а нужно только усиление для фидера (например, если уровень сигнала в данной точке основного кабеля еще не достиг минимально допустимого значения, а маршрут фидерного кабеля продолжается).

На рис. 10.9 показан оконечный мостовой усилитель, устанавливаемый в той точке, за которой транковый кабель не продолжается (например, на конечном участке транкового кабеля).

Мостовые устройства могут включать поддержку обратного канала, как показано на рис. 10.7, 10.8, 10.9.

Обратите внимание на то, что отводы делителя сигнала на рис. 10.7 работают в обоих направлениях передачи. Низкочастотные сигналы обратного канала, поступающие из распределительной сети по подключенным к этим отводам фидерным кабелям, свободно проходят через делитель, который не имеет свойств направленного ответвителя или каких-либо частотных свойств. Далее НЧ сигналы попадают на общий порт радиочастотного НЧ-ВЧ фильтра, встречают высокое сопротивление на его высокочастотном выходе и, следовательно, выходят через низкочастотный выход. Затем они поступают на устройство объединения сигналов, в качестве которого обычно используется направленный ответвитель. Здесь эти НЧ сигналы комбинируются с другими сигналами низкой частоты, прохождение которых через устройство было описано выше.

Хотя разнообразие моделей усилителей очень велико, по существу все конфигурации состоят из описанных здесь структурных блоков. Дополнительно усилительное устройство может включать резервные модули для активных блоков и такие вспомогательные средства как устройство для сообщения о рабочем состоянии усилителя (нормальное или аварийное) и управляемый адресный коммутатор для отключения ветви распределительной сети. Обычно усилитель защищается от неблагоприятных влияний внешней среды металлическим корпусом с алюминиевой или оловянной пайкой, который имеет приспособления для монтажа усилителя на мачте или на специальной подставке. Магистральный усилитель монтируется на огнеупорном основании с обеспечением свободного доступа охлаждающего воздуха. Увеличение площади поверхности в виде радиаторных ребер на корпусе гарантируют эффективное охлаждение и высокую надежность.

Для удобства строительства и эксплуатации кабельных сетей изготавливаются усилители модульной конструкции, позволяющие устанавливать частотные диплексеры, настроенные на нужную полосу частот, усилительные модули обратного канала, дополнительные межкаскадные эквалайзеры и аттенюаторы. Существуют универсальные модели распределительных усилителей с двумя активными выходами, в которых регулировка коэффициента усиления и наклона выходной характеристики осуществляется отдельно для каждого из выходов. При необходимости сигнал между выходами может делиться с помощью заменяемых ответвителей разных номиналов. Универсальные устройства с успехом могут применяться как в качестве домовых и фидерных усилителей на разветвлениях магистрали, так и в качестве магистральных усилителей, при этом стоимость усилителя с двумя активными выходами ниже, чем суммарная стоимость магистрального и домового. Это схемотехническое решение исключает необходимость иметь усилители с различными коэффициентами усиления. Усилитель такого типа может быть включён в любой части кабельной сети, что позволяет значительно упростить процесс проектирования, настройки и обслуживания больших кабельных сетей, снизить затраты на строительство и обслуживание сети.