В.3. Структура учебного пособия 6 страница
Вместе с тем переход на цифровой режим вещания будет осуществляться лишь в виде замены модулятора аналогового ТВ-вещания на модулятор цифрового ТВ-вещания (без замены самого передатчика). Разумеется, гибридные аналого-цифровые передатчики должны обладать техническими параметрами, отличающимися от параметров ныне действующих аналоговых передатчиков так, чтобы подача на них многопрограм много сигнала цифрового ТВ-вещания не стала причиной низкого качества цифрового ТВ-вещания и не привела к мешающим воздействиям на соседние частотные каналы.
Несмотря на сравнительно малое различие между техническими решениями при построении передатчиков для аналоговой и цифровой систем (за исключением модулятора), требования к их параметрам имеют ряд заметных отличий как количественного, так и качественного характера.
В связи с этим ниже рассмотрены особенности некоторых параметров передатчиков для цифрового ТВ-вещания, а именно тех, к которым режим цифрового ТВ-вещания предъявляет более строгие требования, чем режим аналогового вещания (либо просто иные требования, чем при аналоговом вещании), и которые должны быть объектом особого внимания при доработке существующих передатчиков аналогового вещания, имеющей целью сделать их пригодными для цифрового ТВ-вещания.
Перед тем как оценить искажения передаваемых цифровых сигналов рассмотрим принципы построения цифровых телевизионного передатчиков на основе анализа их структурных, функциональных и принципиальных схем.
5.2. Типовая структурная схема цифрового передатчика
Передатчик (рис. 5.1) состоит из следующих основных узлов, задающих главные параметры сигнала DVB-T: модулятора, на вход которых поступает транспортный поток MPEG2, возбудителя. Для надежной работы передатчика используются резервные модуляторы и возбудители.
| Модулятор (основной) |
| Возбудитель (основной) |
| Модулятор (резервный) |
| Возбудитель (резервный) |
| Блок автоматической коммутации |
| Предварительный усилитель |
| Делитель |
| Блок усилителей |
| Сумматор |
| Выходной фильтр, блок контроля |
Рис. 5.1. Структурная схема цифрового ТВ передатчика DVB-T
Блок автоматической коммутации обеспечивает автоматическое переключение на резерв при возникновении неисправности. В состав передатчика также входит блок предварительного усиления, который будет рассмотрен ниже. Усиленный сигнал с выхода предусилителя поступает на делитель и далее – на усилители мощности, где происходит усиление до необходимого уровня. После этого сигнал поступает на сумматор и выходной фильтр. После фильтрации сигнал поступает на передающую антенну.
5.3. Функциональная схема цифрового передатчика
Функциональная схема передатчика показана на рис. 5.2.
Модуляция несущих видео, звука и формирование характеристики с подавленной нижней боковой полосой происходит на промежуточной частоте на малом уровне мощности, что обеспечивает необходимые качественные характеристики, стабильность параметров на протяжении эксплуатации, а также унификацию модуляторов передатчиков, работающих на разных каналах.
Микропроцессорная система контроля и управления обеспечивает цифровую индикацию: напряжения вторичных источников питания; токов потребления каждого усилительного модуля; выходной мощности тракта видео и аудио; отраженной мощности; температуры радиаторов выходных усилителей;
Для питания усилительных модулей используются импульсные блоки питания мощностью 640 Вт, которые работают параллельно с запасом по мощности, что обеспечивает горячее резервирование. Так, в случае выхода из строя одного из блоков питания, усилительный блок сохраняет свою работоспособность с номинальным уровнем выходной мощности.
В передатчике применен 2-фазный сетевой фильтр для борьбы с бросками напряжения, импульсными и индустриальными помехами.
Установлен выходной фильтр для обеспечения соответствия маске критичных спектральных излучений (определена в стандарте на эфирное цифровое телевизионное вещание DVB-T ETS300744) для паразитных излучений и маске некритичных спектральных излучений. Выходной фильтр для маски критичных спектральных излучений представляет из себя компактную связку набора из шести полосовых фильтров и двух заграждающих фильтров. Фильтр имеет низкое проходное затухание, высокую избирательность и хорошую термостабильность.
Плата контроля и управления обеспечивает все функции мониторинга и передачи информации.
Функции настройки фазовой коррекции и регулировки усиления обеспечивают сведение к минимуму мощности на балластных нагрузках сумматора мощностей модуля и регулировку модуля для обеспечения постоянной выходной мощности. Кроме того, обеспечивается фазировка в пределах шкафа для сведения к минимуму мощности на балластных нагрузках сумматора мощности шкафа.
| Модулятор DVB-T (основной) |
| Возбудитель (основной) |
| Модулятор DVB-T (резервный) |
| Возбудитель (резервный) |
| ПЧ |
| РЧ |
| ПЧ |
| РЧ |
| Блок автоматической коммутации |
| Предусилитель |
| Смещение |
| ∑ |
| ∑ |
| ∑ |
| Усилители мощности |
| Авторегулировка смещения |
| Детектор |
| Замеры мощности прямой и отраженной волны |
| ВЧ |
| Датчик тока |
| Преобразователь постоянного напряжения |
| ~ |
| 220В ~ |
| Вкл./Выкл |
| +32В |
| +32В от импульсного ИП |
| Мониторинг КЗ по пост. напр. и напр. +32 В |
| Плата управления |
| Pвх. Мощность прямой, отраженной волны Мониторинг напряжения 32 В, КЗ по пост. напр. Вкл./Выкл Сещение, автоматическая регулировка смещения Фаза, усиление, температура |
Рис. 5.2. Функциональная схема передатчика.
Предусилитель построен на базе цифрового ВЧ усилителя и обеспечивают достаточную выходную мощность для работы 4 оконечных усилителей. Предварительный усилители представляет из себя предусилительный каскад класса А с высокой линейностью. Каскады предусилителей построены с использованием интегральных микросхем и микроконтроллера PIC18.
Оконечный каскад состоит из 4 усилителей (класс АВ) на транзисторах PHILIPS.. Это позволяет получить среднюю мощность 300 Вт на выходе модуля усилителя мощности (для DVB-T).
Источник питания профессионального качества выдает все неообходимые рабочие напряжения и обладает высоким коэффициентом полезного действия (коэффициент мощности > 0,9). Двухфазный выпрямитель запитывает пять установленных параллельно преобразователей постоянного напряжения. Выпрямители и преобразователи имеют все необходимые функции защиты, мониторинга и управления. Плата металоксидных варисторов обеспечивает дополнительное подавление выбросов напряжения в питающей сети. В случае возникновения неисправности источник питания автоматически отключается.
5.4. Структурная и функциональная схема
усилителя мощности DVB-T
Модули усилителей мощности являются широкополосными (от 470 МГц до 862 МГц) и обеспечивают среднюю номинальную выходную мощность 300 Вт для сигналов DVB-T. Модуль усилителя мощности является избыточным и многокаскадным, модули обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и усиления и обладают великолепными тепловыми характеристиками (рис. 5.3).
Мощности блоков усиления складываются с помощью мостовых устройств. Согласующие цепи, компенсирующие суммарную паразитную реактивность и выравнивающие режимы, получаются довольно простыми (рис. 5.4).
Особенность данной схемы состоит в том, что данный усилитель может сохранять работоспособность и форму АЧХ при крайних рассогласованиях нагрузки (ХХ и КЗ). Указанное требование выполняется с помощью мостовых сумматоров, являющихся постоянной нагрузкой для усилительных каскадов и обеспечивающих хорошую развязку между каскадами.
В качестве активных элементов, в том числе ивыходные каскады усилителей мощности, используются полупроводниковые элементы фирмы PHILIPS. Это обеспечивает высокую надежность и долговечность, а также отсутствие в большинстве узлов опасных для жизни напряжений.
Потребность в транзисторах подобного типа была вызвана тем, что:
· частотный план телевизионного сигнала системы DVB-T ориентирован на существующие европейские частотные планы (выделенный диапазон 470 - 890 МГц, ширина канала 8 МГц) и обеспечивает ЭМС с действующими аналоговыми телевизионными передатчиками;
| ∑ |
| ∑ |
| ∑ |
| Rб |
| Rб |
| Rб |
| Rб |
Рис. 5.3. Функциональная схема блока усилителя мощности
· при переходе к цифровому вещанию резко возрастает удельная плотность спектра сигнала. Это связано, в том числе, со спецификой канального кодирования модуляции вида COFDM применённой в DVB-T;
· как следствие, ужесточаются требования к линейности передающего тракта, и его частотным и фазовым характеристикам.
Мощный 300 ваттный транзистор BLF872, выполненный по технологии LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductors) для телевизионных передатчиков диапазона UHF, дальнейшее развитие транзистора BLF861A. Транзистор BLF872 во многих применениях заменяет транзистор MRF377 фирмы Motorola. Применение новой технологии (0.6 мк LDMOS четвёртого поколения, рис. 5.5) позволило достичь очень малой скорости деградации p-n переходов и, как следствие, большого срок службы транзистора.
Рис. 5.4. Принципиальная схемы блока усилителя
Также удалось снизить интермодуляционные искажения и повысить линейность выходного каскада передатчика. Новый корпус из BeO-керамики вкупе с технологией FlexBase монтажа кристалла в корпус позволил резко снизить тепловое сопротивление "корпус-радиатор" и "кристалл-корпус".
Рис. 5.5. Фото кристалла
Внутренние цепи согласования позволяют сохранить транзистор при большой степени рассогласования с нагрузкой и дают возможность работать во всём диапазоне UHF (470-862 МГц). BLF872 сохраняет работоспособность вплоть до КСВ=1.22 (отношение Uотр/Uпад=1:10), при любой фазе несущей и следующих режимах работы: UСИ = 32В, f = 860 МГц при номинальной мощности в нагрузке. Для увеличения КПД и облегчения теплового режима передатчика транзисторы выходных каскадов работают в классе АВ.
Транзистор выполнен в корпусе SOT800A (рис. 5.6)
Рис. 5.6. Чертеж корпуса и общий вид трансзистора
5.5. Построение усилительного тракта
и применение коррекции искажений усилительного тракта
Несмотря на чрезвычайно высокую точность цифровых систем предкоррекции, эффект от их применения в конкретных условиях оказывается заметно ниже ожидаемого. Такое положение объясняется следующими факторами:
- наличием разброса характеристик отдельных модулей, мощности которых суммируются на выходе;
- ограничением ширины полосы частот в тракте формирования выходного колебания и многоэкстремальным характером зависимости эффективности предкоррекции от вида корректирующей функции.
Опыт разработки современных твердотельных усилителей мощности для цифрового телевизионного вещания (ЦТВ) показывает, что уровень внеполосных составляющих спектра (УВСС) на выходе этих усилителей, обусловленный нелинейными искажениями, примерно на 15 дБ превышает требования стандарта. Подавление УВСС до необходимого значения производится с помощью полосового фильтра, установленного на выходе передатчика, и предкорректора, установленного на входе усилителя. В этой ситуации одной из задач при проектировании передатчика является оптимизация распределения вкладов каждого из упомянутых способов подавления УВСС с целью минимизации суммарных затрат. Так как эффективность предкорректора практически не связана с его стоимостью, то естественно потребовать, чтобы необходимая величина подавления обеспечивалась без применения фильтра. Однако при попытке реализации этого решения приходится сталкиваться с целым рядом факторов, ограничивающих эффективность предкорректора.
В соответствии с принятой в настоящее время практикой построения структурных схем передатчиков для телевизионного вещания сначала производится формирование сигнала на относительно низкой (промежуточной) частоте, затем этот сигнал с помощью преобразования и фильтрации переносится на рабочую частоту. При наличии дополнительных преобразований, осуществляемых предкорректром, ширина спектра усиливаемого колебания может существенно превосходить номинальное значение полосы частот.
Результаты оценки минимальных значений относительной ширины полосы фильтра (по сравнению с шириной спектра сигнала), при которых эффективность коррекции не уменьшается, приведены в табл. 5.1, где для эллиптического фильтра в скобках указаны значения максимально достижимой эффективности коррекции.
Таблица 5.1
| Относительный уровень входного сигнала | Ширина полосы фильтра в усилительном тракте | |
| Фильтр с линейной фазовой характеристикой | Эллептический фильтр | |
| 0,5 | 2,5 (12 дБ) | |
| 0,75 | 4 (8 дБ) | |
| 1,0 | 2,5 | 5 (5 дБ) |
При увеличении ширины полосы фильтра она уже не улучшается. Это явление обусловлено нелинейностью фазовой характеристики эллиптического фильтра и в некоторой степени может быть компенсировано корректором ГВЗ.
В общем случае характеристика нелинейного усилителя описывается при помощи конечного числа параметров.
Часть из них (например, коэффициент усиления при малых уровнях, ток насыщения и т.п.) может быть выставлена в процессе регулировки с достаточно высокой точностью. В гораздо меньшей степени поддается регулировке область перехода от линейного участка характеристики в область насыщения.
Опыт настройки передатчиков показывает, что при сравнительно малой разнице между характеристиками нелинейных усилителей (не более 20%) можно добиться такого же эффекта от коррекции, как и в случае использования одного усилителя. При увеличении разброса эффективность коррекции уменьшается.
Для эффективного использования предкоррекции в нелинейных усилителях мощности необходимо соблюдать следующие условия:
· значение ширины полосы частот усилительного тракта между предкорректором и нелинейным усилителем должно быть по крайней мере в 2 раза больше ширины полосы усиливаемого колебания;
· неравномерность ГВЗ в усилительном тракте не должна превосходить возможности регулировки этого параметра в предкорректоре;
· величина разброса между нерегулируемыми параметрами отдельных усилителей при использовании системы суммирования их мощностей не должна превышать 15-20%.
5.6. Рекомендации по выбору режимов работы передатчика
для цифрового телевидения
5.6.1. Общие соображения. Настоящие рекомендации могут быть использованы при выборе параметров отдельных элементов в ходе проектирования, при компоновке передающего комплекса из отдельных узлов и при настройке готового оборудования в процессе эксплуатации.
Основными параметрами, характеризующими особенности использования передатчиков для передачи цифрового телевидения, являются уровень внеполосных спектральных составляющих (УВСС) и величина эквивалентных энергетических (шумовых) потерь (END).
Достижение требуемых значений этих показателей может быть выполнено несколькими способами путем выбора соответствующего распределения величин искажений между различным узлами передатчика. Выбор конкретного решения зависит как от общих технических требований к передающему комплексу (мощности, типа антенны, требований к электромагнитной совместимости и т.п.), так и от ряда других факторов (требований к стоимости аппаратуры, конкретных параметров имеющихся устройств и т.п.). Ввиду достаточно большого количества сочетаний исходных данных и критериев оценки конечных результатов в общем случае не представляется возможным предложить однозначный алгоритм оптимизации данной задачи. Поэтому здесь описаны основные зависимости между режимами работы отдельных узлов передатчика и качеством колебаний на выходе этих узлов, а также приведены рекомендации по выбору наиболее предпочтительных соотношений значений упомянутых параметров в различных частях передатчика.
На рис. 5.8 приведена структурная схема передатчика, содержащая все элементы, ответственные за появление УВСС и END.
| Генератор цифровых телевизионных испытательных сигналов Г-120 |
| Модулятор |
| Предкорректор |
| Возбудитель |
| Усилитель мощности |
| Полосовой фильтр |
| АФУ |
| Измерительный приемник |
Рис. 5.8. Структурная схема измерения параметров передатчика
Наиболее ответственной частью схемы является модулятор, от свойств которого зависит возможность успешного решения поставленной задачи. Величина УВСС на его выходе не должна превышать 45 дБ, a END - 0,1 дБ.
Предкорректор предназначен для коррекции характеристик нелинейности усилителя мощности.
Определение функций предкоррекции характеристик АМ/АМ и АМ/ФМ выполняется в интерактивном режиме по критерию минимума УВСС на выходе передатчика.
Величина END, обусловленная фазовыми шумами, неравномерностью зависимостей коэффициента передачи уровня и угла наклона фазы от частоты, не должна превышать 0,1 дБ.
Усилитель мощности характеризуется максимально допустимым уровнем мощности и характеристиками АМ/АМ и АМ/ФМ.
Полосовой фильтр предназначен для подавления УВСС до величины, соответствующей требованиям стандарта. Величина END, обусловленная неравномерностью зависимостей коэффициента передачи уровня и угла наклона фазы от частоты, не должна превышать 0,1 дБ.
В АФУ величина END также не должна превышать 0,1 дБ.
Измерительный приемник предназначен для измерения величин УВСС и END, а также оценки значения пикфактора. При измерениях малых значений END (меньше 0,2 дБ) целесообразно использовать специальный измерительный генератор, формирующий сигнал OFDM.
Все требования к характеристикам рассмотренных выше составных частей передатчика носят рекомендательный характер и в отдельных случаях могут отличаться от указанных значений.
Из опыта проектирования и эксплуатации передатчиков известно, что параметры модулятора, возбудителя, полосового фильтра и АФУ весьма консервативны и их улучшение требует чрезвычайно больших усилий. Таким образом, представляется целесообразным в первую очередь использовать при оптимизации характеристик передатчика зависимости, связанные с влиянием пикфактора на свойства сигнала в различных участках схемы передатчика.
5.6.2. Зависимости УВСС и END от пикфактора. Поскольку ограничение сигнала OFDM при прохождении через нелинейные цепи передатчика неизбежно, то для оценки влияния этих искажений на качество формируемого колебания целесообразно рассмотреть зависимость УВСС и END от уровня ограничения при прохождении сигнала OFDM через нелинейное устройство с характеристикой вида:
(5.1)
где а - максимально допустимое значение уровня усиливаемого колебания x.
Выбор функции (7.1) обусловлен тем обстоятельством, что при фиксированном уровне ограничения (величина а) влияние такой нелинейности на УВСС минимально.
Величина пикфактора (в дБ) в этом случае определяется по формуле:
(5.2)
где σ - среднеквадратичное значение усиливаемого колебания.
С точки зрения требований к энергетической эффективности значение параметра р нужно выбирать как можно меньшим. Требования к УВСС и END в этом случае являются ограничивающими факторами.
5.6.3. Параметры ENF и END. Известно, что качество выходногo колебания цифрового передатчика связано со следующими характеристиками:
· дифференциальная фаза;
· сквозная амплитудно-частотная характеристика;
· нарушение фaзовых и амплитудных соотношений между ортогональными компонентaми формируемого колебания;
· уровень шумовых спектральных составляющих при излучении гармонического колебания;
· отношение сигнал/шум в полосе излyчаемого колебания;
· неравномерность ГВЗ;
· уровень внеполосных составляющих спектра;
· отношение пиковой и средней мощностей на выходе передатчика и др.
Каждая из этик характеристик определенным образом связана с суммарным показателем качества. Однако в общем слyчае причины, вызывающие различные искажения, не завит друг от друга, и поэтому задача регламентирования их совокупного влияния при-водит к необходимости нормирования множества параметров. Неудобство применения данного способа очевидно.
Поэтому в Рекомендациях Digital TV Group и стандарте ETR 290 (Digital Video Broadcasting), а также в отечественных временных нормах и стандарте на радиопередатчики для цифрового эфирного ТВ-вещания все параметры заменены одним - эквивалентными шумовыми потерями.
При этом учтено, что влияние искажений в передатчике на качество системы ТВ-вещания может быть однозначно отражено c помощью оценки величины вероятности ошибки на выходе демодулятора (или одного из декодеров), так как качество системы от входа модулятора до выхода цифрового демодулятора определяется единственным параметром – вероятностью ошибочного приема (Рош). Рассматриваемая система инвариантна к характеру потока ошибок, поэтому влияние искажений в передатчике, приводящих к увеличению Рош, может быть заменено воздействием "белого" гауссовского шyма, воздействие которого сопровождается таким же увеличением Рош. Последствию воздействия искажений присвоен термин "эквивалентные шумовые потери" (Equivalent noise degradation – END).
B первом приближении энергетический потенциал радиолинии определяется потерями в передатчике, затуханием сигнала при распространении радиоволн, шумами эфира, шумами приемника и потерями, обусловленными искажениями сигнала при демодуляции.
Если в качестве критерия качества радиолинии используется величина Рош, то мерой потерь в передатчике и приемнике будут значения эквивалентных шумов. Механизм влияния этик шумов иллюстрируется следующей формулой (предполагается, что все виды шумов независимы):
(5.3)
где Рc – мощность сигнала на входе приемника, Nэ – шyмы эфира, Nпp1 – шyмы входных цепей приемника, Nпp2 – эквивалентные шyмы приемника, обусловленные искажениями при демодуляции, ENF – эквивалентный шумовой фон (Equivalent Noise Floor).
B общем случае соотношение между значениями шумов в приведенной формуле может быть любым. Для обеспечения определенности результатов, полученных c помощью предлагаемого метода, все вычисления выполняются при условии, что значение аргумента в этой формуле равно предельно допустимому отношению сигнал/шyм (C/N) для данного режима работы и на выходе декодера Витерби – Рош=2´10-4. Вычисленная таким способом величина END показывает, насколько уменьшилcя энергетический потенциал радиолинии за счет влияния искажений.
(5.4)
Согласно этой формуле, величина ENF (дБ) связана с параметром END (дБ) следующим соотношением:
(5.5)
При аддитивном характере составляющих ENF составляющие END можно также считать в первом приближении аддитивными. Отсюда следует, что значения END (дБ), обусловленные искажениями в различных элементах радиолинии, могут склaдываться. Это положение подтверждено результатами исследований. Данное свойство позволяет проследить степень влияния каждого вида искажений на общий показатель – энергетический потенциал радиолинии.
Рассмотренные выше положительные качества параметра END явились основанием для включения его в соответствующyю нормативную документацию.
5.6.4. Рекомендации по выбору режимов. Как уже упоминалось, целью настройки передатчика является выбор такого соотношения между режимами отдельных узлов, при котором выходная мощность была бы максимальной, а величины УВСС и END удовлетворяли бы требованиям стандарта.
В общем случае величина END складывается из трех составляющих:
- ENDP – эквивалентные энергетические потери, обусловленные нелинейными искажениями;
- ENDO – эквивалентные энергетические потери, обусловленные искажениями в линейных элементах передатчика;
- ENDM – эквивалентные энергетические потери на выходе модулятора.
В корректно спроектированном передатчике значения ENDO и ENDM существенно меньше других видов энергетических потерь, поэтому основные усилия по оптимизации режима передатчика следует сосредоточить на управлении величинами УВСС и ENDP путем изменения пикфактора.
В соответствии требованиям стандарта (или Временных норм) на цифровые передатчики для телевидения возможной является ситуация, когда УВСС не должен превышать 45 дБ, для чего величина пикфатора должна быть не менее 10 дБ. Аналогично при требованиях к величине ENDР + ENDО + ENDM <0,5 дБ минимально допустимое значение р = 9 дБ.
Следовательно, в этом режиме (р = 10 дБ) требования к параметрам УВСС и ENDР + ENDО + ENDM могут быть удовлетворены при условии, что с помощью системы предкоррекции характеристика нелинейности передатчика достаточно хорошо приближается к виду, соответствующему формуле (7.1).
В тех случаях, когда по условиям применения передатчика требования к УВСС отличаются от 45 дБ, выбирается максимальное значение пикфактора.
5.7. Выбор антенны передатчика
Основные требования, которым должны удовлетворять передающие антенны, это безыскаженное излучение радиосигналов и создание максимально равномерной напряженности электромагнитного поля в зоне обслуживания.
К наиболее важным параметрам передающих телевизионных антенн относятся: