Расчет и оптимизация уровней напряжений электротехнического оборудования в распределительной сети СКТ

Современные системы кабельного телевидения (СКТ) являются универсальными электротехническими системами, на базе которых можно предоставить не только широкий спектр телевизионных и радиовещательных программ, но и реализовать системы передачи данных имеющие большие функциональные возможности по сравнению с системами, использующими в качестве среды передачи информации телефонную пару.

В настоящее время СКТ должна обеспечить передачу не менее 40.60 каналов телевизионных программ в аналоговом формате, а так же радиопрограмм в полосе 88. 108 МГц или 66.74 МГц. Кроме того, обеспечить передачу телевизионных программ в цифровом формате с кодировкой МРЕО-2 и РАМ модуляцией, двунаправленных потоков информации в цифровом формате с различной скоростью — для телефонии, передачи данных, доступа в Интернет, телеметрии (охранная и пожарная сигнализация и т. д.). Обеспечить передачу различных узкополоснькГсигаалов, например, для мониторинга состояния оборудования сети СКТ [1. 1.

Распределительные сети систем кабельного телевидения должны удовлетворять требованиям государственного стандарта РФ — ГОСТ 52 023– —2003 [14], принятого Государственным Комитетом Российской Федерации по стандартизации и метрологии 13.03.2003 г. Данный стандарт совместим с европейским стандартом СЕЫЕЬЕС? N50083 [15] и является преемником ГОСТ 11 216–83 [16] и ГОСТ 28 324–89 [17].

Быстрое развитие технологий, в первую очередь тех, которые связаны с перспективными цифровыми методами модуляции, временным и частотным уплотнением, открывает широчайшие возможности для передачи различных видов информации с использованием гибридной информационной среды [18.24].

На сегодняшний день создание СКТ является экономически выгодным мероприятием. Это, прежде всего, связано с привлечением внебюджетных инвестиций: акционирование, абонентская плата, реклама, оказание различных коммерческих услуг. Кроме того, СКТ с успехом могут решить задачу обеспечения огромного числа абонентов высококачественным телевизионным сигналом в условиях плотной городской разновысотной застройки, где условия приема с эфира далеко не однозначны [25.27].

С использованием оптоволоконных технологий становится возможным объединение достаточно удаленных, различных по плотности населения районов в крупные единые пользовательские сети. К сожалению, из-за стоимости абонентской платы, далеко не каждый потребитель телевизионных услуг может сейчас стать пользователем систем непосредственного спутникового вещания [28.35].

Число телевизионных каналов, как эфирных, так и спутниковых, постоянно возрастает, поэтому наступает эра цифрового телевидения с ее огромным информационным потенциалом [36.40]. Уже недостаточно иметь информационный поток в сторону абонента. Для диагностирования состояния системы, мониторинга и предоставления абонентам дополнительных услуг, необходимо наличие обратного информационного канала в сторону головного оборудования [41.44].

Таким образом, вопрос проектирования и строительства широкополосных, интерактивных кабельных сетей является на сегодняшний день, безусловно, актуальной задачей.

Основным этапом проектирования распределительных сетей кабельного телевидения является расчет уровней напряжений в распределительной сети, при которых необходимо обеспечить требуемое качество телевизионного сигнала на абонентских устройствах в условиях интенсивного воздействия внешних электромагнитных помех.

Все это делают диссертационную работу весьма актуальной.

Представленная диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом НИР ГОУ ВПО МГУС № 01.03.04 (РН ВНТИЦ № 01.0.40 1 520) «Исследование цифровых методов обработки информации в информационных системах и электротехнических комплексах».

УР".

Целью диссертационной работы является расчет и оптимизация уровней напряжений электротехнического оборудования в распределительной сети системы кабельного телевидения в условиях интенсивного воздействия внешних электромагнитных помех. 0 1 ^.

В соответствии с этим, были поставлены и решены следующие основные задачи работы:

1. Анализ условий работы и технических характеристик электротехнического оборудования СКТ- 2. Расчет и оптимизация уровней напряжений электротехнического оборудования в распределительной сети СКТ в условиях воздействия внешних электромагнитных помех;

3.влияние изменения параметров кабельного оборудования на уровни напряжений в распределительной сети СКТМ&ХЦяи.

4.^Регулировка уровней напряжений и наклона амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) электротехнического оборудования в распределительной сети СКТ.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории вероятностей случайных процессов, математической статистики, математического моделирования на ПЭВМ. Экспериментальные исследования выполнены методами физического моделирования в лабораторных и реальных эксплуатационных условиях.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Осуществлен анализ характеристик электротехнического оборудования СКТ позволяющий, на этапе проектирования, осуществить оптимизацию кабельной распределительной сети в зависимости от предъявляемых к ней требований и условий эксплуатации- 0.

2. Предложена методика расчета уровней напряжений электротехнического оборудования в кабельной распределительной сети СКТ, обеспечивающая требуемое отношение сигнала к шуму и сигнала к помехам комбинационных частот на входе абонентского оборудования в условиях интенсивного воздействия внешних электромагнитных помех;

3. Предложена методика расчета уровней напряжений электротехнического оборудования в зависимости от изменения параметров кабеля распределительной сети СКТ, вызванных различными внешними воздействиями.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложена методика расчета, позволяющая рассчитать уровни напряжений в распределительной сети СКТ в условиях интенсивного электромагнитного воздействия на электротехническое оборудование СКТ.

2. Предложена методика расчета энергетического выигрыша уровней напряжений, в зависимости от глубины эквалайзирования усилительного электротехнического оборудования СКТ.

На защиту выносятся:

1. Методика расчета уровней напряжений электротехнического оборудования в распределительных сетях СКТ, в условиях интенсивного воздействия внешних электромагнитных помех;

2. Методика расчета влияния изменений параметров кабельного оборудования, на уровни напряжений в распределительной сети СКТ.

Личный вклад. Все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе и выносимые на защиту, получены автором лично.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Локальные и Транспортные Информационные Сети», что подтверждается актом о внедрении.

Результаты исследований использованы в курсах «Аппаратура систем кабельного телевидения», «Спутниковое и кабельное телевидение», «Современные телевизионные системы» ГОУ ВПО «Московский государственный университет сервиса», что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на 10-й Международной научно-практической конференции «Наукасервису» (Москва, 2005 г.);

• на 7-й Межвузовской научно-технической конференции «Современные средства управления бытовой техникой» (Москва, 2006 г.);

• на 2-й Межвузовской научно-технической конференции «Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем» (Москва, 2006 г.);

• на 1-й научно-практической конференции «Научно-теоретические проблемы современного российского общества» (Москва, 2006 г.);

• на 11-й Международной научно-технической конференции «Наукасервису» (Москва, 2006 г.);

• на совместном заседании кафедр «Электроника и электронные информационные системы» и «Информатика и компьютерный сервис» ГОУ ВПО"МГУС" (Москва, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 1! 2 наименований. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка и 17 таблиц. В приложении объемом 4 страницы содержатся материалы внедрения результатов диссертационной работы.

5.9. ВЫВОДЫ.

1. Осуществлен анализ различных видов регулировок, применяемых в распределительных сетях СКТ. Показано, что для качественного построения распределительной сети СКТ необходимо осуществлять целый ряд различного рода регулировок, к числу которых может относиться: частота, полоса канала, наклон АЧХ, уровень сигнала, скорость цифрового потока и др.

2. Осуществлен анализ структурных схем построения АРУ, нашедших наиболее широкое распространение в усилительном оборудовании СКТ, проанализированы основные показатели АРУ.

3. Рассмотрены и проанализированы основные типы кабельных эквалайзеров и их электротехнические характеристики. Осуществлен расчет энергетического выигрыша от глубины эквалайзирования. Получены зависимости энергетического выигрыша от используемого частотного растра и вводимого эквалайзирования. Предложена универсальная методика перерасчета из произвольного стандарта измерения в любой другой стандарт.

4. Осуществлен анализ влияния кабельных эквалайзеров на АЧХ распределительных сетей СКТ.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что применение специальных мер по улучшению равномерности АЧХ магистральной линии (использование эквалайзеров настроенных на конкретный тип коаксиального кабеля используемого в магистральной сети), позволяет увеличить количество магистральных усилителей в сети почти в два раза, и довести их количество до 10. 12.

5. Показано, что при проектировании сети СКТ необходимо стремиться к уменьшению числа усилительных каскадов, применяя магистральный кабель с меньшим погонным затуханием и эквалайзеры с рабочим затуханием не менее 15. 18 дБ. При этом для компенсации потерь в кабеле и эквалайзерах, с учетом потерь в кабеле при его старении, коэффициент усиления магистрального усилителя должен быть не менее 27 дБ.

6. Осуществлен инженерный синтез простейших частотных корректоров типа «вершина» и «низина». Показано, что проведение инженерного синтеза позволяет задавать требуемую форму АЧХ корректора в рабочем диапазоне частот СКТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в расчете и оптимизации уровней напряжений электротехнического оборудования в распределительной сети СКТ в условиях интенсивного воздействия внешних электромагнитных помех.

При этом получены следующие основные результаты:

1. Осуществлен анализ условий работы и электротехнических требований, предъявляемых к электротехническому оборудованию распределительной сети СКТ. Показано, что базовыми параметрами распределительной сети СКТ являются ОСШ и сумма нелинейных искажений 2-го и 3-го порядка, позволяющие не только однозначно описать функционирование сети, но и служить основой при ее проектировании. При этом ОСШ на входе абонентских устройств должно быть не ниже 44 дБ, а ОСП комбинационной частоты 2-го и 3-го порядка не меньше, соответственно 57 дБ и 60 дБ.

2. Осуществлен анализ технических характеристик активного электротехнического оборудования распределительной сети СКТ. Показано, что наиболее важными параметрами являются максимальный уровень выходного сигнала и приведенный динамический диапазон, характеризующий количество шумов, вносимых активным оборудованием, которые могут быть накоплены по магистрали. Показано, что применение фиксированного межкаскадного эквалайзирования позволяет значительно повысить энергетический потенциал активного оборудования за счет снижения уровней низкочастотных сигналов, подаваемых на вход его оконечного каскада.

3. Рассмотрен и проанализирован механизм накопления шумов и искажений по магистрали кабельной распределительной сети СКТ. Показано, что для реализации возможно большего ОСШ по магистрали необходимо выбирать усилительное оборудование с большим уровнем выходного сигнала при минимальном коэффициенте усиления и минимальном коэффициенте шума. Для сохранения по магистрали ОСШ 44.50 дБ, при отношении радиосигнала изображения к составным помехам комбинационных частот 3-го порядка 60.66 дБ и коэффициенте шума 6.8 дБ, усилитель должен обладать оптимальным, с экономической точки зрения, коэффициентом передачи порядка 28.38 дБ. При более жестких требованиях по поддержанию ОСШ, коэффициент передачи не должен превышать 20.27 дБ.

Для эффективной борьбы с линейными искажениями по магистрали СКТ необходимо использовать корректоры АЧХ, позволяющие осуществить плавное выравнивание АЧХ с малыми начальными потерями. Наиболее эффективным способом борьбы с нелинейными искажениями является правильный выбор режима работы активного оборудования.

4. Получена методика расчета минимального уровня напряжения сигнала на входе и выходе усилительного оборудования магистральных сетей СКТ в условиях интенсивного воздействия внешних электромагнитных помех. Показано, что с увеличением количества магистрального усилительного оборудования должен возрастать и уровень входного напряжения. Увеличение уровня напряжения на входе, а значит, и на выходе усилительного оборудования приводит к увеличению ОСШ, однако возрастание уровня напряжения на его выходе уменьшает ОСП комбинационных частот.

5. Получена методика расчета отношения сигнала к помехам комбинационных частот третьего порядка на выходе абонентской розетки.

Показано, что ОСП комбинационных частот 3-го порядка зависит не только от количества каналов в СКТ и среднеквадратического значения нестабильности уровней в распределительной сети, но и от таких параметров усилительного оборудования как: разность уровней между НЧ и ВЧ каналами на его выходенеравномерность АЧХ, а также от разности между максимальным и минимальным уровнями напряжения на его выходе в рабочем диапазоне частот.

6. Осуществлен анализ влияния изменения параметров кабельного оборудования на характеристики распределительной сети СКТ.

Показано, что наибольшее влияние на характеристики распределительной сети оказывает изменение затухания высокочастотных кабелей под воздействием перепадов температуры внешней среды на высшей частоте диапазона СКТ. При прокладке кабеля СКТ в телефонной канализации изменение затухания на одном участке магистральной линии может достигать ±0,3 дБ, при подвеске кабеля на открытом воздухе — ±1,5 дБ.

7. Осуществлен анализ различных видов регулировок применяемых в распределительной сети СКТ, к которым может относиться: частота, полоса канала, наклон АЧХ, уровень сигнала и др.

Рассмотрены и проанализированы основные типы кабельных эквалайзеров, применяемых в СКТ, и их электротехнические характеристики. Получены зависимости энергетического выигрыша от используемого частотного растра и вводимого эквалайзирования.

8. Проведены экспериментальные исследования влияния кабельных эквалайзеров на АЧХ распределительных сетей СКТ.

Показано, что применение мер по улучшению равномерности АЧХ магистральной линии позволяет увеличить количество магистральных усилителей в распределительной сети СКТ почти в два раза, и довести их количество до 10. 12. Однако при проектировании сети СКТ необходимо стремиться к уменьшению числа усилительных каскадов, применяя магистральный кабель с меньшим погонным затуханием и эквалайзеры с рабочим затуханием не менее 15. 18 дБ. Причем для компенсации потерь в кабеле и эквалайзерах, с учетом потерь в кабеле при его старении, коэффициент усиления магистрального усилителя должен быть не менее 27 дБ.