4. Корректор АЧХ
При создании крупных комплексов оборудования часто приходится сталкиваться с необходимостью передачи аналоговых видеосигналов на большие расстояния. Чаще всего эта задача решается при помощи коаксиальной кабельной линии. В зависимости от требуемого качества сигнала и параметров кабеля "большим расстоянием" может оказаться как 2 километра, так и 10 метров. Следует помнить, что после прохождения кабеля любой длины параметры сигнала неизбежно ухудшаются и, в ряде случаев, может потребоваться их коррекция.
Критерии допустимого ухудшения качества сигнала устанавливаются соответствующими стандартами, например: СCIR REC.601-2 "Encoding parameters of digital television for studious" или ГОСТ Р 50725-94 "Соединительные линии в каналах изображения". Несмотря на различия в области действия, оба стандарта, кроме прочего, оговаривают допустимые параметры любых соединительных линий, являющихся элементами вещательного тракта. Требования этих стандартов весьма жесткие (особенно CCIR 601) и рассчитаны на "идеальное" качество сигналов. В реальном случае допустимое ухудшение качества определяется не стандартом, а реальным качеством оборудования и проходящих сигналов, так что границы допустимого могут быть значительно шире. Длина одной кабельной линии, вносящей максимально допустимые потери, приведена в таблице 4.1 (значения приблизительные, учитывающие типичные параметры оборудования соответствующего класса).
Таблица 4.1 Характеристики кабеля
тип кабеля \ класс требований
|
CCIR-601-2
|
ГОСТ Р 50725-94
|
BETACAM SP компонентные сигналы
|
BETACAM SP композитные сигналы
|
S-VHS
|
VHS
|
ШГЭС
|
0,5
|
0,7
|
1,5
|
2
|
3
|
5
|
RG-59, Canare LV-61
|
1,5
|
30
|
60
|
70
|
80
|
150
|
РК-75-4-37
|
3
|
50
|
100
|
110
|
120
|
250
|
РК-75-13-11
|
5
|
80
|
150
|
160
|
180
|
350
|
Для оценки длины линий, не требующих коррекции, соответствующие значения нужно разделить на 2.5, в зависимости от требований к параметрам тракта, реального размера системы и количества соединительных линий в тракте сигнала. В идеальном случае, любые линии большей длины требуют коррекции, однако обычно стараются использовать минимальное число корректоров, концентрируя их на входе центрального коммутатора, микшера или модулятора. При прохождении каждого из участков тракта сигнал получает различные искажения, которые можно разделить на линейные и нелинейные. Линейные искажения в большинстве случаев являются обратимыми и поддаются коррекции. Нелинейные обратимы далеко не всегда и их коррекция может представлять собой достаточно сложную задачу. Линейные искажения одинаково влияют на все элементы сигнала, нелинейные могут воздействовать на них по-разному. Например, в выходном каскаде передатчика возникают нелинейные амплитудные искажения, сильно изменяющие форму синхроимпульса и почти не влияющие на смысловую часть сигнала. В зависимости от физических принципов построения тракта, возникают различные виды искажений: в радиорелейном тракте - один тип искажений, в магнитной записи - другой, в цифровых устройствах - третий.
Для компенсации каждого типа искажений требуются специальные приемы.
Рассмотрим типичные искажения, возникающие в видеосигнале при прохождения длинных коаксиальных линий и соответствующие корректоры.
Такие искажения довольно хорошо изучены и могут быть рассчитаны теоретически. Подробный анализ этих искажений приведен в книге Стрижевского Н.З., "Коаксиальные видеолинии," (Москва: Радио и Связь, 1988), который является разработчиком целого семейства кабельных корректоров, применяющихся вплоть до настоящего времени.
Итак, какие же типичные искажения наблюдаются при прохождении длинных коаксиальных линий?
Переотражения. Одно из основных требований к коаксиальным линиям - согласование сопротивлений источника и приемника с волновым сопротивлением кабеля. В противном случае в точках соединения кабеля с источником и потребителем, а также на неоднородностях кабеля (например, при соединении кабелей различного типа), будет наблюдаться отражение волны, что на временной характеристике тракта видно как запаздывающие переотражения (см. рисунок 4.1), а на частотной - как колебательные искажения АЧХ (см. рисунок 4.2). По смещению запаздывающего переотражения или по положению неоднородностей АЧХ нетрудно вычислить длину несогласованного участка. Но даже при идеальном согласовании сопротивлений могут возникать искажения из-за несовершенной конструкции самого кабеля, который является достаточно нестабильной системой. Стабильность волнового сопротивления кабеля связана с точностью его изготовления, при этом даже самые лучшие кабели имеют отклонения геометрических размеров в различных сечениях порядка 2%. Уже при длинах в 5-10 метров в некоторых типах кабелей можно заметить характерные искажения, видимые как небольшие затягивания фронтов, а иногда и размытые контуры объектов. Даже при достаточно высоком качестве кабеля и точном согласовании коэффициент обратного отражения редко бывает лучше - 40 дБ.
Рисунок 4.1 Запаздывающие переотражения
Рисунок 4.2 Колебательные искажения АЧХ
Частотные искажения, вносимые в сигнал коаксиальными линиями, обусловлены в диапазоне частот до 20 кГц переменным волновым сопротивлением и неоднородностью кабеля, а в диапазоне выше 20 кГц - возрастающим с ростом частоты затуханием в кабеле. Возрастание сопротивления кабеля с увеличением частоты обусловлено скин-эффектом. Это явление вызывает во временной области затягивание фронта прямоугольного импульса (см. рисунок 4.3), а в частотной области выглядит, как уменьшающийся с ростом частоты коэффициент передачи тракта (см. рисунок 4.4).
Рисунок 4.3 Затягивание фронта прямоугольного импульса
Рисунок 4.4 Зависимость коэффициента передачи тракта от частоты
Частотные потери, связанные с затуханием в диэлектрике, в диапазоне частот реального видеосигнала практически незаметны и становятся существенными лишь в радиодиапазоне.
Еще одна проблема, возникающая при передаче сигналов по коаксиальным линиям - это проникновение помех в проходящий сигнал. Эти помехи могут быть синфазными, наводящимися как на центральную жилу, так и на оплетку кабеля, или дифференциальными, складывающимися с полезным напряжением сигнала. Основным источником и тех и других 50 Гц и 100 Гц помех обычно является разность потенциалов земли на приемном и передающем концах.
Таким образом, задача оптимальной кабельной коррекции состоит в том, чтобы:
максимально эффективно подавить помехи, возникающие при прохождении тракта. Это достигается: для синфазных помех - дифференциальным приемом с корректным заземлением источника и приемника, разрывом земель в цепи "источник приемник" и изоляцией кабеля по всей длине, а для дифференциальных - привязкой уровня черного на приемном конце;
скорректировать частотную характеристику тракта для компенсации потерь, вносимых коаксиальной линией;
согласовать сопротивления источника и приемника с волновым сопротивлением тракта для исключения переотражений.
Эти задачи требуют различного подхода к решению, и, в общем случае, не перекрываются. Так, например, нельзя с помощью частотной коррекции устранить несогласование.
Для частотной коррекции, как правило, применяются многополюсные многозвенные регулируемые частотнозависимые цепи в обратной связи корректора АЧХ. Они обеспечивают в частотной области характеристику с коэффициентом передачи (см. рисунок 4.5), увеличивающимся с ростом частоты, обратную, показанной на (см. рисунок 4.4). Реальная форма искажений определяется (рассчитывается или измеряется) для каждого конкретного типа кабеля. Многие производители корректоров АЧХ, предполагая, что будет использоваться определенный тип кабеля, предлагают стандартные цепи коррекции, что дает возможность оператору установить регулятор в положение, соответствующее длине линии, и, тем самым, произвести оптимальную коррекцию в необходимой полосе частот. Если заранее неизвестен тип используемого кабеля, пользователю обычно предоставляется возможность корректировать АЧХ в нескольких точках, добиваясь оптимальной коррекции искажений. На рисунке 4.6 показана типичная АЧХ корректора, где указаны области коррекции, соответствующие каждой из регулирующих цепей. Во временной области эта схема отображена на рисунке 4.7 Каждая из цепей имеет свою постоянную времени и воздействует на отдельные компоненты сигнала.
Рисунок 4.5 Коэффициент передачи корректора
Рисунок 4.6 АЧХ корректора
Рисунок 4.7 Действие корректирующих цепей на форму прямоугольного импульса
Для правильной установки параметров коррекции используют сигналы тестовых строк (ГОСТ 18471-83), вводимые в передаваемые изображения у источника сигнала и телевизионный осциллограф с блоком выделения строки (WFM) на приемном конце. Анализируя искажения различных элементов тест-строки, можно отрегулировать корректор для достижения максимальной достоверности передачи сигнала. Типичная картина искажений различных элементов тест-строки (затягивание фронтов прямоугольного импульса [1], уменьшение амплитуды контрольных пакетов [2], 2-Т [3] и 20-Т [4] импульсов) после прохождения длинной коаксиальной линии приведена на рисунке 4.8 На рисунке 4.9 показана эта же строка после коррекции.
Рисунок 4.8 Типичные искажения элементов тест-строки после прохождения 650 м кабеля РК-75-4-37
Рисунок 4.9 Тест-строка после коррекции
Изменения, вносимые корректором АЧХ видны на рисунке 4.10 В качестве источника такого сигнала может служить генератор черного поля, компьютерные платы и т.п., не рекомендуется использовать эфирные или воспроизводимые с видеомагнитофона сигналы.
Рисунке 4.10 Влияние регуляторов корректора на форму фронта импульса белого
Практика показывает, что кроме расчетных корректирующих RC-цепочек иногда бывает необходима коррекция искажений в достаточно узком частотном диапазоне, обычно в области частот от 4 МГц до 6 МГц. Для этого применяют узкополосную резонансную цепь с перестраиваемой частотой, включенную в обратной связи корректирущего усилителя. Для пользователя это выглядит как две отдельные подстройки: "Частота" и "Уровень" (см. рисунок 4.11). Использование этих подстроек совместно с регуляторами "2Т" и "ВЧ" позволяет легко скомпенсировать искажения типа "бочка" и "седло" (см. рисунок 4.12).
Рисунок 4.11 Дополнительная корректирующая цепь с перестраиваемой частотой
Рисунок 4.12 Искажения типа "бочка" и "седло"
Задача подавления синфазных помех (фоноподавление) в корректорах фирмы ЛЭС решается применением дифференциальных приемников на входах. Следует помнить, что основным источником 50 и 100 Гц помех в видеосигнале являются токи, вызванные разностью потенциалов земли в различных типах оборудования, протекающие по оплетке кабелей. Практика показывает, что точность изготовления современных качественных кабелей позволяет отказаться от применения дополнительной подстройки согласования и ограничиться применением высокоточных номиналов входных и выходных резисторов.
Выполненная на базе стробируемого интегратора в цепи обратной связи, привязка позволяет "мягко" зафиксировать уровень черного и эффективно подавить дифференциальные сетевые помехи, практически не увеличивая уровень разнояркостности строк.
Также необходимо рассказать о передаче звуковых сигналов на большие расстояния. Здесь применяются те же приемы, что и для видеосигналов, но ситуация существенно упрощается за счет более низкой полосы частот.д.ля качественной передачи звуковых сигналов на расстояние до 1 км обычно достаточно применения дифференциального приема, одной регулировки коэффициента передачи, низкого выходного сопротивления источника и способности работы выходного буфера источника на большую емкость. Обязательными условиями низкого уровня шумов и помех являются заземление приемника и источника и электрическая симметрия линии, источники и приемника сигналов (это, в частности, означает, что недопустимо заземлять один из проводов симметричной пары длинной линии и использовать несимметричные входы/выходы). В ряде случаев (для линий 500 - 1500 м) может потребоваться небольшая (+/-3 дБ) частотная коррекция в высокочастотной и низкочастотной областях. Конкретный вид коррекции зависит от типа кабеля и выходного сопротивления источника сигнала.
При передаче звуковых сигналов на расстояния значительно большие километра, существенным становится как выходное сопротивление источника, так и свойства самого кабеля.
Принятое для звуковых сигналов сопротивление нагрузок в 600 Ом ведет свою историю от воздушных телефонных линий начала века, имевших такой характерный импеданс и согласованных с обоих концов. В дальнейшем линии перестали согласовывать, но значение осталось, как память. Используемые в настоящее время линии имеют импеданс 90 - 120 Ом и являются для источника емкостной (при длине до 500 м) или резонансной (при больших длинах) нагрузками. Выходное сопротивление источника 50-70 Ом почти полностью компенсирует резонансную компоненту для линий длиной до 1 км. Для более длинных линий используют как активную регулировку АЧХ с помощью корректора, так и пассивный LC корректор.
Для ее обеспечения в корректорах кассетного типа предпринят ряд мер. Первая мера - это анализ наличия кадровых и строчных синхроимпульсов на каждом из входов, который позволяет оперативно зафиксировать пропадание видеосигнала и произвести переход на резервную линию в ручном или автоматическом режиме. Переход на резерв осуществляется с помощью релейного коммутатора на выходе основного модуля корректора.
В настоящее время, прогресс в области высоких технологий не мысли без применения корректоров АЧХ. Область применения подобных устройств безгранична, начиная от медицины (аппараты УЗИ, томографы и. т.д.), и заканчивая космосом. Поэтому актуальность корректирующих устройств АЧХ не просто увеличивается, а растет как снежный ком. Не в арифметической прогрессии, а в геометрической. При этом не была затронута проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.
Таким образом, актуальность продвигаемого на рынок сбыта корректоров АЧХ не просто растет, а растет в геометрической прогрессии. Постоянно расширяется область применения разнообразных корректоров АЧХ.
|
