Электрический расчет распределительной сети

 

1. Рассчитываются расстояния прямой видимости и зоны уверенного приема (с учетом рефракции) по формулам:

, (3.1)

.

то есть обеспечивается условие уверенного приема радиосигналов приемной антенной: R_ув.пр›R_{пр.вид гол.ст.-перед.}

В нашем случае R_{ГС-перед.А}≈7 км.

2. Рассчитаем значение напряженности ЭМ полей на крыше здания (где приемная антенна) всех радиоканалов РТПС и станций ОВЧ ЧМ звукового вещания:[8].

, (3.2)

где E_{п р} - напряжение в точке приема, мкВ/м;

Р _изл – эффективно излучаемая мощность ЭВМ, кВт.

Эта мощность определяется по формуле

кВт, (3.3)

где P _ПРД – мощность ТВ радиопередатчика по каналу изображения, кВт;

η_ФА - коэффициент полезного действия по мощности фидера, соединяющего выход передатчика с антенной в абсолютных единицах;

G_ПРДА – коэффициент усиления излучаемой антенны в абсолютных единицах (разах), то есть не в процентах.

Обычно кабель, используемый для фидера, характеризуется коэффициентом километрического затухания α. У современных кабелей на частотах 50 и 800 МГц коэффициент равен соответственно 0,0024 и 0,0103 дБ/м. При длине фидера 200 м это дает уже заметные потери мощности ТВ радиосигнала.

В формуле (3.2) R- расстояние в км между приемниками и передатчиками должно удовлетворять условию (3.1).

Найдем G_ПРДА и η _ФА.

Из [8] G_ПРДА≈3,2, а η _ФА- КПД фидера длиной 200 м равно:

 

(для 7канала)

Здесь

Положив, , , а , получим по (3.3):

 

Если Р_ПРД и η_ФА будут другими, то излучаемая мощность также будет изменяться.

Подставляя полученное значение Р_изл в формулу (3.2), найдем напряженность ЭМ поля в точке приема:

В относительных единицах:

Аналогично рассчитываются значения Е_пр для других значений η_ФА, G_ПРДА и Р_ПРД.

3. Выбирается тип приемной антенны для каждого из ТВ каналов или определенного их сочетания. Обычно в областном центре излучается более 4÷6 ТВ радиосигналов. В качестве примера можно использовать специализированную антенну из табл.3.2 [8], в которой

коэффициент усиления антенны по напряжению и показывает во сколько раз напряжение, создаваемое данной антенной на согласованной нагрузке больше напряжения, создаваемой на этой нагрузке эталонной антенной U_ЭА- полуволновым вибратором в дБ (рис. 3.4)

U_max и U_ЭА – напряжение на нагрузке соответствующее антенн.

Аналогично записываются выражения для коэффициента по мощности

, (3.5)

Оба коэффициента зависят от конструкции приемной антенны. Самыми простыми приемными антеннами являются полуволновый и петлевой вибратор.

 

Коэффициент помехозащищенности

, (3.6)

Характеризует уровень побочных лепестков при приеме задних и боковых направлениях. U₁- напряжение на входе антенны при приеме сигнала с задних и боковых направлениях; U_2max – напряжение на входе антенны при приеме с главного направления (рис. 3.4).

КБВ - характеризует степень согласования входного сопротивления приемной антенны и волнового сопротивления кабеля снижения (фидера) и определяется по формуле

(3.7)

Отклонение КБВ от единицы ведет к уменьшению мощности сигнала на входе приемника и к появлению повторов на ТВ изображений за счет возникновения отраженных волн.

4. Произведем расчет уровней сигнала на выходах выбранных антенн

, (3.8)

где E_пр − напряженность ЭМ поля радиосигналов каналов приема,

𝜆_к − средняя длина этого канала:

- коэффициент усиления приемной антенны в данном канале

( в таблице 3.2).

Пусть это будет 7 канал:

 

f_нес=183,25 МГц, 𝜆_к=1,6371 м.

 

Выберем тип антенны − одноканальные (7 канал).

7 кан − =10 дБ. (3.1623 в разах)

Найдем для 7 канала уровень сигнала на выходе антенны 3.8):

=3,1623,

Таким образом, в :

7 кан. − L_пр.А= 20∙lg(90146.5966)=99.1 дБ мкВ

Выберем антенный фидер РК75-4-115А

5. Определим затухание сигнала в фидере. На частоте сигнала данного канала:

, [дБ/м], (3.9)

где - средняя частота ТВ сигнала, для которого определяют коэффициент затухания кабеля. дБ, - паспортное значение коэффициента затухания кабеля на частоте 200 МГц ().

7 канал: [дБ/м].

 

При длине антенного фидера l _ср=70м

α_ф= α_f ∙ l _ср (3.10)

α_ф= α_f ∙ l _ср=0,1276∙70=8,932 дБ.

6. Уровень сигнала на выходе антенного фидера, дБ:

L_вых.ф= L_пр.А- α_ф=99,1-8,932=90,168 дБ

Как правило, все системы КТВ ретрансляционного типа содержат ГС, имеющую рекомендованное значение уровня входного ТВ радиосигнала L_ВХ.ГС. Необходимо провести согласование уровней на выходе фидера снижения и на входе ГС для всех каналов приема для этого вычисляются разности уровня сигналов по формуле:

Δ L = L_{вых ф} – L_{вх ГС} (3.11)

Если ΔL положительна, то необходимо выводить дополнительное ослабление сигнала на участке от антенны до входа ГС. Оно может быть

выполнено путем установки специального аттенюатора или использование сменного аттенюатора в ГС. Если Δ L отрицательна, то возникает необходимость перехода на кабель с меньшим коэффициентом затухания, или приближения ГС к антеннам, или установки между антеннами и станцией специального антенного усилителя. В любом случае необходимо, чтобы сигнал на выходе фидера был близок к номинальной величине сигнала на входе станции. Выравнивание производится для всех сигналов ТВ каналов приема. Результаты расчётов определить в виде табл 3.3.

 

7. Если телефицируемый район находится в ближней или средней зоне РТПС, имеющей излучаемой мощности свыше 1кВт, то полезно определить максимальные уровни радиосигналов СКТВ на входе абонентского телевизора L _{вх аб} ­_ТВ, дБ, при которых помехи на

телевизионном изображении, создаваемые электромагнитным полем

 

Таблица 3.3 Результаты расчетов

№ п/п	Параметр, размерность	Номера ТВ каналов приема
x 1	x 2	x 3	x 4
	Напряженность электромагнитного поля в точке приема, мкВ/м Уровень напряжения поля в точке приема, дБ/мкВ Тип приемной антенны Коэффициент усиления антенны по напряжению, дБ Уровень сигнала на выходе приемной антенны, дБ/мкВ Тип кабеля антенного снижения Коэффициент затухания кабеля на частотах каналов, дБ/м Длина фидера, м Затухание в фидере, дБ Уровень радиосигналов на выходе фидера, дБ/мкВ Начальная разность уровней радиосигналов с номинальным значением, дБ Разность уровней радиосигнала после коррекции

 

сигнала, не будут заметны:

(3.12)

где - коэффициент усиления эквивалентной антенны, характеризующий экранировку входных цепей телевизора от электромагнитных полей; G_{a ТВ} = – 50 дБ для I ТВ диапазона и G_{a ТВ} = - 40 дБ для II и III диапазонов [8]. Слагаемое -14(дБ) характеризует поглощающее действие здания на электромагнитную волну. Слагаемое +43(дБ) указывает на выбранное защитное отношение сигнал – помеха. Попутно отметим, что наведенный сигнал создает мешающее изображение, сдвинутое «влево» относительно основного, так называемый «левый» повтор.

Если L_{вх аб} ­_ТВ › 70 дБ/мкВ, т.е. превышает номинально значение полезного сигнала на выходе абонентского отвода СКТВ (см. табл. 3.1), то необходимо произвести конвертирование (переадресование) ТВ радиосигнала приемов канал распределения (в т.е. в другой не занятый канал). Практика показывает, что в ряде случаев полезно конвертирование всех принятых сигналов в другие каналы распределения. При выборе каналов распределения необходимо учитывать ограничение в используемых сочетаниях ТВ каналов (см. табл. 3.4 и 3.5).

Выполненные выше расчеты позволяют точно определить состав группового радиосигнала на выходе ГС, число N составляющих сигнала, включая группой сигнал диапазона ОВЧ ЧМ звукового вещания, номера каналов, занимаемых этими сигналами, общую ширину спектра частот группового сигнала, его верхнюю и нижнюю частоты. Уровень сигнала на выходе ГС не должен превышать номинального значения (144дБ/мкВ)

для ГС серии 200.

Данные табл.3.4 существенно ограничивают распределение и использование частот ТВ вещание в ОВЧ диапазоне, влияя на информационную емкость (многопрограммность) группового радиотелевизионного сигнала. Это видно также из табл. 3.5, где показаны нерекомендованные или запрещенные для ТВ вещания сочетания частотных каналов ОВЧ диапазона[8]. Сопоставив табл. 3.4 и 3.5 можно заметить, что в последней число запрещенных (или не рекомендованных) ТВ каналов больше, чем в табл. 3.4.

Возьмем первую строку. Согласно табл. 3.4 гармоника гетеродина телевизора, работающего на 1-м канале, поражает 4-й и 6-й ТВ радиоканалы. В табл. 3.5 помимо них имеются еще 1-й и 2-й. Запрет на двойное применение 1-го канала на одной и той же территории понятен. Запрет на использование 2-го канала, смежного по частого 1-м, объясняется плотным частотным прилеганием этих каналов и ограниченной избирательной способностью селекторов каналов телевизора, которая не позволяет даже удовлетворительно разделить по частоте радиосигналы смежных ТВ каналов.

Рассмотренные результаты полностью приложимы к СКТВ, в распределительных сетях которых распространяется групповой радиотелевизионный сигнал, а оконечным устройством является телевизор со стандартными параметрами. Совершенно ясно, что при 12 ТВ каналах в ОВЧ (метровом) диапазоне в распределительной сети не может быть более 6 ТВ радиосигналов. Фактически в системах КТВ ретрансляционного типа число этих сигналов еще меньше. Далее будет показано, что при больших уровнях напряженности электромагнитного поля ТВ радиосигнала, например, 2-го канала (в точке приема) для устранения помехи «левый повтор изображения» этот сигнал необходимо сместить по частоте на место какого либо другого канала, например 4ого или другого согласно табл. 3.5. Эта операция называется конвертировании или преобразование канала приема в канал распределения.

Проведем выше названные расчеты по формуле (3.11)

Выберем ГС серии 300 с L_вх ­_ГС = 70 дБ/мкВ.

7 канал − ΔL=90,168-70=20.168 дБ.

При неблагоприятных условиях телеприема, связанными с мешающим сигналом, целесообразно использовать после приемной антенны специальных ТВ частотных фидеров. Проходное затухание сигналов в полосе частоты канала = 2.5…3дБ. С учетом влияния этих фильтров имеем:

7 канал: ΔL=20.168-2.5=17.668

Так как ΔL›0, необходимо ввести аттенюаторы с коэффициентом затухания (для 7канала ΔL ≈ 17дБ), чтобы ослабить сигнал до номинального значения(70дБ для ГС серии 300).

7кан.

L_{вх. аб. ТВ} ›70дБ, т.е. превышает номинальное значение полезного сигнала на выходе абонентского отвода СКТВ, значений в канале(каналах) необходимо произвести конвертирование ТВ радиосигналов из каналов приема в канал распределения. В соответствии табл.3.5 можно в канал 9.

8. Определение числа усилительных участков. Выше было сказано, как определяются трассы магистральных и субмагистральных линий, их протяженность и структура. Беря за основу передаваемую схему распределительной сети СКТВ телефицируемого района, например показанную на рис.3.1 и 3.2 можно произвести полный ее расчет с целью определения протяженности линий, уточнение состава оборудования, определения длин соединительных линий, а также уровней радиосигналов в основных ее точках, уровни шумов и отношения сигнал-шум на выходах наиболее удаленных абонентских коробок, построение АХЧ линий распределительной сети. На основание этих расчетов в последствии производится строительство сети, ее монтаж, настройка, приемка в эксплуатацию.

Если выбранные марка кабеля, тип усилителя, марка ответвителей, определена по плану застройки длина магистральной линии, то число усилительных участков n_уч на этой линии при условии равенства входного и выходного уровней можно определить по формуле

, (3.13)

где – коэффициент затухания выбранного магистрального кабеля на максимальной частоте передаваемого группового сигнала, дБ/м; – длина магистральной линии, м; - проходное затухание i -го ответвителя, установленного в магистральной линии; К-число ответвиелей в линии (если в линии имеются другие пассивные устройства, например уравниватели, то вносимое ими затухание суммируется в числителе); - среднее значение коэффициента усиления выбранного магистрального усилителя, дБ. При получения дробного значения n_уч округляется до целого в большую сторону.

 

Таблица 3.4 Соотношение между номерами поражаемых ТВ каналов и частотами сигналов гетеродина телевизора.

Номер принимаемого ТВ канала	Номер гармоники частоты гетеродина телевизора	Частота гармоники, МГц	Номер поражаемого ТВ канала	Частота изображения поражаемого канала
		87,75 176,5 97,25 194,5 213,25 639,75 221,25 663,75 229,25 687,75 237,25 474,5 245,25 253,25 261,25	Спецканалы СКТВ Спецканалы СКТВ	85,25 175,25 93,25 191,25 207,25 639,25 215,25 663,25 223,25 687,25 Спецканалы СКТВ 471,25 Спецканалы СКТВ

 

По этой же формуле рассчитывается число усилительных участков в субмагистральных линиях (СМЛ).

 

 

Таблица 3.5

Номер излучаемого ТВ канала

Номера запрещенных дополнительных каналов

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

ОВЧ ЧМ вещание (66…74 МГц)

Х

ОВЧ ЧМ вещание (100…104 МГц)

Х

 

(3.13)

где определили по формуле:

 

дБ/м.

На минимальной частоте:

дБ/м.

Найдем разность значений ослабления сигналов на верхней и нижней частотах:

 

α =(α _fmax- α _fmin)∙ l _м=(α _в- α _н)∙ l _м=(0,044658-0,0226)∙2300=55,154 дБ

Полученная разность Δα = 55,154 дБ чрезвычайно велика и не может быть скомпенсирована без разделения магистральной линии на участки с установленной в них усилителей с эквалайзерами, которые сведут Δα к нулю. Количество участков усиления определяются по условию перепада уровней по всей магистрали с учетом действия эквалайзеров. Для лучшего схождения уровней и запаса усиления вводят дополнительный участок кабеля длинной ≈243,4312м, этот участок можно выполнить с перестраиваемой длиной для лучшего подгона.

Таким образом, магистральная линия МЛ должна содержать 6 усилительных участков с восемью проходными ответвителями (3+5) с затуханием на проход 1,5дБ и 0,8дБ и 6 эквалайзерами в каждой усилительном участке для выравнивания АХЧ в МЛ.

9. Радиотелевизионные сигналы, входящие в состав группового сигнала, несинхронны между собой, что приводит к изменениям общей его амплитуды. Во избежание возможных перегрузок магистральных и прочих усилителей в распределительной сети рабочий уровень группового сигнала на выходе усилителя согласно формуле

L_{.ус вых р}= L_{ус вых п} – 7,5lg(N-1) –10lg(n_уч –1), (3.14)

где n_уч – число усилительных участков(=6);

L_{ус вых п} – номинальный выходной уровень усилителя (паспортное значение). N- число компонент в групповом сигнале (число передаваемых телепрограмм и один блок ОВЧ ЧМ звукового вещания.)

 

L_{.ус вых р} = 102 - 7,5lg(10–1)–10lg(6–1)=102–7,16–6,9897=87,85 дБ.

 

10. Необходимый уровень сигнала на входе усилителя определяется исходя из его коэффициента усиления:

L_ус.вх.= L_ус.вых.- G_{ус, при} G_ус =20 дБ.

L_ус.вх.= 87,85_.- 20 =67,85 дБ.

11. Длина соединительной линии l ₁(магистрального кабеля) между выходом ГС и входом первого усилителя (рис.3.3) определяется по формуле:

, (3.15)

где и , уровни сигналов на выходе ГС и входе магистрального усилителя соответственно; j – число ответвителей, установленных на этом участке, пусть j=5; –затухание ответвителей; α­­экв –затухание эквалайзера; затухание фидера на максимальной частоте, дБ/км:

Коэффициент затухания α_ЭКВ характеризует затухание вносимое эквалайзером на низкой и максимальной частотах всего ТВ диапазона СКТ, равной примерно 0,8дБ и менее на верхних частотах. Для уравнителя ТВ сигналов УТС 15.1(эквалайзера) α­­_верх= 0,5-0,8 дБ на частотах f_в=246-460 МГц. Затухание ответвителя на проходе примерно равно 1,5дБ– 0,8дБ

Подставив данные в формулу, получим

 

где ,

для

 

Подставив данные в формулу =0,1, получим l ₁≈460 м.

Ранее мы ориентировочно определили среднюю длину каждого участка в 400м. Но если число ответвителей, делителей будет разным, то и длина участка также будет меняться.

12. Длины соединительных линий l ₂, …, l _n остальных участков при установке на них одинаковых усилителей рассчитываются по формуле

, (3.16)

Аналогично рассчитываются первый и последующие участки в субмагистраных линий при замене L_{вых ГС} на L_{отв QM.}

13. Уточняется расположение магистральных и субмагистральных усилителей в распределительной сети в зависимости от плана застройки, конфигурации линий, возможностей физической установке усилителей, блоков питания, ответвителей в конкретном месте.

При необходимости выполняются уточняющий расчет длин участков магистральных и субмагистральных линий или коэффициентах усиления

(3.17)

где - затухание ответвителей.

14. После уточнения геометрических размеров распределительной сети СКТВ ее участков рассчитываются уровни ТВ радиосигналов для каждого канала распределения и каждого участка на основе полученных данных строится расчетная диаграмма уровней сигналов распределительной сети. Ее данные наносятся на принципиальную схему этой сети. Данные документы являются основой для настройки распределительной сети при строительстве, приёмке и эксплуатации.

15. Домовые распределительные сети имеют структуру, определяемую строительными чертежами зданий и домов. Расчет сетей производится по приведенным выше формулам с учетам требований, приведенных в табл. 3.1. Как правило, ДРС отдельно стоящих зданий обслуживаются одним домовым усилителем, имеют число стояковых (вертикальных) линий, равное числу подъездов дома, число разветвителей в линиях, равно числу этажей, и могут обслуживать до 100 абонентских коробок.

В задачу расчета ДРС входят:

- выбор типа домового усилителя, определение необходимого уровня ТВ радиосигнала на его выходе;

- выбор марок кабеля для соединительных линий ДРС, абонентских разветвителей и оконечных устройств;

- определение длин соединительных линий ДРС и величин вносимых ими затуханий;

- определение уровней ТВ сигналов во всех точках ДРС и особенно на выходах абонентских линий, где значение уровня сигнала должно быть пределах, приведенных в табл. 3.1;

- определение отношений сигнал-шум в самой розетке (коробке). Ориентировочно домовый усилитель УД201 может обеспечить радиосигналами до 30…70 абонентских коробок.

 

3.3 Расчет шумовых параметров распределительной сети СКТВ [8]

Соответствие расчетного уровня ТВ радиосигнала на выходе коробки абонента требуемому значению в пределах 70…88дБ/мкВ еще не означает обеспечение высокого качества изображения на экране телевизора абонента. Согласно п.5 табл.3.1 должно быть обеспечено отношение сигнала изображение к шуму ТВ канала не менее 43дБ. Можно отметить, что этот уровень не полностью гарантирует не заметность шума на изображении. Целесообразно взять в качестве критерия отношении сигнал-шум, равное 45…48 дБ.

Главная специфика шумовой помехи состоит в том, что она накапливается о всей протяженности распределительной сети СКТВ от приемной антенны до коробки абонента (КА). При этом наиболее

уязвимым является участок между антенной и ГС. Однако резкое возрастание уровня шума возможно при неправильном расчете уровней радиосигналов на входах усилителей или заниженном их значении в результате неверного строительства или эксплуатации.

Рассмотрим расчет шумов распределительной сети линейной структуры, состоящей из пяти участков (рис 3.5). Предположим, что на

выходе КА приемной антенны уровень ТВ радиосигналов L_{вых n р А} равен 70 дБ/мкВ. Однако по техническим причинам ГС удалена от антенны на расстояние. Затухание, вносимое фидером снижения длинной l, равно 10дБ. Номинальный уровень сигнала на входе ГС равен 70дБ/мкВ. Очевидно, что уровень сигнала на выходе фидера равен 60дБ/мкВ и меньше номинального значения уровня входного сигнала ГС.

 

Рис. 3.5. Структурная схема линейной распределительной сети

 

Допустим, что прием ТВ радиосигнала сопровождается помехами на частотах соседних каналов и необходима установка дополнительного канального фильтра (КФ) с коэффициентом затухания в полосе прозрачности 6 дБ. В этом случае уровень сигнала на входе ГС снизится до 54 дБ/мкВ, что является совершенно неприемлемым для нормальной работы аппаратуры.

Возникает необходимость в установке специального антенного усилителя (АУ) с коэффициентом усиления не менее 16 дБ. Предположим, что используется АУ с коэффициентом усиления G _АУ=20 дБ, коэффициентом шума К_{ш АУ}=5дБ и номинальным уровнем входного сигнала L_{ВХ АУ} =60 дБ/мкВ. Рассмотрим случай, когда АУ по техническим причинам не может быть установлен непосредственно около антенны и удален от нее на расстояние l₁. Соединительная линия (радиочастотный кабель) вносит затухание

α₁= α _fl_1,,

где α₁ – коэффициент затухания кабеля на частотах принимаемого канала.

Предположим, что α₁=6 дБ. Обращаясь к рис.3.5 легко подсчитать, что на выходе линии l₁ уровень сигнала L_{вых l1} = L_{вых n р А}- α₁ и составляет 64 дБ,

что превышает уровень входного сигнала выбранного АУ на 4 дБ. Для выполнения равенства L_вых l ₁ = L_{вх АУ} на участке Уч. 1 необходимо установить аттенюатор (Атт) с вносимым затуханием (поглощением) α_атт=4 дБ. Ослабление сигнала на втором участке длиной l ₂

где α_КФ=6 дБ есть ослабление ТВ радиосигнала в канальном фильтре КФ.

Предположим, что α₂=10 дБ. Следовательно, если уровень сигнала на выходе АУ равен 80 дБ/мкВ, т.е соответствует номинальному уровню входного сигнала ГС. Таким образом уровни ТВ радиосигнала на участке протяженностью между приемной антенной и ГС сбалансированы.

Целью расчета шумовых параметров распределительной сети СКТВ являются определение величин мощностей шума и уровней шума в заданных точках сети, вычисление отношения сигнал-шум в этих точках и наиболее удаленной КА во всех каналах распределения, а также в диапазоне ОВЧ ЧВ вещания.

Методика расчёта шумовых параметров распределительной сети приводится в работе [8]