Підсилювачі потужності телевізійного мовлення

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ РФ МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УНІВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (ТУСУР) КАФЕДРА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЗАХИСТУ ІНФОРМАЦІЇ (каф. РЗИ) ЗВІТ ПО УІР ПІДСИЛЮВАЧІ ПОТУЖНОСТІ ТЕЛЕВІЗІЙНОГО МОВЛЕННЯ З спільне і роздільне посилення сигналів ЗОБРАЖЕННЯ І ЗВУКУ ВИКОНАВ ст. гр. 146-1 Черваньов В.В. ПЕРЕВІРИТИ Викладач каф. РЗИ ТІТОВ А.А.

ЗАВДАННЯ

Аналіз можливих способів побудови малопотужного підсилювача 27 каналу ТБ

Технічні характеристики підсилювача:

- Потужність зображення-10Вт;

- Потужність звуку-1Вт;

- 27 канал ДМХ - 519,25 МГц;

-Uвх з = 0,7 В;

-Uвх зв = 0,3 В;

-Еп = 24В.

ВСТУП

У пристроях теле-і радіомовлення, системах лінійної і нелінійної радіолокації, вимірювальної техніки та експериментальної фізики в ряді випадків виникає проблема лінійного складання в навантаженні потужності двох незалежних сигналів з відносною розладом між ними, що не перевищує декількох відсотків.

Використання для розглянутих цілей схем складання потужності на основі довгих ліній приводить до втрати половини потужності сумовних сигналів. Використання кільцевих частотно-розділових ланцюгів також важко через необхідність реалізації високодобротних фільтрів високих порядків.

Тому в телевізійних передавачах з вихідною потужністю більше 1 кВт складання радіосигналів зображення та звукового супроводу здійснюється за допомогою диплексера [1]. Крім роздільного посилення застосовується принцип спільного посилення радіосигналів зображення і звуку в одному усилительном тракті [2].

При спільному посилення радіосигналів мовного телебачення, в усилительном тракті амплітуда сумарного сигналу, що діє в каналі посилення, в 1,32 рази перевищує амплітуду сигналу зображення [3] (при відношенні Різ / РЗВ = 10:1), тракт повинен володіти великим динамічним діапазоном, ніж у випадку роздільного посилення радіосигналів. Крім того, лінійність такого тракту повинна бути значно краще, тому що нелінійність є причиною перехресних спотворень сигналів [3].

Оскільки рівні обох сигналів досить великі, вимоги до диференціальних характеристикам підсилювального тракту значно жорсткіше, ніж для передавача ТV зображення (ТВП), де в широкосмуговому ВЧ тракті посилюється тільки радіосигнал зображення. Аналогічно тому як при передачі повного колірного ТБ сигналу в ТВП диференціальні спотворення призводять до перехресним спотворень між складовими сигналу, в телевізійному ретрансляторі-перетворювачі (РПТ) з'являються перехресні спотворення між радіосигналами зображення, звукового супроводу і бічних частот. У реальному підсилювачі ВЧ сигналів через його нелінійності між основними частотами спектру: fіз, fзв і fбок (де fбок може бути, наприклад fбок = fіз + fцв) виникають комбінаційні складові тим більшого рівня, чим більшою нелінійністю володіє підсилювач.

Комбінаційні продукти можуть бути внеполосного і внутриполосного. Рівні позасмугових випромінювань суворо нормуються і придушуються фільтруючими елементами, включеними в тракт передавальної частини обладнання (зокрема смуговими фільтрами, включеними на виході підсилювача). Найбільш небезпечні такі комбінаційні (інтермодуляційні або перехресні) продукти, які потрапляють у смугу пропускання підсилювачів і не можуть бути ліквідовані ніякими режекторним ланцюгами. Така внутриполосного складова, що залежить від всіх 3 основних частот спектру, має частоту fпом = fіз + fзв-fбок і викликана нелінійністю амплітудної характеристики 3 порядку. Природно, що вхідні підсилювачі РПТ практично не вносять спотворень у цей параметр через малий рівня корисного сигналу. Основні спотворення лінійності зосереджені у вихідних підсилювачах потужності, де динамічний діапазон підсилювального елемента (транзистора або лампи) використовують на максимум. Відомі два основні методи зниження рівня перехресних перешкод: створення трактів з малим ДУ у всьому діапазоні рівнів сумарного сигналу; введення предкорректірующей нелінійності протилежного характеру в попередньому радіочастотний тракті [3].

4.СОВМЕСТНОЕ ПОСИЛЕННЯ.

Як вже згадувалося раніше, для посилення радіосигналів телевізійного зображення можуть використовуватися підсилювачі як c спільним посиленням [2], так і підсилювачі з роздільним посиленням радіосигналів зображення і звуку. Розглянемо кожен принцип окремо. Почнемо зі спільного.

Відповідно до вимог ГОСТ [4,5], рівень будь-якого побічного (внеполосного) радіовипромінювання телевізійних передавачів з вихідною потужністю більше 25 Вт повинен бути не менш ніж на мінус 60 дБ нижче пікової потужності основного коливання. У той же час в підсилювачах потужності передавачів з спільним трактом посилення радіосигналів зображення та звукового супроводу не вдається реалізувати рівень інтермодуляціонних складових у спектрі вихідного сигналу менше мінус 25-30 дБ.

У малопотужних передавачах, підсилювач потужності для якого ми й розглядаємо, роздільне посилення не використовується. Для зменшення рівня внеполосного випромінювання в них застосовуються смугові фільтри, які поглинають від 15 до 20 відсотків вихідний потужності передавача. Схематично це виглядає так, як показано на малюнку 4.1.

Малюнок 4.1 - структурна схема підсилювача з спільним посиленням

Спектр телевізійного сигналу має наступну форму:

Малюнок 4.2 - спектр TV-сигналу і АЧХ смугового фільтра

Як вже було сказано раніше, смугові фільтри не забезпечують в даній мірою ГОСТом співвідношення між несучою зображення і продуктами інтермодуляціонних (перехресних) спотворень tv і звукових сигналів, рівне-60дБ. Максимальне чого вдається домагатися, це - (25-35) дб. Крім того, розміри самого фільтра виявляються сумірними з розмірами підсилювача.

Принципова схема підсилювача з спільним посиленням наведена в додатку А.

5. РОЗДІЛЬНА ПОСИЛЕННЯ.

Крім спільного посилення, використовуються підсилювачі з роздільним посиленням. Принцип дії: підсилювач складається з двох каналів, в яких відбувається роздільне посилення сигналів зображення і звуку, в одному з каналів посилюється сигнал зображення, в іншому сигнал звуку, і з подальшим складанням їх потужностей на виході за допомогою схем складання потужностей [1].

Малюнок 5.1 структурна схема підсилювача з роздільним посиленням

Використання для розглянутих цілей схем складання потужності на основі довгих ліній приводить до втрати половини потужності сумовних сигналів. Використання кільцевих частотно-розділових ланцюгів також важко через необхідність реалізації високодобротних фільтрів високих порядків.

Тому в телевізійних передавачах з вихідною потужністю більше 1 кВт складання радіосигналів зображення та звукового супроводу здійснюється за допомогою диплексера, що складаються з направлених відгалужувачів (трехдецібельних мостів додавання) та режекторних фільтрів [1]. У малопотужних передавачах, через великих габаритних розмірів відомих в даний час диплексера, роздільне посилення не використовується.

Але, в той же час, в малопотужних передавачах, також як і в потужних, можливе використання роздільного посилення. Зменшення габаритних розмірів диплексера (рис. 5.2) при цьому може бути досягнуто за рахунок реалізації малогабаритних спрямованих ответвителей.

Малюнок 5.2 - диплексера на основі спрямованого відгалужувачі

Тут НО1 і НО2 - трехдецібельние мости, - Баластна опір, - Опір навантаження, і - Потужності радіосигналів зображення та звукового супроводу, і - Ємності й індуктивності режекторних фільтрів, налаштованих на середню частоту радіосигналу звукового супроводу.

Принципова схема підсилювача з роздільним посиленням наведена у додатку Б.

6. РОЗРАХУНОК диплексера.

У передавачах з вихідною потужністю більше 1 кВт використовується роздільне посилення радіосигналів зображення та звукового супроводу з наступним їх складанням на диплексера, схема якого наведена на малюнку 5.2 [1].

Оскільки можливості збільшення добротності малогабаритних режекторних фільтрів обмежені, виникає проблема побудови диплексера, що забезпечує мінімальні втрати потужності радіосигналу зображення і звукового супроводу при заданих допустимих спотвореннях форми АЧХ каналу зображення.

Радіосигнал звукового супроводу, потрапляючи на НО2, ділиться порівну між виходами 5 і 6, досягаючи режекторних фільтрів відбивається від них, і складається в фазі на виході 8 НО2. Тому потужність радіосигналу звукового супроводу, що надходить на вихід 7 НО2, не залежить від опору втрат режекторних фільтрів. Знаходячи різниця між потужністю і потужністю поглинається режекторним фільтрами, отримаємо величину потужності радіосигналу звукового супроводу в навантаженні:

(1)

З урахуванням формули (1) і співвідношення для розрахунку вхідного опору послідовного контуру при малих раcстройках [6], модуль коефіцієнта передачі диплексера для радіосигналу зображення може бути представлений виразом:

, (2)

де ; - Добротність контуру; - Відносна расстройка; - Абсолютна расстройка; - Резонансна частота контура, рівна круговій частоті радіосигналу звукового супроводу.

Відповідно до вимог ГОСТ [4,5], при заданій расстройке нормований коефіцієнт передачі каналу зображення не повинен бути менше певної величини . Підставляючи і в (2), отримаємо співвідношення для розрахунку необхідної добротності режекторних фільтрів, відповідної обраним значенням , , , :

. (3)

Знаючи , Не складно розрахувати нормовані, щодо і , Значення і [5]:

(4)

.

За співвідношенням (3) і (4) можна розрахувати необхідні значення , і . Однак на практиці, найчастіше, буває відома досяжна величина добротності контурів, виконаних з тієї або іншої технології виготовлення. Тому, вважаючи відомими , , , , З (2), (3), (4) отримаємо:

(5)

де - Необхідна потужність радіосигналу зображення в навантаженні; .

Експериментальні дослідження диплексера підсилювачів потужності ТВ передавачів показали, що, при використанні повітряних конденсаторів і індуктивностей виготовлених з посрібленого мідного дроту, добротність режекторних фільтрів виявляється не гірше 340-360.

Розрахуємо необхідні вихідні потужності підсилювачів радіосигналів зображення та звукового супроводу 10Вт передавача 27 каналу ТВ ДМВ і значення елементів режекторних фільтрів диплексера, якщо при відбудові на 1 МГц від частоти радіосигналу звукового супроводу нормований коефіцієнт передачі каналу зображення повинен бути не менше мінус 4 дБ [4,5 ], досяжна добротність режекторних фільтрів дорівнює 350, передавач працює в 75-омном тракті.

Потужність радіосигналу звукового супроводу в антені, згідно [4,5], дорівнює 10% від номінальної пікової потужності каналу зображення. Тобто = 10 Вт. Несуча частота радіосигналу звукового супроводу 27 каналу ТВ дорівнює 525,75 МГц [3]. При абсолютній розладі в 1 МГц відносна расстройка = 1 / 525, 75 = 0,0019. Спад АЧХ на 1 дБ відповідає величині = 0,63. Відносна расстройка = 6,5 / 525,75 = 0,0124. Підставляючи відомі , , , , , в (5) отримаємо: = 0,438; = 3,17 Вт; = 10,55 Вт; = 136,38 Гн; = 73мФ. Вихідні значення елементів режекторних фільтрів рівні: = 19 мкГн; = 1,85 пФ.

7. СТВОРЕННЯ ПІДСИЛЮВАЧА З спрямовані відгалужувачі.

Можливо також створення підсилювача потужності з спільним посиленням на основі спрямованого відгалужувачі (ПЗ). НО-це узгоджена петля зв'язку, поміщена в електромагнітне поле переданого по ВЧ фідера радіосигналу [3]. Будь-який АЛЕ характеризується 2 параметрами, які показують залежність між відгалужується потужністю Ротв та потужностями, що діють у фідері Росії і в баластному резистори Рб:

Коефіцієнтом спрямованості Кнапр = Ротв / Рб;

Коефіцієнтом відгалуження потужності А = Ротв / Рф;

Хороші АЛЕ мають Кнапр> 30дб.Коеффіціент А визначається призначенням АЛЕ. У TV-передавачах АЛЕ використовують, як правило, для поділу хвиль у ВЧ фідері. У реальних трактах завжди існує відбита від навантаження або елементів фідера хвиля.

Якщо АЛЕ відрегульований так, що А = 0,5, тобто половина потужності Росії надходить у Rн, а інша половина відгалужується, то такий АЛЕ називається трехдецібельним зрівняльним мостом [3].

Задаючи певні коефіцієнти відгалуження потужності можна отримати задані ГОСТом співвідношення 10:1 за рівнем потужності Tv та звукових сигналів, що виділяються в Rн спрямованого відгалужувачі. Що згодом і потрібно буде реалізувати практично, використовуючи 2 підсилювача однакової потужності спільно з направлені відгалужувачі.

Малюнок 7.1 - структурна схема підсилювача з направлені відгалужувачі

Принципова схема підсилювача з (ПЗ) наведена у додатку В.

8. МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ МКЦ.

Важливим питанням, при побудові як широкосмугових так і смугових підсилювачів потужності, є питання отримання максимального посилення від кожного підсилювального каскаду при заданому допустимому ухиленні АЧХ від необхідної форми. Це пов'язано з тим, що зменшення посилення призводить: до зниження коефіцієнта корисної дії підсилювача, через зростання числа підсилювальних каскадів і збільшення споживаної ними потужності від джерела живлення; до погіршення лінійності амплітудної характеристики і зростанням інтермодуляціонних спотворень, внаслідок роботи предоконечного каскадів підсилювачів на частотно -залежне опір навантаження при підвищених вихідних напругах.

В [7] описана методика параметричного синтезу таблиць нормованих значень елементів КЦ використовуються в підсилювачах потужності, яка дозволяє здійснювати їх реалізацію з максимально можливим коефіцієнтом підсилення при заданому допустимому ухиленні АЧХ від необхідної форми.

Використовуючи односпрямовану модель транзистора, передавальну функцію каскаду з КЦ можна описати дрібно-раціональною функцією комплексного змінного:

(1)

де - Нормована частота; - Поточна кругова частота; - Вища кругова частота смуги пропускання широкосмугового підсилювача, або центральна частота смугового підсилювача; К - множник визначає рівень коефіцієнта передачі; - Коефіцієнти, які є функціями параметрів КЦ нормованих щодо і опору джерела сигналу для широкосмугових і для смугових підсилювачів.

Виберемо як прототипу передавальної характеристики каскаду дрібно-раціональну функцію вида:

. (2)

Знайдемо такі її коефіцієнти, які дозволять із системи нелінійних рівнянь:

(3)

розрахувати нормовані значення елементів КЦ, щоб забезпечити максимальний коефіцієнт підсилення при заданому допустимому ухиленні АЧХ від необхідної форми. З метою знаходження необхідних значень коефіцієнтів перейдемо до квадрату модуля функції (2):

де -Вектор коефіцієнтів ; -Вектор коефіцієнтів

Для вирішення задачі знаходження векторів коефіцієнтів скористаємося методом оптимального синтезу теорії фільтрів. Для цього складемо систему лінійних нерівностей:

(4)

,

де - Дискретну безліч кінцевого числа точок в заданій нормованої області частот; - Необхідна залежність квадрата модуля на множині ; - Допустиме ухилення від ; мала константа.

Перше нерівність в (4) визначає величину допустимого відхилення АЧХ каскаду від необхідної форми. Друге і третє нерівності визначають умови фізичної реалізованості розраховується КЦ. Враховуючи, що поліноми і позитивні, модульні нерівності можна замінити простими і записати завдання в наступному вигляді:

(5)

У результаті отримаємо систему однорідних лінійних нерівностей, що є задачею лінійного програмування. Для забезпечення максимального коефіцієнта посилення розраховується каскаду, нерівності (5) слід вирішувати за умови максимізації функції мети: Рішення нерівностей (5) дає вектори коефіцієнтів , Відповідні заданим і . Коефіцієнти , Співвідношення (2), визначаються за відомими коріння рівнянь [5]:

Далі, з рішення системи нелінійних рівнянь (3), знаходяться нормовані значення елементів КЦ, щоб забезпечити максимальний коефіцієнт підсилення каскаду при заданому допустимому ухиленні АЧХ від необхідної форми.

Багаторазове рішення системи лінійних нерівностей (5), для різних і , Дозволяє здійснити синтез таблиць нормованих значень елементів КЦ, за якими ведеться проектування підсилювачів.

Як приклад здійснимо синтез таблиць нормованих значень елементів однієї з найбільш простих і ефективних КЦ застосовуваних у смугових підсилювачах потужності, схема якої наведена на рис.1.

Рис. 8.1.

Аппроксимируя вхідний і вихідний імпеданс транзисторів V1 і V2 RC-та RL-ланцюгами, від схеми наведеної на рис. 1 перейдемо до схеми наведеної на рис.2.

Рис. 8.2.

Вводячи ідеальний трансформатор після конденсатора С2, з наступним застосуванням перетворення Нортона, перейдемо до схеми представленої на рис.3.

Рис. 8.3.

Коефіцієнт прямої передачі послідовного з'єднання КЦ і транзистора V2, c урахуванням перетворення КЦ (малюнок 3), можна описати виразом:

, (6)

де ; - Коефіцієнт підсилення транзистора V2 за потужністю в режимі двостороннього узгодження на частоті ;

(7)

(8)

- Нормовані щодо і значення елементів .

За відомим значенням , Переходячи від схеми на рис 3 до схеми на рис.2, знайдемо:

(9)

де , - Нормоване щодо і значення .

З (6) випливає, що коефіцієнт підсилення каскаду в смузі пропускання дорівнює:

(10)

Співвідношення (7) - (9) дозволяють розрахувати нормовані значення елементів схеми (рис.1) за відомими коефіцієнтами b1, b2, b3, b4. Для знаходження зазначених коефіцієнтів сформуємо квадрат модуля функуціі-прототипу передавальної характеристики аналізованої ланцюга:

Коефіцієнти знаходяться за відомими коріння рівняння:

Для знаходження коефіцієнтів складемо систему лінійних нерівностей:

(11)

Вирішуючи нерівності (11), при максимізації функції мети: , Знайдемо коефіцієнти забезпечити отримання максимального коефіцієнта посилення при заданій допустимої нерівномірності АЧХ в заданому діапазоні частот.

У таблиці 1 наведені результати розрахунків нормованих значень елементів , Отримані для нерівномірності АЧХ рівної дБ при різних значеннях і різних значеннях відношення , Де - Верхня і нижня частоти смугового підсилювача.

Нормовані значення елементів КЦТабліца 8.1

Аналіз отриманих результатів показує, що при заданому значенні відносна смуга пропускання каскаду не може бути менше певного значення.

При більших величинах відносини аналізована схема КЦ перероджується в Трьохелементний КЦ. Тому в таблиці наведено результати розрахунків КЦ обмежені ставленням рівним шести.

Таким чином, розрахунок КЦ зводиться до наступного. Відповідно до заданим відношенням , За співвідношенням (8) і табличним значенням b1, b2, b3, b4 розраховується , За таблицями знаходяться нормовані значення елементів відповідні розрахованому . Далі за формулами (9) здійснюється їх перерахунок у елементи , Що відповідає переходу від схеми на рис. 3 до схеми на рис. 2. І, нарешті, здійснюється де нормування елементів КЦ.

9. ВИСНОВКИ

З усього розглянутого знайшли, що в ДМВ діапазоні так само як і в МВ діапазону, де застосовуються підсилювачі потужності з роздільним посиленням радіосигналів зображення та звуку і з наступним складанням їх потужностей на мостових схемах складання або на диплексера, можливе застосування роздільного посилення радіосигналів зображення і звуку з подальшим складанням їх на диплексера або на АЛЕ для отримання на виході передавачів заданих співвідношень Різ / РЗВ рівних 10:1, що відповідають нормам ГОСТу.

ЛІТЕРАТУРА

Одаренко Д.М., Тітов А.А. Проектування диплексера телевізійного підсилювача потужності / / Матеріали регіональної науково-технічної конференції "Радіотехнічні та інформаційні системи та пристрої". - Томськ. Вид-во ТУСУР. 1999.

Титов А.А., Меліхов С.В. Підсилювач потужності з захистом від перевантажень / / Прилади й техніка експерименту. 1993. № 6. С. 118-121.

Іванов В.К. Обладнання радіотелевізійних передавальних станцій. - М.: Радіо і зв'язок. 1989.

ГОСТ Р 50890-96. Передавачі телевізійні малопотужні.

ГОСТ 20532-83. Радіопередавачі телевізійні 1 - 5 каналів.

Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теорія радіотехнічних ланцюгів. -М.: Енергія.1965.

Титов А.А., завзятість А.Є. Розрахунок межкаскадной коректує ланцюга смугового підсилювача потужності / / Праці третього міжнародного симпозіуму "Конверсія науки - міжнародному співтовариству". - Томськ. Вид-во ТГУ. 1999. С. 70.

Додаток А

Принципова схема підсилювача з спільним посиленням

Додаток Б

Принципова схема підсилювача з роздільним посиленням

Додаток В

Принципова схема підсилювача з АЛЕ