|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 23 24 25 26 27 28 29 ... 33 ГЛАВА 7 Телевизионные передающие станции для наземного вещания очень и ультравысоких частот 7.1. Общие сведения При телевизионном вещании .(ТВ) на вход телевизионного передатчика поступают от источников их формирования информ ационные сигналы изображения и звукового сопровождения (ЗС). В ТВ передатчике полный цветовой ТВ сигнал и сигнал ЗС преобразуют в радиосигнал вещательного телевидения заданного уровня мощности со стандартными параметрами [7.1, 7.2]. Передатчик ТВ с антенно-фидерной системой (АФС) и некоторыми дополнительными сервисными средствами, включая контрольно-измерительную аппаратуру, называют телевизионной радиостанцией (ТВРС). Абсолютное большинство современных наземных ТВРС предназначено для передачи аналогового ТВ. Радиосигнал аналогового телевидения состоит из радиосигнала изображения и радиосигнала ЗС. Основные характеристики этих сигналов приведены в [1.1, гл. 9]. Напомним, что в соответствии со стандартами D/K, принятыми в России, при передаче изображения используют амплитудную модуляцию с частично подавленной нижней боковой полосой. Этот сигнал занимает относительно несущей частоты изображения /нес,из полосу от /нес.из - 0,75 МГц до /нес,из + 6 МГц. Сигнал ЗС передают с .помощью частотной модуляции; центральная частота радиосигнала ЗС /несЗС расположена на 6,5 МГц выше /нес.из- При этом возможна передача ЗС моно, стерео или на двух языках*. Таким образом, полная полоса частот, отводимая в стандартах D/K для радиосигнала ТВ вещания, составляет 8 МГц. Мощность радиосигнала ЗС составляет 0,1 Вт пиковой мощности радиосигнала изображения. Для наземного телевещания в России выделены следующие диапазоны ОВЧ и ОВЧ: I 48,5...66 МГц; II 76,0...100 МГц; III 174...230 МГц; IV 470...582 МГц; V 582. ..870 МГц. В этих диапазонах размещены 70 ТВ радиоканалов, частоты которых приведены в табл. 7.1. * В некоторых зарубежных странах используют цифровое ЗС по системе NICAM [7.3].
Кроме того, в диапазоне 2...3 ГГц выделены полосы ТВ радиоканалов для систем многолучевого распределения ТВ программ (MMDS - Multichannel Multipoint Distribution System). Важнейшие требования, предъявляемые к ТВРС, связаны с качеством передаваемых сигналов и надежностью станций. Качество передачи оценивают в конечном счете субъективно зрители. Объективные требования к качеству передачи ТВРС определены допустимыми уровнями искажений передаваемых сигналов, которые установлены соответствующими стандартами [7.1, 7.2]. Требования к передаче сигналов ЗС по сути такие же, как в передатчиках радиовещания с ЧМ ОВЧ диапазона, и рассмотрены в гл. 8. Требования к качеству сигнала изображения включают нормы на допустимые линейные искажения сигналов в передающем тракте: отклонения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и характеристики группового времени запаздывания (ХГВЗ), переходные характеристики, нелинейные искажения: искажения типа дифференциальное усиление и дифференциальная фаза ,
 Рис. 7.1 сопутствующую паразитную фазовую модуляцию, нормы на допустимый уровень фоновых и других шумов. Нормированы также допустимые уровни специфичных для ТВРС с совместным усилением радиосигналов изображения и ЗС паразитных комбинационных частот. Кроме названных стандартов [7.1, 7.2] нормы на допустимые искажения приведены в [1.1, 7.4]. Конкретные допуски и нормы будут указаны в процессе дальнейшего изложения материала. Общий подход к проектированию ТВРС состоит в использовании блочно-модульного принципа построения радиостанций. При этом радиотехническая часть ТВРС состоит из возбудителя, усилителя мощности (УМ) радиосигналов изображения и ЗС и АФС (рис. 7.1). В ТВРС на рис. 7.1 использовано резервирование замещением. Так, при выходе из строя основного возбудителя его замещают резервным; то же самое происходит и при отказе основного УМ. Подробное рассмотрение проектируемых структур возбудителя, УМ и их отдельных элементов для аналоговых ТВРС дано в § 7.2-7.7. В § 7.8 приведены материалы, касающиеся проектирования ТВРС для наземного цифрового телевидения. Общую информацию о фирмах-производителях ТВРС можно найти в Интернете по адресу http: www/tv-radio.ru. 7.2. Разработка структуры возбудителя ТВРС* Возбудитель ТВРС включает (рис. 7.2): синтезатор для генерации промежуточных частот и частот рабочего диапазона; тракт обработки видеосигнала; тракт обработки сигнала ЗС; тракт ПЧ радиосигнала изображения; тракт ПЧ радиосигнала ЗС; повышающий преобразователь частоты (ПП) и выходной усилитель мощности радиосигналов изображения и ЗС. На вход возбудителя подают информационные сигналы изображения и ЗС, а на его выходе получают полный ТВ радиосигнал на частоте заданного канала, но низкой мощности (от 0,1 до 1 Вт пиковой мощности * Использованы материалы, любезно предоставленные В.М. Моделем. диод Видеосигнала Тракт РЧ раЗиошгпш изо§ражения MoS. - ФЛЧХ - Чсттт Ситпезатор ПЧ UJ Сишезатвр У бход ЗС
Трат ПН ракошгнам ЗС [>-/7/7 - [> SbixoS бозВуЗи-шеля Сшштои Teem Рис. 7.2 радиосигнала изображения). В возбудителе осуществляют все необходимые преобразования сигналов, в том числе модуляцию и предкоррек-цию. Заметим, что возбудитель по схеме рис. 7.2 используют в ТВРС с совместным усилением радиосигналов изображения и ЗС (СУ). В ТВРС с раздельным усилением (РУ) тракт ЗС заканчивается отдельным ПП с последующим усилителем мощности и имеет отдельный выход. Перейдем к разработке структур отдельных функциональных узлов возбудителя. Тракт обработки видеосигнала. Функциональная структурная схема видеочастотного тракта приведена на рис. 7.3. В этом тракте после предварительного усиления в 1 производят обработку полного цветового телевизионного сигнала (ПЦТВС) для частичного освобождения его от помех при передаче, например из телецентра на ТВРС, и восстановления постоянной составляющей перед подачей этого сигнала на вход модулятора ПЧ. В этом же тракте производят частичную предкоррекцию нелинейных искажений, возникающих в последующих каскадах УМ. Обычно это осуществляют раздельно для участков амплитудной характеристики от нулевого уровня до уровня гашения (в элементе 4) и от уровня гашения до уровня вершин синхроимпульсов (в элементе 6). На верхнем участке амплитудной характеристики в выходных каскадах тракта происходит компрессия синхросигнала, поэтому схемы, обеспечивающие коррекцию этих искажений, называют схемами растяжки синхроимпульсов. В видеочастотный тракт вводят несколько сигналов отрицательной обратной связи по огибающей, что способствует стабилизации характерных уровней в выходном радиосигнале (уровня гашения, уровня вершин синхроимпульсов и иногда уровня белого при наличии в передаваемом телевизионном сигнале специальных импульсов опорного белого). Основными помехами, искажающими входной ПЦТВС, являются фоновые помехи и искажения типа перекосов импульсов сравнительно низких частот (полукадров и строк). Эти искажения легко устраняют при восстановлении средней составляющей в сигнале путем фиксации УпраВлямицие напртения обратных связей поуроВнп J-1 ПпЯп.ча п .СИ .гашении' Подача фиксирукицих импульсов Рис. 7.3 уровня гашения [1.1]. Фиксацию осуществляют с помощью специальных импульсов, сформированных в элементе 8 из входного сигнала. Помимо сказанного в видеотракте производят регенерацию синхро-смеси (в элементе 2) либо путем сильной растяжки синхросигналов и их последующего ограничения до заданного уровня, либо с помощью более сложных схем, в которых исходный синхросигнал подвергают глубокому двухстороннему ограничению, а выделенный таким образом сигнал синхронизирует импульсный генератор, вырабатывающий новый синхросигнал. Путем ограничения ПЦТВС освобождают от исходного синхросигнала, на место которого замешивают регенерированный. Теперь он в значительной степени освобожден от шумов. Управляющее- напряжение обратной связи по уровню вершин синхроимпульсов как разность опорного напряжения, определяющего номинальный уровень вершин синхроимпульсов и напряжения, снимаемого с пикового детектора, подключенного к зонду на выходе передатчика, задает в точке б степень растяжки синхроимпульсов, компенсирующую их компрессию в тракте передатчика. Управляющее напряжение обратной связи по уровню гашения получают с помощью ключевой схемы, выделяющей уровень гашения в про-детектированном радиосигнале, снимаемом с зонда на выходе передатчика. Этот уровень сравнивают с опорным напряжением, определяющим номинальный уровень гашения, и разностный сигнал подают в точку в выходного УПТ 7 (рис. 7.3). Часто аналогичную противосвязь применяют в тракте усиления ПЧ, реализовав схему АРУ по уровню гашения, которая лучше противостоит дестабилизирующим процессам, имеющим место в тракте передатчика. В этом случае введение управляющего напряжения в точку в видеотракта может не потребоваться. Для получения напряжения обратной связи по уровню белого требуется после детектора применять схему селекции строк, позволяющую найти строку, в которую вписан импульс опорного белого , среди строк, предназначенных для передачи испытательных сигналов. Далее необходимо выделить импульс опорного белого , измерить его и в случае, если результат измерения не соответствует заданному, создать в точке а управляющее напряжение (рис. 7.3), регулирующее размах сигнала изображения. В видеочастотном тракте часто помещают предкорректор искажений типа дифференциальная фаза (блок 5 на рис. 7.3). Отметим, что на современном уровне развития схемотехники видеочастотный тракт ТВРС выполняют на специализированных ИС. Тракт обработки сигнала ЗС при моносопровождении состоит из усилителя-ограничителя сигнала ЗС и предкорректора, в котором производят предыскажения АЧХ (подъем высоких модулирующих частот) с г = 50 МКС. При стереосопровождении или двухканальном ЗС осуществляют раздельную обработку сигналов каналов А и В, включая предыскажения и формирование комплексного модулирующего сигнала. В этот сигнал также могут быть введены на поднесущих сигналы дополнительных информационных каналов. Полоса частот, занимаемая модулирующим сигналом ЗС, составляет 30... 15 ООО Гц при моносопровождении, при стереосопровождении по системе IRT 30 Гц... 56 кГц, по системе BTSC 30 Гц... 120 кГц [7.3]. В [7.4] описаны различные зарубежные системы формирования и передачи многоканальных сигналов ЗС. Синтезатор частот структурно состоит из: опорного генератора (ОГ); синтезатора промежуточной частоты (ПЧ) изображения /пчиз. синтезатора ПЧ ЗС /пчзс; синтезатора канальной сетки (частот гетеродина /гет) для переноса сформированных на ПЧ радиосигналов изображения и ЗС в полосу выделенного ТВ канала. Требуемую нестабильность частоты (±1 10 за год) обеспечивает ОГ с кварцевой стабилизацией. В некоторых случаях возможна стабилизация частоты от внешнего эталона, например при реализации системы смещения несущих частот (СНЧ) с абсолютной нестабильностью выходной частоты не более ±1 Гц. Обычно /ог = 5; 10 МГц. Все синтезаторы, ПЧ и канальной сетки, выполнены по схемам импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). Стандартные значения промежуточных частот: /пчиз = 38,0 МГц; /пчзс = 31,5 МГц*. Частоты на выходе синтезаторов ПЧ изображения и ПЧ ЗС образуют сетку с интервалом 1/12 частоты строк ТВ сигнала: Д/снч = Д/стр/12 = 15,625 кГц/12 1,3 кГц для реализации возможностей режима СНЧ. В результате синтезатор ПЧ изображения генерирует частоты /П4из = 38 МГц±пД/снч, где п = 1.. .20, а синтезатор центральной частоты ЗС - частоты /пчзс = 31,5 МГц ± пД/снч> гун где п = 1... 20. Структурная схема всех трех син- тезаторов приведена на рис. 7.4. Кольцо ИФАПЧ состоит из генератора, уп- У^ДФИД равляемого напряжением (ГУН), в контур которого включен управляющий фнч УПТ Рис. 7.4 * В ранее выпущенных в России ТВРС ив зарубежных станциях возмож- ны и другие номиналы /пч, например /пчжз = 35,75 МГц, а /пчзс = = 29,25 МГц. элемент (УЭ) - варикап; делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД), усилителя постоянного тока (УПТ) и фильтра нижних частот (ФНЧ). В синтезаторе ПЧ изображения частоту синхронизирующего сигнала /ог = Ю МГц делят в делителе с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) в Л'дфкд = 7680 раз для получения частоты сетки синтезатора = Д/снч- Коэффициент деления Л'дпкд меняют в пределах 29204...29164. Напряжение на выходе синтезатора ПЧ изображения имеет амплитуду порядка 0,7... 1,5 В. Аналогичным образом построен и синтезатор ПЧ ЗС. Его существенное отличие от синтезатора ПЧ изображения в том, что ГУН в кольце ИФАПЧ - это автогенератор, в котором осуществляется ЧМ сигналом ЗС (ЧМАГ на рис. 7.2). Чтобы кольцо ИФАПЧ не снимало модуляции, полоса пропускания ФНЧ не должна превышать 15 Гц (примерно половины нижней модулирующей частоты 30 Гц). При частоте сетки синтезатора 1,3 кГц обеспечивается устойчивая стабилиза- ция центральной частоты ЧМ сигнала [1.1, § 8.4]. Синтезатор канальной сетки вырабатывает сигналы частоты /гет = = /нес.из + /несЗС В рабочем диапазоне частот возбудителя. Как правило, это либо I-II, либо III, либо IV-V диапазоны ТВ. Шаг сетки частот принят равным 0,25 МГц. Так, для III ТВ диапазона в соответствии с табл. 7.1 синтезатор канальной сетки генерирует частоты 213,25... 261,25 МГц с интервалом между ТВ каналами 8 МГц. Коэффициент деления Л^дпкд меняется в пределах 853... 1045. Мощность на выходе синтезатора составляет 10.. .25 мВт на нагрузке 50 Ом. При Проектировании синтезаторов используют материалы гл. 4. При разработке синтезатора канальной сетки будут также полезны материалы § 11.3, в частности при построении ДПКД с предварительным делителем с переключаемым коэффициентом деления. Для этих делителей в III либо IV-V диапазонах можно использовать ИС серии 193. Тракт ПЧ радиосигнала изображения включает модуляционное устройство Мод (см. рис. 7.2), формирователь АЧХ (ФАЧХ), каскады усиления и предкоррекции, в том числе предкорректор интермодуляционных искажений ПКИМИ, и устройство суммирования радиосигналов изображения и ЗС на ПЧ Сум. Преимуидества модуляции на ПЧ общеизвестны [1.1]. Во-первых, весь тракт, включая модулируемый каскад, оказывается унифицированным и неперестраиваемым независимо от рабочего канала ТВРС, и его можно окончательно регулировать в заводских условиях. Во-вторых, получение ряда качественных показателей значительно упрощается: модуляцию, формирование необходимой АЧХ и Предкоррекцию осуществляют на малом уровне мощности на относительно низкой стандартной частоте, а фильтр подавления части нижней боковой полосы выполняют как фильтр на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) со стабильными и, что очень важно, изменяемыми по заказу производителя характеристиками. Все это позволяет получить устойчивые характеристики передатчика в целом. В тракте ПЧ осуществляют предкоррекцию ХГВЗ и нелинейностей, возникающих прежде всего в блоке усиления мощности. Однако в по- следние годы ряд фирм-производителей ТВРС практикует новый подход, заключающийся в отказе от выпуска универсальных возбудителей и в разработке возбудителей, рассчитанных на использование в определенных каналах конкретных ТВРС. В этом случае часто удается довести линейность усиления в УМ ТВРС до уровней дифференциального усиления не более 10 % и дифференциальной фазы не более 6°. При этом отпадает необходимость в корректоре нелинейностей в тракте ПЧ. Коррекцию ХГВЗ (в том числе предкоррекцию искажений в ТВ приемниках) осуществляют в фильтре на ПАВ ФАЧХ. Когда же речь идет об универсальных возбудителях, рассчитанных на работу на любом канале одного или нескольких ТВ диапазонов с разными УМ и в разных системах IB, то приходится обеспечивать уровни дифференциального усиления порядка до 3 %, дифференциальной фазы до 6°, возникает необходимость адаптивной коррекции ХГВЗ - все это требует установки предкорректоров в тракте ПЧ. Подробно вопросы проектирования отдельных каскадов тракта ПЧ рассмотрены далее в § 7.7. В тракте ПЧ радиосигнала ЗС происходит частотная модуляция сигналом ЗС напряжения частоты /пчзс и последующее усиление этого сигнала. Повышающий преобразователь частоты служит для переноса сформированного сигнала на рабочую частоту /нес.из - /гет ~/пч из ТВ радиоканала. При этом происходит инверсия спектра радиосигналов изображения и ЗС, сформированных на ПЧ. Повышающие преобразователи частоты строят по балансной схеме или на варакторных диодах. Вопросы их проектирования также рассмотрены в § 7.7. Отметим, что передающие устройства для кабельного ТВ с выходной мощностью ниже 1 Вт по сути представляют собой возбудитель ТВРС. Учитывая малые уровни мощности, крупносерийное производство, фирмы-производители передающих устройств для кабельного ТВ используют, как правило, специализированные (фирменные) БИС для построения отдельных функциональных узлов. 7.3. Разработка структуры усилителя мощности* Содержание задачи проектирования. При разработке структуры УМ ТВРС приходится решать ряд весьма сложных и противоречивых проблем. Какую выбрать схему: с совместным (СУ) или раздельным усилением (РУ) радиосигналов изображения и ЗС; какие приборы - лампы, клистроны или транзисторы использовать в оконечных, наиболее мощных каскадах УМ; как снизить энергопотребление станции; как осуществить резервирование УМ. Сделанный выбор непосредственно влияет на обеспечение высокой надежности и ремонтопригодности ТВРС, технологичность производства, создание комфортных условий * § 7.3, 7.4 написаны совместно с Л.Б. Калининым.
ДЛЯ обслуживания станции. Поставленная задача является многокритериальной и, как правило, требует, рассмотрения нескольких альтернативных вариантов. Для выбора наиболее приемлемого приведем технико-экономическое сравнение различных вариантов построения УМ ТВРС. Основными исходными данными при разработке УМ являются: рабочий канал ТВ (или диапазон); мощность ТВРС; требования к качеству выходного ТВ сигнала; нормы и требования к подавлению побочных излучений на выходе станции. Заказчик может также формулировать дополнительные условия, связанные со стоимостью ТВРС и условиями ее эксплуатации. Мощность ТВРС выбирают из стандартного ряда, где указана мощность радиосигнала изображения на уровне синхроимпульса Р-.синх: 1; 10; 20... 30; 100; 200... 300 Вт; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 40... 50 кВт. Мощность радиосигнала ЗС на выходе ТВРС Р^зс = 0,1Р^синх. Выбор активных элементов в каскадах УМ. Для оконечного линейного усилителя активные элементы выбирают в зависимости от выходной мощности и диапазона частот (табл. 7.2). Предварительные усилители мощности строят на транзисторах. Как правило, в УМ электронно-вакуумные приборы используют только в оконечных каскадах. Следует обратить внимание на то, что линейность усиления прибора является одним из важнейших критериев при его выборе. Особенно это важно при выборе приборов для УМ СУ. Тетроды выпускают на мощности от 5 до 25 кВт. Для достижения еще больших значений выходной мощности УМ строят по квадратурной схеме сложения мощности двух ламповых усилителей (рис. 7.5). На входе схемы стоит квадратурный мост деления мощности. Бал - ; балластная нагрузка для поглощения отраженных волн. Применение квадратурной схемы сложения (рис. 7.5) позволяет на порядок снизить уровень эхосигналов, что важно при работе на фидер с недостаточно высоким КБВ. Однако увеличение числа ламп, габаритов станции, в том числе за счет громоздкого выходного моста сложения, заставляет применять эту схему только при отсутствии ламп требуемой мощности. Проектирование квадратурных мостов сложения на мощности в единицы и десятки киловатт рассмотрено в § 8.6. Из отечественных ламп в ТВРС применяют тетроды ГУ-45Б, ГУ-93Б, ГУ-36Б, ГУ-44БМ. Усилители строят по однотактной схеме. В ОВЧ диапазоне используют как схему с общим катодом (ОК), так и схему  Рис. 7.5 с общими сетками (ОС): управляющей и экранирующей. Примерное значение коэффициента усиления мощности Кр с учетом КПД выходной колебательной системы и потерь во входном контуре для обеих схем лежит в пределах 20.. .30. В тетродных УМ УВЧ диапазона используют схему с ОС; Кр = 10... 12. В квадратурной схеме сложения мощности (рис. 7.5) или при установке циркуляторов во входной цепи лампы Кр из-за расширения полосы входной цепи может возрастать на 10. . .20 %. 7iOiMcmpo5w.являются сравнительно новыми приборами; в зарубежной литературе их часто называют ЮТ- Inductive Output Tube (лампы с наведенным выходным током). Они предназначены для линейного усиления в УВЧ диапазоне на уровне выходной мощности в десятки киловатт и разработаны, в частности, специально для использования в УМ ТВРС [7.5, 7.6]. Схема включения клистрода приведена на рис. 7.6. Как следует из самого названия прибора, он объединяет в себе свойства триода и клистрона. Катод, сетка и анод клистрода образуют триодную часть, возбуждаемую входным сигналом. В этой части между сеткой и катодом устанавливают входной резонатор (коаксиальный), в который вводят усиливаемый сигнал. В результате формируются импульсы анодного тока (рис. 7.7), как в обычной лампе, работающей в режиме АВ. + - Смещение на сешу -о о мод gjj/j резонатор труды дрейфа шяектор  Блотро1очные конденсащ Рис. 7.6 Выход
 Рис. 7.7 Такое формирование косинусоидальных импульсов конвекционного тока с отсечкой обеспечивает высокую линейность и высокий КПД прибора. Выходная часть клистро-да состоит из коротких пролетных труб и выходного резонатора. Та- КИМ образом, отбор мощности от злектронного луча происходит, как в пролетном клистроне. От расфо-. кусировки в пролетной трубе электронный луч удерживают магнитным полем соленоида. Использование клистронной выходной части обеспечивает устойчивое усиление и позволяет уменьшить емкость выходного резонатора. Как и в клистроне, в клистроде анод и коллектор заземлены по постоянному току; высоковольтное питание подают на катод, плюс дополнительное смещение на сетку. По радиочастоте во входной части клистрода к корпусу подсоединена сетка через блокировочные конденсаторы. Полоса рабочих частот клистрода перекрывает IV-V диапазоны ТВ (470...810 МГц), настройка на конкретный канал производится заменой резонаторов. В России многолучевые клистроды выпускает ГНПП Исток . Некоторые параметры двух клистродов этого предприятия, предназначенных для ТВРС, приведены в табл. 7.3. Клистроны до появления клистродов исключительно широко применялись в УВЧ мощных ТВРС. Однако сейчас на уровне мощности 25 кВт и выше их вытесняют клистроды, а в области мощностей ниже 25 кВт появились новые весьма конкурентоспособные приборы - диакроды, представляющие собой новую ступень в развитии технологии электронных ламп УВЧ диапазона [7.7]. В настоящее время мнения специалистов о перспективности использования клистронов в ТВРС расходятся. Имея преимущества перед тетродами и клистродами по коэффициенту усиления мощности (что не очень принципиально на современном уровне построения мощных линейных транзисторных усилителей), по таким параметрам, как линейность усиления и эффективность (FOM), клистроны существенно уступают им (табл. 7.4). Напомним, что РОМ (Figure of Merit) определяют как отношение мощности радиосигнала в режиме передачи вершины синхроимпульса Таблица 7.4
(а при СУ и мощности радиосигнала ЗС) к потребляемой мощности в среднестатистическом режиме, что для ТВРС является однозначной характеристикой эффективности УМ. Линейность усиления в табл. 7.4 нормирована по уровню коэффициента интермодуляционных искажений (КИИ) при СУ Транзисторы постоянно теснят вакуумные приборы в мощных каскадах УМ ТВРС и радиовещательных передатчиков с ЧМ. В последние годы специально для применения в ТВРС с СУ выпущены суперлинейные транзисторы и балансные транзисторные микросборки для построения двухтактных УМ на уровне 100...250 Вт радиосигнала изображения. Для получения более высоких мощностей используют схемы сложения мощности отдельных модулей. Коэффициенты усиления мощности в наиболее мощных транзисторных широкополосных УМ составляют: в 1-11 диапазоне 12... 15; в III диапазоне 8. ..10, в IV-V диапазоне 6...8. Подробно вопросы проектирования транзисторных УМ в ТВРС рассмотрены в § 7.6. Усилители мощности с раздельным и совместным усилением радиосигналов изображения и ЗС. Выбор способа усиления является одним из важнейших вопросов, но он не всегда имеет однозначное решение. Преимущества СУ: значительное снижение объема и сложности аппаратуры и, как следствие этого, упрощение обслуживания станции. Недостатки СУ: появление интермодуляционных искажений и снижение КПД из-за снижения эффективности использования активных элементов по мощности. Остановимся на важных при проектировании УМ последствиях указанных недостатков. Интермодуляционные искажения проявляются в возникновении комбинационных частот вида ±/нес.из ± т/несЗС ± /нес -цв из-за нелинейности тракта усиления. Эти частоты попадают в полосу собственного радиоканала и в соседние ТВ радиоканалы. Допустимый уровень амплитуд комбинационных частот /нес.из + /несЗС - /н ес.цв и 2/нес.цв - /несЗС не должен превышать -51 дБ при уровне несущих: (/несиз) = -7 дБ, (/несзс) = -10 дБ, (/нес.цв) = -17 дБ, отнесенных к уровню синхроимпульса. €сли уровень комбинационных частот выше нормы, то на экранах телевизоров появляется заметный муар . Улучшить линейность тракта усиления можно, снижая мощность, снимаемую с ламп и транзисторов, что ведет к уменьшению КПД станции. Поэтому часто в тракт совместного усиления на ПЧ приходится включать корректор ГлаВшй J  fHK.u3 в) Рис. 7.8 8,8В 13,0 интермодуляционных искажений (см. рис. 7.2). Для подавления kom-j бинационных частот, попадающих в соседние каналы, на выходе ТВРС устанавливают специальный режекторный фильтр. Его схема приведена на рис. 7.8,а, а АЧХ- на рис. 7.8,е. Каждый режектор выполнен в виде коаксиального резонатора длиной примерно Л/4, который вместе со встроенной емкостной связью образует последовательный контур, резонирующий на частоте подавляемой комбинационной (рис. 7.8,6). Отсюда ясно, что требование высокой линейности УМ в ТВРС с СУ является определяющим при выборе типа активного элемента. Снижение эффективности использования по мощности активных элементов происходит за счет резкого возрастания пиковой мощности, которая из-за биений радиосигналов изображения и ЗС при передаче синхроимпульса достигает 1,73Р...синх. Следовательно, тракт УМ в режиме должен иметь запас в 1,73 раза по мощности в сравнении с УМ радиосигнала изображения при РУ. Из всего сказанного следует, что выбор режима усиления с СУ или РУ неоднозначен. Однако можно утверждать, что для ТВРС до 2 кВт безусловно предпочтительнее схема СУ; для более мощных транзисторных УМ - схема РУ; для передатчиков на тетродах и клистродах - схема СУ. Прогресс техники и переход к цифровому вещанию свидетельствуют в пользу ТВРС с СУ, так как только их можно будет отнести к разряду так называемых двухрежимных передатчиков, т.е. пригодных как для аналогового, так и цифрового ТВ вещания. При использовании схемы РУ тракт усиления радиосигналов состоит из отдельных УМ радиосигнала изображения и УМ радиосигнала ЗС (рис. 7.9). Сигналы с выходов УМ складывают в выходном разделительном фильтре (РФ). Схемы РФ описаны в [1.1, § 9.9]. Все приведенные выше соображения, касающиеся выбора активных элементов и схем, применимы при разработке УМ радиосигнала изображения. УМ ЗС строят так же, как УМ передатчиков ОВЧ-ЧМ вещания (см. гл. 8). Так как мощность на выходе УМ ЗС не превышает единиц киловатт, то во многих ТВРС они построены на транзисторах. изоОра-\-) жения Ptspc Подавление побочных излучений на выходе ТВРС. Уровень любого побочного излучения на выходе ТВРС должен составлять не более -60 дБ от номинальной мощности станции. Кроме того, нормированы абсолютные допустимые уровни побочных излучений: менее 1 и 20 мВт соответственно у передатчиков метрового и дециметрового диапазонов. Поэтому наряду с режекторным фильтром подавле- - ния комбинационных частот, появляющихся в УМ СУ (рис. 7.8), во всех ТВРС приходится дополнительно подавлять высшие гармоники, относительный уровень которых на выходе телевизионной радиостанции без принятия каких-либо дополнительных мер составляет от -(20 ... 25) дБ для второй гармоники до -(50...55) дБ для пятой гармоники; уровни гармоник выше шестой обычно пренебрежимо малы. Для этого ставят специальные фильтры подавления гармоник с реальным затуханием порядка 60 дБ (а с расчетным 70.. .80 дБ) и более. При этом фильтр гармоник должен обеспечивать в полосе телевизионного канала достаточно точное согласование с входным сопротивлением отходящего фидера (КБВ на входе фильтра при работе на соответствующую активную нагрузку должен быть не хуже 0,85...0,9). Фильтры гармоник современных ТВРС строят как фильтры нижних частот. Это позволяет во многих случаях использовать один и тот же типоразмер фильтра для подавления гармоник на выходе ТВРС не только в данном частотном канале, но и в нескольких смежных телевизионных каналах. В схемах с РУ фильтры гармоник включают на выходе каждого УМ (изображения и ЗС) перед РФ (рис. 7.9), что дополнительно позволяет существенно понизить уровень колебаний комбинационных частот между несущей одного канала (например, изображения) и высшими гармоническими частотами другого (например, звукового сопровождения). Эти комбинационные компоненты возникают вследствие проникновения (через упомянутый РФ) на аноды (коллекторы) выходных активных элементов одного УМ напряжения с выхода другого. При очень большой мощности ТВРС, состоящей из двух полукомплектов, фильтры гармоник целесообразно включать на выходе каждого из полукомплектов. Поглощение отраженных волн в УМ. Отраженные волны в УМ возникают прежде всего из-за рассогласований во входных цепях активных элементов и на выходе ТВРС, где из-за неоднородностей в антенно-фидерном тракте появляется фидерное эхо. Для устранения рассогласований в ТВРС широко используют ферритовые циркуляторы и вентили в качестве развязывающих элементов между отдельными ступенями усиления в УМ. При сложении мощностей двух модулей или полукомплектов в большинстве случаев используют квадратурную мостовую схему (см. рис. 7.5), что позволяет погасить отраженные волны на входе и выходе модулей в балластных нагрузках мостов. Для борьбы с фидерным эхом циркулятор устанавливают на выходе ТВРС. При этом его целесообразно включать непосредственно на выходе оконечного каскада УМ. Тогда при всяких коммутациях в последующем радиотракте (например, при обходе моста сложения) нагрузка на активный элемент будет оставаться практически постоянной; устраняются отражения в участке фидера, отходящем от каскада. Главное же, при системе сложения (см. рис. 7.5) включение отдельного циркулятора в каждом полукомплекте позволяет применить такой прибор с меньшей номинальной проходящей мощностью. С точки зрения уменьшения вредных последствий (на приеме) повторных отражений от элементов антенно-фидерной системы такое включение, естественно, менее выгодно; однако эти отражения второго порядка малости (по сравнению с отражениями от выхода передатчика). Современные циркуляторы допускают средние проходящие мощности на дециметровых волнах порядка сотни киловатт, а на метровых - порядка десятка киловатт. Они создают в прямом направлении потери примерно 0,5... 1,0 дБ, а в обратном 15... 20 дБ при КБВ на входе не ниже 0,8... 0,9. Эти устройства пока сравнительно узкополосные (полоса приблизительно от ±(6...8) др ±(10 .. .12) % относительно средней частоты); поэтому даже для перекрытия диапазонов, например, 174. ..230 или 470...638 МГц необходимы два типоразмера циркуляторов. Начиная с проходящих мощностей в сотни ватт, циркуляторы требуют принудительного охлаждения. При построении УМ по схеме сложения (см. рис. 7.5) следует учитывать, что полукомплекты должны обладать запасом по мощности большим, чем если бы они непосредственно работали на ту же несогласованную нагрузку, так как рассогласование на входе моста сложения для одного из полукомплектов дополнительно увеличивается. Например, при активной нагрузке с КСВН = 1,25 этот запас должен быть здесь не менее 0,22, а в случае КСВН = 1,41 - не менее 0,35. Выбор системы резервирования. Совершенно ясно, что надежность ТВРС - один из ключевых моментов выбора аппаратуры и схемы ее комплексирования, а когда исчерпаны возможности повышения надежности элементов схемы, важно выбрать оптимальный вариант резервирования оборудования. Практикой отобраны три оптимальные схемы резервирования: схема I - резервирование замещением или схема 1 + 1; схема II - схема сложения мощности (вариант схемы нагруженного резервирования); схема ill - схема скользящего резервирования. Схема I является самой простой, но и самой дорогой, так как для ее реализации требуется двойной комплект оборудования. Схема рекомендуется для сравнительно недорогих ТВРС малой мощности (до 1...5 кВт). При больших мощностях возможно в качестве резерва УМ использовать УМ меньшей мощности. Схема 11 (см. рис. 7.5) привлекает тем, что для ее реализации требуется оборудование половинной мощности, что позволяет получить номинальную выходную мощность при использовании активных элемен- тов половинной мощности. При отказе одного из полукомплектов, т.е. оборудования половинной мощности, соответствующий фидерный переключатель на выходе моста сложения автоматически коммутирует работоспособный полукомплект на антенну в обход моста сложения. Кратковременное снижение мощности на выходе передатчика вдвое (на 3 дБ) можно считать допустимым в течение сравнительно небольшого времени, необходимого для ликвидации отказа. Данную схему широко применяют в отечественной практике. В транзисторных УМ мощностью в сотни ватт и единицы киловатт, выходные каскады которых построены по системе сложения колебаний нескольких модулей с автономными источниками питания, непрерывная работа может обеспечиваться разделением оконечной ступени или ступеней на два полукомплекта, работающих по схеме сложения мощностей (с обходом моста при аварии), и использованием в предварительном тракте ненагруженного резервирования замещением. Однако находит применение и более простое решение - при выходе из строя модулей никаких коммутаций не производят (если конструкция позволяет, модуль просто вынимают из стойки), при этом остальные модули продолжают нормально работать. В этом случае полезная мощность в нагрузке уменьшается в соответствии с формулой АР/Р^ = 1 - (то - пУ/т 100 %, где АР/Рт - уменьшение мощности в нагрузке, %; то - общее число модулей; п - число отказавших модулей. Так, при отказе одного иэ четырех модулей мощность уменьшается на 44 %, а при выходе из строя одного из 36 модулей - только на 5 %. Правда, при такой системе должны быть выбраны с соответствующим запасом по мощности балластные сопротивления мостов сложения. Предполагается, кроме того, что тракт, предшествующий выходным модулям, изолирован от них, например, с помощью ферритового циркулятора. Схема III также может быть использована при построении УМ по схеме сложения (см. рис. 7.5). Здесь достаточно иметь в запасе один полукомплект УМ, заменяя им вышедший из строя. 7.4. Разработка схем и расчет усилителей мощности на тетродах и клистродах Тетродный и клистродный УМ являются узкодиапазонными, т.е. имеют на входе и выходе колебательные системы, настраиваемые на конкретный рабочий канал ТВ. Наиболее рациональной является конструкция, когда на выходе лампы применяют двухконтурную колебательную систему, а на входе - одноконтурную. При этом используют метод компенсационной настройки, при которой искажения, обусловленные неравномерностью АЧХ на входе и выходе, в значительной степени компенсируют друг друга. Выполнение контуров в виде объемных резонаторов обусловливает применение однотактных схем. Как было сказано, при необходимости повышения выходной мощности используют сложение мощностей отдельных УМ, главным образом с помощью квадратурных мостов сложения. в метровом диапазоне на фиксированных частотах (что характерно для телевизионных станций) современные тетроды достаточно устойчиво работают и в схеме с ОК; лишь в некоторых случаях необходимо введение сравнительно некритичной мостовой сеточной нейтрализации. Преимущество схемы с ОК - возможность получения в каскаде большего коэффициента усиления мощности; оно сохраняется и в ТВРС, хотя здесь необходимо искусственное повышение затухания сеточной цепи тетрода (путем балластирования) для обеспечения прохождения широкой полосы частот и уменьшения нелинейности нагрузки, создаваемой этой цепью. Преимущества каскада с ОС помимо большей устойчивости - возможность упрощения схемы и настройки входной цепи и эффективное ослабление возникающих в нем шумов и нелинейных искажений за счет присущей схеме с ОС отрицательной обратной связи. Поэтому во многих ТВРС метрового диапазона (как отечественных, так и зарубежных) предпочтение отдается именно этой схеме. В дециметровом диапазоне большинство мощных телевизионных тетродов обеспечивает пока достаточно устойчивую работу только в схеме с ОС. В тетродных УМ на волнах короче 3 м как выходные, так и входные колебательные системы строят на основе коаксиальных резонаторов. Малое излучение, обеспечиваемое этими конструкциями, существенно не только с точки зрения уменьшения потерь в контурах, но и для выполнения санитарных норм в отношении к обслуживающему персоналу. При этом используют как одностороннюю, так и двухстороннюю конструкцию каскадов; достоинством последней считается сравнительная простота, технологичность и поэтому большая надежность в эксплуатации. На волнах длиннее 3 м выходные контуры (особенно при значительных мощностях) - тоже обязательно коаксиальные, входные же могут быть построены и из элементов с сосредоточенными параметрами. На рис. 7.10-7.12 приведены для иллюстрации эскизно (условно) типовые конструкции тетродных УМ I-II (рис. 7.10) и III (рис. 7.11 и 7.12) телевизионных диапазонов. Показаны эскизно (условно) конструкции каскадов, принципиальные схемы с принятыми стандартными обозначениями и, наконец, эквивалентные схемы их выходных колебательных систем. Каскады, представленные на рис. 7.10 и 7.12, построены по схеме с ОС, а на рис. 7.11 - по схеме с ОК. Анодные резонаторы во всех схе'мах короче четверти волны, причем резонатор на рис. 7.10 неоднородный: для укорочения конструкции часть внутреннего цилиндра заменена цилиндрической спиральной линией (см. § 3.11). Нагрузочные резонаторы в конструкциях рис. 7.10-7.12 имеют эквивалентную длину в четверть волны. При этом нагрузочный резонатор на рис. 7.10 - неоднородный, а на рис. 7.11 частично разделен на две параллельные ветви: настройки I и связи II. На рис. 7.10 обозначены: 1 - наружная труба анодного контура; 2 - анодная (внутренняя) труба того же контура; 3 - плунжер настройки анодного контура; 4 - внутренняя спиральная линия; 5 - элемент подстройки анодного контура; б - наружная труба нагрузочного контура; 7 - внутренняя труба индуктивной ветви того же контура; 8 - плунжер регулировки индуктивной ветви; 9 -   °-2Г -ЦТ j.Q]l ь^н i[QtQ]i Выход  Рис.7.10 Рис.7.11  ш- - о--р-Щ ft Вуход  Рис.7.12 передвижной участок внутренней трубы емкостной ветви того же кон-, тура; 10 - блок-дроссели по радиочастоте. На рис. 7.11 и 7.12: 1 наружная труба анодного контура; 2 - внутренняя труба того же кон- тура; 3 - плунжер настройки анодного контура; 4 - элемент связи] с нагрузкой; 5 - наружная труба нагрузочного контура; б - внутренняя труба нагрузочного контура; 7 - плунжер, регулирующий связь с фидером; 8 - плунжер настройки нагрузочного контура; 9 - экранно-катодная труба входного контура; 10 - сеточная труба того же контура; И - продолжение сеточной трубы; 12 - перемещаемая настроечная секция; 13 - плунжер настройки нагрузочного контура; 14 - емкостный замыкатель нагрузочного контура; 15 - внешняя труба входного контура; 16 - внутренняя труба входного контура; 17 - плунжер настройки входного контура; 18 - схема цепи накала лампы; 19 - выход на фидер. На рис. 7.11 и 7.12 приняты двухсторонние конструкции УМ; входной сеточно-катодный резонатор длиной несколько короче полуволны настраивают так называемой низкоомной секцией: перемещаемым участком с весьма низким (несколько ом) волновым сопротивлением. Проектирование тетродного УМ после выбора лампы по заданной колебательной мощности и каналу ТВ (рабочей частотой) начинают с разработки выходной колебательной системы, чтобы обеспечить допустимые искажения в рабочей полосе. При использовании метода компенсационной настройки целесообразно выбрать выходную двухконтурную колебательную систему с двугорбой (близкой к чебышевской) АЧХ с провалом в 3 дБ в рабочей полосе (кривая у^ых на рис. 7.13). Если ввести расстройку Д/о, при которой АЧХ принимает уровень в О дБ относительно центральной частоты полосы пропускания, и относительную расстройку от центральной частоты х = Д Д/о, то АЧХ двугорбой характеристики Чебышева = 1/\/1 - Ьх + 6а;4. (7.1)! Неравномерности в 3 дБ в полосе пропускания соответствует 6 = 2 в (7.1). Если АЧХ входного контура представить в виде Увх = 1/71 +22, (7.2) то сквозная АЧХ, Уск = УвыхУвх, оказывается достаточно гладкой в полосе 1 2 = ±1/а/2; подъем в полосе пропускания не превышает 4 % (0,3 дБ), что вполне допустимо в УМ (рис. 7.13). Теперь необходимо получить параметры контуров выходной и входной колебательных систем, обеспечивающих требуемую АЧХ. АЧХ выходной двухконтурной колебательной системы описывается выражением Q1Q2 (7.3)
Рис. 7.13 где Ql И <Э2 - нагруженные добротности первого и второго контуров; /о - центральная частота ТВ радиоканала. Если ввести обобщенные расстройки контуров на частоте Д/о: 1 = 2(Д/о о)Э1 и аг = 2(Д/о о)(52, то (7.3) можно представить в виде Увых - sj\ + ( 1 - 2aia2)a!2 -f af а^ж* (7.4) Принимаем полосу пропускания 2Д/кан = 8 МГц для УМ с совместным усилением или 2Д/кан = 6,75 МГц для УМ с раздельным усилением радиосигналов изображения и ЗС. Тогда Д/о = У2Д/кан = = 5,65 и 4,77 МГц соответственно. В результате из (7.1)-(7.4) получаем Ql = 0,91/(2Д/о о), Q2 = 1,54/(2Д/о о), а добротность входного резонатора Qbx = 1,41/(2Д/о о)- При разработке конструкции анодной коаксиальной линии следует исходить из того, что ее длина по возможности не должна превышать 1/8 средней волны диапазона. При выходных емкостях ОВЧ и УВЧ тетродов порядка 12.. .25 пФ это означает, что на III и на IV-V телевизионных частотных диапазонах необходимое волновое сопротивление указанной линии невелико и обычно конструктивно реализуемо при большом диаметре центральной (внутренней) трубы. Тогда в конструкциях III диапазона анодный радиатор лампы размещается внутри указанной трубы (рис. 7.14,а); в конструкциях IV-V диапазонов это же относится к выводу экранирующей сетки (рис. 7.14,6). В таких условиях сосредоточенная емкость в начале линии практически равна выходной емкости лампы, а эквивалентную емкость анодного контура (Со) оценивают как (1,2... 1,3)Свых- На I-II диапазонах во многих случаях требуемое высокое волновое сопротивление было бы нереализуемо; однако здесь (при 1 ... 23 24 25 26 27 28 29 ... 33 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||