CC BY
88
УДК 621.397.2:621.315.2
ПОДАВЛЕНИЕ ФОНОВЫХ ПОМЕХ В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОСИГНАЛОВ
В.И. Туев
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники E-mail: [email protected]
Рассмотрены источники фоновых помех в линиях передачи видеосигналов, показано влияние синфазного сопротивления на величину максимального подавления фоновой помехи в дифференциальных видеокорректорах, даны практические рекомендации по расчету дифференциальных входных каскадов видеокорректоров на операционных усилителях.
Передача видеосигналов телевидения, занимающих полосу частот от 50 Гц до 6 МГц, между комплектами оборудования аппаратно-студийного блока, монтажными и эфирными аппаратными внутри здания, между разнесенными территориально зданиями вещательных компаний и передающих центров осуществляется по волоконно-оптическим и коаксиальным радиочастотным линиям связи. Волоконно-оптические линии связи, обладающие большой пропускной способностью, применяются для передачи групповых сигналов, содержащих десятки видеосигналов, сигналов звукового сопровождения и дополнительной информации [1]. Передача одиночных видеосигналов по экономическим соображениям осуществляется по коаксиальным радиочастотным линиям связи. В соответствии с правилами устройства электроустановок [2] корпуса аппаратуры, электроустановки и нулевой проводник питающей электрической сети должны быть заземлены (рис. 1).
Для удовлетворения указанных в [4] требований по уровню фоновой помехи последовательно с линией включают активные дифференциальные корректоры [5], позволяющие в отличие от пассивных устройств [3] дополнительно восстанавливать уровень видеосигнала на выходе линии связи и компенсировать частотнозависимые потери. Эквивалентная схема линии связи, подключенной к входу дифференциального корректора, приведена на рис. 2.
Рис. 1. Конфигурация цепей заземления
По контуру заземления протекают токи промышленной частоты и ее гармоник, обусловленные конструктивными и паразитными емкостями Ск блоков питания аппаратуры связи. Малое, но конечное сопротивление устройства заземления приводит к наличию паразитной разности потенциалов вдоль заземляющего проводника, достигающей десятков - сотен мВ, а при большом территориальном разносе и ед. В [3]. Коаксиальная линия связи, будучи включенной между источником и получателем видеосигнала, своей оплеткой шунтирует точки
1 и 2 контура заземления. Протекающий по ней ток создает помеху частотой 50...200 Гц, попадающую в спектр телевизионного видеосигнала и вызывающую искажение изображения в виде медленно перемещающихся горизонтальных темных и светлых полос на экране телевизионного приемника [3]. Вследствие высокой различимости такая помеха жестко регламентирована допустимой величиной отношения сигнала яркости к фоновой помехе [4].
Рис. 2. Эквивалентная схема линии связи, подключенной ко входу дифференциального корректора: /?Д и /?С - соответственно дифференциальное и синфазное входные сопротивления дифференциального корректора, -
сопротивление оплетки коаксиального кабеля, /?г - выходное сопротивление источника видеосигнала, Нп -эквивалентное сопротивление источника помехи
Определим ивхд - дифференциальное и ивхс -синфазное входные напряжения дифференциального корректора. Для этого в соответствии с методом контурных токов [6] запишем систему линейных уравнений
I (К • КС • ККЛБ) 012Ккл£ = Еп,
0 h RKAE • 12 (Rr
Rfl • Rkae ) = Ег.
Используя решения системы ур. (1) относительно переменных 11 и 12, получим
UВХ. Д — 12RД — "
R„
Rr ■ ^ ■ Ra (1 0
R„
d(Er
Rr
' Rn ■ RC ■ Rkab
Rc
Rn • RC • Rkab
-En),
■)
Rn • Rc • Ra (1 0
Rk
Rr . Rn . R
г Д КАБ
(2)
d(En
R
Rr * RД * RKAБ
Ег).
Входное дифференциальное напряжение ивхд содержит полезную составляющую, обусловленную действием источника сигнала Е, и помеху, вызванную протеканием токов промышленной частоты и ее гармоник через сопротивление оплетки кабеля Яш. Из анализа (2) следует, что уменьшить помеху можно, увеличивая синфазное входное сопротивление Яс. Действительно, полагая в (2) Дс=*, получим
К„
и
вх. д
КГ . Кд . ЯКЛБ
-Ег
К
-Ег.
а)
ишх= К(и\-иг)
1/вх
б)
К ~ К КгК
к=К2к;-к:
Уравнения для контурных токов имеют вид
А1(к • К0) = ивх.с•
12(К . Ко) = К (и, 0 и 2) 0 ивх.с•
(3)
где К - коэффициент усиления ОУ.
Используя решения системы ур. (3) относительно переменных 11 и 12 с учетом соотношений
и, - к
-0— и
К . К0 вх с ’
Таким образом, увеличение входного синфазного сопротивления дифференциального корректора является основным условием достижения максимального подавления фоновой помехи, поскольку препятствует протеканию тока промышленной частоты и ее гармоник по оплетке линии связи и минимизирует прохождение помехи на дифференциальный вход устройства. В этом случае коэффициент подавления помехи максимален и равен коэффициенту ослабления синфазного сигнала дифференциального корректора.
Схемотехника современных кабельных корректоров основана на применении в качестве активных элементов специализированных операционных усилителей (ОУ) [3, 5].
Типовая схема корректора на ОУ, обеспечивающая подавление синфазной помехи, приведена на рис. 3, а [7].
11 4-
и2 = ивх.С ■ К12^
получим
г> ~ и вх с _ к ■ Ко (4)
квх.с=Ао72=~^~. (4)
Из (4) следует, что для увеличения входного синфазного сопротивления дифференциального корректора на ОУ необходимо пропорционально увеличивать значения сопротивлений Я, и Я. С учетом выражения (2) в схеме, приведенной на рис. 3, а, увеличению подлежат сопротивления резисторов Я, и Д2. Однако в реальных условиях увеличение этих сопротивлений приводит к ухудшению частотных свойств корректора в области верхних частот и накладывает ограничения на предельно достижимые значения входного синфазного сопротивления.
Эквивалентная схема корректора для области верхних частот приведена на рис. 4.
гг г0
к. Ко
Рис. 4. Эквивалентная схема дифференциального корректора для области верхних частот
2 =
2_1. рК2С’ "3_ Кг . к1
2 =_кгк_ 2
3 - т> г> ■ 2>
Рис. 3. Дифференциальный корректор на ОУ: ^ - согласующий резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивлению линии связи, НГ!1Н] - параллельное соединение Нг и ^
Эквивалентная схема корректора для области низких частот с использованием упрошенной модели ОУ [8] приведена на рис. 3, б, где Я обозначает эквивалентное сопротивление двух одинаковых групп элементов, обведенных штрих-пунктирной линией на рис. 3, а, и определяется по формуле
2 о2 гтКос •К (р)" Т~рг^ •р " ^ •
где С - емкость монтажа, ТОу - постоянная времени ОУ.
В соответствии с методом контурных токов [5] запишем линейное уравнение
1,(22. 2з. 22о) = ивЬШ 0 ивхд. (5)
Решая ур. (5) относительно переменной 11 с учетом соотношений
и = 1,2 о,
и2 = ивхд ■ 11(22 ■ 23 ■ 2оХ
получим выражение для передаточной функции кор ректора для дифференциального входного сигнала
К (р)_______
W (р) =
U
= 0-
вх. д
1.
(Z2 ■ Z3)(1 . K(р)) • 2Z„
(6)
Зависимость модуля комплексной передаточной функции (6) от частоты для корректора на ОУ типа AD818 [9] для С=0,5 пФ, 1=3500,
ЯТ=Я1=75 Ом, ТОУ = 1,1 10-5 с и трех пар численных значений Д2 и Д приведена на рис. 5.
Рис. 5. Частотные характеристики дифференциального кор-ректорая
Предельное минимальное значение полосы рабочих частот, удовлетворяющее требованиям [4], соответствует значениям Д2=10 кОм и ^=20 кОм. При этом в соответствии с (4) максимальное входное синфазное сопротивление составляет 15 кОм.
При больших значениях напряжения помехи входное синфазное сопротивление корректора в десятки кОм может оказаться недостаточным для уменьшения помехи до уровня, при котором отношение сигнала яркости к фоновой помехе удовлетворяет требованиям ГОСТ [4]. В этих обстоятельствах следует использовать схему дифференциального корректора на двух ОУ, приведенную на рис. 6 [9].
Входное синфазное сопротивление дифференциального корректора на двух ОУ равно [10]
KR
-вх. ДИФ
2
(7)
где Явх.диф - дифференциальное входное сопротивление ОУ.
Значение входного синфазного сопротивления в соответствии с (7) не зависит от параметров пассивных элементов схемы и определяется свойствами самого ОУ. При этом свойства корректора в области верхних частот зависят от сопротивлений Д0 и Д2 аналогично (6).
DA2
Рис. 6. Дифференциальный корректор на двух ОУ
Максимальное значение коэффициента подавления помехи в дифференциальных корректорах на ОУ равно коэффициенту ослабления синфазного сигнала ОУ. Экспериментально измеренные значения коэффициента подавления помехи с частотой 50 Гц в дифференциальных корректорах на ОУ типа AD818 составили 65 дБ для схемы, приведенной на рис. 3, а, и 73 дБ для схемы, приведенной на рис. 6. Отклонение экспериментальных значений коэффициента подавления помехи от максимально возможного значения 100 дБ [9] обусловлено разбросом параметров элементов в схеме с одним ОУ и неидентичностью активных устройств в схеме с двумя ОУ.
Таким образом, для получения максимального подавления помехи в дифференциальных корректорах необходимо увеличивать их входное синфазное сопротивление, что минимизирует проникновение помехи на дифференциальный вход устройства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бутусов М.М., Верник С.М., Галкин С.Л. и др. Волоконно-оптические системы передачи / Под ред. В.Н. Гомзина. - М.: Радио и связь, 1992. - 416 с.
2. Правила устройства электроустановок. - М.: Главгосэнергонадзор России, 1998. - 608 с.
3. Стрижевский Н.З. Коаксиальные видеолинии. - М.: Радио и связь, 1988. - 200 с.
4. ГОСТ 19871-83 Каналы изображения аппаратно-студийного комплекса и передвижной телевизионной станции вещательного телевидения. Основные параметры и методы измерений.
5. Куземко В., Шебзухов К. Кабельные корректоры // "625". -2001. - № 9. - С. 8-14.
6. Сигорский В.П. Матрицы и графы в электронике. - М.: Энергия, 1968. - 175 с.
7. Волосников С.И., Юргенсон Д.Р. Подавление синфазных помех в схемах с операционными усилителями // Радиотехника. - 1988. - № 7. - С. 27-29.
8. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 510 с.
9. http://www.analog.com/productSelection/pdf/AD818_b.pdf
10. Игумнов Д.В., Костюнина ГП. Полупроводниковые усилительные устройства. - М.: Радио и связь, 1998. - 272 с.
