Реферат - Фильтры в системах многоканальной связи - файл n1.doc

Реферат - Фильтры в системах многоканальной связи
скачать (186 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc186kb.02.11.2012 14:20скачать

n1.doc


Московский авиационный институт

(государственный технический университет)

Реферат

по курсу «Оборудование кабельных сетей»

на тему:

«Фильтры в системах многоканальной связи».

Выполнил студент гр.09-502_______________Анамова Р.Р.

Проверил преподаватель _________________ Кравцов С.Б.

Москва, 2009г.

Содержание

Введение. Понятие фильтров…………………………………………………

Режекторные фильтры………………………………………………………..

Полосовые фильтры…………………………………………………………...

Фильтры на ПАВ………………………………………………………………

Канальные и диапазонные фильтры………………………………………..


Фильтры сложения сигнала и примеры их использования……………...

Введение. Понятие фильтров.

Фильтр - устройство, в котором из спектра поданных на его вход колебаний выделяются (пропускаются на выход) составляющие, расположенные в заданной области частот, и не пропускаются все остальные составляющие. Фильтры используются в системах многоканальной связи, радиоустройствах, устройствах автоматики, телемеханики, радиоизмерительной техники и т. д. — везде, где передаются сигналы при наличии других (мешающих) сигналов и шумов, отличающихся от первых по частотному составу. Область частот, в которой лежат составляющие, пропускаемые (задерживаемые) фильтром, называют полосой пропускания (полосой задерживания). А уровень ослабления ненужных частот – глубиной вырезания. Полоса пропускания и глубина вырезания - основные характеристики фильтров.

По принципу действия фильтры делятся на полосовые и режекторные.


 Режекторный фильтр (т.е. «заграждающий») – фильтр, который не пропускает колебания некоторой определенной полосы частот и пропускает колебания с частотами, выходящими за пределы этой полосы. Режекторный фильтр, предназначенный для подавления одной определенной частоты, называется узкополосным или фильтром-пробкой.

Полосовой фильтр — фильтр, который пропускает частоты, находящиеся в нужном диапазоне, и вырезает все остальные частоты. К таким фильтрам относятся фильтры на ПАВ (поверхностные акустические волны).

Фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

По назначению устройства на поверхностных акустических волнах можно разделить на несколько классов: полосовые фильтры для обработки сигналов на промежуточных частотах, линии задержки, резонаторы, фильтры с малыми потерями для входных цепей приемников, антенные дуплексоры для связных приемников. Дуплексоры - это двухканальные фильтры, которые осуществляют разделение по частоте тракта передачи и тракта приема. Дуплексор имеет один вход, соединенный с антенной, и два выхода, присоединенных к выходу передающего тракта и ко входу приемного тракта, соответственно. При этом частотные характеристики в передающем и приемном трактах имеют специальные характеристики для обеспечения максимальной развязки между трактом приема и передачи.

Фильтры на ПАВ имеют коммерческое применение на частотах от 30 МГц до 3 ГГц. На низких частотах габариты фильтров становятся слишком большими. На частотах выше 3 ГГц процесс изготовления не позволяет получить высокий процент выхода годных изделий, и цена таких фильтров становится неконкурентной по сравнению с другими решениями. Большинство преимуществ ПАВ-устройств обусловлено непосредственно их физической структурой: малым весом и габаритами; линейной (или определяемой требованиями) фазой; фактором формы, приближающимся к единице (очень высокая прямоугольность); исключительным внеполосным подавлением; температурной стабильностью. Поскольку центральная частота и форма частотной характеристики определяются топологией, они не требуют сложной настройки в аппаратуре и не могут расстроиться в процессе эксплуатации. Технология изготовления, совместимая с полупроводниковым производством, позволяет выпускать их в большом объеме с высокой воспроизводимостью.

Физические основы фильтров на ПАВ.


Поверхностные акустические волны были впервые описаны лордом Релеем в 1885. Распространяясь вдоль поверхности и проникая в глубину на расстояние 2-3 длины волны, именно этот тип волн является самым разрушительным при землетрясениях. Исследование ПАВ с целью применения для обработки радиосигналов начались в послевоенные годы, но вплоть до конца 70-х годов устройства на ПАВ использовались исключительно в военном оборудовании: радарах, космических системах связи. Высокая технологичность и стремительное развитие беспроводной телефонии в 80-е годы обеспечило этим устройствам широкое поле для применения в гражданских приложениях.

В простейшем применении фильтр на ПАВ состоит из двух преобразователей со встречными решетками проводящих электродов, расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки, например, монокристаллического кварца или ниобата лития (рис.1).


Рис. 1


Один из этих преобразователей возбуждает, а другой принимает рэлеевскую волну.

Канальные и диапазонные фильтры.

Диапазонные фильтры (ДФ).

ДФ – это частотно-селективные устройства, пропускающие радиосигнал в определённом частотном диапазоне и задерживающие его на остальных частотах. В определённом смысле любой полосно-пропускающий фильтр является ДФ, однако мы будем называть ДФ такой фильтр, который пропускает радиосигналы в диапазоне частот шириной более , чем ширина одного ТВ-канала.
 ДФ можно разделить на три типа : фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ) и полосно-пропускающие диапазонные фильтры (ПДФ).

ФНЧ – это фильтр, пропускающий радиосигналы с частотой ниже частоты среза fср (см. рис.2а) и задерживающий радиосигналы с частотой выше fср.

                    
                            а)                                                б)                                           в)

                                          Рис.2. Типовые АЧХ ФНЧ (а), ФВЧ (б) и ПДФ (в).

ФВЧ – это фильтр, пропускающий радиосигналы с частотой выше fср (см.рис.2б) и задерживающий радиосигналы с частотой ниже fср (граничная частота).
ПДФ – это фильтр, пропускающий радиосигналы с частотами выше fср1 и ниже fср2  (см. рис.2в) и задерживающий радиосигналы с частотами ниже fср1 и выше fср2  .

Назначение. Обычно ДФ используются в СКТВ для подачи в линию сигнала от нескольких приёмных антенн (см. рис.3). Это необходимо для очистки выходного сигнала диапазонной приёмной антенны от наведённого РЧ-сигнала других диапазонов. Часто в одной конструкции совмещают несколько ДФ (например, ФНЧ, ПДФ и ФВЧ) с сумматорами.                    

           Рис.3. Пример использования ДФ для организации ТВ-приёма с использованием нескольких диапазонных антенн.

Другое назначение ДФ – использование их в качестве фильтров социальных пакетов , а также в любых других случаях, когда необходимо пропустить в ТВ-сеть или часть ТВ-сети одну группу ТВ-каналов и не пропускать другую группу.

Конструктивное исполнение. Обычно ДФ изготавливается в виде металлического экранирующего корпуса с РЧ-соединителями F-типа. Технологически ДФ изготавливается с использованием LC-элементов.

Эффективным средством для борьбы с помехами в сетях может оказаться совместное использование усилителя с диапазонным фильтром, установленным в приемо-передающем тракте антенно-фидерной системы с оптимальной настройкой полосы пропускания фильтра на рабочую полосу действующего оборудования (на один или группу перекрывающихся рабочих каналов провайдера). В том же случае, если передаваемый и принимаемый полезный сигналы имеют достаточно высокий уровень мощности, наиболее целесообразным является самостоятельное использование фильтров, которые обычно вносят небольшие (порядка 0,5...1,5 дБ) потери, и значительно дешевле усилителей.

Многоканальное суммирование.

В настоящее время стала особенно заметна тенденция резкого увеличения числа телевизионных каналов, транслируемых в широкополосных кабельных сетях. Связано это с тем, что помимо эфирных каналов, число которых в крупных городах достигает 15-17, кабельные операторы активно используют трансляцию спутниковых программ. На первый взгляд, увеличение числа каналов решается несложно. Закупаются новые канальные модули головных станций либо сигналы суммируются с нескольких головных станций. Общее количество каналов при этом может достигать и даже превышать 30-40.Но в результате вместе с новыми каналами кабельные операторы «в нагрузку» получают проблемы, приводящие к ухудшению качества изображения транслируемых каналов.

Причиной таких проблем как правило является то, что кроме полезного сигнала, любой канальный модуль формирует внеполосные сигналы, в виде шума и помех. При определенных условиях эти внеполосные сигналы могут «проявиться» в рабочей полосе частот используемых каналов.

В настоящее время подавляющее большинство канальных модулей головных станций всех производителей перестраиваются в широкой полосе частот. На выходе таких модулей вместе с полезным сигналом неизбежно имеются и шумовые составляющие спектра во всем рабочем диапазоне частот. При суммировании сигналов на выходе головной станции суммируются и шумы. Нетрудно посчитать, что при суммировании 30 каналов мощность шума на выходе головной станции возрастет на Ршума=10 lg30=14,8 дБ во всем рабочем диапазоне частот. Следовательно, и на 14,8 дБ ухудшится соотношение сигнал/шум выходных сигналов. В результате возможно заметное ухудшение качества транслируемых каналов - на экране телевизора виден шум.

Другой проблемой при многоканальном суммировании являются побочные частоты и их комбинационные составляющие, неизбежно присутствующие на выходе любой головной станции. В спектре выходного сигнала любого канального модуля головной станции, кроме полезного сигнала с частотой Fи (несущая изображения) присутствует вторая (2Fи), третья (3Fи) и т.д. гармоники. Их уровни небольшие (как правило, ниже -60 dBc) и на качество изображения они не влияют. Но при прохождении сигнала через усилители кабельной сети уровень этих гармонических составляющих увеличивается, кроме того, увеличивается уровень их комбинационных составляющих (суммарных и разностных), которые могут попадать в полосы используемых каналов. Ситуация усложняется ещё и тем, что, кроме несущей изображения гармоники создаются также несущими цветности и звукового сопровождения. В результате, на каком-нибудь участке кабельной сети возросший уровень комбинационных составляющих может привести к заметному ухудшению качества изображения.

Все вышесказанное относится и к головной станции «ПЛАНАР-СГ24», состоящей из перестраиваемых модуляторов и конверторов. Все перестраиваемые модули головной станции «ПЛАНАР-СГ24» работают в двух рабочих диапазонах частот: модули КС410 и МС410 в диапазоне 48…454 МГц; модули КС810 и МС810 в диапазоне 470…830 МГц. Экспериментально установлено, что ухудшение качества становится заметным при суммировании более 20 каналов в одном диапазоне частот. Следует отметить, что при использовании канальных модулей головной станции «ПЛАНАР-СГ24», предназначенных для работы на фиксированных каналах метрового диапазона этих проблем не возникает. Объясняется это тем, что в таких модулях выходной сигнал дополнительно обрабатывается канальным фильтром, подавляющим шумовую составляющую за полосой канала.

Решение проблемы. Ниже приводится два возможных варианта решения проблемы.


1.Применение канальных фильтров после каждого перестраиваемого канального модуля. На рис.4 изображена структурная схема головной станции «ПЛАНАР-СГ24» на примере перестраиваемых модуляторов МС-410 с использованием канальных полосно-пропускающих фильтров. Канальные фильтры позволяют подавить все шумовые и гармонические составляющие за рабочей полосой частот канала. Кроме того, фильтры уменьшают уровень зеркальной частоты звука, Fи – 6,5 МГц, что особенно важно при работе в смежных каналах.


Рис.4 Структурная схема головной станции «ПЛАНАР-СГ24» с дополнительными канальными фильтрами.

Однако применение канальных фильтров для всех транслируемых в сети телевизионных каналов имеет свои недостатки:

2.Применение дополнительных диапазонных фильтров. Рабочие диапазоны перестраиваемых модулей можно условно разделить на участки, каждый из которых перекрывается полосно-пропускающим диапазонным фильтром. Канальные модули в пределах одной рамы (6-8 каналов) группируются так, чтобы каналы попадали в диапазон частот полосы пропускания диапазонного фильтра. Каналы можно располагать подряд либо через канал. В соответствии с этой конфигурацией выбирается диапазонный фильтр. Суммарный телевизионный сигнал с выхода каждой рамы головной станции подаётся на соответствующий диапазонный фильтр, после чего сигналы со всех фильтров объединяются в групповой сигнал (рис.5).

Рис.5 Структурная схема головной станции «ПЛАНАР-СГ24» с дополнительными диапазонными фильтрами .

На рис.6 показаны спектрограммы суммирования 16 каналов без диапазонных фильтров и с ними. Пусть, А – соотношение сигнал/шум на выходах рам 1 и 2. При суммировании сигналов с двух рам без использования диапазонных фильтров соотношение сигнал/шум на выходе головной станции уменьшается на 3дБ и становится равным А-3 дБ.

В случае суммирования с использованием диапазонных фильтров соотношение сигнал/шум практически не ухудшается.


Рис.6 Спектрограммы суммирования.

Таким образом, применение канальных и диапазонных фильтров позволяет без ухудшения качества изображения увеличивать количество транслируемых каналов с использованием головных станций среднего класса.

Фильтры сложения сигнала и примеры их использования.

При отсутствии телевизионной антенны коллективного пользования, особенно в сельской местности, часто возникает необходимость установки двух или нескольких раздельных антенн. Это может быть связано с необходимостью использования узкополосных одноканальных антенн для приема разных программ от одного и того же телецентра или ретранслятора, когда требуются антенны с большим коэффициентом усиления. В других случаях необходимо принимать разные программы от телевизионных передатчиков, расположенных в разных направлениях. Эти проблемы могут быть решены путем объединения сигналов, принятых антеннами, с канализацией их к телевизору по одному общему фидеру. Однако, непосредственно соединять между собой разные антенны невозможно в связи с тем, что нарушится их согласование с фидерами: сигнал, принятый одной антенной, будет разветвляться и лишь частично поступать в фидер. Другая антенна, подключенная параллельно фидеру, может, представлять собой такую нагрузку, что уровень сигнала от первой антенны, поступающий в фидер, окажется недопустимо малым. Поэтому необходимо специальное устройство для сложения сигналов, которое не нарушало бы согласования антенн. Таким устройством является фильтр сложения сигналов.

На рис. 7 показана схема фильтра сложения сигналов (ФСС) метрового диапазона.


Рис. 7 ФСС с использованием ФНЧ и ФВЧ

Назначение фильтра состоит в том, чтобы сигнал, принятый антенной 1, полностью поступил в фидер и не ответвлялся в цепь антенны 2, а сигнал, принятый антенной 2, также полностью поступил в фидер и не ответвлялся в цепь антенны 1. Эта задача реализуется использованием двух фильтров. Фильтр, образованный элементами L1, C1, L2, С2 и С5, представляет собой фильтр нижних частот (ФНЧ), а фильтр, образованный элементами L3, СЗ, L4, С4 и L5, - фильтр верхних частот (ФВЧ). Если антенна 1 рассчитана на прием сигнала с меньшим номером канала, то есть с меньшей частотой, чем антенна 2, то сигнал от антенны 1 свободно проходит через ФНЧ и поступает в фидер, не ответвляясь в цепь антенны 2, так как ФВЧ представляет для него большое сопротивление. Аналогично, сигнал, принятый антенной 2, беспрепятственно проходит через ФВЧ и поступает в фидер, а ФНЧ, имеющий для этого сигнала большое сопротивление, не пропускает его к антенне 1. Во избежание отражения сигналов, принятых антеннами, от ФСС характеристические сопротивления обоих фильтров должны приблизительно составлять 75 Ом.



Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации