Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ
С СОВМЕСТНЫМ УСИЛЕНИЕМ РАДИОСИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКА В СВЕТЕ РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЛЕКСНОЙ ЦЕЛЕВОЙ ПРОГРАММЫ ПО СОЗДАНИЮ
. НОВЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ТВ РАДИОСТАНЦИЙ 21
1.1. Обзор способов построения действующих телевизионных передатчиков с совместным усилением 21
1.2. Энергетические соотношения в усилительном каскаде, реализующем метод совместного усиления ... 33
1.3. Взаимные помехи при совместном усилении радиосигналов ч 37
1.4. Формулировка задач исследования ..... 42
Глава П. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТВ ПЕРЕДАТЧИКОВ С СОВМЕСТНЫМ УСИЛЕНИЕМ СИГНАЛОВ
ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ 44
2.1. Метод фазовой модуляции радиосигнала изображения разностной частотой несущих изображения и звука . . 46
2.2. Метод квадратурной модуляции радиосигнала изображения разностной частотой несущих изображения и звука 50
2.3. Сравнительная оценка методов совместного усиления радиосигналов изображения и звука ..... 56
2.4. Пути реализации системы квадратурной модуляции ... 58
2.5. Экспериментальное исследование энергетических показателей ТВ передатчика с совместным усилением ... 62
2.6. Выводы 69
Глава Ш. ВЗАИМНЫЕ ПОМЕХИ ПРИ СОВМЕСТНОМ УСИЛЕНИИ РАДИОСИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ... 71
3.1. Нелинейность тракта и взаимные помехи при совместном усилении радиосигналов изображения и звука ... 71
3.1.1. Обзор методов анализа нелинейных искажений ..... 74
3.1.2. Выбор аппарата анализа взаимных помех . 82
3.2. Взаимные помехи при различных методах
совместного усиления 37
3.3. Методы оценки взаимных помех 92
3.3.1. Анализ требований к испытательным сигналам 92
3.3.2. Создание испытательного сигнала,учитывающего особенности построения системы ЦХСЕКАМ. 96
3.4. Выводы 99
Глава ІV.РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СНШШНИЯ ВЗАИМНЫХ ПОМЕХ
ПРИ СОВМЕСТНОМ УСИЛЕНИИ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЕЕНИЯ
И ЗВУКОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ 100
4.1. Анализ требований, предъявляемых нелинейности общего тракта передачи 100
4.1.1. Комбинационные искажения, обусловленные
нелинейностью амплитудной характеристики
общего усилительного тракта 101
4.1.2. Комбинационные искажения, обусловленные неравномерностью дифференциально-фазовой характеристики общего усилительного тракта ИЗ
4.1.3. Экспериментальное исследование комбинационных
искажений в усилительном тракте . . Ц9
4.2. Новый метод подавления комбинационной помехи путём введения в спектр суммарного сигнала инвертированного нижнего бокового компонента
сигнала цветности 124
4.2.1. Компенсация комбинационных искажений методом предкоррекции нелинейности общего усилительного тракта 125
4.2.2. Исследование возможности полного подавления комбинационной помехи в ТВ передатчике
с совместным усилением 132
4.3. Пути реализации предложенного способа подавления помехи 137
4.4. Сравнение методов подавления комбинационных помех 138
4.5. Выводы 140
Глава V. НОВАЯ СИСТЕМА СОВМЕСТНОЙ ПЕРЕДАЧИ РАДИОСИГНАЛОВ ИЗОБРАШШ И ЗВУКОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЕ . . 142
5.1. Особенности передачи суммарного радиосигнала при наличии ограничения в общем усилительном тракте . 142
5.2. Импульсная квадратурная модуляция радиосигнала изображения разностной частотой
несущих изображения и звука 146
5.3. Особенности построения ТВ передатчика с совместным усилением 156
5.3.1. Требования к тракту совместного усиления и принципы его построения 159
5.3.2. Особенности построения предоконечного каскада общего тракта передачи 161
5.3.3. Особенности построения выходной фильтровой системы ТВ передатчика с совместным усилением . . . 165
5.4. Особенности измерения качественных показателей ТВ передатчика с совместным усилением 177
5.5. Комплексная экспериментальная проверка новой системы совместной передачи
сигналов изображения и звука 178
5.6. Технические показатели ТВ передатчика с совместным усилением 189
5.7. Выводы 191
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 193
Акт о внедрении результатов диссертационной работы 197
ЛИТЕРАТУРА 199
- Обзор способов построения действующих телевизионных передатчиков с совместным усилением
- Метод фазовой модуляции радиосигнала изображения разностной частотой несущих изображения и звука . .
- Нелинейность тракта и взаимные помехи при совместном усилении радиосигналов изображения и звука ...
- Анализ требований, предъявляемых нелинейности общего тракта передачи
- Особенности передачи суммарного радиосигнала при наличии ограничения в общем усилительном тракте .
Введение к работе
Быстрое развитие телевизионной сети Советского Союза требует создания новых радиопередающих устройств, отличающихся все большей надёжностью и простотой эксплуатации при сохранении их высоких технических показателей. Особенно остро эти проблемы встали в связи с внедрением в сеть телевизионного вещания автоматизированных телевизионных радиостанций, работающих без постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Одним из вариантов построения телевизионных передатчиков, отвечающих требованиям повышенной надёжности и удобств в эксплуатации, является использование в них принципа совместной передачи радиосигналов изображения и звукового сопровождения через общий усилительный тракт.
Большинство действующих и выпускаемых промышленностью в СССР и ,за_ру'0ежом телевизионных передатчиков (ТВП) пока имеют отдельные тракты изображения и звука. Поскольку радиоканал звукового сопровождения непосредственно примыкает по частоте к верхней полосе соответствующего радиоканала изображения, то широкополосная телевизионная передающая антенно-фидерная система одновременно используется и для передатчика звукового сопровождения. Совместная работа двух передатчиков с разными частотами на общую нагрузку осуществляется при помощи разделительного фильтра, предотвращающего взаимное влияние трактов и их перекрестную модуляцию [і, 10] .
Не менее целесообразным представляется использование для передачи сигналов изображения и звукового сопровождения и общего высокочастотного тракта усиления мощности, что позволит реализовать ряд преимуществ |_2J : уменьшить количество оборудования, упростить эксплуатацию, повысить надёжность. - б -
Совместное усиление сигналов изображения и звука давно и успешно применяется в телевизионных приёмниках, в маломощных ретрансляторах и в других областях телевизионной техники. Однако, в данных устройствах усиливаются слабые сигналы и энергетические показатели являются второстепенными.
Вопросы избыточности аппаратуры в действующих и изготовляемых ТВП давно привлекают к себе самое пристальное внимание специалистов. Режим совместного усиления в мощных передатчиках предлагался ещё в 50-х годах, но был тогда отвергнут из-за нецелесообразности реализации, требующей существенного снижения энергетических показателей и необходимости использования высоколинейных усилительных приборов с большим запасом мощности.
Действительно, при простом линейном суммировании^ двух сигналов результирующее значение амплитуды равняется сумме амплитуд каждого из сигналов в отдельности. Усилительные приборы общего тракта передачи должны быть рассчитаны на пиковую мощность пропорциональную квадрату результирующей амплитуды суммарного сигнала. Даже при принятом в последние годы соотношении мощностей сигналов изображения и звукового сопровождения 10:1, амплитуда суммарного сигнала возрастает в 1,316 раза. Следовательно, пиковая мощность передатчика при одновременной передаче сигналов изображения и звука должна быть повышена в 1,73 раза против исходного значения для передатчика изображения. При соотношении мощностей сигналов изображения и звука 5:1 требуемая пиковая мощность возросла бы в 2,09 раза.
Необходимость значительного повышения номинала мощности пере- к) Метод совместного усиления радиосигналов изображения и звука, использующий принцип их предварительного линейного суммирования, в дальнейшем будем называть "аддитивным". _ 7 - датчика уже сама по себе представляет серьезную проблему при создании передатчика с выходной мощностью в десятки киловатт. Этим,в частности, объясняется то, что при переходе к совместному усилению зарубежные фирмы резко снижают номинал выходной мощности устройства, превращая, например, передатчик изображения пиковой мощностью 10 кВт в совмещённый передатчик мощностью 3/0,3 кВт [з] .
Помимо энергетических осложнений при совместном усилении сигналов изображения и звукового сопровождения возникает проблема взаимных помех, обусловленных в основном нелинейностью общего усилительного тракта. Как известно [56J , совместная передача двух и более сигналов через нелинейных тракт передатчика сопровождается нелинейными искажениями, которые проявляются в возникновении на его выходе колебаний гармонических и комбинационных частот, расположенных как внутри, так и вне рабочей полосы частот данного канала связи. Указанные нежелательные колебания создают помехи либо собственной информации передатчика, либо - информации, передаваемой другими радиотехническими системами.
Согласно рекомендациям МЭК [_70j и терминологии, приведённой в [чо] , радиоизлучения на частотах примыкающих к необходимой полосе частот*' канала связи, являющиеся результатом модуляции, относятся к категории внеполосных излучений. Все другие излучения, расположенные за пределами необходимой полосы частот, за исключением внеполосных излучений относятся к категории побочных излучений. В эту группу излучений входят: гармонические излучения, паразитные излучения и нежелательные продукты взаимной модуляции, удалённые от необходимой полосы частот канала связи. х) Необходимая полоса частот ~ ширина полосы частот для данного класса излучения,которая как раз достаточна для обеспечения передачи информации с такой скоростью и таким качеством, которые требуются при определённых условиях [48] .
Реальный тракт передачи помимо излучения паразитных колебаний гармонических и комбинационных частот сам подвержен воздействию посторонних источников различного вида помех, которые в отличие от нелинейных искажений, возникающих в результате детерминированного нелинейного преобразования, носят случайный характер. Следует, однако отметить, что если нелинейный тракт является общим для нескольких каналов (например, групповой усилитель в многоканальных системах связи), то продукты нелинейности одного из каналов, лежащие в полосе пропускания другого канала, принято считать уже не искажениями, а помехами, так как они не могут быть предсказаны на основе известного сигнала, поступающего на вход исследуемого канала связи [2б] .
По аналогии с принятой в многоканальных системах связи терминологией, побочные продукты ТВ передатчика с совместным усилением, возникающие в результате нелинейной интерференции модулированных несущих изображения и звукового сопровождения и приводящие к искажениям передаваемой составляющими суммарного радиосигнала полезной информации, будем условно называть взаимными помехами, которые по виду нелинейного эффекта можно подразделить на [l4] : перекрестные, выражающиеся в переносе информации с одной модулированной несущей суммарного радиосигнала на другую; комбинационные (или вида взаимной модуляции*^), возникающие в результате взаимодействия несущих частот входных сигналов, частот, формирующих несущие, характерных частот для данного передатчика и гармоник вышеперечисленных колебаний. х) Термин "взаимная модуляция" имеет весьма общий характер и соответствует любой комбинационной составляющей искажений независимо от её спектрального расположения 1337 . Таким образом, "комбинационные помехи являются частным случаем более широкого класса "комбинационных искажений". -, 9 -
В телевизионном передатчике, где ВЧ колебания модулированы по частоте или амплитуде, играют роль оба вида взаимных помех.Хотя они взаимосвязаны, количественная связь между ними не очевидна. С другой стороны, не очевидна связь между такими нормируемыми в телевизионных передатчиках показателями как дифференциальное усиление и дифференциальная фаза и упомянутыми помехами. При исследовании помех в условиях совместного усиления необходимо считаться с тем, что реально в общем тракте имеются три частотных компонента с существенными уровнями - несущая изображения, несущая звукового сопровождения и цветовая поднесущая. Наличие трёхтонового сигнала не исчерпывает трудностей в оценке взаимных помех. В условиях работы усилителя мощности в режиме класса В взаимные помехи могут быть обусловлены не только нелинейностью рабочего участка амплитудной характеристики, но и перекрестной модуляцией за счёт пульсаций напряжений на электродах ламп, создаваемой проходящими через них низкочастотными токами, если сопротивления в цепях питания для соответствующих компонентов тока не равны нулю LI5J .
Несмотря на вышеизложенные трудности в последнее время вновь наметился большой интерес к режиму совместного усиления сигналов, что обусловлено следующими причинами: изменилось нормируемое соотношение мощностей радиосигналов изображения и звукового сопровождения с 2:1 до 10:1, а согласно последним предложениям до 20:1 L8J » улучшилась линейность современных усилительных приборов; упростилась реализация схем предкоррекции нелинейности в связи с применением модуляции на промежуточной частоте (ПЧ).
Как показывает обзор литературы, ведущие фирмы ФРГ, Англии, Франции приступили к серийному изготовлению передатчиков с общим высокочастотным трактом усиления сигналов изображения и звука [ЗДІДб] Большие работы в этом направлении проводятся в настоящее время в США и Чехословакии Ц2ДЗ] .
В качестве недостатков уже выпускаемых за рубежом передатчиков с совместным усилением отмечается неизбежное снижение номинальной мощности и КПД, обусловленное необходимостью расширения динамического диапазона усилительного прибора при передаче суммарного сигнала, а также существенное повышение требований к линейности общего тракта усиления с целью уменьшения уровня комбинационных продуктов, часть из которых оказывается в рабочей полосе частот. Обеспечение необходимого уровня (не выше -51 дБ) комбинационных помех достигается переводом работы усилителя мощности из режима класса В в неэффективный режим класса А и включением дополнительной прецизионной системы предкоррекции, снижающей нелинейность на IQ-20 дБ [2] .
В упомянутых зарубежных передатчиках с совместным усилением нового поколения энергетические показатели стараются улучшить путём создания так называемых ультралинейных ламп для работы в классе В, причём для умощнения анодов от принудительно-воздушного охлаждения переходят к испарительному охлаждению. Так как испарительное охлаждение экономичней воздушного, оно в известной степени компенсирует избыточное, за счёт совместного усиления, потребление мощности 14] .
Необходимость создания новых ламп или снижение мощности передатчика, отказ от воздушного охлаждения делают преимущества совместного усиления в его существующем за рубежом виде спорными.
С целью улучшения энергетических соотношений в мощных телевизионных передатчиках советскими специалистами Э.С.Глазманом и А.2.Файнштейном был предложен новый метод совместного усиления радиосигналов изображения и звука путём специального формирования - II - их суммарного сигнала |_5j . Этот метод заключается в том, что для уменьшения пиковой амплитуды передаваемого сигнала используется фазовая*' модуляция радиосигнала изображения сигналом разностной частоты несущих изображения и звука. С участием автора данный метод получил дальнейшее развитие, претерпев ряд принципиальных усовершенствований, на основе которых создана новая система модуляции для ТВ передатчиков с совместным усилением сигналов изображения и звукового сопровождения |_3б] . На указанное техническое решение Комитетом по делам изобретений и открытий выдано авторское свидетельство [59] .
Второй задачей, подлежащей решению в ТВ передатчиках с совместным усилением в общем тракте сигналов изображения и звукового сопровождения, является снижение уровня возникающих при этом взаимных помех. Для решения этой проблемы автором и Э.С.Глазманом предложено устройство подавления комбинационной помехи в ТВП с совместным усилением, на которое Комитетом по делам изобретений и открытий также выдано авторское свидетельство [б] . Суть метода заключается в искусственном добавлении в суммарный радиосигнал изображения и звука инвертированного нижнего бокового компонента сигнала цветности.
Для решения двух вышеизложенных основных проблем - повышения энергетических показателей ТВП и уменьшения взаимных помех - оказалось необходимым, в связи с отсутствием в литературе, исследование дополнительных вопросов, относящихся к поиску простых аналитических методов оценки искажений и формулировке требований к методам испытаний ТВП с совместным усилением и к испытательным сигна- х) Строго такую модуляцию следует называть амплитудно-фазовой, поскольку амплитуда результирующего колебания также изменяется в процессе модуляции. лам. Сказанное выше и определило основные вопросы, подлежащие решению в настоящей диссертационной работе.
К ним относятся: обзор современного состояния техники построения ТВ передатчиков с совместным усилением; анализ проблем построения ТВ передатчиков с совместным усилением, подлежащих решению; исследование и поиск новых методов повышения энергетической эффективности ТВ передатчиков с совместным усилением; выбор методов исследования и анализ взаимных помех при совместном усилении сигналов изображения и звука; исследование и обоснование новых методов подавления взаимных помех при совместном усилении радиосигналов изображения и звукового сопровождения; создание, исследование и практическая реализация новой системы модуляции в ТВ передатчиках с совместным усилением; анализ требований к методам измерений качественных показателей ТВ передатчиков с совместным усилением и создание испытательных сигналов для их проверки.
Работа состоит из пяти глав. В первой главе дан обзор принципов построения современных, в основном зарубежных, ТВП с совместным усилением и рассмотрены сопутствующие их созданию проблемы.
Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию возможности повышения энергетической эффективности ТВП с совместным усилением путём видоизменения системы модуляции передаваемого сигнала. Проведён сравнительный анализ различных методов совместного усиления и на его основе выбран оптимальный. Полученные теоретические результаты подтверждены экспериментом.
В третьей главе выбран и обоснован аппарат анализа нелиней- - ІЗ - ных искажений при совместном усилении сигналов изображения и звукового сопровождения и на его основе проведены исследования взаимных помех при рассмотренных во второй главе новых методах совместного усиления. Во второй части главы сформулированы требования к испытательным сигналам и методам измерений качественных показателей ТВП с совместным усилением, работающих по системе ЦТ СЕКАМ.
В четвёртой главе проведён анализ методов снижения взаимных помех при совместном усилении сигналов изображения и звукового сопровождения. В первой части главы исследована зависимость уровня комбинационных искажений от нормируемых в ТВП дифференциального усиления и дифференциальной фазы и определены их допустимые величины. Вторая часть главы посвящена обоснованию и практической реализации нового метода подавления взаимных помех. Основные теоретические выводы этой главы подтверждены экспериментами.
В пятой главе диссертации, на основе результатов, полученных в предыдущих главах, проведено теоретическое исследование новой системы совместной передачи сигналов изображения и звукового сопровождения и произведена её комплексная экспериментальная проверка* Сформулированы требования к тракту совместного усиления передатчика с квадратурной модуляцией и рассмотрены особенности построения его мощных усилительных каскадов и выходной фильтровой системы. В заключение главы приведены технические показатели ТВ передатчика с совместным усилением, полученные в результате Государственных испытаний образца автоматизированной телевизионной радиостанции Ш ТВ диапазона мощностью 5/0,5 кВт, реализующего основные принципы предложенной системы совместной передачи.
В результате диссертационной работы получены следующие новые научные результаты: проведено всестороннее теоретическое исследование новой систе- - 14 ~ мы повышения энергетической эффективности передатчиков с совместным усилением и разработано устройство, реализующее метод квадратурной модуляции радиосигнала изображения сигналом разностной частоты несущих изображения и звука; предложено принципиальное усовершенствование метода квадратурной модуляции и проведено его комплексное экспериментальное исследование. Показано, что при ограниченной мощности усилительных приборов принцип импульсной квадратурной модуляции даёт возможность повышения пиковой выходной мощности передатчика на 25-30 % по сравнению с аддитивным способом передачи. При этом, импульсная квадратурная модуляция, не оказывая влияния на уровень комбинационных искажений, уменьшает перекрестные помехи в зависимости от выбранных соотношений при формировании суммарного сигнала на 3~6 дБ; предложен и создан новый метод подавления комбинационных помех, эффективность которого не зависит от нелинейности общего тракта передачи и не требует его широкополосности. Разработано устройство, реализующее данный метод и проведены его теоретические и экспериментальные исследования; выбран и обоснован аппарат анализа комбинационных искажений при совместном усилении радиосигналов изображения и звука, пригодный для оценки искажений, как при новых методах построения ТВ передатчиков, так и при обычном аддитивном методе. Получены аналитические выражения, связывающие уровень взаимных помех с нелинейностью общего тракта передачи. Показано, что при задании на совместный усилительный тракт современных норм по дифференциальному усилению и дифференциальной фазе не удаётся гарантировать уровень комбинационных помех -51 дБ без применения дополнительной пред-коррекции нелинейности; на основе проведённого анализа зависимости уровня комбинационных искажений от характера нелинейности тракта передачи предложен и обоснован двухуровневый испытательный сигнал для проверки ТВП с совместным усилением, учитывающий особенности построения системы ЦТ СЕКАМ. Указанный испытательный сигнал одобрен Международным электротехническим комитетом (МЭК) и рекомендован им к применению [бЗ] ; проведено комплексное экспериментальное исследование новой системы совместной передачи сигналов изображения и звукового сопровождения в промышленном ТВ передатчике. В результате экспериментальных исследований принципа импульсной квадратурной модуляции показана его практичность и подтверждена возможность переоборудования выпускаемых промышленностью ТВП с раздельным усилением в режим совместной передачи без ухудшения их энергетических показателей и снижения пиковой выходной мощности. Экспериментальная проверка устройства подавления помех, в котором также реализовано новое техническое решение, показала, что на его основе могут быть выполнены ТВП с совместным усилением на существующих усилительных приборах без требований к улучшению их линейности, а, следовательно, с полным использованием по мощности и в энергетически эффективных режимах.
На защиту выносятся:
I. Анализ проблем построения ТВ передатчиков с совместным усилением сигналов изображения и звукового сопровождения, в результате которого показано, что: при нормируемом соотношении мощностей сигналов изображения и звука 1:0,1 перевод усилителя модулированных колебаний канала изображения в режим совместной передачи по тривиальной аддитивной системе сопровождается снижением его электронного КПД на 15-20 % ~ 16 - и увеличением мощности, рассеиваемой на аноде лампы, в 1,5-1,6 раза; при современных нормах на дифференциальные искажения ТВ передатчика не удаётся гарантировать уровень комбинационных помех -51 дБ без применения специальных систем предкоррекции нелинейности общего тракта передачи.
2. Сравнительный анализ энергетических показателей ТВ пере датчика при различных методах совместного усиления сигналов изо бражения и звукового сопровождения,на основе которого показано, что: при ограниченной пиковой мощности выходного усилительного прибора метод квадратурной модуляции позволяет реализовать в 1,3 раза более мощный передатчик с совместным усилением, чем обычный аддитивный способ передачи; применение метода фазовой модуляции, который в получении заданной пиковой мощности несколько превосходит систему квадратурной модуляции, ограничено необходимостью расширения спектра передаваемых частот и трудностями, связанными с подавлением побочных излучений ТВ передатчика;
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимных помех при совместном усилении радиосигналов изображения и звукового сопровождения: выбран и развит применительно к ТВП с совместным усилением аппарат анализа взаимных помех, основанный на полиномиальной аппроксимации амплитудной и дифференциально-фазовой характеристик общего тракта передачи и использовании понятия комплексной огибающей суммарного сигнала; показано, что при передаче суммарного сигнала, сформированного методом квадратурной модуляции, перекрестные помехи сигналам изображения и звукового сопровождения уменьшаются по сравне- - 17 ~ нию с аддитивным методом соответственно на 0-3,0 дБ и 3,0-6,0 дБ; уровень комбинационных помех при всех рассмотренных способах совместного усиления остаётся неизменным; получены аналитические выражения, связывающие уровень комбинационных искажений с нормируемыми в ТВ передатчиках параметрами: дифференциальным усилением и дифференциальной фазой, Показано,что для удовлетворения требований к уровню взаимных помех между сигналами изображения и звукового сопровождения нелинейные искажения общего усилительного тракта, измеренные его дифференциальным усилением и дифференциальной фазой, в зависимости от характера нелинейности должны составлять менее 2-5% и 1-3 , то есть предусмотренные стандартом нормы на дифференциальные искажения ТВ передатчиков с раздельным усилением должны быть улучшены на 15-Ю дБ; показано, что принцип предварительной коррекции нелинейности общего усилительного тракта обеспечивает снижение комбинационных помех не более, чем на 20 дБ; в случае необходимости дополнительного подавления помех приходится прибегать к прямому улучшению линейности тракта совместного усиления путём перевода усилительных приборов в неэкономичный режим работы класса А или снижения номинальной выходной мощности передатчика; предложен и реализован новый метод подавления комбинационной помехи, основанный на квадратурной модуляции радиосигнала яркости сигналом цветности, обеспечивающий полное подавление помехи при любой нелинейности общего тракта передачи, что открывает возможность создания ТВ передатчиков с совместным усилением на существующих лампах, бвз требований к улучшению их линейности, а, следовательно с полным использованием их по мощности и в энергетически эффективных режимах; предложен и обоснован двухуровневый испытательный сигнал для оценки комбинационных помех в ТВ передатчиках с совместным усилением, предназначенных для вещания по системе ЦТ СЕКАМ, который учитывает особенности построения данной системы и достаточно чувствителен к нелинейным искажениям тракта передачи.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведённых в процессе создания и внедрения в промышленный образец ТВ передатчика новой системы совместного усиления сигналов изображения и звукового сопровождения, основанной на импульсной квадратурной модуляции радиосигнала изображения сигналом разностной частоты несущих изображения и звука и квадратурной модуляции радиосигнала яркости сигналом цветности; на основе анализа энергетических соотношений в усилителе мощности показано, что его электронный КПД при совместном усилении методом импульсной квадратурной модуляции по сравнению с аддитивным способом возрастает на 15,0-20,0 %\ на основе анализа взаимных помех показано, что комбинационная помеха в предложенной системе совместной передачи подавляется полностью, а перекрестная помеха радиосигналу звукового сопровождения даже при полном ограничении суммарного радиосигнала по линии вершин синхронизирующих импульсов составляет всего 15 %, что создаёт возможность её компенсации путём предварительной коррекции; при аддитивном способе совместного усиления и аналогичном ограничении суммарного радиосигнала перекрестная помеха достигает 35 %} экспериментальными исследованиями, проведёнными на промышленном ТВ передатчике с выходной мощностью сигнала изображения 5 кВт и мощностью сигнала звукового сопровождения 0,5 кВт установлено, что потребляемая ТВП мощность сохранилась на том же уровне, что и у аналогичного по своему функциональному назначению передатчика с раздельным усилением; уровень комбинационных помех составил -55 - - 19 ~ --60 дБ; уровень перекрестной помехи радиосигналу звукового сопровождения - 3-5 %т
5. Рекомендации по методам снижения побочных излучений теле-виаионных передатчиков с совместным усилением. Выработка требований к построению устройств: формирования амплитудно-частотных характеристик; объединения ВЧ сигналов; выходных фильтровых систем; снижения взаимных помех; контроля и измерения качественных показателей ТВП,
Теоретические и экспериментальные исследования, проведённые в диссертационной работе были тесно связаны с их практическим применением. На основе внедрения устройств импульсной квадратурной моду*, ляции и подавления взаимных помех впервые в отечественной практике построен и сдан в эксплуатацию передатчик с совместным усилением автоматизированной телевизионной радиостанции мощностью 5/0,5 кВт 1 частотного диапазона с энергетическими показателями практически не уступающими ТВП с раздельным усилением сигналов и не требующим дополнительных мер к улучшению линейности общего тракта передачи. Указанный ТВП создан на базе реконструкции серийно выпускаемой радиостанции 5/1 кВт с раздельным усилением, то есть без снижения номинальной выходной мощности передатчика изображения. Взамен исключённых из ТВП мощного высокочастотного тракта передатчика звукового сопровождения с цепями питания и блокировки и крупногабаритного, трудоёмкого в изготовлении и настройке QB4 разделительного фильтра введены две малогабаритные печатные платы с фиксированной настройкой для всех телевизионных каналов и два простейших режекторных фильтра с частотами настройки, расположенными вне рабочей полосы канала связи.
Опыт построения ТВП АЇРС 5/0,5 кВт может быть распространён как на создание новых типов радиостанций, так и на модернизацию выпускаемых промышленностью телевизионных передатчиков путём переоборудования их для режима совместного усиления.
Материалы диссертации положены в основу реализации комплексной целевой программы по решению научно-технических проблем 0.26. 05, утверждённой Государственным комитетом по науке и технике и Госпланом СССР II.I2.8I г., задание 05.01, п.й.2а: "Создание и освоение в производстве ТВ радиостанции 50/5 кВт 1,ПД диапазонов с совместным усилением сигналов изображения и звукового сопровождения".
Результаты проведённых исследований нашли применение в трёх научно-исследовательских работах, посвященных решению вопросов совместной передачи сигналов изображения и звука, а также использованы при разработке стандарта СЭВ, определяющего основные параметры телевизионных радиопередатчиков и методы их измерений.
Общий экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет по оценке Министерства связи СССР ориентировочно 3Q тыс.рублей на одно изделие. При плановом серийном выпуске 20 радиостанций в год экономия составит примерно 600 тыс. рублей. Указанный экономический эффект не учитывает полученного опережения на 8-Ю лет планируемого срока внедрения метода совместного усиления в Народное хозяйство и соответствующей экономии затрат, связанных с необходимостью разработки высоколинейных генераторных ламп и специальных систем предкоррекции искажений»
Материалы диссертации опубликованы в пяти научно-технических статьях, двух описаниях изобретений к авторским свидетельствам и доложены на трёх научно-технических конференциях НТОРЭС им.А.С. ПОПОВА: двух Ленинградских Областных (1978,1980 гг.) и Московской Всесоюзной (1983 г.). ., 21 -
class1 ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ
С СОВМЕСТНЫМ УСИЛЕНИЕМ РАДИОСИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКА В СВЕТЕ РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЛЕКСНОЙ ЦЕЛЕВОЙ ПРОГРАММЫ ПО СОЗДАНИЮ
. НОВЫХ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ТВ РАДИОСТАНЦИЙ class1
Обзор способов построения действующих телевизионных передатчиков с совместным усилением
Как указывалось во введении,выпускаемые в настоящее время промышленностью обычные ТВ передатчики состоят из двух отдельных передающих частей: канала изображения и канала звукового сопровождения, выходные колебания которых складываются и подаются на общую антенно-фидерную систему. В качестве устройства сложения обычно используется ОВЧ или УВЧ разделительный фильтр реактивного типа. Это фильтрующее устройство, рассчитанное на максимальную выходную мощность каналов изображения и звука, вносит в передавае-мые сигналы амплитудно- и фазочастотные искажения . Устройство создаёт также определённые потери мощности и отличается высокой стоимостью по отношению ко всем затратам на передатчик. Кроме того разделительный фильтр чувствителен к изменениям Кбв в антенно-фидерной системе и подвержен ухудшению параметров из-за старения [12].
Основанием использования разделительного фильтра является необходимость раздельного усиления сигналов изображения и звука для недопущения возникновения биений и других паразитных сигналов, создаваемых нелинейностью оконечных усилительных каскадов.
По сообщениям зарубежной печати специалисты многих фирм, выпускающих телевизионную аппаратуру, разработали к настоящему времени передатчики с совместным усилением для различных частотных к) В области верхних частот канала изображения искажения АЧХ составляют 3-4 дБ и ХГВЗ - 100-150 не.диапазонов и мощностей [4, II, 12,16J . Причём, при создании ТВ передатчиков малой и средней мощности, где на первый план выдвигаются задачи уменьшения габаритов и веса аппаратуры,упрощения схем и эксплуатации,увеличения надёжности, удешевления аппаратуры, этот вариант построения используется уже как основной [з] . Такая концепция построения телевизионных передатчиков стала .возможной благодаря созданию новых высоколинейных ОВЧ и УВЧ усилительных приборов с большим коэффициентом усиления, изменению нормируемого соотношения мощностей каналов изображения и звукового сопровождения с 2/1 до 10/1 и применению в ТВ передатчиках модуляции на промежуточной частоте.
Передатчики с совместной передачей сигналов изображения и звука состоят, с небольшими отклонениями, из тех же функциональных элементов, что и передатчики с раздельными каналами усиления звука и изображения, что.позволяет конструировать такие передатчики на базе уже имеющихся,без больших затрат на разработку [2 3[] . Так, фирма SlqndQid Евекіик Lo?ent A6(SEL)YL 1971 году выпустила серию телевизионных передатчиков для Ш частотного диапазона с совмещённым усилением сигналов мощностью 3/0,3 кВт, полученных путём реконструкции передатчика с раздельным усилением мощностью 10/1 кВт. Характерным для этих передатчиков по сравнению с исходными, мощностью 10/1 кВт, является исключение из их состава громоздкого разделительного ОВЧ фильтра и всего раздельного тракта усиления частотно-модулированного сигнала звукового сопровождения с цепями его питания и блокировки,что упрощает устройство передатчиков и их эксплуатацию. Взамен исключаемых элементов в передатчики добавляются устройство формирования суммарного сигнала на промежуточной частоте и фильтр подавления дополнительных внеполосных излучений нелинейные искажения, измеренные дифференциальным усилением, составляют не более 3-5 %. комбинационных частот.
Рассмотрим принцип построения существующих зарубежных ТВ передатчиков с общим усилением на примере передатчика фирмы S5.L (ФРГ) [з].
class2 ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТВ ПЕРЕДАТЧИКОВ С СОВМЕСТНЫМ УСИЛЕНИЕМ СИГНАЛОВ
ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ class2
Метод фазовой модуляции радиосигнала изображения разностной частотой несущих изображения и звука
В главе I были рассмотрены вопросы энергетических показателей и взаимных помех в ТВП при аддитивном способе передачи, то есть при линейном сложении радиочастотных сигналов изображения и звукового сопровождения на том или ином уровне мощности с последующим их совместным усилением в общем тракте. Там же указывалось, что перевод обычных ТВ передатчиков в режим совместного усиления, использующий метод простого суммирования сигналов, сопровождается резким ухудшением их основных энергетических показателей.
В настоящей главе рассматривается возможность повышения энерге тической эффективности ТВ передатчиков с совместным усилением путём видоизменения системы модуляции передаваемого сигнала с целью уменьшения динамического диапазона его результирующей амплитуды.
Анализ возможных способов формирования суммарного сигнала проведём посредством сопоставления основных энергетических показателей ТВП, реализующих предлагаемые принципы построения. Для наглядности сравнения все расчетные соотношения приведём к пиковой мощности сигнала изображения, которую примем равной единице. При этом без учёта мощности синхроимпульсов выходная мощность сигнала изображения при передаче уровня "гашения" равна 0956Р манс
Нелинейность тракта и взаимные помехи при совместном усилении радиосигналов изображения и звука
Одновременная передача нескольких модулированных сигналов через общий тракт усиления при наличии в нём нелинейности сопровождается появлением взаимных помех, которые, как указывалось во введении, можно подразделить на: комбинационные, вызванные взаимодействием в нелинейном тракте несущих входных сигналов и характеризуемые появлением в спектре выходного сигнала паразитных составляющих комбинационных частот; перекрёстные, состоящие в переносе модуляции с одной несущей на другую.
В ТВ передатчиках с совместным усилением присутствуют оба вида указанных взаимных помех, хотя более опасными из них являются комбинационные, как особенно заметные в канале изображения ЦТВ [22] Так как при передаче чёрно-белого изображения основные по интенсивности спектральные составляющие находятся вблизи несущей изображения, то продукты комбинационных искажений, образованные биениями указанных составляющих с несущей звукового сопровождения, оказываются на краю видеоспектра, где они мало заметны. При передаче же через общий усилительный тракт сигналов яркости, цветности и звукового сопровождения (назовём эту совокупность суммарным сигналом) на выходе тракта возникают комбинационные составляющие с амплитудами (Jm,n # отстоящие по частоте от несущей изображения на тЕї+пРг где Fj частота поднесущей цветности;
F2. - разностная частота несущих изображения и звукового сопровождения.
Как легко заметить, две наиболее интенсивные комбинационные составляющие при гп я -I, п а I и ш s 2,; И «I попадают в спектр сигнала изображения и создают ему комбинационные помехи UJJH ІІ2,І При частотах цветовой поднесущей в системе ЦТ СЕКАМ F ж 4, 25-4,4 МГц, и разностной частоте несущих изображения и звука F2 s 6,5 МГц эти поме хи имеют почти совпадающие модулирующие частоты 2,1-2,25 МГц и 2,0-2,3 МГц и проявляются на изображении, как уже указывалось, в виде мелкой сетки "муара". Все другие комбинационные составляющие оказываются вне спектра сигнала изображения, либо пренебрежимо малы.
class4 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СНШШНИЯ ВЗАИМНЫХ ПОМЕХ
ПРИ СОВМЕСТНОМ УСИЛЕНИИ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЕЕНИЯ
И ЗВУКОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ class4
Анализ требований, предъявляемых нелинейности общего тракта передачи
Проблема взаимных помех при совместном усилении сигналов изображения и звукового сопровождения, как уже отмечалось, является одной из основных и возможность применения данного метода в ТВП во многом определяется эффективностью её решения. Поскольку указанная проблема обусловлена, в основном, нелинейностью общего тракта передачи, то при разработке новых, более эффективных методов снижения взаимных помех необходимо, в связи с отсутствием в литературе, провести исследование ряда важных вопросов, касающихся:
изучения механизма возникновения взаимных помех в ТВП с совместным усилением определения зависимости комбинационных искажений от характера нелинейности общего усилительного тракта;
определения норм на нелинейные искажения тракта, допустимых для неискаженной совместной передачи сигналов изображения и звука.
Взаимное влияние сигналов изображения и звукового сопровождения при их совместном усилении определяется суммарным продуктом искажений, обусловленных нелинейностью амплитудной и неравномерностью дифференциально-фазовой характеристик тракта. Тем не менее, представляет интерес рассмотрение зависимости уровней взаимных помех от каждого вида искажений в отдельности с целью определения норм на дифференциальное усиление и дифференциальную фазу, допустимых для ТВ передатчиков с совместным усилением, и степени их предварительной коррекции.
Проведённый в предыдущей главе анализ взаимных помех при различных методах совместного усиления показывает,что между уровнями комбинационных и перекрестных искажений существует однозначная связь,определяемая соотношениями амплитуд входных сигналов и нелинейностью общего тракта передачи (коэффициентами полиномов, аппроксимирующих амплитудную и дифференциально-фазовую характеристики тракта).Поэтому при анализе требований,предъявляемых к нелинейности общего усилительного тракта, достаточно найти зависимость от параметров нелинейности тракта (дифференциального усиления и дифференциальной фазы) одного из видов искажений,например, комбинационных, как наиболее опасных при совместном усилении .сигналов изображения и звука.
Последующий анализ искажений относится к аддитивному способу передачи и посвящен определению уровня наиболее интенсивной при совместном усилении сигналов изображения и звука комбинационной составляющей ( Uf.O для различных амплитудных и дифференциально-фазовых характеристик, общего тракта передачи. Полученные результаты можно распространить и на новые способы формирования суммарного сигнала, так как уровень наиболее интенсивной комбинационной составляющей UM » как было показано в главе Ш, при различных способах совместного усиления остаётся неизменным.
Особенности передачи суммарного радиосигнала при наличии ограничения в общем усилительном тракте
Механизм возникновения перекрестных искажений радиосигналов изображения и звукового сопровождения может быть пояснён с помощью векторных диаграмм, представленных на рис.5.1а и 5«2а и отображающих передачу через нелинейный тракт суммарного сигнала, сформированного аддитивным способом и методом квадратурной модуляции.
Предположим для наглядности, что тракт совместного усиления имеет амплитудную характеристику с ограничением на уровне вершин синхроимпульсов сигнала изображения, (на рис.5.1 и 5.2 это ограничение показано пунктиром). В рассматриваемом режиме работы усилителя и при стандартном соотношении мощностей сигналов изображения и звука Риз./Рзв. = 10 импульс анодного тока характеризуется углами отсечки: 0 = 90 и Q-і = 40 .
При аддитивном способе передачи вследствие ограничения суммарного сигнала Срис.5.1б) в огибающей радиосигнала звукового сопровождения Срис.5.1в) в момент прохождения синхроимпульсов образуются врезки величиной равной 35 % (0 я 0,57); одновременно в результате изменения средней составляющей суммарного сигнала ( 0 -0,37) огибающая радиосигнала изображения (рис.5.1г) получает компрессию равную 14 %, то есть величина синхроимпульсов уменьшается с 25 % до II %.
