Расчет соединительной линии звукового вещания

 

3.1 Принципы корректирования амплитудно-частотных искажений

 

Звенья вещательных каналов  вносят амплитудно-частотные искажения. Это означает, что их коэффициент  передачи или затухание является функцией частоты и частотная  характеристика коэффициента передачи отличается от горизонтальной прямой.

Во многих вещательных  устройствах величину амплитудно-частотных  искажений, проявляющихся как спад коэффициента передачи на крайних частотах, сводят к нормированному значению рациональным построением электрической схемы, выбором величин ее элементов  и режима работы, применением отрицательной  обратной связи. Но амплитудно-частотные  характеристики некоторых звеньев  вещательного канала, соединительных линий, устройств звукозаписи и  звуковоспроизведения, междугородных  линий, линий проводного вещания  не имеют горизонтального участка. В этих случаях амплитудно-частотные  искажения уменьшают, включая в  вещательный канал особую цепь—корректирующий контур КК.

Амплитудно-частотная характеристика КК должна быть такой, чтобы общая амплитудно-частотная характеристика искажающего звена и КК в заданной полосе частот от fmax до fmin была горизонтальной прямой. Итак, условие частотной коррекции искажающего звена:

 

 или  при

 

где и - соответственно коэффициент затухание (передачи) искажающего звена и корректирующего контура.

К методам корректирования  амплитудно-частотных искажений  по техническим приемам и способам расчета близки методы частотных  предыскажений. Частотными предыскажениями  называют искусственное искажение спектра вещательного сигнала с целью улучшения ОСШ. Частотные предыскажения широко применяют в каналах подачи вещательных программ, например в соединительных линиях, в устройствах звукозаписи, в радиовещании с частотной модуляцией.

Поскольку СЛ включают в вещательный  канал в различных произвольных комбинациях, их рассматривают как  самостоятельные звенья канала. Нежелательна компенсация амплитудно-частотных  искажений, вносимых СЛ, в других звеньях  канала - ЛУ или ПУ, так как в  том случае невозможно маневрировать  усилителями и СЛ и присоединять к любому усилителю любую СЛ. Каждая СЛ должна быть скорректирована, независимо от других звеньев канала. Идентичность АЧХ скорректированных СЛ облегчает  их эксплуатацию и взаимное резервирование. АЧХ скорректированной СЛ должна укладываться в пределы шаблона, представленного на рисунке 3.

 

 

 

Рисунок 3 – Шаблон норм на неравномерность амплитудно-частотной характеристики СЛ

 

В СЛ применяют принципиально  иные метода корректирования АЧХ, чем  в линиях проводного вещания. Ввиду  большого количества СЛ, последовательно  включаемых в вещательный канал, требуется высокая точность корректирования (см. табл. 1).

Соединительные линии  нагружены на активное сопротивление, величина которого соизмерима с модулем  волнового сопротивления СЛ. В  этих условиях затухание СЛ монотонно возрастает с частотой. Физически это явление может быть объяснено с помощью эквивалентной схемы, представленной на рисунке 4.

 

 

 

Рисунок 4 – АЧХ соединительной линии и соответствующая ей эквивалентная схема

 

Она справедлива, если длина  линии не превосходит четверти длины  волны передаваемого сигнала  , т.е. при электрически короткой линии. Сопротивление проводов линии вместе с сопротивлением , образованным сопротивлениями активных и емкостных утечек между проводами линии, и сопротивлением нагрузки образуют делитель напряжения. С увеличением частоты модуль увеличивается, а модуль уменьшается. Поэтому коэффициент передачи этой цепи с увеличением частоты уменьшается, а затухание растет.

Дополнительные амплитудно-частотные  искажения возникают из-за изменения  входного сопротивления соединительной линии по диапазону частот. Поскольку  СЛ является нагрузкой ЛУ, изменения  входного сопротивления СЛ приводят к изменению падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника  вещательного сигнала - ЛУ. Но при малой  величине внутреннего сопротивления  ЛУ эти искажения незначительны, и их не учитывают.

Для корректирования АЧХ  СЛ используют особый четырехполюсник  с сосредоточенными параметрами - корректирующий контур (КК). Его затухание  в рабочем диапазоне частот должно изменяться так, чтобы общее затухание СЛ и КК не зависело от частоты. Предположение, что общее затухание СЛ и КК равно сумме затуханий и справедливо лишь в том случае, когда входное сопротивление КК постоянно в рабочем диапазоне частот и равно сопротивлению нагрузки . В противном случае при подключении КК к СЛ изменится нагрузка СЛ и изменится ее затухание.

Наибольшее затухание  КК должен вносить на низшей рабочей  частоте . До частот 500-700 Гц затухание должно оставаться примерно постоянным, а затем плавно спадать до нуля на высшей рабочей частоте  
. Физические свойства СЛ и КК различны; линия – четырехполюсник с распределенными параметрами, КК – четырехполюсник с сосредоточенными параметрами. Поэтому достичь с помощью КК полной компенсации амплитудно-частотных искажений, вносимых СЛ, невозможно.

Чем больше будет взято  точек на оси частот, для которых  затухание КК должно совпасть с затуханием, полученным из идеализированной кривой , тем сложнее схема КК.

КК должен иметь минимальное  количество настраиваемых (подбираемых) элементов. На высшей частоте затухание  КК должно приближаться к нулю. Включение  КК не должно изменять частотной характеристики затухания сопряженного с ним  звена, в данном случае, СЛ, иначе  частотное корректирование превратиться в сложный и трудоемкий процесс  эмпирического подбора элементов  КК. При включении КК в конце  СЛ следует применять КК с постоянным входным сопротивлением, а при  включении в начале СЛ - с минимальным  выходным сопротивлением. Уменьшение выходного сопротивления КК желательно и при включении КК в конце  СЛ, так как при этом уменьшаются  напряжения внешних помех наводимые  на входную цепь усилителя, следующего после КК. Постоянство входного сопротивления  полезно и в тех случаях, когда  КК включен перед СЛ, так как  это стабилизирует режим ЛУ.

Следовательно, КК должен иметь  постоянное входное сопротивление, минимальное выходное сопротивление, минимальное затухание на высшей рабочей частоте и наименьшее количество настраиваемых элементов.

Основные схемы КК представлены на рисунке 5.

 

 

 

Рисунок 5 –  Основные схемы колебательных контуров: а - контур последовательного сопротивления, б- контур параллельного сопротивления, в - полный параллельный контур, г - полный последовательный контур, д - Т-образный мостовой контур, е - схемы двухполюсников Z₁ и Z₂

 

Простейший двухполюсник, включаемый в цепь последовательно  с нагрузкой или параллельно  нагрузке, не дает хорошего корректирования, так как входное сопротивление  такого КК зависит от частоты и  изменяет ход частотной характеристики СЛ.

Полный параллельный контур обладает постоянным входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением, изменяющимся с частотой. Полный последовательный контур имеет постоянное входное  сопротивление и небольшое выходное сопротивление, также изменяющееся с частотой. По этой причине полный последовательный контур наиболее пригоден для корректирования СЛ. Т-образный мостовой контур обеспечивает постоянство  входного сопротивления, но его выходное сопротивление больше, чем у полного  последовательного. Поэтому он менее  подходит для корректирования СД, хотя в типовой аппаратуре встречается  довольно часто.

Степень сложности двухполюсников , и зависит от требуемой точности корректирования. Если двухполюсники и с содержат по два элемента, причем , образован параллельным соединением активного сопротивления и емкости, -последовательным соединением активного сопротивления и индуктивности, то расчетная характеристика затухания совпадет с идеализированной в двух точках – на (практически, в области низших частот) и на . Если , - трехэлементные, то совпадение получается в трех точках. При повышении требований к точности корректирования АЧХ одного КК оказывается недостаточно. Тогда используют два и более КК, причем дополнительные КК служат для корректирования неравномерности АЧХ, остающейся после введения первого КК.

Усложнение КК по экономическим  причинам нежелательно. Поэтому обычно ограничиваются условием совпадения идеализированной и расчетной кривой затухания  КК в трех точках, в качестве которых  берут , и одну промежуточную. Расчетные формулы существенно упрощаются, если в качестве промежуточной точки принять частоту , на которой затухание КК равно половине максимального .

Схемы двухполюсников и синтезируют на основе следующих соображений.

В области низших частот сопротивления  и должны быть чисто активными. На высшей расчетной частоте , должно обращаться в нуль, а приближаться к бесконечности. Этого можно достичь, выполнив в виде последовательного, a в виде параллельного колебательного контура. Резонансные частоты контуров должны быть равны и совпадать с высшей частотой рабочего диапазона . Затухание КК в области низших частот определяется соотношением и :

 

 

 

Крутизна частотной характеристики затухания КК растет с увеличением  отношения , соответственно при этом увеличивается частота половинного затухания . Потери в колебательных контурах уменьшает точность корректирования на высших частотах. Поэтому катушки индуктивности и должны иметь возможно меньшее активное сопротивление. Конденсаторы и должны иметь малые диэлектрические потери.

К методам корректирования  амплитудно-частотных искажений  по техническим приемам и способам расчета относятся:

 

3.1.1 Корректирование с помощью шунта (согласующего сопротивления)

 

АЧХ электрически короткой воздушной  корректируют путём включения в  конце линии активного сопротивления  (рисунок 6).

 

 

 

Рисунок 6 –  Корректировка АЧХ при помощи шунта

 

Включение увеличивает затухание линии, в результате чего режим линии на высших частотах приближается к режиму бегущей волны. Однако наличие снижает коэффициент передачи на других частотах. Чтобы шунт действовал только в области высших частот, последовательно с вводят ёмкость , играющую роль своеобразного ключа, размыкающего цепь коррекции для токов средних и низших частот. Коэффициент передачи имеет наименьшую величину на низшей частоте , а наибольшую – на . После включения коэффициент передачи на высшей частоте уменьшается до некоторого значения .

Элементы шунта выбирают на следующей основе. Полное сопротивление  шунта 

 

 

 

на  должно быть близко к , а в области средних и низших частот в несколько раз превосходить .Такие соотношения получаются в том случае, если выбрать постоянную времени шунта равной приблизительно одной трети периода , соответствующего высшей частоте расчётной полосы пропускания:

 

 

 

При большой длине линии  полезно согласовать линию на высших частотах. Для этого в конце  линии включают сопротивление, равное эквивалентному сопротивлению на высших частотах с учётом распределённых нагрузок: . Из-за больших величин сопротивлений нагрузок эквивалентное сопротивление на близко к волновому сопротивлению линии без нагрузки . Применение этого метода в длинных линиях может привести к спаду частотной характеристики К на высших частотах. Чтобы уменьшить опасность спада АЧХ, полезно взять величину согласующего сопротивления больше , т.е. допустить некоторое рассогласование.

 

3.1.2 Корректирование АЧХ с помощью разделительного трансформатора

 

Если длина воздушной  линии велика и включение шунта  приводит к спаду АЧХ в области  высших частот, выходящему за допустимые пределы целесообразно применить  дополнительную коррекцию с помощью  трансформатора Тр, разделяющего линию на 2 участка: первый – длиной и второй - электрически длинный (рисунок 7).

 

 

Рисунок 7 –  Корректировка АЧХ при помощи разделительного трансформатора

 

Разделительный трансформатор  служит для того, чтобы ослабить шунтирующее действие собственной  проводимости второго участка. Он должен быть понижающим, чтобы уменьшить  величину пересчитанного в первичную  обмотку значения проводимости. Если коэффициент трансформации выбрать  таким образом, чтобы получит  значительное ослабление влияния проводимости на высших частотах, то режим участка  на высших частотах будет приближен к режиму холостого хода. В результате на участке получится подъём частотной характеристик. К на высших частотах, который до некоторой степени скомпенсирует спад частотной характеристики К на высших частотах на участке . Уменьшение рабочего напряжения на участке , возникающее из-за включения понижающего трансформатора, компенсируют повышением напряжения на участке . Величину коэффициента трансформации ограничивают величиной 0.5 (1:2). Уменьшение коэффициента трансформации от 0.5 до 0.25 даёт прибавку К менее чем на 25% (около 2 дБ). Дальнейшее снижение коэффициента трансформации выигрыша практически не даёт. К тому же при меньших значениях коэффициента трансформации пришлось бы чрезмерно повысить рабочее напряжение на участке .

На втором участке на высших частотах благодаря наличию шунта  сохраняется режим бегущей волны. Поэтому можно не опасаться появления узлов и пучностей напряжения на этом участке.

 

3.1.3 Пупинизация

 

Хевисайд показал, что  минимальное значение коэффициента затухания  получилось бы в том случае, если бы удалось выполнить условие

 

 или 

 

Неравномерность частотной  характеристики затухания в этом случае также была бы наименьшей. В  реальных линиях L/R<C/G. Существует несколько  путей приближения к условию.

Уменьшение R или С –  экономически не выгодно. Первый связан с возрастанием расхода металла  при увеличении диаметра проводов или  при применении более дорого металла  – меди вместо стали; второй – с  применением более сложных конструкций  линий. Для уменьшения ёмкости необходимо увеличивать расстояние между проводами. На воздушных линиях это связано  с применением траверс вместо штырей, на кабельных – с увеличением  толщины изоляции, следовательно, с  увеличением диаметра кабеля.

Можно приблизиться к условию, искусственно увеличив индуктивность  линии. Физически обоснованием этого  является следующее. Коэффициент затухания  можно представить в виде двух составляющих - и , первая из которых обусловлена потерями в проводах, а вторая – в диэлектрике (изоляции):