Проводное вещание

ПРОВОДНОЕ ВЕЩАНИЕ

Системой проводного вещания называется комплекс устройств, предназначенный для доведения вещательных программ по проводам большому числу слушателей. Проводное вещание осуществляют с помощью узлов проводного вещания (УПВ). Оборудование УПВ делится на станционное, линейное и абонентское. Станционные устройства служат для усиления сигнала источника программы до требуемого значения, а также для преобразования его в удобную для передачи форму. Станции содержат усилительные, передающие и другие радиотехнические устройства Линейное оборудование, образующее распределительную проводную сеть, состоит из различных линий (воздушных, кабельных, составных) и линейных трансформаторов. Абонентская (приемная) часть состоит из абонентских устройств (АУ), включающих громкоговорители, абонентскую проводку, ограничительные резисторы.

УПВ классифицируются по способу питания распределительных сетей, принципу построения и числу передаваемых программ. УПВ, в котором распределительная сеть питается от усилительных устройств, сосредоточенных в одном станционном сооружении построены по централизованной схеме. В этих УПВ упрощается задача энергоснабжения станции и обслуживания оборудования. Эксплуатация одной крупной станции экономически более выгодна. Недостатки схемы — сложность распределительной сети и меньшая ее эксплуатационная надежность. При децентрализованном построении УПВ мощные усилительные устройства в пределах обслуживаемой территории рассредоточены в различных районах на нескольких усилительных станциях. Питание распределительной сети от нескольких источников повышает ее надежность, так как выход из строя одной станции приводит к нарушению работы лишь части системы ПВ. Построение распределительной сети проще. Недостатки — сложная организация энергоснабжения и большая стоимость станционных сооружений.

По принципу построения различают одно-, двух- и трехзвенные сети проводного вещания. Однозвенными называют сети, у которых АУ подключаются непосредственно к распределительным проводным линиям (РПЛ). В этом случае от источника вещательных программ (ИВП) через соединительную линию (СЛ) сигнал поступает на вход мощного усилителя (МУ), питающего распределительную сеть. В однозвенных сетях распределительные линии состоят из абонентских линий (АЛ).

Номинальное напряжение звуковой частоты на входе АУ равно 30 В. Двухзвенная сеть (рис. 101, б) включает линии более высокого напряжения (в городах 240 или 120 В) — распределительные фидеры РФ, с помощью которых энергию вещательных сигналов можно передавать на далекие расстояния. К каждому распределительному фидеру абонентские линии подключают через. понижающие абонентские трансформаторы AT. Трехзвенная сеть (рис. 101, в) содержит дополнительные звенья: высоковольные магистральные фидеры МФ, номинальное рабочее напряжение на которых равно 480, 680 или 960 В, и трансформаторные подстанции ТП. Фидерные линии с высоким номинальным напряжением вещательного сигнала включают для уменьшения потерь в распределительных сетях ПВ. ТП предназначены для понижения напряжения, поступающего с МФ на распределительные шины РФ, до 240 ила 120 В.

Применение той или иной схемы или сети ПВ зависит от величины и конфигурации обслуживаемой территории, количества и распределения по территории абонентских устройств, экономических и эксплуатационных показателей. Различают городские и сельские однопрограммные и многопрограммные УПВ.

Рекомендуют следующее построение городской сети ПВ: централизованная система с однозвенной сетью для небольших населенных пунктов, отдельных зданий (санатории, дома отдыха и т. п.) и промышленных предприятий; централизованная система с двухзвенной сетью для небольших городов с населением 50—100 тыс. чел. и числом абонентов 10—20 тыс.; децентрализованная система с двухзвенной (или трехзвенной) сетью для городов с населением до 150—200 тыс. чел.; децентрализованная система с трехзвенной сетью во всех городах с населением свыше 200—250 тыс. чел.

Тип распределительной сети выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов. При проектировании городских сетей ПВ следует учитывать следующие особенности:

· магистральные фидеры трехзвенной сети подключают к мощному вещательному усилителю через фидерный повышающий трансформатор, нагрузкой МФ служит трансформаторная подстанция ТП;

· нагрузка одного МФ составляет 10—20 тыс. АУ, длина каждого МФ в среднем 1,7—7,6 км;

· распределительные фидеры по величине затухания и нагрузки должны мало отличаться друг от друга, длина каждого РФ 1,5—6 км;

· нагрузка на один РФ в городах с малой плотностью населения составляет 500 АУ, в городах с большой плотностью населения — 1500—2000 АУ, оптимальное число РФ, питаемых от каждой ОУС или ТП, 6—10;

· суммарное затухание напряжения в распределительной сети от выхода мощного вещательного усилителя до розетки, установленной у абонента на частоте 1000 Гц, не должно превышать 4 дБ, при этом для МФ допустимое затухание 1—2 дБ, для РФ —2—3 дБ и для АЛ—1 дБ;

· линии звукофикации улиц строят в тех случаях, когда мощные громкоговорители нельзя включить в общую сеть, затухание напряжения по длине линий уличной звукофикации не должно превышать 6 дБ;

· неравномерность частотной характеристики распределительной сети в рабочем диапазоне частот (60—9500 Гц для линий первого класса, 100— 6000 Гц для линий второго класса) не должна превышать 4 дБ.

Для большинства городов среднее число ОУС не превышает пяти. Среднее число магистральных рабочих фидерных линий, выходящих из одной ОУС, равно трем и лишь в отдельных случаях — шести. В городах с децентрализованной трехзвенной сетью ПВ средняя установочная мощность низкочастотных усилителей ОУС 15 кВт.

Схема децентрализованного городского УПВ с трехзвенной распределительной цепью показана на рис. 102. Мощные усилительные устройства в пределах обслуживаемой территории рассредоточены на нескольких усилительных станциях, называемых опорными ОУС. Подача программ на все ОУС, дистанционное управление и контроль за их работой и работой трансформаторных подстанций ТП осуществляются с центральной станции проводного вещания ЦСПВ по соединительным линиям СЛ и соединительным линиям технического контроля СЛТК, в качестве которых используют телефонные пары городской телефонной станции (ГТС). Часто одну из ОУС территориально совмещают с ЦСПВ. Образованный комплекс называют центральной усилительной станцией (ЦУС). Каждая ОУС магистральными фидерами МФ соединена с несколькими трансформаторными подстанциями ТП звуковой частоты. Система имеет возможность, резервирования, т.е. каждая ТП получает питание от двух ОУС. При повреждении одного МФ автоматически происходит переключение ТП на резервный магистральный фидер РМФ. При выходе из строя ОУС происходит, переключение ТП на другие ОУС. Если какая-нибудь ТП находится на большом расстоянии от ОУС, то строят резервную усилительную станцию (блок-подстанцию БП), которая включает и подает энергию вещательного сигнала на ТП в том случае, когда основная фидерная линия или ОУС выходят из строя. В большинстве городов систему ПВ строят по радиальному принципу, т.е. каждая ОУС с помощью СЛ непосредственно соединяется с ЦСПВ. Эта система наиболее проста и применяется при малом числе управляемых ОУС, расположенных на небольшом расстоянии от ЦСПВ. В крупных городах число ОУС велико, расстояние между ОУС и ЦСПВ часто превышает допустимую длину СЛ, поэтому включают промежуточные усилители. В этом случае УПВ выполняют по радиально-узловому принципу, что обеспечивает подачу программ вещания как непосредственно с ЦСПВ на ОУС, так и через соседние усилительные станции. При таком способе подачи программ резко уменьшается количество СЛ, связующих ЦСПВ и ОУС, и увеличивается максимально допустимое расстояние ЦСПВ — ОУС, так как программа на удаленные ОУС поступает после промежуточного усиления на более близко расположенные к ЦСПВ и ОУС.

Структурная схема тракта трехзвенной сети системы однопрограммного ПВ и диаграмма электрических уровней по напряжению для частоты сигнала 1000 Гц показаны на рис. 103. Отсчет уровней ведется от N' = 0 дБ (Uо = 0,775 В). Уровень напряжения на выходе ЦСПВ по нормам, установленным для СЛ, должен соответствовать 15 дБ (4,4 В). В конце СЛ2 (на входе ОУС) уровень напряжения должен быть не менее 0 дБ. На ОУС уровень напряжения повышается до 62 дБ (960 В). На МФ уровень напряжения падает на 1—2 дБ, поэтому на входе ТП составляет 60—61 дБ. Трансформаторная подстанция понижает уровень напряжения до 50 дБ (при номинальном рабочем напряжении Upф= 240 В). Падение напряжения в конце РФ не должно превышать 2—3 дБ. Абонентский трансформатор AT рассчитан на передачу спектра звуковых частот и понижает напряжение до 32 дБ (30 В). Затухание в абонентской линии АЛ 1 дБ.

Двух- и трехзвенная сети ПВ оборудуют устройствами дистанционного управления и контроля, блокировки и защиты, с помощью которых можно с ЦСПВ (или ЦУС) включать ОУС (УП), переключать рабочие и резервные фидеры, контролировать качество передачи вещательного сигнала вплоть до входа РФ. Комплекс коммутационно-распределительной аппаратуры управления и контроля содержит статив управления и контроля трансформаторными подстанциями (УКТП), устанавливаемый на ЦУС; статив выходной коммутации (СВК), устанавливаемый на ОУС; статив трансформаторной подстанции (СТП) и статив распределительных фидеров (СТР), устанавливаемые на ТП. Стативы СВК, СТП, СТР позволяют полностью автоматизировать работу сети ПВ.

СВК является выходным устройством ОУС. С помощью этого статива повышается напряжение вещательного сигнала I программы с 120/240 до 960 В и подается на выход МФ. СТП предназначен для понижения напряжения сигнала I программы, поступающего с МФ на ТП с 960 до 240 В при мощности 7,5 кВт. Комплекс из стативов СВК-СТП обеспечивает дистанционное управление МФ и контроль электрического состояния фидеров, автоматическое переключение на резервный фидер в случае аварии рабочего. Схема защиты МФ срабатывает при обрыве одного или двух проводов, заземлении одного провода, трехкратной перегрузке и коротком замыкании линии, а также если величина сопротивления заземления каждого из проводов фидера меньше 3 кОм. Во всех указанных случаях питание фидера автоматически отключается и подключается резервный фидер. СТР служит для распределения энергии вещательных сигналов от ТП по РФ и сигналов I программы по линиям уличной звукофикации.

Распределительная сеть в городах выполняется на базе воздушных линий, изготовленных из стальных или биметаллических проводов. Магистральные фидерные линии в подавляющем большинстве случаев однородные. Лишь в отдельных случаях в разрыв МФ включают кабельные вставки. Для повышения эксплуатационной надежности, улучшения качественных показателей, а также с эстетической точки зрения воздушные линии заменяют кабельными сетями и линиями. Поскольку сети ПВ в городах построены, переводить их на кабель будут постепенно при реконструкции сети. Магистральные кабельные линии очень дороги, поэтому при проектировании новых кабельных сетей ПВ применяют двухзвенные кабельные сети.

Многопрограммное проводное вещание (МПВ) можно организовать в низкочастотном или высокочастотном участках спектра. В первом случае сигналы программ передаются по многопарной линии в полосе звуковых частот, во втором многоканальная система организуется с частотным разделением каналов. В низкочастотном спектре на передающей стороне, как и в системе однопрограммного ПВ, вещательные сигналы при передаче в линию имеют высокий уровень. В абонентском устройстве устанавливают переключатель выбора программ. Этот метод МПВ применяется в Англии и Голландии. В Голландии, например, по четырехпарным кабелям перадаются четыре программы. При втором методе в качестве распределительных сетей используют городские телефонные сети и линии системы однопрограммного ПВ. В настоящее время при организации МПВ чаще применяется передача вещательных сигналов в высокочастотном диапазоне с частотным разделением каналов.

Система МПВ по линиям городских телефонных связей. При создании такой системы следует учитывать возможность помех вещанию со стороны телефонной системы из-за коммутационных станционных приборов и номеронабирателей абонентов. Для устранения таких помех на передающем и приемном концах устанавливают ФНЧ. Возможны помехи от радиовещательных станций. В этой системе несущие передатчиков модулируются по амплитуде сигналами вещательных программ. Радиосигналы с выхода передатчиков подводятся к общим шинам и с помощью станционных фильтров подключения (СПФ) направляются в распределительную сеть ГТС. СПФ состоит из ФНЧ и ФВЧ, соединенных параллельно. ФНЧ препятствует прохождению радиосигналов, а также устраняет действие помех, вызванных коммутационными приборами телефонной станции. ФВЧ препятствует проникновению низкочастотных телефонных сигналов в высокочастотную аппаратуру. На входе АУ (в конце абонентской линии) по тем же причинам устанавливают подобные ФНЧ и ФВЧ. С учетом допустимого затухания в распределительной сети ГТС и возможности использования вещательных радиоприемников для организации МПВ применяют частоты длинноволнового диапазона 150—350 кГц.

Шестиканальная система МПВ организуется следующим образом. Радиосигналы с выходов шести передатчиков через фильтры направляются к широкополосному усилителю (ШУ). Напряжение каждой несущей составляет 5 В. При использовании канальных усилителей радиосигналов напряжение несущей можно увеличить до 25 В. В зависимости от длины линии один ШУ может питать несколько сотен абонентских устройств. На приемной стороне радиосигналы, соответствующие шести радиовещательным программам, принимаются на специальное устройство или на радиовещательный приемник. Радиовещательный приемник подключают к телефонной сети с помощью симметричного трансформатора. К одной абонентской линии через согласующее устройство можно подключить несколько радиоприемников. Специальное приемное устройство МПВ обычно выполняют по схеме прямого усиления. Оно состоит из фильтров, настроенных на фиксированные частоты, AM детектора и УНЧ.

Система ВЧ МПВ по телефонным сетям применяется в Швейцарии, она обслуживает свыше 450 тыс. абонентов, а начинает внедряться также в ряде городов Италии и Испании. Передача вещательных программ ведется по высшему классу качества в полосе 30—15 000 Гц. Однако, несмотря на высокое качество передач и эксплуатационную устойчивость, системы ВЧ МПВ по телефонным сетям массового распространения еще не получили.

Система МПВ на базе телевизионной распределительной сети. Интерес к системам проводного телевизионного вещания вызван следующими причинами: 1) ограниченностью телевизионных каналов и числа телевизионных программ; 2) наличием помех при приеме телевизионных сигналов в крупных городах с многоэтажными зданиями с железобетонным каркасом (многочисленные отражения от зданий создают повторы на изображении, а в зданиях, находящихся в зоне радиотени, в значительной степени падает напряженность поля); 3) эстетическими требованиями архитектуры отказаться от индивидуальных антенн.

Появляются коллективные системы распределения телевизионных сигналов: коллективные антенны и сети проводного телевизионного вещания, охватывающие дом, квартал и даже микрорайон города. Такие сети, естественно, можно использовать и для передачи программ вещания.

Рассмотрим систему проводного звукотелевизионного вещания, в которой распределительная сеть выполнена из многопарного симметричного кабеля. По каждой паре кабеля передают сигналы одной телевизионной и одной программы звукового вещания. Вследствие большого разноса частотных диапазонов вещательных и телевизионных сигналов устройство подключения может состоять только из индуктивности и конденсатора. Абонентские устройства подсоединяют к каждой паре кабеля через устройство подключения, состоящее также из катушек индуктивности и конденсатора.

Для НЧ сигналов сопротивление индуктивности незначительно, поэтому влиянием этих элементов на прохождение вещательных сигналов можно пренебречь. Для ВЧ телевизионных сигналов устройство подключения представляет собой понижающий автотрансформатор. Применяя отдельные пары для передачи телевизионных программ, можно использовать одну частоту несущей, а вещательные программы передавать в полосе звуковых частот. В этом случае в абонентском устройстве звукового вещания избирательные контуры отсутствуют. Выбор программ осуществляется с помощью переключателя.

Первоначально система проводного вещания в СССР обеспечивала вещание одной программы в полосе звуковых частот, в дальнейшем появилась трехпрограммная система. Система ТПВ смешанная. Основная программа (обычно I программа центрального вещания) передается сигналами звуковой частоты с высоким уровнем напряжения в полосе звуковых частот 50—10 000 Гц для линий первого класса и 100—6000 Гц для линий второго класса. Для передачи двух других программ используют токи высокой частоты. Несущую частоту выбирают из следующих соображений. Частота несущей и боковые полосы не должны попадать в ДВ вещательный диапазон, чтобы не создавать помех радиоприему. Разнос, частот несущих должен быть как можно большим. При этом упрощается высокочастотная часть приемника, который можно выполнить по схеме прямого усиления с простыми и дешевыми фильтрами. С понижением частоты несущей возрастает уровень помех со стороны низкочастотного канала, а с ее возрастанием увеличивается затухание радиосигнала в распределительной сети. С учетом приведенных выше соображений в качестве частот несущих II и III программ выбраны частоты 78 и 120 кГц, которые передаются с более низкими уровнями. Максимальное напряжение несущей в начале тракта (на входе МФ) равно 120 В, минимальное напряжение несущей на АУ не должно быть ниже 0,25 В. Используется амплитудная модуляция. Высшая модулирующая частота составляет 6 кГц, что соответствует второму классу качества. Частотный спектр трехпрограммного проводного вещания показан на рис.104. Высокочастотный тракт системы ТПВ, как и однопрограммной, содержит станционную, линейную и приемную части. Однако функции этих частей значительно расширены. Станционная часть дополнительно содержит устройства преобразования низкочастотных сигналов в радиосигналы, усилители мощности высокочастотных колебаний и устройства подключения к линейной части тракта. Линейная часть имеет устройства, снижающие затухания радиосигналов. В функцию приемной части дополнительно входит выбор программы и детектирование AM сигналов. На рис. 105, а показана структурная схема системы ТПВ. Низкочастотные сигналы I—III программ от источников программ ИП по соединительным линиям СЛ подаются входы усилителей аппаратуры АПУ1—АПУЗ, размещенных на центральной станции проводного вещания ЦСПВ, с выхода которой по линиям СЛ1— СЛЗ сигналы поступают на опорную усилительную станцию ОУС. На ОУС сигналы I программы подаются на мощный низкочастотный усилитель МУ. Сигналы II и III программ модулируют несущие передатчиков П78 и П120. Усиленные до 960 В вещательные сигналы I программы и до 120 В радиосигналы II и III программ суммируются на трансформаторной схеме устройства подключения передатчиков УПП и подаются в МФ.

На рис. 105, б показана диаграмма уровней напряжений несущих тракта трехзвенной сети ТПВ. Из сравнения диаграмм уровней по напряжению для I программы (см.рис. 103) и II и III программ видно, что сигналы от источников программ на ЦСПВ и от ЦСПВ на ОУС проходят с одинаковыми уровнями. На ОУС уровень напряжения несущей после передатчика составляет 44 дБ и соответствует 120 В. В конце МФ вследствие вносимых линией затуханий, уровень понижается на 2 дБ и на входе ТП равен 42 дБ (98 В). На трансформаторной подстанции уровень несущей понижается до 32 дБ (30 В). Распределительный фидер для радиосигнала имеет значительно большее затухание (20 дБ), чем для вещательного сигнала, и на входе АТ уровень радиосигнала снижается до 13 дБ (3 В). На AT уровень несущей понижается на 10 дБ, абонентская линия вносит затухание 12 дБ, и на вход трехпрограммного АУ поступает сигнал несущей с уровнем напряжения — 10 дБ (0,25 В).

Линии и трансформаторы сетей ПВ вносят большие потери при прохождении высокочастотных сигналов II и III программ. Так, на частотах 78 кГц и выше затухание напряжения в линии 5 км достигает 20 дБ. Неоднородности линий (например, кабельные вставки и отводы) приводят к еще большему увеличению затухания. При передаче радиосигналов II и III программ КПД трансформаторов уменьшается в несколько раз по отношению к КПД на частотах звукового диапазона.

Для уменьшения затухания радиосигналов и приближения к режиму бегущей волны проводится специальная высокочастотная обработка сетей ПВ с помощью специальных дополнительных устройств, обеспечивающих работу фидерных и распределительных линий в режиме бегущей волны. Для уменьшения затухания радиосигналов в сетях ПВ при их подготовке к введению ТПВ применяют дополнительные устройства: устройства подключения передатчиков УПП, обходные устройства ТП (ОУТП), обходные устройства AT (ОУАТ).

На станции узла ПВ или ОУС (при децентрализованной системе) устанавливают устройство подключения передатчиков УПП (рис 106). Напряжение звуковой частоты вводят в МФ с выхода мощного усилителя МУ через фидерный повышающий трансформатор ФПТ и вторичную обмотку высокочастотного трансформатора. Вторичная обмотка выполнена из двух секций (L2/2, L2/2), включенных в оба провода МФ. Напряжение высокой частоты вводится в МФ также с помощью трансформатора ВЧ. Передатчики II и III программ подключают к трансформатору через конденсаторы С3, С4, С5, С6, при этом конденсаторы С4 и С6 имеют малое сопротивление для радиосигналов 78 кГц и выше. Передатчик II программы нагружен на параллельный контур L3, СЗ + С5, настроенный на частоту 78 кГц. Нагрузкой для передатчика III программы является контур L3C3 с резонансной частотой 120 кГц.

Последовательные контуры L1С1 (L1', С1') и L2C2 (L2',C2') настроены на частоты соответственно 120 и 78 кГц и представляют малые сопротивления для токов этих частот. С помощью последовательных контуров передатчик II программы (П78) защищен от радиосигналов III программы, передатчик III программы (П120) —от радиосигналов II программы, а выход усилителя — от радиосигналов обеих программ.

Устройство подключения трансформаторной подстанции (УПТП) состоит из заградительного фильтра магистрального фидера ЗФМ, заградительного фильтра распределительных фидеров ЗФР и обходного устройства трансформаторной подстанции ОУТП (рис. 107, а). ЗФМ построен по симметричной схеме и содержит в каждом проводе по два параллельных контура. Один из контуров настроен на частоту 78 кГц, другой — на частоту 120 кГц. Вследствие этого ЗФМ обладает большим сопротивлением для токов радиосигналов (запирает вход ТП по высокочастотным сигналам) и малым — для сигналов звуковых частот. Обходное устройство ОУТП представляет собой фильтр верхних частот и обладает высоким сопротивлением для частот звукового спектра. Для согласования волнового сопротивления магистрального фидера и входного сопротивления параллельно подключенных к ТП распределительных фидеров коэффициент трансформации ОУТП выбран меньше единицы. Заградительный фильтр ЗФР является аналогом ЗФМ и

предотвращает прохождение радиосигналов по вторичной обмотке понижающего трансформатора.

Для абонентских трансформаторов мощностью 5 и 10 Вт, включенных в домовую распределительную сеть, не обязательно подключать дополнительные устройства. Трансформаторы мощностью 25 Вт, питающие АЛ, к которым подключена нагрузка свыше 80% от номинальной, снабжаются обходным устройством ОУАТ