КАБЕЛСКИ ДИСТРИБУТИВНИ СИСТЕМИ - КОАКСИЈАЛНА КАБЕЛСКА ДИСТРИБУТИВНА МРЕЖА
I Z33T home page I страници на македонски јазик I
Миле Кокотов (2010)
КОАКСИЈАЛНА КАБЕЛСКА МРЕЖА
Сегментот на коаксијалната кабелска мрежа во еден кабелски дистрибутивен систем се користи за пренос на информациите во вид на RF сигнали помеѓу оптичките нодови и крајните корисници. За пренос на информациите (ТВ програми, интернет и сл.) низ коаксијалната мрежа се користат RF сигнали во фреквенциското подрачје од 5 до 860 MHz.
Коаксијалната мрежа е двонасочна и тоа:
А) Во насока од оптичкиот нод (во вид на модулиран мултиплексен повеќеканален RF сигнал во фреквенциското подрачје од 85 до 860 MHz) до крајните корисници се пренесуваат аналогни ТВ програми, дигитални ТВ програми и дојдовниот интернет сообраќај – downstream.
Б) Во обратната насока, преку т.н. повратен канал, се пренесуваат појдовниот интернет сообраќај (upstream) од корисниците до оптичкиот нод (преку модулирани RF сигнали во фреквенциското подрачје од 5 до 65 MHz).
Телефонијата пак, се пренесува преку интернетот (IP-телефонија, односно VoP – Voice over IP).
Коаксијалната дистрибутивна мрежа на КДС има поголемо слабеење на сигналите од повисоките фреквенции отколку на сигналите на пониските фреквенции.
Однос сигнал/шум
Еден од најбитните фактори за квалитетна слика е односот сигнал/шум. Секој елемент и уред во мрежата внесува извесен шум кој мора да се совлада со поголемо ниво на корисниот сигнал.
Секој отпорник со активна отпорност може да се разгледува како генератор на шум создаден од хаотичното топлинско движење на слободните електрони во него. Напонот на шумот на краевите од отпорникот зависи од отпорноста, работната температура и ширината на фреквенцискиот појас во кој се пренесува тој шум.
Коаксијалната кабелската дистрибутивна мрежа има карактеристична импеданса (комплексен RF отпор) од 75 оми и напонот на шумот кој се создава од него (N75оми) при температура од 17°C за фреквенцискиот појас на видео сигналот (5 MHz при аналогна ТВ – PAL стандард) изнесува 2dBµV.
Независно од тоа што преку коаксијалната кабелска дистрибутивна мрежа се пренесуваат голем број канали, телевизорот кај корисникот во еден момент е во состојба да прима само еден од нив, со ширина од 5 MHz. (Иако ширината на ТВ каналот е 7MHz на VHF каналите и 8 MHz на UHF каналите, сепак ТВ приемникот има ширина од 5 MHz кога го прима видео сигналот) Затоа како норма за каналниот топлински шум се зема 2 dBµV.
При дигитална QAM модулација, ширината на каналот изнесува цели 8 MHz така што каналниот топлински шум при QAM модулирани канали изнесува околу 3,8 dBµV.
Каналниот топлински шум и сопствениот шум на засилувачот доведен до неговиот излез, се причина за влошувањето на односот сигнал/шум на излезот од засилувачот во однос на односот сигнал/шум на влезот од засилувачот.
За да се осигура неопходното ниво на сигналот за корисниците, на определено растојание во коаксијалната кабелска дистрибутивна мрежа се вклучуваат засилувачи и тоа води кон дополнително влошување на односот сигнал/шум.
За шумот генериран од засилувачите, како и за односот сигнал/шум кај засилувачите ќе стане збор понатаму во овој труд, во делот кој ги објаснува карактеристиките на засилувачите
Потребен однос сигнал/шум, минимално и максимално ниво
на сигналот за квалитетна слика на аналогната ТВ
Субјективната оцена за квалитетот на приманата ТВ програма (слика и звук) е сврзана со определен однос на сигнал/шум на влезот на приемникот.
Врз основа на голем број испитувања, определени се вредности за квалитет на сигналот на аналогната ТВ, во зависност од односот сигнал/шум.
Тие вредности се прикажани во следнава табела:
За одличен квалитет на сликата нивото на демодулираниот корисен видео сигнал во ТВ приемникот (телевизорот) мора да биде за 46 dB повисок од шумот присутен во сигналот.
Треба да се прави разлика помеѓу односот на сигнал/шум на демодулираниот видео сигнал во телевизорот, од односот на нивото на модулираниот видео носечкиот RF сигнал во однос на шумот (Carrier to noise Ratio – C/N). За да има демодулираниот видео сигнал определен однос сигнал шум (46dB), треба односот на RF сигналот на видео носителот во однос на шумот да биде нешто поголем. Обично се зема дека односот сигнал/шум (однос на RF носител/шум) во современите HFC кабелски дистрибутивни системи треба да изнесува минимум 47dB за сликата на аналогната ТВ кај корисникот да биде одлична.
Во продолжение на овој труд, кога ќе се наведе однос сигнал/шум, се мисли на односот помеѓу нивото на RF сигналот и шумот (Carrier to noise Ratio – C/N или CNR).
Пресметувањето на точната вредност на напонот на шумот не е едноставно. Во одлично проектиран и изведен КДС се смета дека изнесува 10 dBµV. Врз основа на ова го добиваме минималното ниво на сигнал на влезот од приемникот за сликата да биде квалитетна: 47 dB + 10 dBµV = 57 dBµV.
Додека премногу слабиот сигнал ќе даде неквалитетна слика со снег, премногу јак сигнал исто така ќе даде неквалитетна слика, заради преоптоварување на влезниот засилувач во ТВ приемникот кај корисникот и појава на изобличување на сигналот (кросмодулација на каналите).
Повеќето од телевизиските тјунери можат да прифатат варијација на сигналот од 20 до 23 dB без преоптоварување. Поради тоа, максималното ниво на влезот од ТВ приемникот треба да биде: 57 dBµV + 23 dB = 80 dBµV.
Во врска со ова постојат прописи кои го определуваат максималниот и минималниот напон на влезот од приемникот. Тоа е прикажано во следнава табела:
Со извесна толеранција, поради стареењето на системот, усвојуваме дека минималното ниво на сигналот на влезот од приемникот не треба да биде помало од 60 dBµV (1 mV), додека максималното ниво на влезот од приемникот не треба да биде поголемо од 80 dBµV (10 mV).
При ова, треба да се биде особено внимателен, бидејќи некои ТВ приемници не можат да поднесат повисоко RF влезно ниво од 75 dBµV, особено ако преку мрежата се пренесуваат голем број канали.
RF Изолација
Кога повеќе ТВ приемници се приклучени на заедничка кабелска дистрибутивна мрежа, постои можност при процесот на подесување на еден ТВ приемник да се произведе зрачење, кое потоа може да се пренесе преку КДС и да предизвика пречки во приемот кај другите приемници приклучени во мрежата.
Како што постои пропишан минимален однос сигнал/шум, за да се надминат пречките од шумот во системот, така постои и пропис за спречување на пречките помеѓу ТВ приемниците приклучени на КДС. Тоа се постигнува доколку се обезбеди минимум придушување од 42 dB помеѓу било кои два приемника во системот. Изолација од 42 dB во КДС не може да се постигне само со помош на разделници (сплитери), туку е потребно користење и на отцепници (тапови) кои имаат поголема изолација помеѓу своите излезни приклучоци (излезни тап порти).
ТВ приемниците на корисниците приклучени во мрежата произведуваат несакано зрачење кое може да прави пречки, особено во фреквенциите на повратниот пат. Затоа, во коаксијалната линија која води од сплитерот или тапот до телевизорот на корисникот задолжително ставаме високопропусен филтер. Филтерот го поставуваме на самиот излез од сплитерот или тапот, а потоа, на излезниот конектор од филтерот го спојуваме коаксијалниот кабел кој води до телевизорот.
RF оклопеност (А)
Елементите на кабелскиот дистрибутивен систем треба да бидат добро оклопени за радио-фреквенциски зрачења. Тоа подразбира да не ги емитува во надворешната околина сигналите кои се пренесуваат преку КДС и, истовремено да ја спречи индукцијата на надворешните радиофреквенциски зрачења кои можат да навлезат во системот и да предизвикаат интерференција, односно, попречување на сигналите кои се пренесуваат.
Ведностите на RF оклопеност на елементите на КДС во зависност од фреквенцијата на сигналите кои се пренесуваат (според европскиот стандард CENELEC), се прикажани во следнава табела:
Најголема дозволена моќност на зрачење од елементите на дистрибутивната мрежа во надворешната околина изнесува 0.0000000001 W. Ова е еквивалентен износ на ниво од 39 dBµV на 75 оми. Овој податок ни покажува, за колку работното ниво на системот може да биде повисоко од 39 dBµV, со тоа што попречувачкото зрачење нема да биде поголемо од 39 dBµV.
Највисокото работно ниво изнесува:
во фреквенцискиот опсег од 30 до 950 MHz и:
во фреквенцискиот опсег 950 до 2500 MHz.
При изградбата на КДС особено внимание треба да се посвети на правилно поставување на конектори и правилно приклучување на елементите во системот. Тие треба да бидат добро оклопени за да спречат навлегување на електромагнетни сигнали од надворешната средина. Сите конектори нужно треба да бидат добро затегнати за да остваруваат добар спој. Исто така, капаците од металните кутии на засилувачите, надворешните тапови, сплитери како и другите елементи, треба да бидат добро затегнати и да остваруваат добар контакт со останатиот дел на металната кутија за да се оствари потребната RF оклопеност. Со тоа ќе се спречи навлегување на електромагнетни сигнали од надворешната средина кои можат да направат пречки на сигналите кои се пренесуваат во кабелскиот дистрибутивен систем.
Оптичките кабли и оптичките елементи како составен дел од оптичката дистрибутивна мрежа немаат проблем со радио фреквенциското зрачење бидејќи за пренос на сигналите се користи инфрацрвена светлина односно ласерски зрак.
Повратно слабеење (прилагодување)
Секој уред или елемент во дистрибутивната мрежа на КДС претставува одреден дисконтинуитет, кој предизвикува рефлексија на дел од сигналот назад кон изворот.
Повратното слабеење претставува износ во dB кој ни кажува колку е ослабнат повратниот (рефлектираниот) сигнал. Повратното слабеење треба да биде што е можно поголемо.
Амплитудите на одбиениот бран Vr и главниот бран Vm се дадени во следната релација:
Каде што:
Vr - вредност на одбиениот бран
Vm - вредност на главниот бран
Повратното слабеење се пресметува според следнава формула::
Поради рефлексијата на дел од сигналот назад кон изворот, во линијата на дистрибутивната мрежа се создаваат стоечки бранови. Односот помеѓу максималниот напон Umax и минималниот напон Umin на стоечките бранови (VSWR – Voltage Standing Wave Ratio) е даден во следната релација:
VSWR-от е индикатор за тоа колку влезната и излезната импеданса на елементите се прилагодени, односно се блиску до 75оми колку што е идеалната импеданса на системот.
Ако износот на VSWR е различен од 1, еден дел од дојдовниот сигнал кој што пристигнува на влезниот приклучок на некој елемент ќе биде одбиен назад во системот, наместо да продолжи напред. Овој одбиен сигнал ако е со доволно високо ниво, може да предизвика пречки во сигналите кои се пренесуваат во кабелскиот дистрибутивен систем.
Во пракса, на пример, при погрешно приклучување на тап се јавува големо неприлагодување (повратното слабеење е многу мало а VSWR-от е голем), при што се јавуват стоечки бранови во кабелот со ниво повисоко од дозволеното, а тоа се забележува како дупли слики на екранот од телевизорите кај корисниците. Истото може да се јави ако коаксијалниот кабел при ракување или монтажа се превитка или се свитка под остар агол (мал радиус на свиткување) при што може да дојде до трајно оштетување на симетријата на структурата на кабелот.
Исто така, неприлагодување и стојни бранови предизвикани од рефлектирани сигнали може да се јават и во следниве случаи:
Пресметки на нивото на сигналите со употреба на децибели „dB“
Со употребата на математичката големина наречена децибел (dB), пресметувањето на нивоата "U" на сигналите (изразени во „dBµV“) се сведува на прости математички операции собирање и одземање.
Децибелот (dB) претставува однос помеѓу две физички големини (на пример напони).
Меѓутоа, со помош на децибелот може да се изрази и нивото на некој сигнал. Ако за U1 усвоиме дека претставува референтна вредност на напонот, тогаш вредноста во dB директно зависи од U2, па со тоа ја претставува неговата големина, односно ниво.
Стандардното референтно ниво мора да биде точно дефинирано. Во кабелските дистрибутивни системи се користи стандардно референтно ниво од 1 µV на импеданса од 75 оми, што претставува 0 dBµV.
Секој напон може да се изрази во dBµV. На пример, ниво од 10 µV изразен во dBµV изнесува:
Важно е да се воочи разликата помеѓу dB и dBµV:
Со „dB“ се искажува однос помеѓу две големини (на пример нивоа).
Со „dBµV“ се искажува нивото на сигналот во однос на 1 µV.
Предност на искажувањето со dBµV е тоа што нивото на сигналот во било која точка во системот може да се најде со собирање или одземање на познато ниво на сигнал искажано во dBµV, со засилување или слабеење искажано во dB.
Убаво е да се запамети дека со зголемување на вредноста за секои 3dB, моќноста се зголемува за два пати и обратно, со намалување на вредноста за секои 3dB, моќноста се намалува за два пати.
Со зголемување на вредноста за секои 10dB, моќноста се зголемува за 10 пати и обратно, со намалување на вредноста за секои 10dB, моќноста се намалува за 10 пати.
Магистрални, субмагистрални и крајни
(кориснички) мрежи на КДС
Магистралниот дел на кабелската дистрибутивна мрежа поаѓа од главната станица на КДС и го разнесува сигналот до сите субмагистрални мрежи по најкраток можен пат. Магистралниот дел од кабелската дистрибутивна мрежа уште се нарекува магистрала или примарна линија, бидејќи ги поврзува сите поодделни субмагистрални, односно секундарни мрежи.
Во последниве години, поради многу помалото слабеење на сигналите, примарните линии се изведуваат со оптички кабли како составен дел од хибридна оптичко-коаксијална мрежа (HFC).
Субмагистралните мрежи на КДС земаат дел од сигналот кој се дистрибуира низ магистралната линија и понатаму го дистрибуираат до крајните корисници директно или преку крајните, односно завршни кориснички мрежи. На пример, крајна корисничка мрежа претставува делот од мрежата на КДС кој ги поврзува сите корисници од една зграда со магистралната или субмагистралната линија од КДС.
Топологија на коаксијалните дистрибутивни мрежи
Во зависност од обликот и физичката структура на коаксијалната мрежа постојат повеќе начини на поставување на коаксијалните кабли од оптичките нодови до крајните корисници.
Најчесто се користи обликот во вид на дрво или ѕвезда.
При поставувањето на коаксијалниот кабел, од особена важност е да има што е можно помалку прекинување на главните линии помеѓу засилувачите. (како што е прикажано на блок шемата подолу). Колку помалку конектори има во главните линии, толку помалку потенцијални проблеми ќе има при експлоатацијата на мрежата.
Блок шемата на коаксијална кабелска дистрибутивна мрежа е прикажана на следнава слика:
кликнете на сликата за да ја видете во поголема резолуција
Сите разгранувања и делење на коаксијалните линии најдобро е да се прават во непосредна близина на засилувачите, односно веднаш по нив. Коаксијалниот кабел помеѓу засилувачите треба да биде непрекинат. Корисниците кои се наоѓаат помеѓу засилувачите од главните линии се поврзуваат со споредни коаксијални линии, кои од местото на засилувачот во главната линија се разгрануваат и еден дел се враќа наназад и ги поврзува корисниците до половина од растојанието до претходниот засилувач во главната линија, а друга споредна линија оди нанапред и ги поврзува корисниците до половина од растојанието до следниот засилувач во главната линија.(види ја блок шемата на горната слика).
Должината на коаксијалните кабли помеѓу засилувачите зависи од видот на употребени коаксијални кабли.
Во современите хибридни оптичко-коаксијални мрежи, коаксијалниот дел од мрежата нема потреба да биде многу долг како во минатото кога се употребуваа чисто коаксијални мрежи.
Коаксијалниот сегмент од хибридните оптичко-коаксијални мрежи најчесто се изведува со коаксијален кабел од типот RG-11. Тој има слабеење од околу 13dB/100m на највисоките фреквенции (860 MHz) кои се употребуваат во КДС. Притоа, растојанието помеѓу два засилувачи во ниеден случај не смее да биде поголемо до 160 метри.
Ова поопширно и подетално е објаснето во поглавјето „Планирање и проектирање на коаксијална кабелска дистрибутивна мрежа“
I Z33T home page I страници на македонски јазик I