Анализ влияния изменений параметров высокочастотных кабелей на характеристики мультимедийных кабельных сетей

Высокочастотные кабели являются важнейшим пассивным элементом в мультимедийных кабельных сетях (МКС), качество и надежность которых существенно влияют на их основные эксплуатационные показатели [1-3]. Учитывая, что кабель, применяемый в МКС, играет важную роль в ее работе, представляет значительный интерес проанализировать, как повлияет изменение параметров кабеля на работу МКС в целом. Для этого проведем исследования влияния изменения затухания кабеля на характеристики МКС, вызванные увеличением его рабочей частоты и изменениями параметров кабеля, вызванные перепадами температуры внешней окружающей среды.

Анализ влияния изменений затухания кабеля на характеристики МКС

Проанализируем влияние изменений затухания высокочастотных кабелей на характеристики МКС. В качестве высокочастотного кабеля МКС выберем коаксиальный кабель.

Как известно, зависимость затухания такого кабеля А _к от частоты в общем случае можно описать выражением [4-5]:

A_K = aF + bF^’⁵ + с, дБ, (1)

где a , b и с – коэффициенты, зависящие от конструктивного исполнения конкретного типа кабеля, как правило, приводимые на погонную длину 100 м.

Коэффициент а характеризует отклонение частотного затухания кабеля от линейного закона, b – характеризует его высокочастотные свойства кабеля, c – указывает на величину потерь кабеля по постоянному току. Чем меньше коэффициент а , тем ближе данный вид кабеля к «идеальному». Чем меньше коэффициент b , тем меньшими потерями обладает данный кабель. На рис. 1 представлена зависимость затухания «идеального» и реального кабеля (марка F1160BV) от приведенной частоты ( F / F _в)^0,5, где F _в = 862 МГц [1].

О 0,1 0,20,30,40,50,60,70,80,9 1

______ Нормированная частота

—О—Идеальный кабель

Рис. 1. Сравнительная зависимость затухания реального и «идеального» высокочастотного кабеля от частоты

Знание коэффициентов a , b и с позволяет довольно точно рассчитать величину затухания кабеля на любой рабочей частоте F . Однако, как правило, производитель не указывает значения этих коэффициентов. Для их определения достаточно знать значения погонных затуханий кабеля

А _н и А _в на нижней F _н и верхней F _в частоте рабочего диапазона, а также величину петлевого сопротивления R _к, приведенного на погонную длину 100 м. Эти параметры могут быть либо измерены экспериментально, либо взяты из справочных данных на конкретный тип кабеля.

Частотные коэффициенты можно рассчитать исходя из выражений:

а = ^н’ЧА. - с) - F_B°’H - c)][F_BF_H⁰'⁵ - F_HF_B⁰’⁵]'';(2)

b =[Ш - с) - FM - c)][F_BF_H⁰'⁵ - FhF,⁰’⁵]"¹; (3)

c = -20Log[Fo(FK + Fo)-1],                 (4)

где R _о = 75 Ом – характеристическое сопротивление кабеля. В качестве примера в таблицах 1-2 приведены, соответственно, справочные значения R _к, А _н и А _в и расчетные значения коэффициентов a , b , с и погонных затуханий кабелей компании MediaLink на различных частотах [1; 5]. При решении практических задач удобно пользоваться выражением:

A₂=A.(F₂/F_a)⁰’⁵,                        (5)

позволяющим вычислять затухания кабеля А ₂ на произвольной частоте F ₂ через известное (или справочное) значение его затухания А ₁ на частоте F ₁. На рис. 2 в качестве примера представлены зависимости коэффициента затухания кабелей от частоты [5-6]. Затухание кабеля на частоте F произвольной длины будет связано с его погонным затуханием А _о, то есть приведенным к длине 100 м соотношением

А_ь^ЦА₀/Ш), дБ,                (6)

где А _о = bF ^0,5; L – длина коаксиального кабеля, м.

Анализ влияний температурных воздействий на характеристики распределительной сети МКС

Как известно, наибольшее влияние на характеристики распределительной сети оказывает изменение затухания высокочастотных кабелей под воздействием перепадов температуры внешней среды на высшей частоте диапазона МКС [6-8]. В общем случае температурная зависимость изменения затухания кабеля может быть описана выражением:

Л-^т0[1+^(Г-70)],дБ,          (6)

где А _x – затухание кабеля в дБ при рассматриваемой температуре Т , отличной от нормальной тем-

Таблица 1. Справочные значения петлевых сопротивлений R_K и погонных потерь А_н и Л_в

Класс кабеля	Марка кабеля	Назначение	Сравнительные значения на 100 м (Ом, МГц, дБ)
			Rk	/н	Л	/в	А.
QR-540	М 1590 BV	Магистральный	1 ,85	55	1,81	870	7,54
RG-11	М 1160 BV	Домовой	6,0	55	3,15	870	13,07
RG-6	М 660 BV	Абонентский	12,8	55	5,25	870	20,08

Таблица 2. Расчетные значения частотных коэффициентов а, b и с и погонных затуханий

Марка кабеля	Частотные коэффициенты			Погонное затухание, дБ/100 м на частотах, МГц
	а	Ъ	С	5	30	48,5	65	87,5	300	862	2150
М1590 BV	0,0015	0,2045	0,2117	0,68	1,38	1,68	1,96	2,25	4,20	7,50	12,9
Ml 160 BV	0,0039	0,3058	0,6685	1,37	2,46	2,95	3,39	3,87	7,13	13,00	23,21
М 660 BV	0,0050	0,4861	1,3687	2,48	4,18	4,94	5,25	5,61	6,36	11,30	34,72

пературы Т _о = 20^оС; А _To – затухание кабеля в дБ при Т _о = 20^оС; К _t – температурный коэффициент, как правило К _t >> 0,002.

На рис. 3 представлены зависимости погонного затухания кабеля длиной 100 м от частоты при различных температурах внешней среды, где 1 – кабель марки М1160BV; 2 – РК 75-17-13С. Из приведенных зависимостей видно, что разность изменений затухания в диапазоне температур на одних и тех же частотах может достигать значительных величин, причем с увеличением частоты она возрастает.

Затухание кабеля протяженностью L _y, м на частоте F _x МГц при температуре t _y° С может быть найдено исходя из выражения [7]:

A_y._f = A₀L_y(F_KF₀"¹)°'⁵[l + 1,5-10'³(/_у-Z_o)], дБ, (7)

где A ₀ – затухание 1 м кабеля на частоте F ₀, МГц, при температуре t ₀ = 20°С.

Если на участке линии устанавливается регенерационный усилитель, имеющий регулятор наклона (РН) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), то в зависимости от частоты затухание РН АЧХ-усилителя определяется по формуле

Лих =^[1 + 1,5х 1 о-^з(?_Р - /о)Ж°'⁵ - - F“^F;"-\ дБ;

где t _p – расчетная температура внешней среды, равная среднему арифметическому между максимальной ( t ₊) и минимальной ( t _–) температурой, tp = 0,5(С - L).

Суммарное затухание высокочастотного кабеля и РН одного участка линии при расчетной температуре t _p не зависит от частоты и определяется по формуле:

^У-Р ^у.х.р+^РН.х ^0^у[1 ± 1,5’10 (Zp

- t₀^(F_BF₀"^Yf’⁵, дБ.              (9)

Для рабочего канала, имеющего F _в, максимальное изменение суммарного затухания одного участка линии при изменении температуры от t _р до t может быть найдено как:

А_у._х = M_y(F_BF₀-T[l + 1,5х10"³(/_р - /_о)], дБ. (10)

При t _р затухание участка линии равно усилению А _у регенерационного усилителя, и при ? ₊ изменение затухания составит:

А_у±= ±Д_ухО,75х1О"³(/₊-С), дБ.

Зависимости изменения затухания участка ли- нии от перепада температур при различных значениях величины усиления усилителя представлены на рис. 4.

Если принять, что при прокладке кабеля в канализации ( t ₊ – t _–) = 20° C, a А _у = 20 дБ, то А_у± = ± 0,3 дБ. При подвеске кабеля на открытом воздухе ( t ₊ – t _–) = 100° С и А_у± — ±1,5 дБ.

При эксплуатации МКС необходимо учитывать, что в течение срока службы высокочастотных кабелей (15–20 лет) их затухание возрастает в среднем на 0,1 дБ/дБ [9-12].

Изменение уровня сигнала на выходе линии, состоящей из n _м регенерационных участков, составит:

Л 07! = ^^                     - L), дБ, (12)

где А _м.р – затухание линии на частоте F _в при тем-

Рис. 2. Зависимость коэффициента затухания от частоты высокочастотных кабелей при температуре 20oС

- * - 1 - (-30,С) - -х - 2 - (+65,С)

- ж- - 2 - (+20,С)----2 - (-30,С)

Рис. 3. Зависимость изменения погонных потерь кабелей в диапазоне частот от температуры окружающей среды

Рис. 4. Зависимость изменения затухания участка линии от перепада температур

На рис. 5 представлены зависимости изменения отношения сигнал/шум (ОСШ) на выходе линии, состоящей из n _м регенерационных участков, при изменении температуры U.

Рис. 5. Зависимости изменения ОСШ на выходе линии, состоящей из n регенерационных участков

Из представленных зависимостей видно, что при определенных условиях эти изменения могут носить существенный характер. Поэтому для нормальной работы МКС необходимо компенсировать эти потери путем включения необходимого количества регенерационных усилителей.

Заключение

Таким образом, проведенный анализ влияния изменения затухания высокочастотных кабелей на характеристики МКС показал, что при прокладке кабеля в кабельной канализации изменение затухания на одном участке линии может составлять ±0,3 дБ, при подвеске кабеля на открытом воздухе – ±1,5 дБ.

Показано, что для оптимальной работы МКС через определенное количество участков линии должны включаться регенерационные усилители, компенсирующие накапливающиеся на этих участках изменения уровней рабочего сигнала.