Все про кабельные эквалайзеры

В статье описывается назначение и принцип работы кабельного линейного эквалайзера. Значительное внимание уделено вопросу частотных зависимостей коаксиальных кабелей и эквалайзеров, а также их поведению в диапазоне температур.

Начнем с определения.

Эквала́йзер (англ. equalize — «выравнивать»; балансир, уравнитель; общее сокращение — «EQ»), также называется темброблок — радиоэлектронное устройство или компьютерная программа в составе высококлассных стереофонических комплексов (Hi-Fi), позволяющие избирательно корректировать[1] амплитуду сигнала в зависимости от частотных характеристик (высоты, тембра звука). Во времена первых опытов звукозаписи студии были оснащены низкокачественными микрофонами и громкоговорителями, которые искажали звук, и эквалайзер применялся для его амплитудной коррекции по частотам. Однако в настоящее время эквалайзер является мощным средством для получения разнообразных тембров звука (то есть разных оттенков звучания).

Процесс обработки звукового сигнала посредством эквалайзера называется «эквализацией» (Equalization).

Эквалайзеры можно встретить как в бытовой, так и в профессиональной аудиотехнике. Эквалайзеры включены во многие компьютерные программы, связанные с воспроизведением и/или обработкой звука, — различные аудио- и видеопроигрыватели, редакторы и т. д. Многие электромузыкальные инструменты, инструментальные комбоусилители и педали эффектов также оснащаются эквалайзерами, хоть и менее функциональными.

 

Прежде чем перейти к вопросу построения эквалайзеров и особенностям их эксплуатации, целесообразно рассмотреть особенности затухания коаксиального кабеля в широком диапазоне частот при любом температурном воздействии.

Частотный ход затухания коаксиального кабеля d к в общем случае изменяется по закону:

(1)

Коэффициенты a , b и с зависят от конкретного типа кабеля (от его конструктивного исполнения) и обычно приводятся на погонную длину кабеля в 100 м.

Коэффициент а характеризует отклонение частотного затухания кабеля от линейного закона. Чем меньше данный коэффициент, тем ближе данный вид кабеля к идеальному кабелю (см. рис. 1).

Коэффициент b характеризует высокочастотные свойства кабеля, т.е. его погонные потери на каждые 100 м длины. Чем меньше этот коэффициент, тем меньшими потерями обладает кабель.

Коэффициент c указывает на величину потерь кабеля по постоянному току (т.е. на нулевой частоте f). Данный параметр значим только при использовании дистанционного питания, и он не оказывает влияния на частотный ход затухания кабеля.

Знание частотных коэффициентов a , b и с позволяет с высокой точностью рассчитать затухание кабеля на произвольной частоте f. Однако, в большинстве практических случаях производитель не указывает частотные коэффициенты затухания кабеля. Покажем простой способ определения этих коэффициентов. Для этого достаточно знать значения погонных затуханий кабеля на нижней частоте рабочего диапазона частот fн(соответствующее затухание αн ) и на верхней частоте fв (соответствующее затухание αв), а также величину петлевого сопротивления кабеля Rк, приведенного на погонную длину 100 м. Эти три параметра могут быть заимствованы как через справочные значения, так и измерены экспериментально. Частотные коэффициенты (приводим без доказательства) рассчитываются по формулам:

(2)

(3)

(4)

Здесь Rо – характеристическое сопротивление кабеля. Например, в телевизионной технике принято Rо = 75Ом.

Для численной иллюстрации в табл. 1 приведены справочные значения петлевых сопротивлений Rк и погонных потерь αн и αв некоторых типов кабелей компании MediaLink, соответствующие трем распространенным классам на частотах 55 МГц и 870 МГц соответственно. А в табл.2 приведены расчетные значения частотных коэффициентов a, b и с и погонных затуханий этих типов кабелей на частотах, наиболее часто используемых в расчетах сетей кабельного телевидения (СКТ).

                   Таблица 1

Класс кабеля

Марка кабеля

Назначение

Сравнительные значения на 100 м (Ом, МГц, dB )

Rк

fн

αн

fв

αв

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

Марка кабеля

Частотные коэффициенты

Погонное затухание, dB/100 м на частотах, МГц

а

b

c

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

М1160 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

 

Подставляя численные значения в (1) при решении практических задач, можно заметить, что частотный ход затухания слабо зависит от коэффициентов a, b и с, т.е. может быть записано выражение для расчета частотного хода затухания погонных потерь “идеального” кабеля:

(5)

которое очень удобно для вычисления затухания кабеля d2 на произвольной частоте f2 через известное (или справочное) значение его затухания d1 на частоте f1:

(6)

Так, например, если затухание магистрального кабеля M 1590 BV на частоте 800 МГц составляет 7,2 dB, то согласно (6) его затухание на частотах 200 МГц и 50 МГц соответственно составит 3,6 dB и 1,8 dB (против 1,73 dB справочного значения). Как видно, погрешность определения погонных потерь даже в столь широком диапазоне частот составила всего 0,07 dB, что вполне достаточно для инженерной практики.

Очевидно, что затухание кабеля произвольной длины l будет связано с его погонным затуханием dо (т.е. приведенным к длине 100 м) простым соотношением:

(7)

Температурные воздействия. Температурная зависимость изменения затухания кабеля определяется зависимостью:

(8)

где: dx – затухание кабеля в dB при рассматриваемой температуре Т, отличной от нормальной температуры То = 20оС;

dTo – затухание кабеля в dB при Т = То = 20оС;

Кt – температурный коэффициент. Для большинства кабелей Кt » 0,002.

На рис.2 представлены зависимости изменения погонных потерь кабелей в диапазоне частот в зависимости от температуры окружающей среды.

Кабельный линейный эквалайзер. Что же такое эквалайзер? Эквалайзер – это простейший корректор амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), позволяющий уровнять амплитуды сигналов в выделенном диапазоне частот (см. рис.3), вследствие их изменения за счет частотно-зависимого затухания кабеля. Идеальный эквалайзер обладает нулевым затуханием на верхней частоте рабочего диапазона wв (т.е. не вносит дополнительных потерь) и требуемым затуханием αэ (см. рис.4) на его нижней частоте wн.

Термин “линейный” является жаргонным, но часто именуемым термином в иностранной литературе. Дело в том, что если по оси Х использовать логарифмический масштаб нормированной частоты или нормированное значение , то частотный ход затухания идеального кабеля будет представлять собой прямую линию (см. рис.1 и выражение 6). Следовательно, затухание идеального кабельного эквалайзера также будет представлять собой прямую линию (но с противоположным наклоном), т.к. рабочее затухание эквалайзера в идеальном случае должно представлять собой точное зеркальное ото бражение амплитудного распределения транслируемых сигналов (см. рис.4).

Схемотехнические особенности эквалайзера. В большинстве случаев кабельный эквалайзер представляет собой Т-образный частотно-зависимый аттенюатор постоянного входного сопротивленияRо (рис.5). Условием постоянства входного (т.е. идеальность полного диапазонного согласования вне зависимости от величины вводимого затухания) эквалайзера является равенство [1-4]:

(9)

Из физического принципа построения эквалайзера (см. рис.5) с учетом равенства (9) следует, что последовательный колебательный контур L1C1 и параллельный колебательный контур L2C2 настроены на верхнюю рабочую частоту w в и являются дуальными по отношению друг к другу. На верхней частоте wвэквалайзер эквивалентен двухпроводной линии передачи (рис.6а), а на нулевой частоте ( w = 0) – согласованному Т-образному аттенюатору (рис.6б), элементы которого находятся через величину требуемого затухания на нулевой частоте αо:

(10)

Здесь αо представляет собой коэффициент ослабления по мощности, выраженный в относительных единицах.

Степень согласования эквалайзера, как и любого другого устройства, характеризуется коэффициентом возвратных потерь R, связанным с коэффициентом отражения |Г|, коэффициентом стоячей волны по напряжению (Кст.U) и коэффициентом бегущей волны (Кбв) выражениями:

(11)

В табл.3 приведены сравнительные характеристики различных коэффициентов согласования согласно (11).

                    Таблица 3

R , dB

6

10

14

18

22

26

, ед.

0,50

0,32

0,20

0,13

0,08

0,05

Kст.U, ед.

3,01

1,93

1,50

1,29

1,17

1,11

Кбв, ед.

0,33

0,52

0,67

0,78

0,85

0,91

aп, dB

1,26

0,46

0,18

0,07

0,03

0,01

Частотный ход затухания эквалайзера должен быть согласован под конкретный тип кабеля. Глубина эквалайзирования αэ легко находится из (7) с учетом (6):

(12)

Частотный ход затухания эквалайзера, предназначенного под конкретный тип кабеля, вычисляется через величину рабочего затухания αэ по формуле:

(13)

Согласно (13) затухание линейного эквалайзера (т.е. для идеального кабеля) записывается в виде:

(14)

Именно под данный частотный закон изменения затухания всегда стремятся изготовить кабельный эквалайзер.

Эксплуатационные особенности кабельных эквалайзеров. Отметим основные эксплуатационные особенности эквалайзеров, на которые следует обращать внимание при их выборе и эксплуатации.

•  Важной особенностью любого эквалайзера является то обстоятельство, что его частотное затухание должно соответствовать частотному затуханию конкретного кабеля, т.к. все кабели имеют разный частотный ход затухания (см. выражение 1), о чем четко указано в [5]. К сожалению, не все производители эквалайзеров заявляют, под какой тип кабеля он рассчитан. Производителями, которые заявляют, под какой тип кабеля выпущен эквалайзер, являются Teleste (Финляндия), PBN (Австралия), Ipitek (США) и некоторые другие.

•  Эквалайзеры выпускаются двух типов: фиксированные (встраиваемые) и переменные (регулируемые). Переменные эквалайзеры значительно удобнее в эксплуатации в сравнении с фиксированными. Однако они менее надежны, значительно менее согласованы (в силу сложности выполнения условия (9) при регулировании) и обладают значительно худшей линейностью (сопряженностью с любым кабелем). Действительно, переменный эквалайзер имеет в своем составе регулируемый аттенюатор, конструктивное исполнение которого принципиально не позволяет реализовать качественные параметры регулирования в столь широком диапазоне частот. В лучшем случае, переменные эквалайзеры обладают линейностью ±1,0 dB. Типовые же значения составляют 1,5…2,0 dB. Фиксированные же эквалайзеры исполняются методом поверхностного монтажа (SMD) с использованием миниатюрных ЧИП-резисторов повышенной точности. Например, фиксированные эквалайзеры серии TFE 8 xx от Teleste обладают точностью эквалайзирования не хуже ±0,25 dB при отклонении от линейного закона не более ±0,2 dB.

•  Необходимо учитывать и условия эксплуатации эквалайзеров при температурных воздействиях. Эквалайзер предназначен для выравнивания АЧХ изделия (например, магистрального усилителя) только при фиксированной температуре. Для примера на рис.7 приведены 3 формы АЧХ идеального усилителя при разных температурных воздействиях, рассчитанных по формулам (1) и (8). Для компенсации амплитудных изменений предназначена автоматическая регулировка усиления (АРУ), а для компенсации наклонов АЧХ – АРУ с регулируемым наклоном (АРУН), работающая по двум пилот-частотам.

Правда, в последнее время появились так именуемые пассивные АРУ и даже АРУН, представляющие собой термозависимые аттенюаторы и эквалайзеры. Такие пассивные АРУ серии ТТА и ТТЕ стала выпускать компания Teleste довольно широким набором. Однако, они предназначены только для установки в изделия их собственного производства (усилители и оптические узлы).

•  Начальные потери. Это уже менее значимый параметр. В основном зависит от качества согласования эквалайзера (см. строкуαп в табл.3) и добротностей используемых реактивных элементов. Типовые начальные потери эквалайзеров, как правило, не превышают 1,0…1,5 dB.

•  Неравномерность АЧХ связана прежде всего с типом используемого реактивного столбика (в переменных эквалайзерах). Как уже отмечалось, конструктивные особенности переменного аттенюатора ограничивают его предельно достижимые параметры. Более того, следует отметить такую особенность, как непреднамеренный скачок в эквалайзировании на его начальном участке регулирования. Обычно величина такой “ступеньки” составляет 10% от максимальной величины эквалайзирования. Такая неприятная особенность также обусловлена конструктивными особенностями переменного аттенюатора.

•  Коэффициент возвратных потерь (см. формулу 11) в значительной степени характеризует качество эквалайзера [5]. Например, Teleste, Ipitek, Terra, “Макротел” и др. компании заявляют R ≥ 18 dB на фиксированные эквалайзеры. Типовое значение коэффициента возвратных потерь переменных эквалайзеров во всем диапазоне регулирования составляет 10 dB. А это уже относится к классу D согласно [5].

•  Глубина эквалайзирования зависит от диапазона регулирования используемого переменного аттенюатора (резистивного столбика). Традиционно выпускаемые резистивные столбики (в подавляющем большинстве китайского производства) имеют ряд 10, 15 и 20 dB. Следовательно, гарантированный диапазон регулирования всегда будет меньше за счет неиспользуемого низкочастотного диапазона регулирования (например, 5-47 МГц) и начальных потерь. Да и сам регулируемый аттенюатор имеет технологический разброс в ±2 dB. Поэтому некоторые производители оборудования несколько “лукавят”, заявляя диапазон регулирования эквалайзера точно таким же, как и аттенюатора.

•  Отклонение от линейного закона эквалайзирования является, пожалуй, самым значимым параметром. Как уже отмечалось, часто этот параметр не регламентируют совсем. А испытания, проведенные измерительной лабораторией ООО “Макротел” показали, что у многих эквалайзеров разных фирм такое отклонение может достигать 2 dB. Фактически это означает, что неравномерность АЧХ при каскадировании изделий (например, усилителей) будет накапливаться. Вследствие предельного значения неравномерности АЧХ, регламентируемого типом системы, число каскадно устанавливаемых изделий резко ограничивается и обычно не превышает 3-4 изделий.

К эксплуатационным параметрам также относятся надежность и стабильность параметров. Вполне очевидно, что и в этом смысле переменные эквалайзеры существенно уступают фиксированным.

Таким образом, проведенный обзор особенностей построения и эксплуатации кабельных эквалайзеров позволит читателю правильно подойти к выбору его типа или изделия в целом, куда входит кабельный эквалайзер.

Источник