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 f_н(соответствующее затухание α_н ) и на верхней частоте f_в (соответствующее затухание α_в), а также величину петлевого сопротивления кабеля R_к, 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 R_о – характеристическое сопротивление кабеля. Например, в телевизионной технике принято R_о = 75Ом.

Для численной иллюстрации в табл. 1 приведены справочные значения петлевых сопротивлений R_к и погонных потерь α_н и α_в 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

                 Таблица 2

 

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 d_о (т.е. приведенным к длине 100 м) простым соотношением:

(7)

Температурные воздействия. Температурная зависимость изменения затухания кабеля определяется зависимостью:

(8)

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

d_To – затухание кабеля в dB при Т = Т_о = 20^оС;

К_t – температурный коэффициент. Для большинства кабелей К_t » 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 w_в (т.е. не вносит дополнительных потерь) и требуемым затуханием α_э (см. рис.4) на его нижней частоте w_н.

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 сопротивленияR_о (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 w_вэквалайзер 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 α_о:

(10)

Здесь α_о 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 (К_ст.U) и коэффициентом бегущей волны (К_бв) выражениями:

(11)

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

                    Таблица 3

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

(12)

Частотный ход затухания эквалайзера, предназначенного под конкретный тип кабеля, вычисляется через величину рабочего затухания α_э 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. строкуα_п 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