събота, 28 януари 2023 г.
петък, 15 януари 2016 г.
Мощен радиочестотен усилвател клас D. Режими на работа. Мощен усилвател клас D с комплементарни транзистори, работещи като ключове на напрежение - анализ, предавателна функция, честотна лента. КПД на полумостова схема, работа с AM сигнали.
Мощен радиочестотен усилвател клас D - общи сведения
Мощните радиочестотни усилватели клас D, наречени също мощни резонансни инвертори клас D се използват широко в различни устройства за преобразуване на постояннотокова енергия в променливотокова. Примери за резонансни усилватели са радиопредавателите, постояннотоковите преобразуватели, индукционните поялници и др. В режим клас D, транзисторите работят като ключове. Усилвателите клас D могат да бъдат разделени в две групи:
Описание на принципните схеми
На фиг 1 е показана схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, работещ като напрежителен ключ, с импулсен трансформаторен драйвер. Схемата се състои от два n-канални полеви транзистора, последователен резонансен кръг и драйвер. Трудно е да се управлява горният транзистор, поради което се изисква гейтов драйвер на високата страна. За целта може да бъде използван импулсен трансформатор. Неинвертиращият изход на трансформатора управлява горния полеви транзистор, а инвертиращият изход управлява долния транзистор. Използва се също IC напомпващ драйвер.
На фиг.2 е показан мощен радиочестотен усилвател клас D, работещ като ключ на напрежение с два захранващи източника `U_I` и `-U_I`.
На фиг.3 е показана схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, в който превключващите устройства са PMOS и NMOS полеви транзистори. Тази схема може да бъде интегрирана за високочестотни приложения като предаватели за безжични комуникации.
Усилвателят клас D със CMOS полеви транзистори изисква само един драйвер. Обаче кръстосаната проводимост на двата транзистора може да предизвика остриета в дрейновите токове. Не припокриващите напрежения гейт-сорс могат да намалят този проблем, но драйверът ще стане по-сложен. Стойността на размаха на драйверното напрежение `u_G` гейт-сорс е равно или близко до напрежението на източника `U_I`, както в CMOS цифрови гейтове. Ето защо тази схема е подходяща единствено за ниски стойности на постоянното захранващо напрежение `U_I`, обикновено `20 V`. При високи стойности на постоянното захранващо напрежение `U_I`, напрежението гейт-сорс трябва също да бъде високо, което може да доведе до рязък спад на напрежението на гейта.
Режими на работа.
Режимите на работа на усилвател клас D са обяснени посредством вълновите форми, показани на фиг.6. Напрежението на входа на последователния трептящ кръг е квадратна вълна с големина `U_I`. Ако качественият фактор на товара `Q_L=sqrt{L/C}/R` на трептящия кръг е достатъчно висок (например `Q_L>=2.5`), токът `i` в тази схема е почти синусоида. Само при `f=f_0`, MOS транзисторът включва и изключва при нулев ток, което води до нулеви ключови загуби и повишава ефективността. В този случай антипаралелният диод не пропуска ток. В много приложения работната честота `f` не е равна на `f_0=1/{2pi sqrt{LC}}`, понеже изходната мощност или изходното напрежение често се управлява чрез изменение на работната честота (честотно модулационно управление). Фиг.4.6 (a),(b),(c) Показва формата на сигнала съответно при `f<f_0`, `f=f_0` и `f>f_0`. Толерансът на включващото гейт-сорс напрежение е показано като защриховани зони на графиката. Всеки от транзисторите трябва да да "включи" (т.е. да бъде отпушен) при `f<f_0` и да "изключи" (т.е. да бъде запушен) при `f>f_0` в интервала, когато токът през ключа е отрицателен. По време на този интервал токът през ключа може да циркулира през антипаралелния диод. За да бъде предотвратена кръстосана проводимост, формата на вълната на управляващите напрежения `u_{GS1}` и `u_{GS2}` не трябва да се застъпват и да имат достатъчно мъртво време (това не е показано на фиг.6.). При изключване полевият транзистор има времезакъснение, а биполярният транзистор има време на съхранение. Ако мъртвият период на гейт-сорс напрежениията на двата транзистора е твърде кратко, единият транзистор остава "включен", докато другият се изключва. В следствие на това двата транзистора остават "включени" в един и същ момент захранващото напрежение бива свързано накъсо през съпротивленията `r_{DS1}` и `r_{DS2}` при отпушено състояние на транзисторите. По тази причина през транзисторите протича импулсен ток на кръстосана проводимост с големина `I_{pk}=U_I/(r_{DS1}+r_{DS2})`.
Мощен усилвател клас D с комплементарни транзистори, работещи като ключове на напрежение - анализ, предавателна функция, честотна лента.
КПД на полумостова схема, работа с AM сигнали.
Мощните радиочестотни усилватели клас D, наречени също мощни резонансни инвертори клас D се използват широко в различни устройства за преобразуване на постояннотокова енергия в променливотокова. Примери за резонансни усилватели са радиопредавателите, постояннотоковите преобразуватели, индукционните поялници и др. В режим клас D, транзисторите работят като ключове. Усилвателите клас D могат да бъдат разделени в две групи:
- усилватели клас D, работещи като ключове на напрежение;
- усилватели клас D, работещи като ключове на ток.
Обратно, усилвателите клас D, работещи като ключове на ток се захранват от източник на постоянен ток под формата на радиочестотен дросел и източник на постоянно напрежение. Тези усилватели съдържат паралелно-резонансна верига или такава, която произлиза от последователно свързана резонансна верига. Напрежението през резонансния кръг е синусоидално за високите стойности на качествения фактор. Напрежението през ключовете има форма на синусоидна полувълна, а токът през ключовете е с квадратна форма.
Едно голямо предимство на усилватели, работещи като ключове на напрежение, е ниското напрежение във всеки от транзисторите, равно на захранващото напрежение. Това прави тези усилватели удобни за устройства за високо напрежение. Например, може да бъде използвано изправено мрежово напрежение 220 V (или 277 V) за захранване на усилватели клас D. В допълнение, в тях могат да бъдат използвани и нисковолтови полеви транзистори. Такива полеви транзистори имат ниско-температурен режим на работа, което допринася за висока ефективност. Съпротивлението дрейн-сорс на полевите транзистори нараства значително с увеличаване на температурата на съединението. Това причинява увеличаване на загубите от протичане на `I_{rms}` (ефективната стойност на дрейновия ток). `r_{DS}` удвоява стойността си при увеличение на температурата със `100^@C` (например от `25^@C` до `125^@C`),
Описание на принципните схеми
 |
| Фиг.1. Полумостова схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, работещ като ключ на напрежение с последователен трептящ кръг и импулсен трансформаторен драйвер |
 |
| Фиг.2. Полумостова схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, работещ като ключ на напрежение с последователен трептящ кръг и импулсен трансформаторен драйвер с два източника на напрежение |
На фиг.3 е показана схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, в който превключващите устройства са PMOS и NMOS полеви транзистори. Тази схема може да бъде интегрирана за високочестотни приложения като предаватели за безжични комуникации.
Усилвателят клас D със CMOS полеви транзистори изисква само един драйвер. Обаче кръстосаната проводимост на двата транзистора може да предизвика остриета в дрейновите токове. Не припокриващите напрежения гейт-сорс могат да намалят този проблем, но драйверът ще стане по-сложен. Стойността на размаха на драйверното напрежение `u_G` гейт-сорс е равно или близко до напрежението на източника `U_I`, както в CMOS цифрови гейтове. Ето защо тази схема е подходяща единствено за ниски стойности на постоянното захранващо напрежение `U_I`, обикновено `20 V`. При високи стойности на постоянното захранващо напрежение `U_I`, напрежението гейт-сорс трябва също да бъде високо, което може да доведе до рязък спад на напрежението на гейта.
Режими на работа.
Режимите на работа на усилвател клас D са обяснени посредством вълновите форми, показани на фиг.6. Напрежението на входа на последователния трептящ кръг е квадратна вълна с големина `U_I`. Ако качественият фактор на товара `Q_L=sqrt{L/C}/R` на трептящия кръг е достатъчно висок (например `Q_L>=2.5`), токът `i` в тази схема е почти синусоида. Само при `f=f_0`, MOS транзисторът включва и изключва при нулев ток, което води до нулеви ключови загуби и повишава ефективността. В този случай антипаралелният диод не пропуска ток. В много приложения работната честота `f` не е равна на `f_0=1/{2pi sqrt{LC}}`, понеже изходната мощност или изходното напрежение често се управлява чрез изменение на работната честота (честотно модулационно управление). Фиг.4.6 (a),(b),(c) Показва формата на сигнала съответно при `f<f_0`, `f=f_0` и `f>f_0`. Толерансът на включващото гейт-сорс напрежение е показано като защриховани зони на графиката. Всеки от транзисторите трябва да да "включи" (т.е. да бъде отпушен) при `f<f_0` и да "изключи" (т.е. да бъде запушен) при `f>f_0` в интервала, когато токът през ключа е отрицателен. По време на този интервал токът през ключа може да циркулира през антипаралелния диод. За да бъде предотвратена кръстосана проводимост, формата на вълната на управляващите напрежения `u_{GS1}` и `u_{GS2}` не трябва да се застъпват и да имат достатъчно мъртво време (това не е показано на фиг.6.). При изключване полевият транзистор има времезакъснение, а биполярният транзистор има време на съхранение. Ако мъртвият период на гейт-сорс напрежениията на двата транзистора е твърде кратко, единият транзистор остава "включен", докато другият се изключва. В следствие на това двата транзистора остават "включени" в един и същ момент захранващото напрежение бива свързано накъсо през съпротивленията `r_{DS1}` и `r_{DS2}` при отпушено състояние на транзисторите. По тази причина през транзисторите протича импулсен ток на кръстосана проводимост с големина `I_{pk}=U_I/(r_{DS1}+r_{DS2})`.
 |
| Фиг.6. Вълнови форми на полумостова схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, работещ като ключ на напрежение: (а) при `f<f_0`; (b) при `f=f_0`; (c) при `f>f_0` |
Мощен усилвател клас D с комплементарни транзистори, работещи като ключове на напрежение - анализ, предавателна функция, честотна лента.
КПД на полумостова схема, работа с AM сигнали.
Отношения на мощностите. Натоварване на активните елементи. Работа на усилвателите клас AB, B, C с променлива обвиваща на сигнала.
Отношения на мощностите
Нека разгледаме мощен радиочестотен усилвател клас B. Изходното напрежение и изходният ток са съответно:
`u_0 = U_m cos omegat` (1)
`i_0 = I_m cos omegat` (2)
а максималният ток представлява размахът на синусоидата, т.е. удвоената ѝ амплитуда:
`I_m=U_m / R = 2 I_{dm}` (3)
където `I_{dm} = I_{dm1}` e амплитудата на дрейновия ток. Изходната променливотокова мощност се дава с израза:
`P_0 = {U_m I_m} / 2 = U_m^2 / {2R} = {R I_m^2} /2 ` (4)
Захранващата постояннотокова мощност е числено равна на средната стойност на дрейновия ток на горния транзистор. Тази стойност се намира от израза:
`I_I = 1/{2pi} int_{-pi/2}^{pi/2} i_{D1} d(omegat) = I_m / pi = U_m / {pi R}` (5)
Постояннотоковото съпротивление `R_{DC}` се намира от следната зависимост:
`R_{DC}=U_I / I_I = {pi U_I} / U_m R` (5)
При `U_m = 0`, `R_DC rarr oo`, а при `U_m = U_I`, постояннотоковото съпротивление достига минималната си стойност:
`R_{DCmin}=U_I / I_{Imax} = pi R` (6)
Захранващата постояннотокова мощност е:
`P_I = U_I I_I = {U_I I_m} / pi = {U_I U_m} / {pi R}` (7)
Дрейновата мощност, разсеяна в двата транзистора е:
`P_D = P_I - P_0 = {U_I U_m} / {pi R} - U_m^2 / {2R}` (8)
Приравняваме на нула първата производна на дрейновата мощност като функция на амплитудата на изходното напрежение, т.е.:
`dP_D / d_U_m = U_I / {pi R} - U_m / R = 0` (9)
откъдето получаваме:
`U_m = U_I / pi` (10)
Следователно максималната мощност, разсейвана в двата транзистора е:
`P_Dmax = U_I^2 / {2pi^2R}` (11)
Дрейновият коефициент на полезно действие (КПД) e:
`eta_D = P_0 / P_I = pi / 4 U_m / U_I` (12)
При `U_m = U_I`, `eta_{Dmax} = pi / 4` (13)
При `U_{m(max)} = U_I - U_{DSmin}` , `eta_{D} = pi / 4 U_{m(max)} / U_I = pi/4 (1-U_{DSmin}/U_I)` (14)
Натоварване на активните елементи
Токовите и напрежителните максимални натоварвания в транзисторите са при:
`I_{DM} = I_m` (15)
`U_{DSM} = 2 U_I` (16)
Амплитудите на токовете през бобината и кондензатора от резонансния кръг са:
`I_{Lm} = I_{Cm} = Q_L I_m` (17)
Способността на изходната мощност е:
`c_p = P_0 / {2 I_{DM} U_{DSM}} = 1/4 (I_m / I_{DM}) (U_m / U_{DSM}) = 1/4 xx 1 xx 1/2 = 1/8` (18)
Работа на усилвателите клас AB, B, C с променлива обвиваща на сигнала
Усилвателите клас AB, B и C могат да бъдат използвани за усилване на сигнали с променливотокова обвиваща като например амплитудно-модулираните сигнали. Променливотоковата съставка на амплитудно-модулираното напрежение гейт-сорс има вида:
`u_{gs(AM)} = U_{gsm} (1 + m_{i n} cos omega_m t) cos omega_c t` (19)
Изборът на режима на работа, т.е. на работната точка `Q` има важно въздействие върху нелинейното изкривяване на източниците на ток, управлявани по напрежение. Усилването на амплитудно-модулирани сигнали в усилватели клас AB, B и C са показани на фиг.1.
Фиг.1a илюстрира усилване на амплитудно-модулиран сигнал в мощен радиочестотен усилвател клас AB, което формира изходящо напрежение с модулационен индекс `m_{out} > m_{i n}`. Изходното напрежение показва по-плитка модулация от входното. На фиг.1b е показано усилването на амплитудно-модулиран сигнал в усилвател клас B, където `m_{out} = m_{i n}`. Той се проявява като линеен мощен радиочестотен усилвател, тъй като неговата статична характеристика `u_{DS} = f(u_{GS} - U_t)` е почти линейна и започва от началото на координатната система. Фиг.1c илюстрира усилването на амплитудно-модулиран сигнал в усилвател клас C, което формира изходен амплитудно-модулиран сигнал с модулационен индекс `m_{out} < m_{i n}`. В този случай изходното напрежение проявява по-дълбока модулация от входния сигнал. Усилватели клас AB и C могат да се използват за усилване на амплитудно-модулирани сигнали с малък модулационен индекс `m`.
Фиг.2. изобразява схема на мощни усилватели клас AB, B и C с амплитудна модулация. В тези усилватели, амплитудно-модулираният сигнал е генериран чрез поставянето на източника на модулиращо напрежение `u_m` последователно на дрейновото захранващо напрежение `U_I` на радиочестотен усилвател клас C, което се управлява в омичната (триодна) област на полевия транзистор. Напрежението `u_{GS}` има постоянна амплитуда `U_{gsm}` и неговата честота е равна на носещата честота `f_c`. Постоянното напрежение `U_{GS}` гейт-сорс е фиксирано. Поради това ъгълът на проводимост `thetha` на дрейновия ток е също фиксиран. Тези схеми изискват използването на нискочестотен трансформатор.
Мощните усилватели клас AB, B и C могат да бъдат използвани и за усилване на сигнали с постоянна обвиваща като честотно- и фазово-модулираните сигнали.
Нека разгледаме мощен радиочестотен усилвател клас B. Изходното напрежение и изходният ток са съответно:
`u_0 = U_m cos omegat` (1)
`i_0 = I_m cos omegat` (2)
а максималният ток представлява размахът на синусоидата, т.е. удвоената ѝ амплитуда:
`I_m=U_m / R = 2 I_{dm}` (3)
където `I_{dm} = I_{dm1}` e амплитудата на дрейновия ток. Изходната променливотокова мощност се дава с израза:
`P_0 = {U_m I_m} / 2 = U_m^2 / {2R} = {R I_m^2} /2 ` (4)
Захранващата постояннотокова мощност е числено равна на средната стойност на дрейновия ток на горния транзистор. Тази стойност се намира от израза:
`I_I = 1/{2pi} int_{-pi/2}^{pi/2} i_{D1} d(omegat) = I_m / pi = U_m / {pi R}` (5)
Постояннотоковото съпротивление `R_{DC}` се намира от следната зависимост:
`R_{DC}=U_I / I_I = {pi U_I} / U_m R` (5)
При `U_m = 0`, `R_DC rarr oo`, а при `U_m = U_I`, постояннотоковото съпротивление достига минималната си стойност:
`R_{DCmin}=U_I / I_{Imax} = pi R` (6)
Захранващата постояннотокова мощност е:
`P_I = U_I I_I = {U_I I_m} / pi = {U_I U_m} / {pi R}` (7)
Дрейновата мощност, разсеяна в двата транзистора е:
`P_D = P_I - P_0 = {U_I U_m} / {pi R} - U_m^2 / {2R}` (8)
Приравняваме на нула първата производна на дрейновата мощност като функция на амплитудата на изходното напрежение, т.е.:
`dP_D / d_U_m = U_I / {pi R} - U_m / R = 0` (9)
откъдето получаваме:
`U_m = U_I / pi` (10)
Следователно максималната мощност, разсейвана в двата транзистора е:
`P_Dmax = U_I^2 / {2pi^2R}` (11)
Дрейновият коефициент на полезно действие (КПД) e:
`eta_D = P_0 / P_I = pi / 4 U_m / U_I` (12)
При `U_m = U_I`, `eta_{Dmax} = pi / 4` (13)
При `U_{m(max)} = U_I - U_{DSmin}` , `eta_{D} = pi / 4 U_{m(max)} / U_I = pi/4 (1-U_{DSmin}/U_I)` (14)
Натоварване на активните елементи
Токовите и напрежителните максимални натоварвания в транзисторите са при:
`I_{DM} = I_m` (15)
`U_{DSM} = 2 U_I` (16)
Амплитудите на токовете през бобината и кондензатора от резонансния кръг са:
`I_{Lm} = I_{Cm} = Q_L I_m` (17)
Способността на изходната мощност е:
`c_p = P_0 / {2 I_{DM} U_{DSM}} = 1/4 (I_m / I_{DM}) (U_m / U_{DSM}) = 1/4 xx 1 xx 1/2 = 1/8` (18)
Работа на усилвателите клас AB, B, C с променлива обвиваща на сигнала
Усилвателите клас AB, B и C могат да бъдат използвани за усилване на сигнали с променливотокова обвиваща като например амплитудно-модулираните сигнали. Променливотоковата съставка на амплитудно-модулираното напрежение гейт-сорс има вида:
`u_{gs(AM)} = U_{gsm} (1 + m_{i n} cos omega_m t) cos omega_c t` (19)
 |
| Фиг.1. Усилване на амплитудно-модулирани сигнали в мощни радиочестотни усилватели: a) клас AB; b) клас B; c) клас C |
Фиг.1a илюстрира усилване на амплитудно-модулиран сигнал в мощен радиочестотен усилвател клас AB, което формира изходящо напрежение с модулационен индекс `m_{out} > m_{i n}`. Изходното напрежение показва по-плитка модулация от входното. На фиг.1b е показано усилването на амплитудно-модулиран сигнал в усилвател клас B, където `m_{out} = m_{i n}`. Той се проявява като линеен мощен радиочестотен усилвател, тъй като неговата статична характеристика `u_{DS} = f(u_{GS} - U_t)` е почти линейна и започва от началото на координатната система. Фиг.1c илюстрира усилването на амплитудно-модулиран сигнал в усилвател клас C, което формира изходен амплитудно-модулиран сигнал с модулационен индекс `m_{out} < m_{i n}`. В този случай изходното напрежение проявява по-дълбока модулация от входния сигнал. Усилватели клас AB и C могат да се използват за усилване на амплитудно-модулирани сигнали с малък модулационен индекс `m`.
 |
| Фиг.2. Дрейнови амплитудно-модулирани сигнали в мощни радиочестотни усилватели класове AB, B и C |
Мощните усилватели клас AB, B и C могат да бъдат използвани и за усилване на сигнали с постоянна обвиваща като честотно- и фазово-модулираните сигнали.
Противотактни мощни усилватели класове AB, B, C. Принципни схеми. Форма на сигналите. Хармоничен анализ.
Принципни схеми.
Принципна противотактна схема на мощен радиочестотен усилвател клас AB, B или C, изграден с полеви транзистори е показана на фиг.1а. Тя се състои от комплементарна двойка транзистори (N-MOS и P-MOS), паралелна резонансна верига и свързващ кондензатор `C_c`.
Транзисторите трябва да имат съвпадащи характеристики и работят като източници на ток, управлявани по напрежение. Тъй като се използват комплементарни транзистори, тази схема се нарича комплементарна противотактна схема или комплементарно симетричен противотактен усилвател. Схемата може да бъде реализирана и с биполярни транзистори (CBJT) - npn и pnp транзистори. Противотактният усилвател клас B използва единия транзистор за усилване на положителната полувълна на входното напрежение, а другият транзистор - за усилване на отрицателната полувълна на входното напрежение. Свързващият кондензатор `C_c` блокира постояннотоковата съставка на товара. Освен това той поддържа постояннотоково напрежение `U_I/2` и захранва P-MOS транзистора, когато N-MOS транзисторът е запушен. Също така две захранващи напрежения `U_I` могат да бъдат свързани към дрейновете (колекторите) на всеки от двата транзистора. Вълновите форми на токовете и напреженията за противотактния усилвател клас B с полеви транзистори, са показани на фиг.2. Подобни графики могат да бъдат начертани и за усилватели клас AB и клас C.
Форма на сигналите
Хармоничен анализ
Елиминиране на четните хармоници в противотактните усилватели.
Нека приемем, че двата транзистора са еднакви. Дрейновият ток на горния MOS транзистор може да бъде развит в ред на Фурие и има вида:
`i_{D1}=I_D+i_{d1}+i_{d2}+i_{d3}+ ... = I_D+I_{dm1}cos omegat+I_{dm2}cos 2omegat+I_{dm3}cos 3omegat +...` (1)
Дрейновият ток `i_{D2}` на долния MOS транзистор е дефазиран на `180^@` спрямо `i_{D1}` и развит в ред на Фурие, има вида:
`i_{D2}=i_{D2}(omegat-180^@)`, откъдето
`i_{D2}=I_D+I_{dm1}cos (omegat-180^@) + I_{dm2}cos 2(omegat-180^@) +I_{dm3}cos 3(omegat-180^@) +... `
`i_{D2}= I_D-I_{dm1}cos omegat + I_{dm2}cos 2omegat - I_{dm3}cos 3omegat +... ` (2)
От тук следва, че товарният ток, който протича през свързващия кондензатор `C_c` представлява разликата между `i_{D1}` и `i_{D2}`, т.е.:
`i_L=i_{D1}-i_{D2}=2I_{dm1}cos omegat+3I_{dm3}cos 3omegat+... ` (3)
Следователно в противотактната усилвателна схема се реализира процес на премахване на четните хармоници на товарния ток, който намалява изкривяванията на изходното напрежение и общото хармонично изкривяване на сигнала. Само нечетните хармоници трябва да бъдат пропуснати от паралелно-резонансния кръг, който представлява честотен филтър. Същото свойство остава валидно за всички противотактни усилвателни схеми, работещи във всички класове.
Принципна противотактна схема на мощен радиочестотен усилвател клас AB, B или C, изграден с полеви транзистори е показана на фиг.1а. Тя се състои от комплементарна двойка транзистори (N-MOS и P-MOS), паралелна резонансна верига и свързващ кондензатор `C_c`.
 |
| Фиг.1. Противотактни схеми на мощен радиочестотен усилвател клас AB, B и C, изграден с полеви транзистори: a) принципна схема; b) еквивалентна заместваща схема |
Форма на сигналите
 |
| Фиг.2 Вълнови форми на токовете и напреженията в противотактен радиочестотен усилвател клас B |
Елиминиране на четните хармоници в противотактните усилватели.
Нека приемем, че двата транзистора са еднакви. Дрейновият ток на горния MOS транзистор може да бъде развит в ред на Фурие и има вида:
`i_{D1}=I_D+i_{d1}+i_{d2}+i_{d3}+ ... = I_D+I_{dm1}cos omegat+I_{dm2}cos 2omegat+I_{dm3}cos 3omegat +...` (1)
Дрейновият ток `i_{D2}` на долния MOS транзистор е дефазиран на `180^@` спрямо `i_{D1}` и развит в ред на Фурие, има вида:
`i_{D2}=i_{D2}(omegat-180^@)`, откъдето
`i_{D2}=I_D+I_{dm1}cos (omegat-180^@) + I_{dm2}cos 2(omegat-180^@) +I_{dm3}cos 3(omegat-180^@) +... `
`i_{D2}= I_D-I_{dm1}cos omegat + I_{dm2}cos 2omegat - I_{dm3}cos 3omegat +... ` (2)
От тук следва, че товарният ток, който протича през свързващия кондензатор `C_c` представлява разликата между `i_{D1}` и `i_{D2}`, т.е.:
`i_L=i_{D1}-i_{D2}=2I_{dm1}cos omegat+3I_{dm3}cos 3omegat+... ` (3)
Следователно в противотактната усилвателна схема се реализира процес на премахване на четните хармоници на товарния ток, който намалява изкривяванията на изходното напрежение и общото хармонично изкривяване на сигнала. Само нечетните хармоници трябва да бъдат пропуснати от паралелно-резонансния кръг, който представлява честотен филтър. Същото свойство остава валидно за всички противотактни усилвателни схеми, работещи във всички класове.
Мощни радиочестотни усилватели клас AB и C - форма на сигналите, мощност, КПД, параметри на клас AB при `theta=120^@`, параметри на клас C при `theta=60^@` и `theta=45^@`
Мощни радио-честотни усилватели клас AB и C - форма на сигналите, мощност, КПД, параметри на клас AB при `theta=120^@`, параметри на клас C при `theta=60^@` и `theta=45^@`
Мощен усилвател клас B - принципна схема, форма на сигналите, отношения на мощностите, КПД.
Мощен усилвател клас B - принципна схема
Принципната схема на мощен радиочестотен усилвател клас B се състои от транзистор и паралелен резонансен кръг. Транзисторът работи като зависим източник на ток, а ъгълът на проводимост на дрейновия (колекторния) ток в мощен усилвател клас B e `2 theta = 180^@`. Паралелният резонансен кръг работи като лентов честотен филтър и пропуска само основната съставка. Коефициентът на полезно действие на мощен усилвател клас B е по-голям от този на на мощен усилвател клас A. Усилватели клас B обикновено се използват за усилване в радиочестотния диапазон на радио- и телевизионни предаватели, както и в мобилните телефони.
Принципна и заместваща схеми на мощен радиочестотен усилвател клас B са показани на фиг.1. Състои се от полеви транзистор, паралелен резонансен кръг и радиочестотен дросел. Работната точка на транзистора се намира точно на границата между областта на отсечка и активната област (областта на насищане и областта на отщипване). Постояннотоковата съставка на напрежението `U_{GS}` гейт-сорс е равно на праговото напрежение `U_t` на транзистора. Поради това ъгълът на проводимост на дрейновия ток `2 theta = 180^@`. Транзисторът работи като източник на ток, управляван по напрежение. Вълновите форми на напреженията и токовете мощен усилвател клас B са илюстрирани на фиг.2. Променливотоковата съставка `u_{gs}` на напрежението гейт-сорс е синусоидна вълна. Дрейновият ток е половината от синусоидата и съдържа постояннотокова съставка, основната съставка и четни хармоници. Паралелният резонансен кръг действа като лентов честотен филтър, който намалява влиянието на всички хармоници. "Чистотата" (качеството) на изходната синусоида е функция на правилния избор на лентовия филтър. Колкото по-висок качествен фактор `Q_L` на товара, толкова по-малко е съдържанието на хармоници от по-висок ред в изходния ток и напрежение. Паралелният резонансен кръг може да бъде по-сложно конструиран, за да работи и като съгласуваща импедансите верига.
Форма на сигналите
Напрежението гейт-сорс се дава с израза:
`u_{GS} = U_t + U_{gsm} cos omegat` (1)
При работа с голям сигнал, дрейновият ток е почти пропорционален на напрежението гейт-сорс `u_{GS}`, където `u_{GS} > U_t` :
`i_D = K (u_{GS - U_t) = K U_{gsm} cos omegat` при `u_{GS} > U_t` (2)
`i_D = 0` при `u_{GS} < U_t` (3)
Дрейновият ток в усилвател клас B е половината синусоида, т.е.:
`i_D = I_{DM} cos omegat` при `-pi/2 < omegat <= pi/2` (3)
`i_D = 0` при `pi/2 < omegat <= {3pi}/2` (4)
където `I_DM` е върховата стойност на дрейновия ток. Напрежението дрейн-сорс се дава с израза:
`u_{DS} = U_I - U_m cos omegat` (5)
Моментната разсеяна мощност в транзистора е:
`p_D(omegat) = i_D u_{DS} = I_{DM} cos omegat (U_I - U_m cos omegat)` при `-pi/2 < omegat <= {pi}/2` (6)
и съответно
`p_D(omegat) = 0` при `pi/2 < omegat <= {3pi}/2` (7)
Основната съставка на дрейновия ток е:
`I_m = 1/pi int_{-pi/2} ^{p/2} I_{DM} cos^2 omegat d(omegat) = I_{DM}/2 = pi/2 I_I` (8)
Формата на дрейновия ток се дава с формулата:
`i_D=I_{DM}cos omegat = pi I_I cos omegat` при `-pi/2 < omegat <= {pi}/2` (9)
и съответно
`i_D = 0` при `pi/2 < omegat <= {3pi}/2` (10)
Формата на напрежението дрейн-сорс е:
`u_{DS}=U_I - U_m cos omegat = U_I (1-U_m/U_I) cos omegat` (11)
Моментната разсеяна мощност в транзистора при `f = f_0` е:
`p_D (omegat) = i_D u_{DS} = I_I U_I pi cos omegat (1 - U_m/U_I cos omegat)`
`p_D (omegat) = P_I pi cos omegat (1- U_m/U_I cos omegat)` при `-pi/2 < omegat <= {pi}/2` (12)
и
`p_D (omegat) = 0` при `pi/2 < omegat <= {3pi}/2` (13)
Следователно нормализираната моментна разсеяна мощност в транзистора ще бъде:
`p_D (omegat) / P_I = pi cos omegat (1 - U_m/U_I cos omegat)` при `-pi/2 < omegat <= {pi}/2` (14)
и
`p_D (omegat) / P_I = 0` при `pi/2 < omegat <= {3pi}/2` (15)
Нормализираната моментна загубна мощност в транзистора при различни стойности на `{U_m}/ {U_I}` и при `f=f_0` е показана на фиг.2 за мощен усилвател клас B. Когато отношението `{U_m}/{U_I}` нараства, върховите стойности на `{p_D(omegat)}/{P_I}` намаляват, което допринася за по-висок дрейнов коефициент на полезно действие (КПД).
Отношения на мощностите и коефициент на полезно действиие на усилвател клас B.
Постоянният ток на захранване е:
`I_I = 1/{2pi} int_{-pi/2} ^{pi/2} i_D d(omegat) = 1/{2pi} int_{-pi/2} ^{pi/2} I_{DM} cos omegat d(omegat)`
`I_I = I_{DM}/pi = 2/pi I_m = 2/pi U_m / R` (16)
Следователно постояннотоковото съпротивление на постояннотоковия източник `U_I` е:
`R_{DC}=U_I/I_I=pi/2 U_I/U_m R` (17)
При `U_m=U_I`
Принципната схема на мощен радиочестотен усилвател клас B се състои от транзистор и паралелен резонансен кръг. Транзисторът работи като зависим източник на ток, а ъгълът на проводимост на дрейновия (колекторния) ток в мощен усилвател клас B e `2 theta = 180^@`. Паралелният резонансен кръг работи като лентов честотен филтър и пропуска само основната съставка. Коефициентът на полезно действие на мощен усилвател клас B е по-голям от този на на мощен усилвател клас A. Усилватели клас B обикновено се използват за усилване в радиочестотния диапазон на радио- и телевизионни предаватели, както и в мобилните телефони.
Принципна и заместваща схеми на мощен радиочестотен усилвател клас B са показани на фиг.1. Състои се от полеви транзистор, паралелен резонансен кръг и радиочестотен дросел. Работната точка на транзистора се намира точно на границата между областта на отсечка и активната област (областта на насищане и областта на отщипване). Постояннотоковата съставка на напрежението `U_{GS}` гейт-сорс е равно на праговото напрежение `U_t` на транзистора. Поради това ъгълът на проводимост на дрейновия ток `2 theta = 180^@`. Транзисторът работи като източник на ток, управляван по напрежение. Вълновите форми на напреженията и токовете мощен усилвател клас B са илюстрирани на фиг.2. Променливотоковата съставка `u_{gs}` на напрежението гейт-сорс е синусоидна вълна. Дрейновият ток е половината от синусоидата и съдържа постояннотокова съставка, основната съставка и четни хармоници. Паралелният резонансен кръг действа като лентов честотен филтър, който намалява влиянието на всички хармоници. "Чистотата" (качеството) на изходната синусоида е функция на правилния избор на лентовия филтър. Колкото по-висок качествен фактор `Q_L` на товара, толкова по-малко е съдържанието на хармоници от по-висок ред в изходния ток и напрежение. Паралелният резонансен кръг може да бъде по-сложно конструиран, за да работи и като съгласуваща импедансите верига.
Форма на сигналите
Напрежението гейт-сорс се дава с израза:
`u_{GS} = U_t + U_{gsm} cos omegat` (1)
При работа с голям сигнал, дрейновият ток е почти пропорционален на напрежението гейт-сорс `u_{GS}`, където `u_{GS} > U_t` :
`i_D = K (u_{GS - U_t) = K U_{gsm} cos omegat` при `u_{GS} > U_t` (2)
`i_D = 0` при `u_{GS} < U_t` (3)
 |
| Фиг.1. Вълнова форма на токовете, напреженията и мощността на мощен радиочестотен усилвател клас B |
`i_D = I_{DM} cos omegat` при `-pi/2 < omegat <= pi/2` (3)
`i_D = 0` при `pi/2 < omegat <= {3pi}/2` (4)
където `I_DM` е върховата стойност на дрейновия ток. Напрежението дрейн-сорс се дава с израза:
`u_{DS} = U_I - U_m cos omegat` (5)
Моментната разсеяна мощност в транзистора е:
`p_D(omegat) = i_D u_{DS} = I_{DM} cos omegat (U_I - U_m cos omegat)` при `-pi/2 < omegat <= {pi}/2` (6)
и съответно
`p_D(omegat) = 0` при `pi/2 < omegat <= {3pi}/2` (7)
Основната съставка на дрейновия ток е:
`I_m = 1/pi int_{-pi/2} ^{p/2} I_{DM} cos^2 omegat d(omegat) = I_{DM}/2 = pi/2 I_I` (8)
Формата на дрейновия ток се дава с формулата:
`i_D=I_{DM}cos omegat = pi I_I cos omegat` при `-pi/2 < omegat <= {pi}/2` (9)
и съответно
`i_D = 0` при `pi/2 < omegat <= {3pi}/2` (10)
Формата на напрежението дрейн-сорс е:
`u_{DS}=U_I - U_m cos omegat = U_I (1-U_m/U_I) cos omegat` (11)
Моментната разсеяна мощност в транзистора при `f = f_0` е:
`p_D (omegat) = i_D u_{DS} = I_I U_I pi cos omegat (1 - U_m/U_I cos omegat)`
`p_D (omegat) = P_I pi cos omegat (1- U_m/U_I cos omegat)` при `-pi/2 < omegat <= {pi}/2` (12)
и
`p_D (omegat) = 0` при `pi/2 < omegat <= {3pi}/2` (13)
Следователно нормализираната моментна разсеяна мощност в транзистора ще бъде:
`p_D (omegat) / P_I = pi cos omegat (1 - U_m/U_I cos omegat)` при `-pi/2 < omegat <= {pi}/2` (14)
и
 |
| Фиг.2. Нормализирана моментна разсеяна мощност `{p_D(omegat)} / P_I` при различни стойности на `U_m/U_I` и `f=f_0` на мощен радиочестотен усилвател клас B |
Нормализираната моментна загубна мощност в транзистора при различни стойности на `{U_m}/ {U_I}` и при `f=f_0` е показана на фиг.2 за мощен усилвател клас B. Когато отношението `{U_m}/{U_I}` нараства, върховите стойности на `{p_D(omegat)}/{P_I}` намаляват, което допринася за по-висок дрейнов коефициент на полезно действие (КПД).
Отношения на мощностите и коефициент на полезно действиие на усилвател клас B.
Постоянният ток на захранване е:
`I_I = 1/{2pi} int_{-pi/2} ^{pi/2} i_D d(omegat) = 1/{2pi} int_{-pi/2} ^{pi/2} I_{DM} cos omegat d(omegat)`
`I_I = I_{DM}/pi = 2/pi I_m = 2/pi U_m / R` (16)
Следователно постояннотоковото съпротивление на постояннотоковия източник `U_I` е:
`R_{DC}=U_I/I_I=pi/2 U_I/U_m R` (17)
При `U_m=U_I`
Усилвател клас А. Паралелелен трептящ кръг - загуби и КПД. Импедансно-съгласуваща верига. Работа с променлива и постоянна обвиваща сигнала.
Усилвател клас А. Паралелелен трептящ кръг - загуби и КПД. Импедансно-съгласуваща верига. Работа с променлива и постоянна обвиваща сигнала.
Мощен радиочестотен усилвател клас А. Основна принципна схема. Анализ на режима на работа. Параметри и характеристики.
Мощен радиочестотен усилвател клас А. Основна принципна схема. Анализ на режима на работа. Параметри и характеристики.
Модели на активните прибори, използвани в мощните усилватели.
Модели на активните прибори, използвани в мощните усилватели.
Голямосигнална линейно-отсечкова апроксимация на статичните характеристики на активните елементи.
Голямосигнална линейно-отсечкова апроксимация на статичните характеристики на активните елементи.
Особености на използваните активни елементи в мощните радиочестотни и микровълнови усилватели .
Особености на използваните активни елементи в мощните радиочестотни и микровълнови усилватели .
Параметри и характеристики на мощните високочестотни усилватели.
Параметри на мощните радиочестотни усилватели.
Захранващата мощност на транзистора е:
`P_I=I_I V_I` (1)
Когато резонансната честота `f_0` на изходната верига е равна работната честота `f`, мощността, доставена от дрейна към изходната верига (дрейновата мощност) е:
`P_{DS} = 1/2 I_m U_m = 1/2 I_m^2 R = U_m^2 / {2R}` (2)
където `I_m` е амплитудата на на основната съставка на дрейновия ток `i_D`, `U_m` е амплитудата на основната съставка на напрежението дрейн-сорс `u_{DS}`, а `R` е входното съпротивление на изходната верига за основната честота. Ако резонансната честота `f_0` не е равна на работната честота `f`, дрейновоата мощност на основната съставка се дава с израза:
`P_{DS} = 1/2 I_m U_m cos phi= 1/2 I_m^2 R cos phi = U_m^2 cos phi / {2R}` (3)
където `phi` е фазовото изместване между основните съставки на дрейновия ток и напрежението дрейн-сорс, намалено с `pi`. Това ниво на мощност често се отнася към `1 mW`и се изразява като:
`P=10 log [P(W)] / 0.001 (dBm) = -30 + log [P(W)] (dBW)` (4)
Стойността `dBm` на `dBW` представлява актуалната мощност, докато стойността `dB` представлява отношение на мощности, например усилване по мощност. Моментната стойност на разсеяната дрейнова мощност е:
`p_D (omegat) = i_D u_{DS}` (5)
Пълната разсеяна дрейнова мощност е:
`P_D=1/2pi int_0^{2pi} p_D d(omegat) = 1/2pi int_0^{2pi} i_D u_{DS} d(omegat) = P_I - P_{DS}` (6)
Дрейновият КПД е:
`eta_D = P_{DS}/P_I = {P_I-P_D}/P_I = 1 - P_D/P_I` (7)
Мощността, управляваща гейта е:
`P_G = 1/2pi int_0^{2pi} i_G u_{GS} d(omegat)` (8)
За синусоидален гейтов ток и напрежение гейт-сорс, мощността, управляваща гейта е:
`P_G = 1/2 I_{gm} U_{gsm} cos phi_G = {R_G I_{gm}^2} /2` (9)
Характеристики на мощните високочестотни усилватели
Захранващата мощност на транзистора е:
`P_I=I_I V_I` (1)
Когато резонансната честота `f_0` на изходната верига е равна работната честота `f`, мощността, доставена от дрейна към изходната верига (дрейновата мощност) е:
`P_{DS} = 1/2 I_m U_m = 1/2 I_m^2 R = U_m^2 / {2R}` (2)
където `I_m` е амплитудата на на основната съставка на дрейновия ток `i_D`, `U_m` е амплитудата на основната съставка на напрежението дрейн-сорс `u_{DS}`, а `R` е входното съпротивление на изходната верига за основната честота. Ако резонансната честота `f_0` не е равна на работната честота `f`, дрейновоата мощност на основната съставка се дава с израза:
`P_{DS} = 1/2 I_m U_m cos phi= 1/2 I_m^2 R cos phi = U_m^2 cos phi / {2R}` (3)
където `phi` е фазовото изместване между основните съставки на дрейновия ток и напрежението дрейн-сорс, намалено с `pi`. Това ниво на мощност често се отнася към `1 mW`и се изразява като:
`P=10 log [P(W)] / 0.001 (dBm) = -30 + log [P(W)] (dBW)` (4)
Стойността `dBm` на `dBW` представлява актуалната мощност, докато стойността `dB` представлява отношение на мощности, например усилване по мощност. Моментната стойност на разсеяната дрейнова мощност е:
`p_D (omegat) = i_D u_{DS}` (5)
Пълната разсеяна дрейнова мощност е:
`P_D=1/2pi int_0^{2pi} p_D d(omegat) = 1/2pi int_0^{2pi} i_D u_{DS} d(omegat) = P_I - P_{DS}` (6)
Дрейновият КПД е:
`eta_D = P_{DS}/P_I = {P_I-P_D}/P_I = 1 - P_D/P_I` (7)
Мощността, управляваща гейта е:
`P_G = 1/2pi int_0^{2pi} i_G u_{GS} d(omegat)` (8)
За синусоидален гейтов ток и напрежение гейт-сорс, мощността, управляваща гейта е:
`P_G = 1/2 I_{gm} U_{gsm} cos phi_G = {R_G I_{gm}^2} /2` (9)
Характеристики на мощните високочестотни усилватели
Хармоничен анализ. Класове на работа на мощни радиочестотни и микровълнови усилватели.
Хармоничен анализ.
Класове на работа на мощни радиочестотни и микровълнови усилватели.
Класификацията на мощните реадиочестотни усилватели с транзистор работещ като зависим източник на ток се основава на ъгъла на протичане `2theta` на дрейновия ток. Вълновата форма на дрейновия ток `i_D` на транзистора, работещ като зависим източник в различни класове на работа за синусоидално напрежение гейт-сорс `u_GS` е показано на фиг.1.3. Работните точки за различните класове са показани на фиг.1.4.
При режим на работа клас A, ъгълът на протичане на дрейновия ток `2theta=360^@`. Напрежението гейт-сорс `u_{GS}` трябва да е по-високо от праговото напрежение `U_t` на транзистора, т.е. `u_{GS}>U_t`. Това се постига чрез подбора на постоянно-токовата съставка `U_{GS}` на напрежението гейт-сорс, която трябва да е достатъчно по-голяма от праговото напрежение на `U_t` на транзистора, т.е. `U_{GS}-U_{gsm}>U_t`, където `U_{gsm}` е амплитудата на променливо-токовата съставка на напрежението гейт-сорс. Постоянната съставка `I_D` на дрейновия ток трябва да бъде по-голяма от амплитудата `I_m` на дрейновия ток `i_D`. В резултат на това, транзисторът е отпушен през целия период `2pi`.
При режим на работа клас B, ъгълът на протичане на дрейновия ток `2theta=180^@`, `u_{GS}=U_t`, а преднапрежителният постоянен дрейнов ток `I_D=0`. Поради това транзисторът е отпушен само през половината от периода.
При режим на работа клас AB, ъгълът на протичане на дрейновия ток отговаря на условието `180^@<2theta<360^@`, `U_{GS}` малко надвишава прага `U_t`, а транзисторът е възбуден до малък постоянен дрейнов ток `I_D=0`. Както подсказва самото име, режимът на работа клас AB се явява междинен между клас A и клас B.
При режим на работа клас C, ъгълът на протичане на дрейновия ток `2theta<180^@`. Работната точка се намира в областта на отсечка, понеже `U_{GS}<U_t`. Преднапрежителният постоянен дрейнов ток `I_D=0`. Поради това транзисторът е отпушен в интервал по-кратък от половината от периода.
Режимите на работа клас A, AB и B се използват в нискочестотните (аудио) и радиочестотните усилватели, докато клас C се използва единствено в радиочестотните усилватели. Транзисторът работи като ключ в мощните радиочестотни /усилватели клас D, E и DE. При клас F, транзисторът може да бъде управляван като зависим източник на ток или като ключ.
Класове на работа на мощни радиочестотни и микровълнови усилватели.
Класификацията на мощните реадиочестотни усилватели с транзистор работещ като зависим източник на ток се основава на ъгъла на протичане `2theta` на дрейновия ток. Вълновата форма на дрейновия ток `i_D` на транзистора, работещ като зависим източник в различни класове на работа за синусоидално напрежение гейт-сорс `u_GS` е показано на фиг.1.3. Работните точки за различните класове са показани на фиг.1.4.
 |
| Фиг.1.3. Вълнови форми на дрейновия ток `i_D` при различните режими на работа: a) клас А; b) клас B; c) клас AB; d) клас C |
 |
| Фиг.1.4. Работни точки за режимни класове A, B, AB и C |
При режим на работа клас AB, ъгълът на протичане на дрейновия ток отговаря на условието `180^@<2theta<360^@`, `U_{GS}` малко надвишава прага `U_t`, а транзисторът е възбуден до малък постоянен дрейнов ток `I_D=0`. Както подсказва самото име, режимът на работа клас AB се явява междинен между клас A и клас B.
При режим на работа клас C, ъгълът на протичане на дрейновия ток `2theta<180^@`. Работната точка се намира в областта на отсечка, понеже `U_{GS}<U_t`. Преднапрежителният постоянен дрейнов ток `I_D=0`. Поради това транзисторът е отпушен в интервал по-кратък от половината от периода.
Режимите на работа клас A, AB и B се използват в нискочестотните (аудио) и радиочестотните усилватели, докато клас C се използва единствено в радиочестотните усилватели. Транзисторът работи като ключ в мощните радиочестотни /усилватели клас D, E и DE. При клас F, транзисторът може да бъде управляван като зависим източник на ток или като ключ.
четвъртък, 14 януари 2016 г.
IPTV транспортна архитектура. Транспортен модел. Протоколи за поточно предаване на медийни данни. IPTVмедийни формати.
IPTV транспортна архитектура. Транспортен модел. Протоколи за поточно предаване на медийни данни. IPTVмедийни формати.
Методи за IP пренос на ТВ данни. Видове поточно предаване. IPTV системна платформа. Базов модел. IPTV архитектура.
Методи за IP пренос на ТВ данни.
Преносът на данни за осъществяване на различни IP телевизионни услуги в най-общия случай се основава на самостоятелно или на комбинирано на двете базови комуникационни технологии - асинхронен файлов трансфер и поточно предаване. Понастоящем практическо приложение намират следните производни IP телевизионни комуникационни методи:
Методът на поточното предаване има множество технологични разновидности, които са съответно подходящи за различни приложения. Те се класифицират както следва:
IPTV системна платформа.
Базов общосистемен модел
Общите функционално-организационни принципи на система за IP телевизионни услуги са показани на блоковата схема от фиг.5.1. Както е показано на схемата, IP телевизионната платформа се състои от четири функционални блока:
Функционалната характеристика на отделните блокове е следната:
блок 1 - функционалността му се състои в добиване на програмно-информационни породукти от два типа външни източници:
блок 2 - притежава два вида функционалност:
блок 4 - функционалността на този блок се определя от два типа оборудване:
Телевизионно-сервизна архитектура
С помощта на телевизионния сервизен системен модел (фиг.5.2) може да бъде изяснена архитектурата и взаимодействието на логическите компоненти, необходими за осигуряване на телевизионни услуги, основаващи се на двата типа базови технологии - поточно предаване в реално време и поточно предаване по заявка.
За по-голяма яснота на процесите тези логически компоненти са представени във вид на три типа блокове:
Системата включва и модул "системен и сервизен мениджмънт, съставните компоненти на който имат косвено отношение към осигуряването на телевизионните услуги, поради което не се разглежда тук.
Функционален модул "Преработка на данните на придобиваните програмни продукти".
По функционално значение този модул съответства на ниво "обработка на данни" в блок 2 на базовия системен модел (фиг.5.1).
Технологията на обработка на данните не е една и съща поради факта, че входящият сигнал (в зависимост от вида на източника) може да бъде разнороден, а изходните данни е възможно да бъдат комплектувани по различен начин. Например входящите данни на един DVB сервизен доставчик обикновено са комплектувани във вид на многопрограмен скремблиран MPEG-2 MPTS трнаспортен поток с постоянна скорост. В този случай се налага за тяхната обработка да бъдат ангажирани почти всички посочени на схемата функционални компоненти на този модул:
В типичния случай етапите на преработка на данните протичат в следната последователност:
Функционален модул "Предоставяне на телевизионни продукти по заявка".
Този модул включва компонентите система за условен достъп (отговаря за ключо-разпределителен мениджмънт, свързан с криптирането на телевизионни продукти) и система за криптиране (криптирането се прилага като втори защитен механизъм срещу нерегламентирани посегателства след задължителна проверка за правомощията на абоната).
За VoD услугите проверка за правомощията на абоната за заявяване на телевизионен продукт с дадено наименование
Системният модел на платформата за IP телевизионни услуги е показан на фиг.5.2.
Функционален модул "Предоставяне на телевизионни продукти по заявка".
Базов елемент на всяка мрежа от вида `CDN` е така наречения `VoD` сървър. На фиг.5.3 е показано примерно физическо изпълнение на `VoD` сървър и на осигуряващите го контролери за поточно предаване.
`VoD` сървърът най-често е физически базиран на локална мрежа с архитектура от вида FC/GE (Fiber Channel/Gigabit Ethernet) SAN (Storage Area Network), ковто обслужва сегментите на `RAID` контролиран и отворен за разширение дисков масив за паралелен запис и паралелно четене и евентуална DVD/CD библиотечна система.
Функционален блок "Middleware"
Този функционален модул изпълнява ролята на "спояващ" софтуер, който интегрира логическите компоненти на останалите функционални модули, в това число и на тези между клиент и сървър и на тези между разнородните приложения (нерядко създадени от различни производители), в единно и надеждно функционираща система.
Функционалният блок "Програмен справочник" предоставя на клиента възможности за broadcast/multicast услуги. Той осигурява на съответното STV клиентско приложение информация със списъка на телевизионните програмни канали за ползване в реално време и с IP мрежовите адреси на техните източници. Най-често се реализира с HTTP протокол във вид на уеб сървър, който предоставя на клиентите посочената по-горе информация във вид на уебстраници.
Друг блок със сходни функции и механизми, но ориентиран към търсене на телевизионни продукти за обслужване на VoD кленти, е т.нар. сървър за навигация. Данните за изпълнение на този род задачи той получава от блоковете разпределител на програмни продукти и база данни за абонатите.
Разпределителят на програмни продукти има задачата да предоставя по определен регламент придобитите от външни източници телевизионни продукти и свързаните с тях рекламни клипове и/или откъси и файлове от метаданни до определени места в мрежата на доставчиците на услуги.
Предназначението на системата за правомощия е след постъпване на заявка от сесийния мениджър да извършва проверка дали клиентът има право да получи заявения телевизионен продукт. За тази цел системата, ползвайки информация от разпределителя на програмни продукти, създава база данни, които показват с пакетите на кои VoD клиенти е свързан всеки телевизионен продукт. Въз основа на тези данни и на информация получена от блока база данни за абонатите на модула системен и сервизен мениджмънт, се определя дали клиентът има право да гледа заявения телевизионен обект.
Функционалният блок сесиен мениджър отговаря за организирането и поддържането на сесия на взаимодействие с клиента на всяко VoD приложение. След получаване на заявка, той се осведомява от системата за правомощия относно правомощието на клиента и за съответния формат на криптиране на данните за него, а от блока мениджър на VoD ресурси - за най-подходящия за клиента VoD сървър. Сесийният мениджър препредава информацията за формата на криптиране към системата за условен достъп и в отговор получава от нея ключа за декриптиране. Тогава той изпраща към клиента ключа за декриптиране и IP-адреса на препоръчания VoD сървър.
Функционален модул "Потребление на телевизионни услуги"
В този модул чрез ресурсите на устройството STB (Set Top Box) се осигурява кореспонденцията с функционалните модули и съответна клиентска функционалност - декодиране, декриптиране и middleware. Както се вижда от фиг.5.2, потребителският Middleware включва STB клиентските приложения за broadcast/multicast услуги и за индивидуални услуги от типа доставяне на телевизионни продукти по заявка, взаимодействие с обекти на избран телевизионен продукт, работа като мрежово базиран видеорекордер и др.
Преносът на данни за осъществяване на различни IP телевизионни услуги в най-общия случай се основава на самостоятелно или на комбинирано на двете базови комуникационни технологии - асинхронен файлов трансфер и поточно предаване. Понастоящем практическо приложение намират следните производни IP телевизионни комуникационни методи:
- файлов трансфер - При този метод процесът на кодиране на данните не се изпълнява в реално време, а предварително, т.е. неговата изчислителна сложност не е от критично важно значение.
- псевдопоточно предаване - този метод, известен още като прогресивно разтоварване, по същество представлява модификация на предходния метод.
- поточно предаване - този е основният комуникационен метод за реализиране на IP телевизионни услуги. характеризира се с това, че данните на цифровия телевизионен продукт се предават последователно със същата скорост и ритъм, с които приемащото устройство се налага да ги обработва, за да осигури качествено възпроизвеждане на телевизионната информация.
Методът на поточното предаване има множество технологични разновидности, които са съответно подходящи за различни приложения. Те се класифицират както следва:
- според типа на комуникационната архитектура - според топологията (точка-точка, точка-много точки или комбинация от двата вида) поточното предаване може да бъде:
- unicasting - метод за комуникация, при който от източника към получателя (конкретно дефиниран IP адрес и порт) се предава индивидуален поток от данни. Поради това този начин е подходящ за индивидуални услуги от типа: доставяне на видеопродукти по заявка (VoD), мрежово базиран персонален видеорекордер (nPVR), взаимодействие на клиента със съставни обекти на телевизионния продукт, видеоигри по заявка, pay per view и др., които са с изявено интерактивен характер. За целта се използват възможностите на транспортния протокол TCP, който осигурява двупосочна връзка и гарантира надеждно предаване на пакетите от данни. Този метод не е подходящ, когато един цифров поток е предназначен за ползване от много получатели едновременно.
- multicasting - този метод използва възможностите на транспортния протокол UDP за предаване на данни в реално време. При него източникът предава едно и също копие на потока от данни за едновременно ползване от множество получатели. За целта първо се формира multicast група (на основата на IP адрес от клас D), към коят да се присъединяват потребителите, желаещи да ползват въпросния поток данни. Както е показано на фиг.1.3б, потокът от данни, постъпил от източника в мрежовия маршрутизатор, се разклонява и препредава към множество маршрутизатори, които от своя страна аналогично го разклоняват и препредават докато той достигне до всички участници на така обособената multicast група. Този подход носи две много големи предимства пред unicasting - значително по-ефективно използване на мрежовите комуникационни ресурси и разпространение на програмния поток в геометрична прогресия, което позволява практически неограничено разширяване на аудиторията до мащаби, които достигат класическото масово телвизионни разпръскване.
- unicasting & multicasting - е комбиниран метод за комуникация, при който в типичния случай потокът от данни се доставя до периферните мрежови възли от определен клас по технология unicasting, след което той се предава до крайните му потребители по технология multicasting (фиг.1.3в) По този начин се гарантира надеждно доставяне на потока от данни в по-голяма близост до потребителите му, без да се усложняват изискванията към елементите в мрежата за достъп и без да се променя възприятието за едновременното му приемане от определена група потребители.
- Според мястото на събиране на елементарните съставни потоци на телевизионния продукт (в предаващата или приемащата страна) предаването на данните е:
- еднопоточно - елементарните PES потоци от данни на телевизионния продукт синхронизирано се мултиплексират в предаващата страна в съответствие с описаната DVB технология в еднопрограмен транспортен MPEG-2 SP TS поток, който се транспортира след предварително капсуловане на данните му като пакети за въвеждане в полезния товар на UDP/IP или на RTP/UDP/IP транспортните единици (фиг.1.4б);
- многопоточно - данните на всеки елементарен PES поток на телевизионния продукт предварително се капсуловат като пакети за въвеждане в полезния товар на RTP/UDP/IP транспортните единици, след което се предават като самостоятелни мултимедийни пакетни потоци, а синхронизирането има се осъществява в приемащата страна на база информацията на RTP пакетните времеви маркери (фиг.1.4б).
IPTV системна платформа.
Базов общосистемен модел
Общите функционално-организационни принципи на система за IP телевизионни услуги са показани на блоковата схема от фиг.5.1. Както е показано на схемата, IP телевизионната платформа се състои от четири функционални блока:
- Придобиване на телевизионни програмно-информационни продукти;
- Мениджмънт и процедури за изпълнение на IP телевизионни улуги;
- Разпределение на мрежови ресурси и на потоци от IP телевизионни данни;
- Потребление на IP услуги,
Функционалната характеристика на отделните блокове е следната:
блок 1 - функционалността му се състои в добиване на програмно-информационни породукти от два типа външни източници:
- от доставчици, излъчващи телевизионна програмно-канална информация;
- от доставчици на самостоятелни телевизионни продукти (телевизионни филми и клипове, документални записи и др.)
блок 2 - притежава два вида функционалност:
- на ниво обработка на данни, към което се отнасят процедури като мултиплексиране/демултиплексиране, кодиране/декодиране, комплектуване в необходимите формати за запис и за поточно предаване, адаптиране на данните за пренос в мрежова среда в желаното и възможно качество на услугите (QoS) и т.н.;
- на ниво управление и изпълнение на IP телевизионни услуги, което поддържа мениджмънта на системата за услуги и което включва: управление на абонатите (вкл. права за достъп), разпределение на телевизионните продукти според инфраструктурата на ресурсите за тяхната поддръжка и доставяне (в режими по заявка и в реално време), а също така и необходимите взаимодействия с клиентската страна (вкл. упраление на сесии) за реализиране на заявените IP телевизионни услуги.
блок 4 - функционалността на този блок се определя от два типа оборудване:
- оборудване на клиентската сграда, което изпълнява функциите на краен широколентов мрежов възел и на маршрутизиращ шлюз към евентуална локална мрежа за клиентски достъп;
- IP телевизионно крайно устройство на клиента от типа STB, което изпълнява функцията на сервизен възел на телевизионния приемник, предназначен за декодиране на входящия цифров телевизионен поток и за взаимодействие с доставчика на услугата.
Телевизионно-сервизна архитектура
С помощта на телевизионния сервизен системен модел (фиг.5.2) може да бъде изяснена архитектурата и взаимодействието на логическите компоненти, необходими за осигуряване на телевизионни услуги, основаващи се на двата типа базови технологии - поточно предаване в реално време и поточно предаване по заявка.
За по-голяма яснота на процесите тези логически компоненти са представени във вид на три типа блокове:
- блокове, които обслужват само поточното предаване в реално време;
- блокове, които обслужват само поточното предаване по заявка;
- блокове, които обслужват и двет базови технологии.
Системата включва и модул "системен и сервизен мениджмънт, съставните компоненти на който имат косвено отношение към осигуряването на телевизионните услуги, поради което не се разглежда тук.
Функционален модул "Преработка на данните на придобиваните програмни продукти".
Технологията на обработка на данните не е една и съща поради факта, че входящият сигнал (в зависимост от вида на източника) може да бъде разнороден, а изходните данни е възможно да бъдат комплектувани по различен начин. Например входящите данни на един DVB сервизен доставчик обикновено са комплектувани във вид на многопрограмен скремблиран MPEG-2 MPTS трнаспортен поток с постоянна скорост. В този случай се налага за тяхната обработка да бъдат ангажирани почти всички посочени на схемата функционални компоненти на този модул:
- приемане и декодиране на сигнали (безусловно);
- дескремблиране (ако сигналът е скремблиран);
- демултиплексиране (безусловно);
- кодиране/транскодиране (ако е необходимо да се променят параметрите на MPEG-2 кодираните данни или те да се транскодират в AVC/H.264);
- мултиплексиране (ако се изисква формиране на MPEG-2 SPTS потоци или на нов MPEG-2 МP TS поток);
- преобразуване на скоростта (ако се налага променливата скорост на потока да се преобразува в постоянна);
- IP капсуловане (безусловно).
В типичния случай етапите на преработка на данните протичат в следната последователност:
- демултиплексиране на основните MPEG-2 МPTS потоци от данни на програмни канали до ниво на PES потоци от данни с елементарна програмна информация;
- Евентуално транскодиране на MPEG-2 кодираните в AVC/H.264 видеоданни (MPEG-4, part 10);
- Мултиплексиране на PES потоци от данни с елементарна програмна информация в самостоятелни MPEG-2 SPTS потоци от данни с програмна информация;
- капсуловане на пакетите с MPEG-2 SRTS данни във вид на полезен товар за транспортните структури на UDP или на RTR.
- по-голяма устойчивост срещу грешки;
- по-добри възможности за услуги;
- по-ефективна комуникационна архитектура;
- по-ефективна работа в мрежова среда.
Функционален модул "Предоставяне на телевизионни продукти по заявка".
Този модул включва компонентите система за условен достъп (отговаря за ключо-разпределителен мениджмънт, свързан с криптирането на телевизионни продукти) и система за криптиране (криптирането се прилага като втори защитен механизъм срещу нерегламентирани посегателства след задължителна проверка за правомощията на абоната).
За VoD услугите проверка за правомощията на абоната за заявяване на телевизионен продукт с дадено наименование
Системният модел на платформата за IP телевизионни услуги е показан на фиг.5.2.
Функционален модул "Предоставяне на телевизионни продукти по заявка".
- Задачата на този модул е да реализира съвместна работа на ресурсите за запис, съхранение и експорт на подлежащите на доставяне по заявка телевизионни продукти, както и на осигуряващите ги контролери за поточно предаване на данни. Тази функционалност е показана на фиг.5.2 чрез съставните модулни компоненти:
- Мениджър на VoD ресурси;
- Сървъри за поддръжка и експорт на подлежащи на доставяне телевизионни продукти;
- Контролери за поточно предаване.
Базов елемент на всяка мрежа от вида `CDN` е така наречения `VoD` сървър. На фиг.5.3 е показано примерно физическо изпълнение на `VoD` сървър и на осигуряващите го контролери за поточно предаване.
`VoD` сървърът най-често е физически базиран на локална мрежа с архитектура от вида FC/GE (Fiber Channel/Gigabit Ethernet) SAN (Storage Area Network), ковто обслужва сегментите на `RAID` контролиран и отворен за разширение дисков масив за паралелен запис и паралелно четене и евентуална DVD/CD библиотечна система.
Функционален блок "Middleware"
Този функционален модул изпълнява ролята на "спояващ" софтуер, който интегрира логическите компоненти на останалите функционални модули, в това число и на тези между клиент и сървър и на тези между разнородните приложения (нерядко създадени от различни производители), в единно и надеждно функционираща система.
Функционалният блок "Програмен справочник" предоставя на клиента възможности за broadcast/multicast услуги. Той осигурява на съответното STV клиентско приложение информация със списъка на телевизионните програмни канали за ползване в реално време и с IP мрежовите адреси на техните източници. Най-често се реализира с HTTP протокол във вид на уеб сървър, който предоставя на клиентите посочената по-горе информация във вид на уебстраници.Друг блок със сходни функции и механизми, но ориентиран към търсене на телевизионни продукти за обслужване на VoD кленти, е т.нар. сървър за навигация. Данните за изпълнение на този род задачи той получава от блоковете разпределител на програмни продукти и база данни за абонатите.
Разпределителят на програмни продукти има задачата да предоставя по определен регламент придобитите от външни източници телевизионни продукти и свързаните с тях рекламни клипове и/или откъси и файлове от метаданни до определени места в мрежата на доставчиците на услуги.
Предназначението на системата за правомощия е след постъпване на заявка от сесийния мениджър да извършва проверка дали клиентът има право да получи заявения телевизионен продукт. За тази цел системата, ползвайки информация от разпределителя на програмни продукти, създава база данни, които показват с пакетите на кои VoD клиенти е свързан всеки телевизионен продукт. Въз основа на тези данни и на информация получена от блока база данни за абонатите на модула системен и сервизен мениджмънт, се определя дали клиентът има право да гледа заявения телевизионен обект.
Функционалният блок сесиен мениджър отговаря за организирането и поддържането на сесия на взаимодействие с клиента на всяко VoD приложение. След получаване на заявка, той се осведомява от системата за правомощия относно правомощието на клиента и за съответния формат на криптиране на данните за него, а от блока мениджър на VoD ресурси - за най-подходящия за клиента VoD сървър. Сесийният мениджър препредава информацията за формата на криптиране към системата за условен достъп и в отговор получава от нея ключа за декриптиране. Тогава той изпраща към клиента ключа за декриптиране и IP-адреса на препоръчания VoD сървър.
Функционален модул "Потребление на телевизионни услуги"
В този модул чрез ресурсите на устройството STB (Set Top Box) се осигурява кореспонденцията с функционалните модули и съответна клиентска функционалност - декодиране, декриптиране и middleware. Както се вижда от фиг.5.2, потребителският Middleware включва STB клиентските приложения за broadcast/multicast услуги и за индивидуални услуги от типа доставяне на телевизионни продукти по заявка, взаимодействие с обекти на избран телевизионен продукт, работа като мрежово базиран видеорекордер и др.
Технологично развитие на хибридните оптични мрежи за пренос на комуникационни услуги. Съвременни изисквания, технологии, архитектура и икономически анализ за инвестиции.
Технологично развитие на хибридните оптични мрежи за пренос на комуникационни услуги. Съвременни изисквания, технологии, архитектура и икономически анализ за инвестиции.
Общи принципи на работа на интерактивна система за кабелна телевизия. Осъществяване на достъп до услугите.
Общи принципи на работа на интерактивна система за кабелна телевизия
Развитието на телекомуникационните услуги на практика представлява замяната на едни добре известни и отработени решения с нови, невъзможни за реализация в миналото и притежаващи многократно по-добри показатели. Това твърдение важи с пълна сила и за мрежите за кабелна телевизия - от появата на първите през 90-те години на миналия век - те бяха предназначени изключително за предаване на видеосигнали - в началото аналогови, а в наши дни-цифрови. С бума в развитието на глобалната мрежа Интернет започна повсеместно разпространение на технологиите за широколентов достъп. Повечето кабелни оператори започнаха да използват своите кабелни мрежи за предаване не само на видео, но и на данни.
През последните десетилетия, телекомуникационните мрежи са се развивали по различни пътища, но най-обобщено те се разделят на следните три групи:
При предаване на телевизионни сигнали от главната станция към абонатите в право направление (низходящ поток) честотният обхват е от `0` до `47 MHz` остава неизползван. Граничната честота `47 MHz` е условна и отговаря на честотата на първи телевизионен канал съгласно европейския стандарт `CCIR`. Наличието на този неизползван участък е довело до идеята за създаване на интерактивна система за пренос на информация. В резултат на това се реализира т.нар, обратен канал, който се използва за предаване на сигнали в обратна посока от абоната към главната станция (възходящ поток). Тази технология превърна кабелните телевизионни мрежи в двупосочни интерактивни хибридни (оптично-коаксиални) мрежи, предоставящи цифрови и аналогови видео канали и високоскоростна цифрова информация.
Обратният канал има индивидуален характер, тъй като дава възможност за предаване на информация от всеки абонат към главната станция, а абонатът ползва интерактивни услуги: видео и аудио по заявка, телефония, пренос на данни, телеметрия, пожароизестителни и охранителни услуги, и др. Реализацията на обратния канал става възможна благодарение на използване на система за терминиране на кабелните модеми в главната станция, използване на двупосочни усилватели в преносната среда и кабелни абонат от страната на абонатите.
Оборудване в главната станция, наречено система за терминиране на кабелните модеми - `CMTS` (Cable Modem Termination System), комуникира по обратния канал с кабелните модеми, намиращи се в домовете на абонатите, което представлява виртуална локална мрежа `LAN`.
За инсталацията на кабелен модем е необходимо да се прекара коаксиална кабелна връзка от локалния мрежов разпределител до крайния потребител, като по трасето трябва да бъдат инсталирани двупосочни усилватели. В дома на абоната се инсталира кабелен модем, който в общия случай изпраща данни по обратния канал, а приема по правия. В правия канал ( в посока към клиента) цеифровият поток от данни се модулира и след това се пренася в честотната лента от `47 MHz` до `862 MHz`. Прилагат се няколко схеми на модулиране, но двете най-популярни модулации са `QPSK` (до `10 Mbps`) и `64-QAM` (до `36 Mbps`). Този сигнал може да се вмества в `6 MHz` канал в съседство с телевизионните канали, без да смущава видеосигналите на кабелната телевизия. Обратният канал е по-усложнен и най-често използва модулационни формати `QPSK` или `64-QAM` (постигат се скорости от `320 kbps` до `10 Mbps`).
Наличието на обратен канал поставя следните изисквания към кабелните разпределителни мрежи:
Изискванията към всеки от функционалните сегменти се фомират преди всичко икономически целесъобразно в зависимост от топологическите особености и цялостната структура на мрежата.
Видове услуги, доставяни по кабелните телевизионни мрежи
Практически всички цифрови информационни услуги могат да бъдат предоставяни по кабелни телевизионни мрежи, като най-често срещаните са:
За обратния канал са намерили приложение четири основни честотни обхвата:
При планиране на обратния канал е желателно да се обезпечи защитен интервал не по-малък от `0.8 MHz` за осигуряване на динамично повдигане на честотата с `+-0.4 MHz`.
Порядък на предоставянето на услуги с предаване на данни по кабелната мрежа
В съответсвие със стандарта DOCSIS за предоставяне на услуги с предаване на данни се използват модулационни формати `64-QAM` и `256-QAM` в правия канал (табл.1.2), и `QPSK` и `16-QAM` в обратния канал (табл.1.3).
Фактори, оказващи негативно влияние върху доставката на високоскоростен интернет достъп по кабелна телевизионна мрежа.
Колективната природа на кабелната телевизионна мрежа внася проблеми в сигурността. Напълно възможни са действия за прихващане на цифровия информационен поток и извличане на конфиденциална информация. За защита на абонатите от такива посегателства се разработват и прилагат различни мерки за безопасност като криптиращи алгоритми и техники, които поддържат много висока степен на сигурност на личната информация. Естествено, сред абонатите, за които сигурността на информацията е от първостепенна важност са услугите електронно банкиране, електронна търговия, електронна поща и др. От страна на доставчика проблемите с неправомерен достъп на абонати е свързан най-много с услуги като видео по заявка (Pay per View).
Висока надеждност може да бъде обезпечена с правилно проектиране, качествена реализация и в последствие - качествена експлоатация на кабелните телевизионни мрежи. Въпреки това съществуват редица неблагоприятни фактори, които влошават надеждността. Един от най-важните от теях е наличието на различни смущения и шум.
Навлизането на шум в обратния канал може да окаже пагубно влияние върху достоверността на предаваната информация във възходящия поток.. Шумовите сигнали обикновено се формират от различни мощни източници на радиосигнали, които неизбежно проникват в коаксиалния кабел и се наслагват с предаваните сигнали. Те имат произволен характер на появяване във времето и са в тясна честотна лента.
Електронните смущаващи ефекти в коаксиалната част на хибридните мрежи се разделят на следните основни групи:
Голяма част от изброените проблеми могат да бъдат решени чрез използване на синхронно мултиплексиране с разделяне по код - `S-CDMA`(Synchronous Code Division Multiplexing). То представлява спектрално-разширяваща модулационна техника, която използва наличните честоти по-ефективно и може да функционира по-надеждно от мултиплексирането с разделяне във времето `TDMA`(Time Division Multiple Access) в зашумени обратни канали. Поради начина, по който `S-CDMA` разпространява сигналите, това мултиплексиране е по-нечувствително към външни шумове. В допълнение то синхронизира сигналите в обратния канал, което намалява взаимната интерференция. По този начин се освобождава допълнителна честотна лента.
Основните видове смущения в оптичната част на хибридните мрежи са:
Осъществяване на достъп до услуги в системите за кабелна телевизия
Основна разлика между многофункционалните и обикновените мрежи за предаване на данни се състои във възможността за гарантирана доставка на нееднородни по предназначение и степен на важност информационни потоци. От гледна точка на абоната многофункционалната мрежа заменя няколко от използваните в миналото отделни канали за предаване на специфични видове данни - телефония, телевизия и видео, или данни. От системна гледна точка многофункционалната мрежа представлява мощна инфраструктура, обединяваща множество комуникационни, видео и аудио услуги и осигуряваща голяма пропусквателна способност на каналите и високо качество на всяка една предлагана услуга.
Многофункционалните мрежи се различават по териториално покритие и обема на предоставяните услуги. Такъв вид градска мрежа има следните особености:
Кабелните телевизионни мрежи, чието проектиране е съобразено с изискванията в `DOCSIS` са намерили голямо приложение и развитие като мрежи за широколентов достъп. Едно от най-подходящите и най-разпространени решения за универсална транспортна среда от общоградски мащаб е хибридната оптично-коаксиална мрежа (`HFC`). Тя се отличава с голяма обхваната площ, висока максимална скорост на предаване, много добра управляемост, голямо количество предоставени услуги и ниска себестойност (и съответно ниска крайна цена за абоната). Пролемът с "последния километър" е решен за сметка на вече съществуващите оптично-коаксиални мрежи за кабелна телевизия. `DOCSIS` протоколът е създаден с възможността за гарантиран достъп до необходимия тип трафик. И тъй като кабелната мрежа вече е положена, то рязко пада стойността за включване на нови абонати на мрежата.
Новите услуги в мрежите за кабелна телевизия позволяват на оператора да получи допълнителни доходи от въвеждането на пренос на данни, телефония, видео информация, телеметрия на сгради, съоражения и др. Предоставянето на голямо брой висококачествени услуги с ниска себестойност в съчетание с разнообразни тарифни планове позволява на оператора да получи предимство над конкурентите си и стимулира привличането на нови абонати.
В общия случай системата установена в главната станция функционалната схема, показана на фиг.2.1. В основата ѝ стои вътрешна операторска IP-мрежа, базирана на протоколите `TCP/IP`, която може да бъде базирана на локална мрежа (`LAN`) и може да има изход към глобалната мрежа (`Internet`). В случаите, когато операторът притежава повече от една точка на присъствие (`PoP` - Point of Presence), реализирани в подглавни станции (ПГС), мрежата може да бъде разпределена. IP-мрежата на практика представлява среда за пренос на данни и всички услуги я използват като транспортна среда. Всички останали компоненти се свързват с IP-мрежата, изпълнявайки своите локални фукции по поддръжка на работоспособността на системата.
Съществуват четири основни компонента на вътрешно операторската IP-базирана система:
Отсъствието на връзка към глобалната мрежа очевидно ограничава възможностите на оператора и неговите клиенти. За пренос на данни по обичайния начин с вътрешно за мрежата съдържание се изгражда т.нар. Интранет, а връзка към глобалната мрежа се осъществява с помощта на маршрутизатор.
Третият етап в развитието на мрежата (фиг.2.3) се характеризира с още по-голямо нарастване на количеството абонати, като всяка нова услуга трябва да бъде подсигурена с мощна маркетингова поддръжка. През този етап въвеждането на IP-телефония в мрежата за кабелна телевизия позволява на абонатите качествена услуга с широки възможности:
Оборудването за IP телефония се вписва във вече съществуващата архитектура, като целият комплекс от устройства може да се групира така:
В днешно време тази система се развива сравнително бавно отколкото в САЩ и Европа, където пазарът е вече почти напълно наситен. В САЩ повече от 65% от абонатите с широколентов достъп са свързани към глобалната мрежа чрез мрежата за кабелна телевизия. В България този процес е много по-бавен, поради демонстрираното слабо желание на кабелните оператори да обединят дейността си с доставчиците на интернет услуги.
Развитието на телекомуникационните услуги на практика представлява замяната на едни добре известни и отработени решения с нови, невъзможни за реализация в миналото и притежаващи многократно по-добри показатели. Това твърдение важи с пълна сила и за мрежите за кабелна телевизия - от появата на първите през 90-те години на миналия век - те бяха предназначени изключително за предаване на видеосигнали - в началото аналогови, а в наши дни-цифрови. С бума в развитието на глобалната мрежа Интернет започна повсеместно разпространение на технологиите за широколентов достъп. Повечето кабелни оператори започнаха да използват своите кабелни мрежи за предаване не само на видео, но и на данни.
През последните десетилетия, телекомуникационните мрежи са се развивали по различни пътища, но най-обобщено те се разделят на следните три групи:
- кабелни телевизионни мрежи (`CATV`);
- локални и широкообхватни (градски, глобални) мрежи (`LAN` и `WAN`);
- обществена комутируема телефонна мрежа (`PSTN`)
При предаване на телевизионни сигнали от главната станция към абонатите в право направление (низходящ поток) честотният обхват е от `0` до `47 MHz` остава неизползван. Граничната честота `47 MHz` е условна и отговаря на честотата на първи телевизионен канал съгласно европейския стандарт `CCIR`. Наличието на този неизползван участък е довело до идеята за създаване на интерактивна система за пренос на информация. В резултат на това се реализира т.нар, обратен канал, който се използва за предаване на сигнали в обратна посока от абоната към главната станция (възходящ поток). Тази технология превърна кабелните телевизионни мрежи в двупосочни интерактивни хибридни (оптично-коаксиални) мрежи, предоставящи цифрови и аналогови видео канали и високоскоростна цифрова информация.
Изисквания към правия и обратния канал
В настоящия момент за внедряване услугите на интерактивното обслужване по традиционни кабелни мрежи най-голямо разпространение е получил американският стандарт `DOCSIS`(Data Over Cable Service Interface Specifications). Изискванията му са формулирани по такъв начин, че внедряването му е възможно в практически всяка кабелна телевизионна система за всеки честотен обхват. Този стандарт е ориентиран ктм американския честотен план за разпределение на каналите (при честотна лента от `6 MHz`и честотен обхват на обратния канал от `5` до `42 MHz`). За да се разшири приложението на стандарта, в него е включена и европейска версия - `EuroDOCSIS` с препратка към стандарта `CENELEC EN 50083` (честотна лента на канала `8 MHz` и честотен обхват на обратния канал от `5` до `65 MHz`). За достигане максимална скорост на цифровия поток в обратния канал от порядъка на `10.24 Mbps` (при максимална честотна лента на канала от `3.2 MHz`) е необходимо да се постигне отношение носеща/шум (`CNR`) не по-малко от `22 dB`. Тук в шумовия сигнал се включват топлинните шумове, шумовете от ингресия и интермодулационни смущения. Точно това изискване предизвиква максимални затруднения по активирането на обратния канал.
Оборудването, разработено в съответствие с основния стандарт `DOCSIS` може да се използва и от български кабелни оператори, при условие, че то поддържа честотния план `OIRT`. В действителност възможностите на този стандарт за европейските мрежи не са оптимални. Например максималната скорост на предаване ще бъде значително по-малка - около `43 Mbps`, а необходимото отношение `CNR` на входа на приемника на обратния канал - над `25 dB`.
Важно е да се отбележи, че максималното ниво на сигнала на изхода на кабелните модеми може да достигне стойност до '118 dBmuV` (за `QPSK`) или `115 dBmuV` (за `16-QAM`).
Система за кабелна телевизия (СКТ), в която е активиран обратния канал, се нарича интерактивна. Такава е и всяка СКТ извън зависимостта от честотния обхват която позволява съществено да се увеличат приходите на кабелния оператор за сметка на предоставяне достъп до допълнителни услуги за абоната.
Обратният канал има индивидуален характер, тъй като дава възможност за предаване на информация от всеки абонат към главната станция, а абонатът ползва интерактивни услуги: видео и аудио по заявка, телефония, пренос на данни, телеметрия, пожароизестителни и охранителни услуги, и др. Реализацията на обратния канал става възможна благодарение на използване на система за терминиране на кабелните модеми в главната станция, използване на двупосочни усилватели в преносната среда и кабелни абонат от страната на абонатите.
В повечето съвременни усилватели, в един корпус се поставят паралелно два усилвателя: за права и обратна посока, които се превключват с честотен диплексер (фиг.1.2), чиято честотна избирателност осъществява необходимата развръзка между сигналите в право и обратно направление.
Оборудване в главната станция, наречено система за терминиране на кабелните модеми - `CMTS` (Cable Modem Termination System), комуникира по обратния канал с кабелните модеми, намиращи се в домовете на абонатите, което представлява виртуална локална мрежа `LAN`.
За инсталацията на кабелен модем е необходимо да се прекара коаксиална кабелна връзка от локалния мрежов разпределител до крайния потребител, като по трасето трябва да бъдат инсталирани двупосочни усилватели. В дома на абоната се инсталира кабелен модем, който в общия случай изпраща данни по обратния канал, а приема по правия. В правия канал ( в посока към клиента) цеифровият поток от данни се модулира и след това се пренася в честотната лента от `47 MHz` до `862 MHz`. Прилагат се няколко схеми на модулиране, но двете най-популярни модулации са `QPSK` (до `10 Mbps`) и `64-QAM` (до `36 Mbps`). Този сигнал може да се вмества в `6 MHz` канал в съседство с телевизионните канали, без да смущава видеосигналите на кабелната телевизия. Обратният канал е по-усложнен и най-често използва модулационни формати `QPSK` или `64-QAM` (постигат се скорости от `320 kbps` до `10 Mbps`).
Наличието на обратен канал поставя следните изисквания към кабелните разпределителни мрежи:
- осигуряване на достатъчен капаците за обратния канал;
- отчитане на смущенията, които обратният канал предизвиква в мрежата и ограничаването им в определени приемливи рамки;
- осигуряване на необходимото ниво на сигнала в обратния канал, т.е. контролиране на затихването на сигнала в него.
Видове услуги, доставяни по кабелните телевизионни мрежи
Практически всички цифрови информационни услуги могат да бъдат предоставяни по кабелни телевизионни мрежи, като най-често срещаните са:
- достъп до интернет -
- телефония -
- системи за видеонаблюдение -
- система за противопожарна и охранителна сигнализация -
- система за диспечеризация -
- видео по поръчка -
- видео мрежи и видео-конференция -
За обратния канал са намерили приложение четири основни честотни обхвата:
- от `5` до `30`/`47 MHz` - традиционен за Русия и някои други страни. Това е най-тесният обхват, но е напълно достатъчен за внедряване на традиционния интернет;
- от `5` до `42`/`54 MHz` - традиционен за САЩ и всички страни, където телевизионното предаване се извършва по стандарта `NTSC`;
- от `5` до `55`/`60 MHz` - прилага се само в Япония и някои други азиатски страни;
- от `5` до `65`/`87 MHz` - най-разширеният и удобен честотен обхват, масово използван в повечето европейски страни.
В съответсвие със стандарта DOCSIS за предоставяне на услуги с предаване на данни се използват модулационни формати `64-QAM` и `256-QAM` в правия канал (табл.1.2), и `QPSK` и `16-QAM` в обратния канал (табл.1.3).
Фактори, оказващи негативно влияние върху доставката на високоскоростен интернет достъп по кабелна телевизионна мрежа.
Колективната природа на кабелната телевизионна мрежа внася проблеми в сигурността. Напълно възможни са действия за прихващане на цифровия информационен поток и извличане на конфиденциална информация. За защита на абонатите от такива посегателства се разработват и прилагат различни мерки за безопасност като криптиращи алгоритми и техники, които поддържат много висока степен на сигурност на личната информация. Естествено, сред абонатите, за които сигурността на информацията е от първостепенна важност са услугите електронно банкиране, електронна търговия, електронна поща и др. От страна на доставчика проблемите с неправомерен достъп на абонати е свързан най-много с услуги като видео по заявка (Pay per View).
Висока надеждност може да бъде обезпечена с правилно проектиране, качествена реализация и в последствие - качествена експлоатация на кабелните телевизионни мрежи. Въпреки това съществуват редица неблагоприятни фактори, които влошават надеждността. Един от най-важните от теях е наличието на различни смущения и шум.
Навлизането на шум в обратния канал може да окаже пагубно влияние върху достоверността на предаваната информация във възходящия поток.. Шумовите сигнали обикновено се формират от различни мощни източници на радиосигнали, които неизбежно проникват в коаксиалния кабел и се наслагват с предаваните сигнали. Те имат произволен характер на появяване във времето и са в тясна честотна лента.
Електронните смущаващи ефекти в коаксиалната част на хибридните мрежи се разделят на следните основни групи:
- Смущения в цифровия приемник:
- коефициент на шума на радиочестотния приемник;
- фазов шум на радиочестотния приемник;
- нелинейни изкривявания на радиочестотния приемник;
- загуби в `QAM`- модулатора.
- Смущения, породени в главната станция:
- коефициент на модулационна грешка на `QAM`- модулатора;
- фазов шум на честотния преобразувател на `QAM`- канала;
- шум от съседни канали.
- Смущения по кабелната мрежа:
- адитивен бял Гаусов шум;
- отразено електрическо ехо и групово закъснение;
- 'QAM` - амплитудни вариации;
- фазов шум;
- пакетен и импулсен шум;
- паразитна амплитудна модулация.
Голяма част от изброените проблеми могат да бъдат решени чрез използване на синхронно мултиплексиране с разделяне по код - `S-CDMA`(Synchronous Code Division Multiplexing). То представлява спектрално-разширяваща модулационна техника, която използва наличните честоти по-ефективно и може да функционира по-надеждно от мултиплексирането с разделяне във времето `TDMA`(Time Division Multiple Access) в зашумени обратни канали. Поради начина, по който `S-CDMA` разпространява сигналите, това мултиплексиране е по-нечувствително към външни шумове. В допълнение то синхронизира сигналите в обратния канал, което намалява взаимната интерференция. По този начин се освобождава допълнителна честотна лента.
Основните видове смущения в оптичната част на хибридните мрежи са:
- индуциран импулсен клипинг-шум;
- нелинейни смущения;
- многократни оптични отражения;
- индуцирани дисперсипнни смущения;
- стимулирано разсейване на Брилюа (`SBS` - Stimulatrd Brillouin Scattering);
- вътрешно-фазова модулация (`SPM` - Self Phase Modulation)
- стимулирано разсейване на Раман (`SRS` - Stimulatrd Raman Scattering);
- кръстосана фазова модулация (`XPM` - Cross Phase Modulation)
- смущения, зависещи от поляризацията.
Осъществяване на достъп до услуги в системите за кабелна телевизия
Основна разлика между многофункционалните и обикновените мрежи за предаване на данни се състои във възможността за гарантирана доставка на нееднородни по предназначение и степен на важност информационни потоци. От гледна точка на абоната многофункционалната мрежа заменя няколко от използваните в миналото отделни канали за предаване на специфични видове данни - телефония, телевизия и видео, или данни. От системна гледна точка многофункционалната мрежа представлява мощна инфраструктура, обединяваща множество комуникационни, видео и аудио услуги и осигуряваща голяма пропусквателна способност на каналите и високо качество на всяка една предлагана услуга.
Многофункционалните мрежи се различават по териториално покритие и обема на предоставяните услуги. Такъв вид градска мрежа има следните особености:
- голямо географско покритие (град/област);
- голямо количество абонати;
- голямо количество предоставяни услуги;
- голямо разнообразие от тарифни планове;
- чувствителност на потребителите към откази на мрежата.
Кабелните телевизионни мрежи, чието проектиране е съобразено с изискванията в `DOCSIS` са намерили голямо приложение и развитие като мрежи за широколентов достъп. Едно от най-подходящите и най-разпространени решения за универсална транспортна среда от общоградски мащаб е хибридната оптично-коаксиална мрежа (`HFC`). Тя се отличава с голяма обхваната площ, висока максимална скорост на предаване, много добра управляемост, голямо количество предоставени услуги и ниска себестойност (и съответно ниска крайна цена за абоната). Пролемът с "последния километър" е решен за сметка на вече съществуващите оптично-коаксиални мрежи за кабелна телевизия. `DOCSIS` протоколът е създаден с възможността за гарантиран достъп до необходимия тип трафик. И тъй като кабелната мрежа вече е положена, то рязко пада стойността за включване на нови абонати на мрежата.
Новите услуги в мрежите за кабелна телевизия позволяват на оператора да получи допълнителни доходи от въвеждането на пренос на данни, телефония, видео информация, телеметрия на сгради, съоражения и др. Предоставянето на голямо брой висококачествени услуги с ниска себестойност в съчетание с разнообразни тарифни планове позволява на оператора да получи предимство над конкурентите си и стимулира привличането на нови абонати.
Съществуват четири основни компонента на вътрешно операторската IP-базирана система:
- изход на системата към глобалната мрежа;
- връзка към хибридната кабелна мрежа;
- управление на системата;
- автоматизирана система за таксуване.
Отсъствието на връзка към глобалната мрежа очевидно ограничава възможностите на оператора и неговите клиенти. За пренос на данни по обичайния начин с вътрешно за мрежата съдържание се изгражда т.нар. Интранет, а връзка към глобалната мрежа се осъществява с помощта на маршрутизатор.Третият етап в развитието на мрежата (фиг.2.3) се характеризира с още по-голямо нарастване на количеството абонати, като всяка нова услуга трябва да бъде подсигурена с мощна маркетингова поддръжка. През този етап въвеждането на IP-телефония в мрежата за кабелна телевизия позволява на абонатите качествена услуга с широки възможности:
- за частни абонати:
- конферентни разговори;
- пренасочване на повиквания;
- намаляване цената на междуградски и международни разговори;
- подобряване качеството на връзката;
- гласова поща и телефонен секретар.
- за обществени и бизнес абонати:
- операторски центрове (Call-центрове);
- системи за достъп до информация чрез гласово меню;
- системи за дистанционно наблюдение, контрол и управление;
- телефонизация на отдалечени офиси;
- конфиденциалност и защита на информацията.
Оборудването за IP телефония се вписва във вече съществуващата архитектура, като целият комплекс от устройства може да се групира така:
- сървър за управление на повикванията и организация на телефонните услуги (Gatekeeper);
- шлюз между IP-мрежата и обществаната комутируема мрежа (`IP-PSTN` шлюз);
- абонатни устройства - IP-телефон, абонатни адаптери за IP-аналогова линия (където все още се използва такава);
- много бързо добавяне на нови абонати към телефонната мрежа при технико-икономическа невъзможност за включването им към градската комутируема телефонна мрежа;
- предоставяне на съпътстващ телефонията пакет от допълнителни телефонни услуги;
- възможност за организация на виртуални частни телефонни мрежи;
- наличие на инфраструктура за развитие на гласови информационни служби;
- по-ниска цена за крайния потребител.
В днешно време тази система се развива сравнително бавно отколкото в САЩ и Европа, където пазарът е вече почти напълно наситен. В САЩ повече от 65% от абонатите с широколентов достъп са свързани към глобалната мрежа чрез мрежата за кабелна телевизия. В България този процес е много по-бавен, поради демонстрираното слабо желание на кабелните оператори да обединят дейността си с доставчиците на интернет услуги.
Измервания в цифровата телевизия. Оценка на качеството на телевизионното изображение. MPEG протокол анализатори. Контрол на вектор-диаграма, измерване на BER и QAM параметри на сигнала.
Измервания в цифровата телевизия. Оценка на качеството на телевизионното изображение. MPEG протокол анализатори. Контрол на вектор-диаграма, измерване на BER и QAM параметри на сигнала.
Пренасяне на цифрови телевизионни сигнали чрез кабелни мрежи DVB-C/C2. Функционална схема и QAM модулации.
Пренасяне на цифрови телевизионни сигнали чрез кабелни мрежи DVB-C/C2. Функционална схема и QAM модулации.
Функционална схема на MPEG-2 кодиращо и декодиращо устройство. Профили и нива. MPEG-4 стандарт.
Функционална схема на MPEG-2 кодиращо и декодиращо устройство. Профили и нива. MPEG-4 стандарт.
Абонамент за:
Публикации (Atom)
-
Цифров телевизионен сигнал. Аналогово-цифрово и цифрово-аналогово преобразуване на телевизионния сигнал. В съобщителната техника под анало... -
Интернет протоколът (IP) е специфициран с документ STD5. В стандарта се включват също ICMP (Internet Control Message Protocol) и IGMP (Inter... -
Разпространение на радиовълните в мобилното пространство. Основни характеристики на радиовълни При мобилните телефонни системи, за разли...
