Televizní kabelové rozvody Šumová analýza+ Systémy STA(společné TV antény)

ŽIJEME VE SVĚTĚ ŠUMŮ šum v obraze ® zrnění

Modelování, analýza, simulace obvodů

Předmět šumové analýzy Rezistory a polovodičové prvky jsou zdroji vlastního šumu. Šumová analýza = analýza pronikání těchto šumů na výstup obvodu. Šumová analýza = analýza výkonu šumu, který pak srovnáváme s výkonem užitečného signálu. Výstupní šum se pak může přepočítat přes vstupně-výstupní přenos zpět na vstupní svorky obvodu. Porovnáním úrovně šumu s úrovněmi užitečného signálu na výstupu či vstupu získáme představu o odstupu signálu od šumu.

Jak lze charakterizovat šum? Šumy jsou signály, náhodně se měnící v čase, ale jejich statistické vlastnosti jsou stálé. Popis šumů: buď jejich časovými průběhy un(t) a in(t), nebo tzv. spektrálními hustotami. Spektrální charakteristiky jsou v čase relativně stálé a dobře měřitelné. Lze z nich odvodit výkon šumu, soustředěný v určitém kmitočtovém pásmu, a z výkonu efektivní hodnotu a z ní pravděpodobnou mezivrcholovou hodnotu šumu.

ŽIJEME VE SVĚTĚ ŠUMŮ Nejpravděpodobnější hodnota šumu je nula, což je současně průměrná – střední hodnota šumu. Hodnoty šumu „hodně vzdálené“ od nuly jsou málo pravděpodobné. Rozložení této pravděpodobnosti je popsáno tzv. hustotou pravděpodobnosti ve tvaru Gaussovy křivky.

Jak „šumí” rezistory velikost šumu určuje Rezistory – produkují tepelný šum, širokopásmový (bílý šum). Je způsoben náhodným pohybem elektronů v odporových strukturách. „Šumicí“ rezistor, vyvolává na svých svorkách šumové napětí o spektrální hustotě výkonu u2 ( f ) n . velikost šumu určuje T …teplota rezistoru v Kelvinech B = Df. kmitočtová šířka obvodu „vloženého“ mezi zdroj šumu a výstup.

Šumové parametry přijímače Šumové parametry je důležité brát v úvahu u zesilovače, které zesilují velmi slabé signály, např. z výstupu komunikačních antén. Jsou popisovány šumovým číslem F, nebo ekvivalentní šumovou teplotou Te. u ideálního bezšumného zesilovače je šumové číslo F=1..0 dB. reálně okolo 0,5 dB nebo-li 35°K.) S/NR1 je poměr výkonu signálu ku výkonu šumu na vstupu zesilovače (S1/N1) S/NR2 je poměr výkonu signálu ku výkonu šumu na výstupu zesilovače (S2/N2)

Kalkulace předpokladu spojení obě stanice se slyší navzájem bez problémů 2) stanice A slyší stanici B a stanice B neslyší stanici A, 3) stanice B slyší stanici A a stanice A neslyší stanici B 4) nikdo neslyší nic Při provozu si můžeme „sílu“ signálu vypočítat, většina používaných parametrů je operátorovi stanic známá. Celková síla sign. se pro předpo-kládanou ztrátu vlivem útlumu trasy dá snadno vykalkulovat. Kde: P0 = vysílaný výkon (dBW) Lt = útlum kabelu vysílací strany (dB) Gt = Zisk vysílací antény (dBi) P1 = totální útlum trasy (dB) Gr = Zisk přijímací antény (dBi) Pn = šumový výkon přijímače (dBW) Pn = 10.log10.k.B.Ts K = 1,38x10-23 (Boltzmannova konstanta), B = šířka pásma mf filtru (Hz) a T s = šumová teplota přijímače (K)

… bory šumí po skalinách … Co je to šum? … bory šumí po skalinách … spektrum f P signál bílý šum signál šum

Šum určuje: Citlivost detektorů.. výkon, kdy je SNR=1(tepelný šum ® chlazení detektoru) Přenosovou kapacitu kanálu Ck = B. log2(1+ S/š) Sluch 20 Hz až 20 kHz , akustický šum 300 K ® Ia » 10-12 W/m2 spektrum f P signál bílý šum

Druhy, původ a příčiny šumů Druhy šumů: Fluktuace molekul ® akustický šum Fluktuace elektronů ® elektronický šum Fluktuace počtu fotonů ® kvantový šum spektrum f P signál bílý šum Příčiny šumů: Diskrétní struktura hmoty Tepelný pohyb Kvantová neurčitost Původ šumu: 1. v signálu (rušivé pozadí) 2. při detekci (kvantový šum) 3. při zpracování (elektrický šum)

Studium šumu - dva důvody: Technický pohled nalezení příčiny šumu a jeho potlačení (stínění, chlazení, filtrace, směrová anténa) Fyzikální pohled nalezení fyzikální podstaty šumu (studium zdroje šumu, objev „nové fyziky“)

Záření černého tělesa: Planckův zákon 1900 (E = hw) ® foton fotoelektrický jev ® kvantová mechanika

Galaktický rádiový šum: Penzias, Wilson 1965, 4 GHz ® reliktní záření 2.7 K

Analýza spektra reliktního záření WMAP 2003 fluktuace » 1o Analýza spektra reliktního záření 2.728 ± 0.004 K 3 mK ® 370 km/s do Lva 13.7 ± 0.2 mld let plochá geometrie, inflační model, 96% temná hmota a energie …

Šum jako náhodný proces

Náhodné procesy: zemětřesení, sluneční aktivita, dopravní kalamity, počasí, dešťové srážky, povodně, infekce, přemnožení hmyzu, radioaktivní rozpad … Cena akcií Český telecom Sluneční aktivita Měnový kurz

Brownův pohyb Robert Brown 1827 Einstein 1905 Smoluchowski 1906 Perrin 1908 ® důkaz atomismu

Procházka opilého námořníka (matematický model) 4 1 2 3 N kroků x y N x2+y2 áx2+y2ń » N, N je počet kroků nebo čas

Procházka opilého námořníka ® Normální rozdělení: P(x,y) » exp[-(x2+y2)/N] P(x,y) x2+y2 P(x2+y2) N nezávislých zářících atomů ® fluktuující intenzita světla! I(t)

Diskrétní náhodný proces pravděpodobnost impulzu je úměrná času Poissonovský proces p(n) » ánńn /n! Poissonovský proces á(Dn)2ń = ánń Chaotický proces á(Dn)2ń > ánń (shlukování impulzů) Deterministický proces á(Dn)2ń = 0 (antishlukování impulzů á(Dn)2ń < ánń) čas

Poissonovské rozdělení dobrý střelec Normální rozdělení rozdělení chyb, IQ šumové napětí … špatný střelec Poissonovské rozdělení počet registr. fotonů, počet zmetků, tel. hovorů, … ánń = 1 ánń = 2

Nejběžnější náhodné procesy: Poissonovský proces (diskrétní proměnná) radioaktivní rozpad, pojišťovací události, poruchy, zmetky, dopravní zácpy, fluktuace hustoty molekul, výstřelový šum, fotodetekce, standardní kvantový šum Gaussovský proces (spojitá proměnná) Brownův pohyb, difúze, rychlost molekul, šíření tepla, šum v elektr. obvodech, fluktuace tlaku, elektrická intenzita světla …

Systémy společného Tv příjmu (STA a TKR) Proč? (nevýhody indiv.příjmu....) Základní principy a požadavky Princip slučování a rozbočování signálu Principy použití zesilovačů, šumové poměry útlumy,.. Rozvodná síť ( primární, sekundární., terciární;) Domovní stanice, Účastnický rozvod

Systémy společného příjmu (STA a TKR) časti (aktivní) : kanálové zosilňovače-predzosilňovače, zdroj pilot. signálu - pre samočinn reguláciu zisku zosilňovačov prim.siete, kanálové meniče, náklonové členy (korektor útlmu), modulátory a demodulátory, napájacie zdroje pasívní: antény a anténové sústavy, symetrizačné členy, anténové zlučovače, filtre, frekv. výhybky, rozbočovače, odbočovače, útlmové články, zakončovacie čl., účastnícke zásuvky –priechodzie, koncové, TV účastníc.šnúra, káble) impedanční přispůsobení (symetrizačné a zakonč. čl.) energetická bilance

Šumové číslo F Stav, kdy je tranzistor buzen ze zdroje signálu s vnitřním odporem RGopt a dosahuje minimálního šumového činitele Fmin , se nazývá šumové přizpůsobení tranzistoru. Výpočet šumového činitele (bezrozměrné číslo) je poměrně komplikovaný, ale je udáván výrobci v katalozích

Šumové číslo F (Noise F-actor) Při popisu šumových vlastností zesilovače se již nezkoumají jeho jednotlivé vnitřní zdroje šumu, ale obvykle pomocí jedné veličiny F jsou charakterizovány jeho výsledné šumové vlastnosti. Psg je výkon signálu na vstupu zesilovače, Pšg je výkon šumu na vstupu zesilovače, Psvýst je výkon signálu na výstupu zesilovače, Pšvýst je výkon šumu na výstupu zesilovače. Šumový činitel F je bezrozměrné číslo, které udává, kolikrát je větší poměr signál/šum na vstupu zesilovače než na jeho výstupu. pro reálný zesilovač platí F > 1, pro ideální „nešumící“ zesilovač je F = 1…; 0 dB

Šumové číslo FdB (Noise Figure) je šumový činitel vyjádřený v dB Výsledný šumový činitel kaskády zesilovačů F Výsledný šumový činitel F bude určen především šumovým činitelem prvního zesilovače, pak F = F1. Pro dosažení minimálního šumového činitele je tedy důležité, jak budou jednotlivé zesilovače v kaskádě seřazeny.

Šumové napětí zesilovače

Šumové číslo F zesilovače

Modelování, analýza, simulace obvodů Modelování je proces popisování reality omezenými prostředky, které máme k dispozici. Výsledkem je model originálního objektu. • Analýza je jednorázová činnost, kdy zkoumáním modelu se pokoušíme zjistit určitou vlastnost originálu. Simulace je činnost, kdy analýzou modelu se pokoušíme o získání co nejvěrnějšího obrazu chování originálu za přesně stanovených podmínek. PRAKTICKY: Při řešení obvodu pomocí „papíru, tužky a kalkulačky“ nejprve sestavíme model obvodu ve formě schématu zapojení včetně parametrů, resp. charakteristik jedno-tlivých součástek. Z tohoto modelu pak vzniká model matematický ve formě rovnic, které vyplývají z vzájemného propojení a vlastností součástek, Kirchhoffových zákonů a Ohmova zákona. Tento model pak podrobíme numerické analýze. Postup řešitel volí na základě svých předchozích zkušeností s využíváním tvůrčího přístupu, nebo použije k tomu definovaný přesný postup – algoritmus, který vždy vede k cíli

Televizní kabel. rozvody

1. Impedance Zo a útlum D vedení Pozor !! U1 vstupní U2 na konci ( utlumená)

Použití pásmové propusti ve slučovači dvou TV- signálů

Použití pásmové propusti, zádrže

Rozbočovače širokopásmové

Rozbočovače odporové

Sloučení 2 antén do koax. a souměr. vedení

Sloučení tří signálů

Vertikální (stupačkový) rozvod [1]

[1]

[1]

Riešenie pre príjem DVB-T pri existencii starších systémov STA a TKR niekoľko možností: priamy rozvod TV kanálov s digitálnymi multiplexmi (problémy: útlmy, kvalita tienenia, nové zosilňovače, nové antény, nutné STB alebo prijímače s dig. tunerom) rozvod TV kanálov s frekvenčným prevodom (problémy: nie všetky kanály sú použiteľné, nutné STB) prevod digitálneho signálu na analógový (nutné drahé tzv. skupinové prijímače pre prevod multiplexov – výhodné len pre väčšie množstvo účastníkov) prevod DVB-T na DVB-C - najvýhodnejšie, ale vhodné len pre TKR (použitie transkodérov, transmodulátorov, ovládacích jednotiek na nastavovanie parametrov), nutný prijímač DVB-C požaduje sa útlm tienenia > 95 dB

ENERGETICKÁ BILANCIA TV ROZVODU -kvalita príjmu- SNR = 20log (Us/Uš) – veľkosť SNR a min. úroveň prijímaného signálu pre kvalitný príjem sú dané normou (napr. analógová norma): - efektívne napätie šumu na vstupe TVP v danom frekv.pásme s ohľadom na šumové číslo televízora F je šum. číslo zosilňovača (aj celý TVP je zosilň.) F = SNRvst / SNRvýst > 1 .... zosilňovač pridáva šum (tabuľka šum. čísel TVP pre rôzne frekv. pásma – ‘sumCislaTVP.pdf’) - útlmy káblov, rozbočovačov, odbočovačov, úč. zásuviek

PRÍKLAD 8 posch. dom s 24 bytmi hviezdicový TKR → kábel typu VCCOY-75, aj účast. šnúra dĺžky 5m úloha: vypočítať Umin na výstupe ŠPZ pre rozvod kanála S33 RIEŠENIE: - hľadanie údajov z tabuliek (šírka kanála S33, šumové č. TVP pre dané pásmo, Rvst TVP,, útlm kábla v danom pásme/100m) dosadenie do vzorca pre Uš výpočet min. U signálu na vstupe TVP [dBuV] pripočítam všetky max. útlmy [dB] na ceste k ŠPZ - koniec

Príklad 2 – D.ú. obr. na str.3 dĺžka kábla VCEOY po odboč. je 12 m, medzi odboč. a rozbočovačovčom je 15 m, medzi rozboč. a 1. zásuvkou je 20m, medzi zásuvkami sú vždy 3m. dĺžka úč. šnúry z rovnakého kábla je 5m sú použité odbočovače s útlmom 13 až 17,5 dB, rozboč. 6,5 dB, zásuvky PZX11 s priech.útlmom 1,2dB a väzob. útlmom 15 dB, zakonč. zásuvka PZX01 s väz. útlmom 15dB rozvádza sa 6 kanálov do Fmax=230 MHz výstupná úroveň zosilňovača hlav. stanice je 120 dBuV Úloha: Treba zistiť, či nie je prekročená max. úroveň signálu u žiadneho z účastníkov, ak – tak o koľko [dB]. Riešenie: pri riešení použiť tabuľku max. a min. úrovne sig.(napätia) pre kvalit. príjem.

Príklad 3 – ďalšia modifikácia -výpočet max. dĺžky účastníckej šnúry, ak je daný celý rozvod a nejaké výstupné napätie zosilňovača domovej stanice. koniec

Referencie: [1] V. Vít: Televizní technika, Anténní rozvody a signálové obvody televizorů, AZ Servis, Praha, 1993