Το δίκτυο CATV και τα μυστικά του

Εκτός από τη σωστή σχεδίαση, ένα ακόμη σημείο που χρειάζεται πολλή προσοχή για να μην ξεπεραστούν τα όρια του θορύβου σε ένα καλωδιακό δίκτυο, αφορά τη ρύθμιση των ενισχυτών, όχι φυσικά μόνο της κεντρική γραμμής, αλλά και των υπολοίπων. Οι δύο βασικές ρυθμίσεις στους ενισχυτές των καλωδιακών δικτύων είναι της στάθμης εξόδου και της κλίσης καμπύλης (tilt). Πολύ κρισιμότερη βέβαια είναι η ρύθμιση της στάθμης εξόδου, που αν γίνει εσφαλμένα, θα προσθέσει θόρυβο στο δίκτυο, αλλά όπως θα δούμε και παρακάτω, η σωστή ρύθμιση του tilt, κρίνεται επίσης απαραίτητη.

Μια παράμετρος που δεν πρέπει να παρεξηγήσουμε καθώς μελετάμε τα χαρακτηριστικά ενός ενισχυτή, είναι η μέγιστη επιτρεπτή στάθμη εξόδου της μονάδας. Η παρανόηση γίνεται συνήθως, επειδή όλοι οι κατασκευαστές αναφέρουν τη μέγιστη στάθμη εξόδου των ενισχυτών, που ισχύει, όταν η μονάδα δύναται να ενισχύσει μόνο δύο κανάλια. Όλες όμως οι εταιρείες κάνουν παραπομπή στα τεχνικά προσαρτήματα των καταλόγων τους, όπου και αναφέρουν τη διαφορά στις τιμές των χαρακτηριστικών, ανάλογα τον αριθμό των καναλιών στην είσοδο του ενισχυτή. Στον πίνακα των χαρακτηριστικών ενός ενισχυτή, συνήθως αναφερόμαστε στη στάθμη εξόδου για IMD3 (60dB 3rd order intermodulation products ή παράγωγα ενδοδιαμόρφωσης τρίτης τάξης) και στη  μείωση της συγκεκριμένης αναγραφόμενης τιμής, ανάλογα τον αριθμό καναλιών, ακολουθεί τον παρακάτω πίνακα:

Έτσι λοιπόν, κατά τη σχεδίαση ενός δικτύου CATV, ανάλογα με τον αριθμό των καναλιών που πρόκειται να διανείμουμε, υπολογίζουμε τη στάθμη εξόδου των ενισχυτών, σύμφωνα με τις προδιαγραφές τους, αφαιρώντας όμως τα αντίστοιχα dB.

Στην περίπτωση που ξεπεράσουμε τη μέγιστη επιτρεπτή στάθμη εξόδου, ο ενισχυτής θα ενδοδιαμορφώσει και θα προσθέσει θόρυβο στο δίκτυό μας. Το ορατό αποτέλεσμα της ενδοδιαμόρφωσης είναι οι γνωστές γραμμές ή εικόνα, που κινείται κατακόρυφα πίσω από ένα κανάλι ή παρόμοια παράσιτα. Έχει όμως πολύ ενδιαφέρον να δούμε τα αποτελέσματα της ενδιοδιαμόρωσης σε έναν αναλυτή φάσματος. Για να εξομοιώσουμε το φαινόμενο, θα οδηγήσουμε πέντε διαμορφωμένα σήματα στην είσοδο ενός ενισχυτή, ξεπερνώντας σταδιακά την επιτρεπτή στάθμη εξόδου του. Ο ενισχυτής που χρησιμοποιήθηκε έχει μέγιστη στάθμη εξόδου 120dBμV, αλλά επειδή στην είσοδό του οδηγούμε πέντε κανάλια, η στάθμη εξόδου πρέπει να ρυθμιστεί, σύμφωνα με τον πίνακα, στα 120-4,5=115,5dBμV.  Ένα καθαρό σήμα (διπλής πλευρικής διαμόρφωσης) απεικονίζεται αριστερά στην εικόνα 1a. Στην εικόνα 1β, βλέπουμε τη γένεση παραγώγων ενδοδιαμόρφωσης, έχοντας μόλις ξεπεράσει την επιτρεπτή στάθμη εξόδου, ενώ στην εικόνα 1γ, βλέπουμε την απότομη αύξηση της ισχύος των παραγώγων. Φυσικά (με στάθμη 90dBμV), οι παρεμβολές των παραγώγων αυτών γίνονται ορατές. Άξια προσοχής είναι η μη γραμμική αύξηση της ισχύος των παραγώγων και αντίστοιχα η απότομη αύξηση του προστιθέμενου θορύβου.

Να σημειώσουμε όμως ένα εξίσου σημαντικό στοιχείο. Όπως είπαμε, η ονομαστική στάθμη εξόδου που αναφέρεται στα χαρακτηριστικά των ενισχυτών, αφορά την ενίσχυση δύο καναλιών. Έτσι, όταν αυξηθεί ο αριθμός των καναλιών, έχουμε μείωση της στάθμης αυτής. Όταν έχουμε όμως μείωση του αριθμού του καναλιών, ισχύει ακριβώς το αντίθετο, δηλαδή μείωση της στάθμης εξόδου. Έτσι, στην περίπτωση που θέλουμε να ενισχύσουμε ένα κανάλι, προσθέτουμε +10dB!

Η αμέσως σημαντικότερη ρύθμιση μετά τη στάθμη εξόδου ενός ενισχυτή, είναι η ρύθμιση του tilt. Όπως γνωρίζουμε, οι απώλειες των σημάτων κατά τη μεταφορά τους στα καλώδια, εξαρτώνται άμεσα από τη συχνότητα των σημάτων. Οι απώλειες είναι ανάλογες της συχνότητας, με αποτέλεσμα όσο αυξάνει η συχνότητα ενός καναλιού, να αυξάνονται και οι απώλειες. Η ρύθμιση του tilt, έρχεται να εξισορροπήσει στην είσοδο του ενισχυτή τις διαφορετικές απώλειες που έχουν δημιουργηθεί λόγω καλωδίων, σε ένα φάσμα συχνοτήτων. Χρησιμοποιείται στα μεγάλα καλωδιακά δίκτυα, αλλά και στα κέντρα επεξεργασίας σημάτων (headend), παρέχοντας στο δίκτυο μεγάλο αριθμό καναλιών, καλύπτοντας πολλές θέσεις επίγειων καναλιών. Ένα ανάλογα μεγάλο φάσμα, εξαιτίας των άνισων απωλειών των καλωδίων, ταξιδεύοντας σε ένα δίκτυο, παρουσιάζεται στην είσοδο ενός ενισχυτή με υψηλότερες στάθμες στα χαμηλής συχνότητας κανάλια, σε σχέση με τα υψηλόσυχνα (εικόνα 2).. Ρυθμίζοντας το tilt του ενισχυτή, εξασθενούμε (με γραμμική κλίση) τα χαμηλά κανάλια, σε σχέση με τα υψηλά και ισοσταθμίζουμε το φάσμα (εικόνα 3). Έτσι, το φάσμα των καναλιών δέχεται την ενίσχυση, έπειτα την ισοστάθμιση.

Θα μπορούσε να φανεί παράλογο να εξασθενούμε το (πολύτιμο) σήμα στο φάσμα των συχνοτήτων οικειοθελώς. Όμως, ας παρατηρήσουμε τη λειτουργία του ενισχυτή, χωρίς τη ρύθμιση του tilt. Υποθέτοντας ότι στην είσοδο του ενισχυτή που ήδη αναφέραμε (μέγιστη στάθμη εξόδου 120dBμV), εισάγουμε το φάσμα της εικόνας 2, όπου το χαμηλότερο κανάλι έχει διαφορά με το υψηλότερο 17 περίπου dB! Έστω, ότι οι υπολογισμοί μας απαιτούν ελάχιστη στάθμη 115dBμV στο υψηλόσυχνο κανάλι, ώστε να τροφοδοτήσει ικανοποιητικά τις πρίζες ή τον επόμενο ενισχυτή. Ρυθμίζοντας τον ενισχυτή στα 115dBμV στο υψηλό κανάλι, το κανάλι της χαμηλότερης συχνότητας θα φτάσει στα 132dBμV (!!!) προκαλώντας ενδοδιαμόρφωση στον ενισχυτή, με τα αποτελέσματα που είδαμε προηγουμένως. Για το λόγο αυτό λοιπόν, αναγκαζόμαστε να εφαρμόσουμε εξασθένηση στο φάσμα, προκειμένου να το ισοσταθμίσουμε πριν ενισχυθεί.

Ένα πολύ χρήσιμο «κόλπο» στα δίκτυα CATV, είναι η αντίστροφη ρύθμιση της κλίσης καμπύλης (εικόνα 4). Εκμεταλλευόμενοι πλέον τις διαφορετικές απώλειες των καλωδίων σε σχέση με τη συχνότητα, μπορούμε να ανεβάσουμε τα υψηλόσυχνα κανάλια πιο πάνω από την επιτρεπτή στάθμη εξόδου του ενισχυτή, χαμηλώνοντας αντίστοιχα τα χαμηλής συχνότητας κανάλια. Με αυτή τη ρύθμιση δεν υπεροδηγούμε τον ενισχυτή, παρότι ξεπερνάμε τη μέγιστη στάθμη εξόδου, καθώς το δυναμικό που τίθεται να ενισχύσει ο ενισχυτής είναι το ίδιο, όπως εάν ήταν ισοσταθμισμένο ακριβώς πάνω στη στάθμη εξόδου. Μετά λοιπόν την απόσταση του καλωδίου, το φάσμα δε θα έχει τη διαφορά της εικόνας 2 και δε θα χρειαστεί να «πετάξουμε» ωφέλιμο σήμα εφαρμόζοντας εξασθένιση, λαμβάνοντας ταυτόχρονα μεγαλύτερη στάθμη στα υψηλής συχνότητας κανάλια.

Κλείνοντας με τα πλεονεκτήματα της ρύθμισης του tilt, να προσθέσουμε ότι με τη ρύθμιση της κλίσης καμπύλης, επιτυγχάνουμε ισοστάθμιση των καναλιών και στις πρίζες. Όταν μετά από έναν τελικό ενισχυτή έπονται αρκετά μέτρα καλωδίου ή και παθητικά εξαρτήματα, έως μια πρίζα, επόμενο είναι τα χαμηλά σήματα να καταλήγουν με υψηλότερη στάθμη, σε σύγκριση με τα υψηλά. Το γεγονός αυτό μπορεί να εξαλειφθεί με την αντίστροφη ρύθμιση του tilt που αναφέραμε προηγουμένως. Εκτός από το αποτέλεσμα ενός άρτια σχεδιασμένου και κατασκευασμένου δικτύου, που αποκομίζουμε από την απολαβή ισοσταθμισμένου φάσματος στις πρίζες, αποτρέπουμε και τα ενδεχόμενα παρεμβολών μεταξύ καναλιών, με μεγάλη διαφορά στις στάθμες τους.

Είναι σχεδόν απίθανο σε ένα μεγάλο καλωδιακό δίκτυο, να χρησιμοποιηθούν ενισχυτές trunk line τροφοδοτούμενοι τοπικά. Είτε επειδή θα πρέπει να τοποθετηθούν σε μέρος όπου δεν μπορεί να καλυφθεί με παροχή 230V AC (π.χ. φρεάτια), είτε επειδή η συνεννόηση με τα ηλεκτρολογικά συνεργεία δεν υφίσταται (…), συνηθέστερο είναι το γεγονός τροφοδοσίας των ενισχυτών μέσω του ομοαξονικού καλωδίου. Με τροφοδοτικά, τοποθετημένα στο σημείο εκκίνησης των κεντρικών γραμμών, εισάγουμε τάση 60V AC και ρεύμα ανάλογα με το είδος του τροφοδοτικού (εικόνα 5). Στον υπολογισμό των ενισχυτών που μπορεί να «σηκώσει» το τροφοδοτικό, πρέπει να συνυπολογίσουμε, εκτός από τις καταναλώσεις των ενισχυτών (αναγράφονται στις προδιαγραφές) και τις αποστάσεις των καλωδίων.

Φυσικά, από τα σημεία που διέρχεται τάση, θα πρέπει να τοποθετούνται παθητικά στοιχεία, που να επιτρέπουν τη διέλευση εναλλασσόμενου ρεύματος, όπως και τα αντίστοιχα βύσματα και καλώδια (εικόνα 6). Οι συνδέσεις συνιστάται να είναι τύπου 5/8”, για απόλυτη στεγανότητα και σταθερότητα του δικτύου. Για παράδειγμα, η τροφοδοσία ενός ενισχυτή μπορεί να γίνει και με καλώδιο RG-6, όμως τη στιγμή που ο ενισχυτής θα τραβήξει για τυχαίο λόγο μεγάλο φορτίο, μπορεί να προκύψει βραχυκύκλωμα και να πέσει η ασφάλεια του τροφοδοτικού.

Η κατασκευή ενός δικτύου με τροφοδοσία της κεντρικής γραμμής μέσω ομοαξονικού καλωδίου είναι σίγουρα δύσκολη και απαιτεί μεγάλη προσοχή για να αντέξει στο χρόνο και στη φθορά. Όμως, προσφέρει μεγάλη ευελιξία, εφόσον οι ενισχυτές μπορούν να αλλάξουν εύκολα θέση, εάν δεν έχει τηρηθεί το σχέδιο ή έχουν γίνει τροποποιήσεις και τελικά πολλές φορές, η επιλογή του είναι μονόδρομος.

Μεγάλη σημασία στη σταθερότητα ενός δικτύου, παίζει ο σωστός τερματισμός των γραμμών, κυρίως της trunk line. Σε ένα οποιοδήποτε κλειστό καλωδιακό δίκτυο, είναι πολύ σημαντικό να διατηρηθεί η σύνθετη αντίστασή του σταθερή. Ομοίως, στα ομοαξονικά καλωδιακά δίκτυα, των οποίων η σύνθετη αντίσταση είναι 75Ω, έχει μεγάλη σημασία να μην αλλοιωθεί η τιμή αυτή.

Σε μια γραμμή μεταφοράς, η αλλαγή της σύνθετης αντίστασης θα προκαλέσει τη δημιουργία ανακλώμενων σημάτων, τα οποία με τη σειρά τους θα σχηματίσουν με το ωφέλιμο σήμα κοιλίες και δεσμούς (στάσιμα κύματα). Το τελικό αποτέλεσμα μεταφράζεται σε αυξομειώσεις του σήματος σε διάφορα σημεία. Στο σημείο όπου σχηματίζεται κοιλία κατά τη συμβολή του σήματος με το ανακλώμενο, θα παρουσιαστεί αυξημένη τιμή (μέγιστη) και στο σημείο όπου σχηματίζεται δεσμός, θα παρουσιαστεί μηδενική τιμή σήματος, ενώ στα υπόλοιπα σημεία θα υπάρχουν ενδιάμεσες τιμές.

Ένα «κλειστό» καλωδιακό δίκτυο θεωρείται το τερματισμένο δίκτυο, του οποίου η σύνθετη αντίσταση δεν μεταβάλλεται. Οι τερματικές τηλεοπτικές πρίζες εφαρμόζουν αντίσταση 75Ω, τερματίζοντας σωστά τα καλωδιακά δίκτυα CATV. Όμως τι γίνεται όταν μια πρίζα παρουσιάσει βλάβη ή δεχτεί εξωτερική, ανθρώπινη παρέμβαση από μη εξειδικευμένο άνθρωπο; Η σύνθετη αντίσταση του δικτύου χαλάει και εισάγεται θόρυβος στο δίκτυο.

Το παραπάνω ενδεχόμενο δεν μπορεί να εξαλειφθεί, αλλά μπορεί να περιοριστεί σε πολύ μεγάλο βαθμό, αν ληφθεί υπόψη κατά τη σχεδίαση ενός δικτύου CATV. Επιτυγχάνεται με το σωστό τερματισμό των κλάδων, με τη χρήση tap-off αντί splitter και τερματικών αντιστάσεων 75Ω. Ο λόγος είναι ότι με το tap-off, η βαρύτητα του κλάδου (το μεγαλύτερο μέρος του ωφέλιμου σήματος), οδηγείται στη διέλευσή του, η οποία στον αριστερό κλάδο τερματίζεται (δια παντός…) με αντίσταση 75Ω και έτσι τα ανακλώμενα σήματα που θα δημιουργηθούν από τη βλάβη, ελάχιστα θα επιδράσουν την κεντρική γραμμή. Αρχικά, η σκέψη να «πετάξουμε» το ωφέλιμο σήμα της διέλευσης ενός tap–off μπορεί να φαίνεται παράλογη. Πράγματι, για να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε το tap–off στο τέλος του κλάδου, αντί ενός splitter, απαιτείται περισσότερο σήμα, το οποίο… κοστίζει. Όμως για τη σταθερότητα ενός σοβαρού δικτύου CATV η θυσία είναι μικρή και ο τερματισμός, τουλάχιστον, των trunk line κρίνεται απαραίτητος!

Εάν προσπαθήσετε να μεταφέρετε τα παραπάνω σε ένα μικρό καλωδιακό δίκτυο, όπως αυτό μιας κεντρικής εγκατάστασης, ίσως πολλά να φανούν υπερβολές ή λεπτομέρειες, ωστόσο σε μεγάλα καλωδιακά δίκτυα, οι λεπτομέρειες αυτές διογκώνονται και γίνονται σοβαρά προβλήματα. Για παράδειγμα, σε μια εγκατάσταση κεντρικής, πάλι θα σκεφτούμε τη γραμμή καθόδου και θα χρησιμοποιήσουμε πρίζες διελεύσεως με κλιμακωμένες απώλειες, όπως αντιστοίχως κάνουμε με τα tap-off. Φυσικά όμως, δε θα χρειαστεί τεράστια λεπτομέρεια και ακρίβεια στον υπολογισμό των απωλειών στην κεντρική εγκατάσταση σε σχέση με ένα δίκτυο CATV.