Jak fungují vysílače: vysílací řetězec a počítání s decibely

Proč se začalo počítat s decibely a jak to funguje, jsme už minule probírali. Tak jen pro připomenutí: decibel je bezrozměrná jednotka zlogaritmovaného poměru dvou hodnot. Protože ve vysílacím i přijímacím řetězci dochází k různým zesílením, zeslabením, aktivní prvky mají určitý zisk, pasivní zas útlum, bylo by složité a nepraktické neustále přepočítávat násobky původních hodnot.

Vysílač Trenčín – Nad oborou

Budič a koncový stupeň

Nebudeme se zabývat tvorbou samotného multiplexu, ani jeho dopravou na vysílací místo. Předpokládáme, že transportní tok je kompletně zpracován, převeden za COFDM modulátorem pomocí D/A převodníku do analogové podoby vhodné k dalšímu zpracování. Výstup z tohoto převodníku jde do směšovače. Zde je přeložen ze základního pásma na konkrétní definitivní frekvenci/kanál, na kterém bude ve výsledku vysílat. Zařízení provádějící postupně popsané operace až po tento bod je nazýváno souhrnně budič.

Výstup z budiče však nemá příliš velkou výkonovou úroveň, proto je nutno použít ještě koncový stupeň, což je výkonový zesilovač zvyšující úroveň původního signálu z budiče již na požadovanou konečnou hodnotu. Výstup z tohoto koncového výkonového stupně, před tím než vstoupí do napáječe, je nazýván „instalovaným výkonem“. Často je nesprávně zaměňován s výkonem vyzářeným, neboli ERP.

Sdružovač a napáječ

Zde zhruba končí základ vysílacího řetězce jednoho digitálního multiplexu (případně jednoho analogového TV kanálu, pokud pomineme ten COFDM modulátor a D/A převodník). Tedy ta část, která je umístěna na zemi, nebo někde v patře, ale v místnosti dostupné obsluze a servisu. Pokud máme více analogových kanálů nebo multiplexů, které mají vysílat z jednoho anténního systému, je třeba výstupy ze všech těchto vysílačů ještě sloučit do jednoho napáječe (koaxiálního kabelu, vlnovodu). To se děje tzv. sdružovačem neboli diplexerem. Ten musí zajistit oddělení jednotlivých vstupů, aby se jednotlivé vysílače navzájem neovlivňovaly. Vysílače můžou mít i rozdílné výkony, to je třeba ve sdružovači ošetřit. Pokud jsou ty rozdíly velmi velké, tak ani sdružovač nejde použít a je nutno instalovat pro jednotlivé vysílače oddělené napáječe a anténní systémy.

Sdružovač televizních vysílačů v pásmu UHF

Po sloučení putují signály napáječem skrz vysílací stožár k anténnímu systému. Samotné napáječe jsou dnes již v drtivé většině koaxiální kabely. Mají velký průřez, podle velikosti přenášeného výkonu, dielektrikum je vzduch a středový vodič je uchycen ve vnějším vodiči (stínění) plastovými rozpěrkami. Samotný vnější vodič je tvořen vlnitou trubkou, která je sice ohebná, ale s velmi velkým poloměrem ohybu. Nesmí dojít k deformaci kabelu, jinak by vevnitř vznikly nežádoucí jevy, které by mohly vést od zhoršení poměru stojatých vln (PSV) až k destrukci vysílače. V napáječích je vháněním suchého vzduchu udržována teplota a vlhkost na určitých optimálních hodnotách, aby nedocházelo ke kondenzaci vody, korozi a jiným negativním projevům.

Dělič a anténní jednotky

Pokud se anténní systém neskládá z jedné anténní jednotky, je nutno nahoře přiváděný signál k jednotlivým vstupům anténních jednotek rozdělit. To umožňuje tzv. dělič, který zajistí, aby se do každé anténní jednotky dostal požadovaný díl výkonu. Anténní systém totiž může být navržen tak, aby tvaroval vyzařovací diagram určitým způsobem. Pak je tedy nutno dostat do různých anténních jednotek jinak velkou část přiváděného výkonu, mnohdy s rozdílnou fází.

Vysílací jednotky UHF-Trenčín-Nad oborou 2, TV Joj

Signál se nám tedy po průchodu celým tímto řetězcem dostává do jednotlivých antén, kde je už přiveden a vhodně rozdělen vyzářen do prostoru požadovaným směrem a s požadovanou intenzitou.

Celý řetězec je tedy možno shrnout takto:
BUDIČ – KONCOVÝ STUPEŇ – SDRUŽOVAČ – NAPÁJEČ – DĚLIČ – ANTÉNNÍ JEDNOTKY

Příklad výpočtu ve vysílacím řetězci

Nyní si tedy můžeme demonstrovat, jak se nám bude ve vysílacím řetězci pěkně s decibely počítat. Použijeme zcela vymyšlené hodnoty pro jednoduchou demonstraci, proto doufám, že mne někdo nebude chytat za slovo. Vezměme v úvahu, že na výstupu z budiče je vysokofrekvenční výkon 100W. Pokud bychom neměli decibely, museli bychom tento výkon donekonečna násobit zesílením nebo útlumem toho kterého prvku.

Vezmeme v úvahu například tyto hodnoty, s tím že hodnota X je úroveň výkonu vysílaného signálu:

-zesílení koncového stupně 100X

útlum:

-sdružovač sebere desetinu výkonu, tedy na 0,9X
-napáječ taktéž 0,9X
-dělič taktéž 0,9X (dělič následně bude dělit výkon do 4 jednotek rovnoměrně, tedy do každé půjde čtvrtina výkonu)

-výkonové zesílení anténní jednotky je 10X

A zápis pro tento řetězec by pak vypadal asi tak, že původních 100W vynásobíme stokrát, tj. na 10000W. Útlum sdružovače ubere desetinu výkonu, takže z něho vychází 9000W, napáječ další desetinu, takže mínus 900W je 8100W, dělič další desetinu výkonu, tedy mínus 810W na 7290W, zároveň dělí výkon na čtvrtiny, takže na vstup anténní jednotky je přiváděn výkon 7290/4=1822W. Tato jednotka má zesílení 10X v hlavním směru vysílání, takže vyzářený výkon ERP této jediné jednotky bude 18225W, neboli 18,225kW ERP. Jak jistě uznáte, není to vůbec počítání hezké, elegantní, a přitom je tento příklad velmi jednoduchý. Při složitějších systémech a násobcích, co nejsou desetkrát, je to přímo hrozivé.

Teď zkusme to samé s decibely. Zisky a útlumy jednotlivých prvků budou ekvivalentní předchozímu zápisu podle tabulky, uvedené v minulém článku:

Výstup z budiče je stále 100W, což je 20dBW.

-zesílení koncového stupně 20dB

útlum:
-sdružovač 0,45dB
-napáječ 0,45dB
-dělič 0,45dB (plus dělič bude dělit výkon do 4 jednotek rovnoměrně, tedy pokles na čtvrtinu, tj o 6dB)

-výkonové zesílení anténní jednotky 10dB

U decibelů nic nemusíme násobit, pouze jednoduše sčítáme. Zisk přičteme a útlum odečteme. Tedy původních 20dBW, zesíleno +20dB je 40dBW. Po útlumu v sdružovači, napáječi a děliči je to mínus 3×0,45 dB, tedy zbude přibližně 38,6 dBW. Výkon rozdělíme na 4 jednotky takže do jedné jde čtvrtina (tedy mínus 6dB), dostáváme 32,6 dBW. Zisk této anténní jednotky je 10 dB, po sečtení je výsledný vyzářený výkon 42,6 dBW. Pro kontrolu, původních 18225W po převedení na dBW, tj. 10*log(18225), nám vyjde 42,6 dBW.

Vysílač Jihlava – Javořice. Foto: archiv DigiZone.cz

Závěr

Je vidět, že s decibely se počítá o mnoho jednodušeji. Pokud najdeme třeba na kabelu hodnotu útlumu v dB, zesílení zesilovače v dB nebo útlumy slučovačů v dB, jednoduše hodnoty pouze sčítáme nebo odčítáme. Pokud bychom měli k dispozici jen násobky, např. že zesilovač zesiluje desetkrát, bylo by počítání o mnoho složitější a méně přehledné. Když si také představíme situaci, že do celého řetězce kdekoli vstoupíme a něco přidáme nebo odebereme, stačí útlum nebo zesílení jednoduše odečíst nebo přičíst. Pokud bychom počítali bez decibelů a jen vše mezi sebou násobili nebo dělili, museli bychom celý výpočet od toho bodu přepočítat.

V dalším pokračování nastíníme, jak funguje samotné vyzařování elektromagnetických vln, jaký výkon je třeba pro pokrytí určité oblasti (tj. intenzita elektromagnetického pole v určitém místě), a dále, jaké to bude mít důsledky na příjmové straně. Ukážeme si také, že skutečně existuje reciprocita, tedy že to, co jsme si dnes ukázali na vysílací straně, funguje v obráceném sledu na straně přijímací.

Foto a ilustrace: David Kříž