有线电视-第二章

第二章

有线电视系统的设计基础1.图像信号的产生

一幅图像是由几十万个细小像素构成的。被摄取的外界画面成像在摄像机的成像画面上，摄像机将成像面上的每一个像素按照由左向右，由上到下的次序转换成相应电信号传送出去，从左到右称为行扫描，从上到下称为场扫描，外界光点的亮度决定了成像面上对应像素点的亮度，每个像素点的亮度决定了对应的输出信号电平。2.1电视信号的产生2.彩色全电视信号1）三基色原理

自然界中绝大多数色彩均可用红（R）绿（G）蓝（B）三种基本颜色按一定比例混合而成。根据此原理，在彩色电视传送过程中，可把需传送的任何色彩先分解为红、绿、蓝三种基本色，经光电转换，编码传送给接收端，在接收端显示时，用三基色电信号激发三基色荧光粉，经相互混合后，便可再现彩色光图像。2.1电视信号的产生2.彩色全电视信号2）彩色光的基本参量

为了确切表示某一彩色光，需要用到三个基本参量：色调、色饱和度和彩色亮度。

色调是指颜色的类别，如：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等分别代表不同的色调，色调与光波波长有关，不同波长反映不同的颜色感。如波长为620nm的可见光为红色，而蓝色的波长为470nm。

色饱合度是指颜色的浓淡程度，如：深红、浅红等。一般来说，这与在彩色光中掺入了多少白光有关，掺入白光多，饱和度小，反之，饱和度大。对于白光而言，其饱和度为零。

彩色亮度是指彩色光对人眼所引起的明暗视觉程度。对色调和色饱和度固定的光而言，当其全部能量增强时亮度增加。2.1电视信号的产生2.彩色全电视信号2）彩色全电视信号

对于黑白电视，只传送亮度信息，彩色电视不但需传送明暗光觉信息，还需传送色调和色饱合度的色度信息。即彩色亮度、色调和色饱和度是彩色的三要素。彩色电视全电视信号中包括反映色调和色饱和度，即彩色图像的彩色特征信息的色度信号，以及反映亮度大小的亮度信号，还包括复合同步信号（行、场同步信号），复合消隐信号等。2.1电视信号的产生行信号的组成全电视信号中包含了电视成像时所需的各种信号。它们的作用各有不同。

1．行、场同步信号图像传送时，为了能恢复原图像，接收端的扫描必须同发射端完全同步，因而信号中要有传送同步信息的信号，包括行同步和场同步信号，这些同步信号控制电视机产生相应的行扫描锯齿波和场扫描锯齿波，实现与发射端同步的扫描。2．行、场消隐信号正常成像时，图像信息都包含在正程时间里面，即电子枪从左到右和从上到下的过程，而电子枪从右到左和从下到上的逆程时间内，电子枪应不发射电子，否则电视画面上就会出现回扫的亮线，因此，需要有行、场消隐信号。由于消隐信号处于黑色电平的位置，所以不会在荧光屏上显现出来。3．亮度信号亮度信号也称为图像信号，亮度信号取决于信号电平的高低，在发射端为了提高调制时的功率利用率，通常采用负极性调制的方式，即将白色电平安排在12.5%的位置，而黑色电平处于75%的位置，在接收端解调出来后，再经末级视放的反相，使白色电平处于高电平处，电子获得的能量大，荧光屏被其轰击后呈现白色（或亮），而黑色电平处于低电平，荧光屏呈黑色（或暗）。4．色度信号在彩色电视机中，彩色信息的传送是利用4.43MHz的副载波，将两个色差信号进行正交平衡调制而形成一个色度信号，它与亮度信号同时传送，形成彩色全电视信号。从信号的组成来看，这种信号可以使彩色电视机和黑白电视机兼容。5．色同步信号在行同步脉冲的后面，行消隐上有一个4.43MHz的色同步信号，其作用是为了在接收端解调色度信号时，给同步检波器提供具有准确频率和相位的本地副载波振荡信号，以保证色度信号的解调不失真。2.2电视信号有线电视系统中常见的电视信号:

视频信号（VIDEO）、音频信号（AUDIO）和射频信号（RF）。2.2.1电视视频信号视频信号也称为全电视信号或图像信号，它由电视机恢复电视图像时所需的各种信号组合而成。

电视画面的显示是有一定规律的，规律不同，其电视制式也不同，世界上常见的电视制式有三大类11种.

即NTSC制、PAL制和SECAM制。我国采用的是PALD制.规定：扫描的行周期为64ms，其中行正程为52ms，行逆程为12ms；扫描的场周期为20ms，其中场正程为18.4ms，场逆程为1.6ms；每二场合成为一帧，即一幅画面。由此可算出一场包含312.5行，其中正程时间为287.5行，逆程时间为25行，一帧包含625行。2.2.2电视音频信号音频信号也称为电视伴音信号，它是采用调频的方式调制在伴音载波上的音频信号，用来传送电视画面的伴音。2.2.3电视射频信号电视射频信号是包含有亮度信号（黑白图像信号）、色度信号（两个色差信号）和伴音信号的高频已调波复合信号。电视射频信号每个频道的带宽为8MHz。在开路电视（无线电视）中，电视射频信号是以电磁波的形式在自由空间传播；在有线电视系统中，是以电信号（光信号）的形式在电缆（或光缆）中传送。2.3无线电波基础知识无线电视信号以电磁波的形式在自由空间传播。主要包括：VHF频段和UHF频段发射的本地区电视节目；C波段、Ku波段转发的卫星电视节目;及通过微波（MMDS）发射的电视节目。2.3.1无线电波的形成无线电波是一种能量的传送形式，它是由交变电场与交变磁场的相互转化进行传送的。2.3.2无线电波的极化电磁波在空间传播时，电场与磁场方向始终保持垂直，并向着与二者都垂直的方向传播。一般用电场的方向来描述这个规律:把电场方向按一定规律变化的现象称为无线电波的极化。极化分为线极化、圆极化、椭圆极化。当电磁波的电场方向平行于地面时，称为水平极化；当电磁波的电场方向垂直于地面时，称为垂直极化。如图2-2所示。（a）水平极化波（b）垂直极化波图2-2水平极化波与垂直极化波无线电磁波的极化与发射天线的架设方向有关，当发射天线垂直架设时，发射的电磁波为垂直极化波；当发射天线水平架设时，发射的电磁波为水平极化波。电视信号的发射一般采用水平极化波;无线电通信一般采用垂直极化波，一般的工业干扰也是垂直极化的方式。接收水平极化波时应将接收天线水平安置，接收垂直极化波时应将接收天线垂直安置。在调整天线时要注意到这些。2.3.3无线电波的波段无线电波是以光速传播的，其传播速度、波长与频率三者之间的关系为

无线电波可以按波长（或频率）来划分波段。（m/s）

无线电波的用途非常广泛:如通信、导航、雷达、遥控、遥测等，它们工作的时间、地点及频率重叠交叉，相互间不可避免地要产生相互影响。世界上对无线电波波段划分和使用有一个统一的规定，以减少各种无线电设备间的相互干扰。波段名称波长范围/m电波名称频率范围极长波105以上极低频（ELF）3kHz以下超长波105~104甚低频（VLF）3~30kHz长波104~103低频（LF）30~300kHz中波103~102中频（MF）300~3000kHz短波100~10高频（HF）3~30MHz超短波10~1甚高频（VHF）30~300MHz微波分米波1~0.1特高频（UHF）300~3000MHz厘米波0.1~0.01超高频（SHF）3~30GHz毫米波0.01~0.001极高频（EHF）30~300GHz表2-1各波段的名称划分表2-2各波段的主要用途及传播方式波段名称主要用途传播方式超长波和长波远洋导航通信等近距离通过地面波；远距离（几千公里）靠天波中波导航、通信、广播等白天天波衰减大，主要靠地面波；晚上二者均可传播短波广播、通信、导航等极度近距离（几十公里）用地面波；远距离靠天波超短波电视、雷达、通信、导航等地面波衰减太大，天波因频率过高穿出电离层，靠空间波传播微波雷达导航、电视、天文等近距离靠空间波；远距离靠对流层传播2.3.4电磁波在空间的传播方式电磁波在空间传播时，电场强度矢量E、磁场强度矢量H都与传播方向垂直。电磁波在空间传播的方式示意图如图2-3所示。电磁波在空间传播的基本方式主要有：1．视距传播——电磁波沿直线传播的方式，又称为视距传播。调频广播、电视、微波主要靠视距传播。2．天波传播——借助于电离层的反射作用来传播电磁波的方式称为天波传播。只有中波、短波波段能利用天波传播的方式来传播。3．地表面波传播——由于绕射现象，可以使电磁波绕着地球的弯曲表面（如山坡、建筑物等）沿地面向前传播，这就是地表面波传播。一般只有长波、中波等频率较低的电磁波才主要通过地表面波传播。2.3.5无线电波的场强场强——电磁波在某点的电场强度称为该点的场强。单位：mV/m或mV/m在有线电视系统中通常用分贝微伏（dBmV）来表示电视信号的强度，规定——1mV/m的场强为0dBmV。

在电视接收时，根据接收地区场强的大小，分为四种电场区域，即强电场区、中电场区、弱电场区和微电场区。

电视信号接收图像质量的好坏与它接收到的电视信号的强弱有关，信号电场越强，接收到的图像质量越好。弱场强区：电视台发射的高频电视信号是以一定的功率向空间辐射电磁波的，随着传输距离的增加，空间信号场强越来越低，当低于电视机的接收灵敏度时，图像质量变差，出现雪花，甚至收不到信号，这些区域就称为弱场强区。阴影区：电视台发射的信号以直线传播，当遇到障碍物阻挡时（如楼房、山丘等），部分信号被反射和吸收，使得障碍物后面部分的场强较低，使得即使离电视台很近，收看效果也不好，这种由于障碍物阻挡而造成收看效果差的区域称为阴影区。电缆电视系统通过对信号接收、放大等处理，能够很好解决弱场强区和阴影区的收视条件。2.4增益

增益是衡量CATV系统中放大器等有源器件放大信号能力大小的参数。包括：电压增益、功率增益通常CATV系统中的增益均取对数表示。

2.4.1电压增益和功率增益定义：（倍）（倍）对（功率倍数）的定义式两边取10lg后，功率增益的单位由倍数变成为分贝（dB），有：（dB）（2-2）对（电压倍数）的定义式两边取20lg后，电压增益的单位也由倍数变成为分贝（dB），有：（dB）（2-3）在CATV系统中，已知各个器件的输入与输出阻抗、电缆的特性阻抗均为75欧姆，即Ro=Ri=75欧姆，因此2.4.2分贝

在CATV系统中的电压，通常在几百mV~100mV之间，计算不方便，所以，通常均用分贝（dB）表示放大器的放大倍数，或者表示系统中任意一点的电压、功率值。当用1mV电压作计量标准，将某点的电压U与计量标准1mV做如下运算：这时的单位定义为dBmV，简写为dB。当用1mV电压作为计量单位标准，此时的单位定义为dBmV。如果系统中某点的功率分别为100mW、1mW、1W，而用1mW功率作为计量标准时，此时的单位定义为dBmW。举例：（dBmV）

（dBmV）

（dBmW）

2.5载噪比放大器、调制器等有源器件中存在着晶体管等电子元器件。这些电子元器件会不同程度地产生噪声。当电视信号在系统中传输时，这些噪声功率也同样要在系统中传输，当这些噪声功率传输到用户端时，在电视机的屏幕上将会出现雪花状或杂乱无章的信号，从而影响到整个CATV系统的收视质量。CATV系统内的噪声包含两个方面：①电阻产生的热噪声，用噪声源电压表示；②放大器中的晶体管等器件产生的噪声，用噪声系数表示。2.5.1热噪声源电压

（a）无源四端网络（b）等效电路图2-7无源网络等效电路无源网络的热噪声就等于其等效电阻的热噪声。而有热噪声的电阻可以用一个电阻值与其相等的无噪声电阻R和与之串联的热噪声电压源Uno的等效电路来等效。Uno与产生它的电阻R有如下关系：

式中：Uno——热噪声源电压，V；

K——波兹曼常数，W/（Hz·oK），取1.38×10-23；

T——绝对温度值，oK，常温取293oK；△fP——图像的噪声频带宽度，Hz，PALD制△fP=5.75MHz；

R——噪声源内阻，欧姆，该电阻已是无噪声的理想电阻，CATV系统为75欧姆。（mV）

由于CATV系统中各个器件的输入、输出阻抗均为75欧姆，所以外接匹配负载RL上的噪声电压为：

用分贝表示为：匹配负载RL上的噪声功率为：（W）（mV）（dBmV）2.5.2载噪比其定义为：

（倍）（2-5）

（dB）

由于CATV系统中器件的输入、输出阻抗均为75W，式（2-5）也可写成：

（dB）（2-6）

用分贝值表示时，功率比和电压比所得结果是相同的。系统的C/N越高，则图像的清晰度越好。

用分贝表示：

2.5.3噪声系数

Psi、Pso分别为输入和输出载波功率，Pni、Pno分别为输入和输出噪声功率。Pni、Pno和放大器内部产生的噪声功率Pr有如下关系：G——放大器的功率增益。

（2-7）

放大器的噪声系数：放大器输出端的总噪声功率Pno与输入端噪声功率Pni经放大后产生的噪声功率GPni之比，用F表示。（2-8）

即

（2-9）所以放大器的噪声系数也可定义为输入载噪比与输出载噪比之比。

用对数表示

（dB）（2-10）

从式（2-8）得图2-9无噪声放大器框图2.5.4一台放大器的载噪比当放大器输入端为无源器件（如天线）时，放大器输出端的载噪比为：Ua为放大器输入端的电压，R=75W，Uni=1.32mV为前级无源器件输出的热噪声源电压。

对上式两边取对数10lg得：（dB）

Sa——放大器输入端的信号电平，dBmV；NF——放大器的噪声系数，dBmV；2.4——前级无源器件的热噪声源电平，dBmV。

2.5.5n台放大器的载噪比实际的CATV系统总是由n台放大器串接而成。

当n台放大器串接时，前级放大器产生的噪声功率随着信号一起传送至后级放大器，与在后级放大器中产生的噪声功率叠加起来。

应用下式可求出n台放大器各自的载噪比分别为C/N1、C/N2、……、C/Nn。

叠加的结果，使得总的噪声功率不断增大，总的载噪比下降。噪声功率的叠加实质上是噪载比（N/C）的叠加，n台放大器串接时总的载噪比与各级载噪比有如下关系：

（dB）

则所以，从式（2-15）可得到总的载噪比为：（2-16）

在CATV系统中，一般情况下，干线上的放大器均为同型号且输入电平相同（即NFi=NF，Sai=Sa，i=1，2，……，n），此时各台放大器的输出载噪比相同,式（2-16）可写为

（2-17）

2.5.6载噪比的分配我国规定了整个CATV系统的C/N≥43dB，而整个系统是由若干个子系统组成的，因此在进行系统设计时，必须合理地分配给各个子系统一定的技术指标。当信号功率一定时，载噪比是衡量系统噪声功率大小的指标。

整个系统的噪声功率是随着信号的传输不断积累的，所以载噪比的分配实质上是噪声干扰功率的分配，必须把载噪比（C/N）变成为噪载比（N/C）才能分配。例如：某系统前端分配1/3的载噪比指标，干线分配2/3的载噪比指标，实质上是分配总噪声功率的1/3给前端，2/3给干线。则前端、干线载噪比分别为所以载噪比的分配遵循下列公式：q是分配比例，如1/3、2/3等；(C/N)i是子系统的载噪比。两边取对数10lg得：

可推广应用于ｎ台放大器串接的情况。例如，已知某干线总的载噪比为C/N干线，干线有n台相同放大器等间隔设置，现平均分配指标，则每台放大器应满足的载噪比为【例2.1】某一系统，设计的总载噪比为44dB，前端和干线各分配1/2，求前端和干线的载噪比各为多少分贝？

【解】

（dB）2.5.7载噪比与信噪比的关系

对于我国采用残留边带调幅的电视信号来说，根据奈奎斯特滤波特性，可得出信噪比与载噪比的关系为：

（dB）2.6非线性失真当电视信号在CATV系统中传输时，由于系统中采用了很多的放大器等有源器件，而这些器件中的主要元件为晶体管，晶体管本身是一种非线性器件。因此，当信号通过放大器时，其输出端必然会产生各种非线性失真，系统中串接的放大器台数越多，非线性失真就越严重。为了满足一定的非线性指标，就限制了系统中串接的放大器台数，从而也就限制了CATV系统的传输范围。CATV系统主要考虑的非线性失真指标有：交扰调制比（CM）；载波互调比（IM）；组合三次差拍比（CTB）；组合二次差拍比（CSO）等。2.6.1非线性失真的产物图2-11放大器框图

某一放大器，当输入信号为Ui时，由于放大器的非线性，输出信号Uo与Ui之间的关系可用幂级数展开得：设仅输入三个频道的电视信号，即：则放大器输出信号Uo为：上式中的二次项、三次项为非线性失真项，二次项称为二次失真产物（二阶失真产物）、三次项称为三次失真产物（三阶失真产物）

。二次失真产物分析:将上式中的二次项展开得当输入三个频道信号时，二阶失真产物共有12项。

其中1、2、3项为直流项，可通过放大器中的隔直流电容阻隔掉，不会产生干扰。

二次谐波项和二次差拍项均是信号经过放大后产生的新的频率分量，只要这个新的频率分量落入系统中的某一频道，就会形成干扰，称为相互调制干扰，简称互调干扰。由于新的频率成分为一固定值，它与被干扰图像的载频差拍后会在电视屏幕上形成斜网状现象，干扰频率越接近于被干扰的图像载频，斜网表现的越粗。第7~12项为二次差拍项（两个频率的和、差项），当二次差拍的频率正好落在系统中某一频道时，则会对该频道产生干扰。第4、5、6项为二次谐波项，当21正好落在系统中某一传输频道时，就会对该频道产生干扰。

三次失真产物分析。将Uo式中的三次项展开得：当输入三个频道信号时，三阶失真产物共有28项。

①1、2、3项频率不变，只是幅度上有些失真，其大小为，它的影响是增加了一些图像失真。

②4、5、6项为三次谐波项，有可能落入某一频道造成互调干扰。

③第13~28项为三次失真引起的差拍项，称为三次差拍项，它们同样会落入某一频道造成互调干扰。

④第7~12项频率不变，但是幅度上有其他频道的幅度信号。

这种干扰称为交扰调制干扰，简称交调干扰。由于非线性失真系数K3一般为负值，故交调干扰的产物在屏幕上显示的为负值（如黑变白），当两个频道的行频不同步时，干扰图像将左右移动。

交调干扰通常以移动的白色竖条出现，类似汽车前窗的雨刷，当干扰严重时会出现串像。

2.6.2交扰调制比交扰调制比CM：

（倍）

（dB）

我国规定，无论系统的规模大小，CATV系统的CM≥46+10lg（N-1）（dB）。式中N为电视频道数。

为了衡量交扰调制对正常收看图像的影响,定义

结论：当信号电平降低1dB时，交调比可改善2dB。2.6.3载波互调比载波互调比IM的定义为：

我国规定，无论系统的规模大小，CATV系统的IM≥57dB。IM2、IM3表示二次失真、三次失真造成的载波互调比。

为了定量地描述互调干扰对正常收看图像的影响，定义载波互调比IM：（dB）IM3与信号电平之间的关系:当信号电平降低1dB时，三次失真造成的载波互调比可改善2dB。（dB）结论：当信号电平降低1dB时，三次失真造成的载波互调比可改善2dB。IM2与信号电平之间的关系：（dB）结论：当信号电平降低1dB时，二次失真造成的载波互调比可改善1dB。CATV系统的设计中，对于二次互调干扰一般不考虑，这是因为：①系数K2较小，影响小；②放大器往往采用互补推挽等功率放大电路，二次失真由于相位相反，大部分可抵消；③当频道数量较少时，通过合理选择频道，可以避开二次互调干扰。在三次互调失真中，还存在一种频道内的三次互调失真。对于一些单频道有源器件，由于频道内存在图像载波、彩色副载波和伴音载波，这三种载波在器件内部会发生相互调制而产生新的频率。次新频率仍落在接收频道内，与图像差拍产生频道内的三次互调失真。如下式所示：（MHz）

（MHz）

产生的干扰信号（fp±2.07MHz）将与图像载波产生差拍，在屏幕上呈现2.07MHz的网纹干扰。这种失真主要在前端的频道放大器、频道变换器以及信号处理器等内部。国家规定电视频道内单频互调干扰IM单≥54dB。2.6.4组合三次差拍比对于任意一个频道，将会有一簇的三次差拍和三阶互调信号的频率正好落在该频道中形成干扰，这一簇的干扰信号就成为组合三次差拍干扰。为了定量地描述组合三次差拍对正常收看图像的影响程度，CATV系统用组合三次差拍比（CTB）来衡量，其定义为：（dB）我国规定，无论系统的规模大小，CATV系统的CTB≥54dB。组合三次差拍与信号电平之间的关系：当信号电平降低1dB时，组合三次差拍比可改善2dB。2.6.5组合二次失真比

CATV系统用组合二次失真比（CSO）来定量地描述组合二次失真对正常收看图像的影响程度，其定义为：

我国规定，无论系统的规模大小，CATV系统的CSO≥53dB。

组合二次失真与信号电平之间的关系：当信号电平降低1dB时，组合二次失真比可改善1dB。（dB）2.6.6非线性失真指标的计算根据CATV系统的发展情况，本书主要介绍CM、CTB、IM3、CSO指标的计算。1．一台放大器时CM、CTB、IM3、CSO的计算公式先分析CTB的计算公式。根据CTB指标与信号电平之间的关系得

应用上式进行计算时要注意，生产厂家给出的CTBa指标是在Na个频道信号同时输入的条件下得到的，当系统设计时的频道数量N与厂家测试时的Na不相等时，需要加以修正，修正值为：同理，可得到一台放大器在N个频道输入时CM、IM3、CSO的计算公式。（dB）

（dB）

（dB）

2．n台放大器串接时CM、CTB、IM3、CSO的计算公式n台放大器串接时的CM、IM3的计算公式与CTB的计算公式相类似，均为电压相加，得：对于n台放大器串接时的CSO的计算公式，根据实际测量，通常按功率叠加的方法处理，有：

在CA