广电技术能手竞赛(电平、载噪比、非线性失真讲解)

全国广播电视技术能手竞赛有线网络专业（一）基础理论一专业知识二安全技术三专业技能四三四三四二一

第一部分基础理论有线电视基础理论（电平、载噪比、非线性失真）光传输网络技术理论数字电视基础理论网络安全基础理论和知识计算机网络基础理论相关新兴技术分贝是无线电电子技术中一个较为特殊的测量单位，它既可表示功率，又可表示电压，它是这样得来的：假定一个放大电路，它的输出功率为P2，输入功率为P1，将P2/P1的比值取常用对数，即lg(P2/P1)，所得结果用“贝尔”作单位，即贝尔数=lg(P2/P1)。由于贝尔这个单位太大，我们取它的1/10作为单位，称为“分贝”，并用符号“dB”来表示。其结果为：分贝数=10×lg(P2/P1)例如：某放大器输出功率P2为5W，输入功率P1为0.005w，则功率增益=10×lg(P2/P1)=10×lg(5/0.005)=10×lg1000=10×3=30dB。上述结果为表示“功率”分贝数的公式，如果要表示“电压”的分贝数，则公式会变为：分贝数=20×lg(V2/V1)。1.1有线电视基础理论（1）分贝比与电平电平单位的换算

1.1有线电视基础理论（1）分贝比与电平电平单位的换算第一，由于声强和放大器的输出功率是一致的，因此分贝除作为电压和功率的单位外，还作为声强的表示单位。科学实验已经证明：当放大器输出功率（同时也是声强）成10倍、100倍、1000倍增强时，人们听起来只觉得是增强了1倍、2倍和3倍。这种关系实际上正好是一种对数关系，因此采用对数关系来表示这种增强关系正好符合人们的听觉上感受到的声强的变化程度。

1.1有线电视基础理论（1）分贝比与电平电平单位的换算第二，采用分贝作为单位给放大电路的增益计算提供了极大的方便，它把很大的数字化小了，也把需要由乘法来计算的事情变为只用简单的加法来计算。例如：一个三级放大器，其各级电压放大倍数分别为25倍(28dB)、316倍(50dB)和100倍(40dB)。如果直接用乘法来计算它的总电压放大倍数，则为：25×316×100=790000倍，这个数值是很大的。如果改用分贝计算，则为28+50+40=118dB，这个数值就比原来小得多了，计算起来或读起来都很方便。

1.1有线电视基础理论（1）分贝比与电平电平单位的换算此外，用分贝这个单位来表示一个放大器的增益也很方便。例如，一个运算放大器的开环增益为1000000倍，用分贝表示则：

20×1g1000000=20×6=120dB。

通常情况下，电平均指绝对电平。如：常用的dBm、dBu、dBv、dBr、dBFS等都是绝对电平。

1.1有线电视基础理论（1）分贝比与电平电平单位的换算

dB是decibel的缩写,意即十分之一贝尔(bel)—分贝。分贝(dB)是国际上统一使用的电信传输单位,它是没有量纲的对数计数单位。在电信技术领域,为了准确计量信号在电路中各点的功率、电压和电流等的传输变化情况,一般不直接用瓦(W)、伏(V)和安(A)作为测量单位,而采用“电平”这样一个概念。一个信号的大小用相对于某一基准值的功率比值、电压比值或电流比值的对数关系来表示,便称之为“传输电平”。分贝就是传输电平的单位,称为“传输单位”。用公式可表示为:

D=10lgP1/Po=20lgU1/U0=20lgl1/lo(dB)

可以方便地把电平由一种单位化为另一种单位。1.1有线电视基础理论（1）分贝比与电平电平单位的换算

1.1有线电视基础理论（1）分贝比与电平电平单位的换算例如：要把115dBuV化为其它单位表示，可利用表中最后一行：化为dBW时用第一列数-138.75，即用原来的数加-138.75得-23.75，说明115dBμV相当于-23.75dBW；类似地，115dBuV相当于115-108.75=6.25dBm；相当于115-60=55dBmV。若把dBmV化为其它单位，则应用第三行；若把dBm化为其它单位，则应用第二行；若把dBW化为其它单位，则应用第一行等等。

高清有线数字电视机顶盒的最小接收信号电平应小于等于40dBuV（64QAM）；最大接收信号电平应大于等于80dBuV（64QAM）

1.1有线电视基础理论（2）载噪比的计算关于载噪比的基础知识：在电视信号的采集、调制、放大、传输过程中，不可避免地会产生“噪声”（代号N,英文Noise的第一个字母），随着放大级数的增加，噪声会逐步增大。噪声就像鱼缸水中的泥沙，会使清晰度降低，轻微时在电视画面背景上均匀地密布不规则的细微噪动点，严重时则变成粗大的雪花点。

电视中噪声的轻重程度用“载噪比”（代号C/N）来表征，单位是dB，它就是“载波功率与噪声功率之比的分贝值（10lg）”：C/N＝10lg（载波功率/噪声功率）（单位：dB）

C/N数值愈大，说明载噪比愈高，电视画面清晰度愈好。1.1有线电视基础理论（2）载噪比的计算行业标准GY/T106－92(GYT106-1999)中规定有线电视系统（出口）的C/N指标要求≥43dB（显然，此时载波功率是噪声功率的20000倍），通常在作系统设计时取C/N＝44dB为设计值，留1dB设计裕量。

我们在计算单个放大器的载噪比时，可以先不考虑由前级输入的“噪声功率”，认为输入放大器的仅仅是信号的“输入载波功率”。此时这个放大器自身的“噪声功率”只有两项：由于器件中电子不规则热运动而产生的“基础热噪声”和因放大器放大而“增加的噪声”。

1.1有线电视基础理论（2）载噪比的计算这样，单个放大器C/N指标的计算式就是：C/N单＝10lg［输入载波功率/放大器的噪声功率］

＝10lg［输入载波功率/（增加的噪声＋基础热噪声）］

＝10lg输入载波功率－10lg增加的噪声－10lg基础热噪声

1.1有线电视基础理论（2）载噪比的计算

由于“10lg输入载波功率”就是放大器的“输入电平”（代号Si，单位dB），“10lg增加的噪声”就是放大器的“噪声系数”（代号NF，单位dB）,“10lg基础热噪声”按我国的电视制式换算出来的数值是2.4dB（20℃）。因此，前面的算式就成为：（C/N）单＝输入电平Si－噪声系数NF－2.4，即：（C/N）单＝Si－NF－2.4（dB）…………（1）

1.1有线电视基础理论（2）载噪比的计算

（1）式就是单个放大器C/N指标基本计算公式。从这个算式中可以看出，放大器的输入电平Si提高（降低）1dB，其C/N指标随之提高（降低）1dB，是1比1的正相关。

当放大器级（串）联使用时，前级放大器将信号输给下级放大器的同时，必然会将噪声一起输进去，不可能“仅仅是信号的输入载波功率”，因此后级放大器输出的噪声中必然还包含其前面所有器件所产生的噪声，所以此时的载噪比就要进行“级联累加”计算。

1.1有线电视基础理论（2）载噪比的计算当n台放大器级联使用，而它们的输入电平Si、噪声系数NF都相同时，其总载噪比（即最后一级放大器输出信号的载噪比）（C/N）总可由下式算出：（C/N）总＝Si－NF－2.4－10lgn（dB）…………（2）（2）式说明，放大器级联数愈多，C/N指标愈差。

1.1有线电视基础理论（2）载噪比的计算当两只放大器级联时，C/N指标降低3dB（10lg2＝3）；当3只放大器级联时，C/N指标降低4.8dB（10lg3＝4.8）；当10只放大器级联时，C/N指标降低10dB（10lg10＝10），等等。单台放大器在实际运行时的C/N指由下式算出：C/N＝So－G－NF－2.4…………（3）

（3）式说明，放大器的输出电平So高，C/N指标也高（但失真指标低了）；如果两台增益G高、低不同的放大器输出电平So相同，那么增益高的放大器的C/N指标低些。因此，放大器在实际的运用中，实际调试的输出电平So，要和放大器的标称输出电平Sa(=72+G)尽量相近，不能远低于Sa，否则，C/N指标就太低了。要做到这点，放大器的间距要认真设计。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

有线电视三大技术指标详解一个有线电视网络系统性能的好坏，我们通常都用载噪比（C/N）、组合三次差拍比（CTB）、组合二次差拍比（CSO）进行衡量。国家广电行业标准（GY/7106-1999）规定：有线电视系统的载噪比≥43dB、组合三次差拍比≥54dB、组合二次差拍比≥54dB。那末这三大指标的含义是什么？在这里向大家逐一介绍。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

一、载噪比定义：在系统的指定点，图象或伴音载波电平与噪波电平之比（用dB表示）。

噪声是一切干扰信号的泛指，它的存在影响着有用信号的清晰度。在有线电视系统中的噪声主要是热噪声。在日常，我们打开电视机，不输入任何信号，我们会看到屏幕上布满了无规则的黑白点，即所谓的“雪花”点，这些“雪花”点就是噪声在电视屏幕上的反映。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

有线电视的噪声主要是由热噪声和散粒噪声所组成。热噪声主要是由导电体内部的自由电子无规则的热运动所产生的，噪声功率的大少和工作频率、工作带宽、工作温度有关，我国电视制式的视频带宽是5.75MHZ，在常温下所产生的噪声功率是2.4dbμV。散粒噪声则是由放大器等有源器件内的半导体所产生的。这些噪声不论有无信号，它总是存在并具有起伏特性。在图象上表现为“雪花”干扰，是难以抑制的。图象的清晰度将随着噪声电平的增加而下降，为了衡量CATV系统的接收质量，所以用载噪比来定量描述它。它的数学表达式是：C/N=10*lg（载波功率/噪声功率），单位是dB。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算在CATV系统中，用户端的功率是前端的热噪声加网络中所有串接的放大器自身所产生的噪声之和，放大器是一个有源器件，其内部是由晶体管、电阻等电子器件组成，所以每个放大器自身也必会产生噪声，放大器在对信号进行放大的同时也将噪声叠加到输出端，这样，输出端的信号载噪比必然比输入端的信号载噪比低。为此，我们就用输入载噪比和输出载噪比的比值来衡量放大器的噪声指标，定义为噪声系数，用F来表示，这个系数通常都由生产厂家提供。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

根据以上所述，一条由多个放大器串接而成的CATV电缆网络，后一级放大器的输入载噪比肯定比前一级放大器输入载噪比低，这就是为什么在有些CATV系统中，为保证载噪比的指标，越后级的放大器的输入电平要求就越高的原因。多级同一型号放大器串接链路载噪比的计算公式是：C/N=Vi-F-10lgn-2.4（dB）

Vi为输入电平；F为放大器的噪声系数；n是串接的放大器级数；2.4是常温下的热噪声功率。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

二、CATV系统的非线性失真在整个CATV网络系统中，使用了大量的有源器件，如电缆放大器、光收发机等，这些有源器件都会产生非线性失真，这些非线性失真的结果会在系统上产生很多新的频率分量，称之为产物。如果这些产物落在播出频道带内，就会对这些频道的图象产生干扰，如图象拉丝、网纹干扰、“雨刷”干扰、“串象”等，根据对图象的干扰表现方式，非线性失真可分为交扰调制干扰（又称交调失真）和相互调制干扰（又称互调失真）两类。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算所谓交扰调制干扰是当CATV系统同时传送两个载频不同的调幅波时，通过系统的有源器件会使这两个射频信号相互作用而使电视机通带内的有用信号受到通带外的干扰信号的调制而形成的干扰。其特点是：1）当收到有用信号时，才出现干扰，有用信号消失则干扰信号也消失；

2）干扰信号远大于有用信号时，会造成“阻塞”（此时电视机看不到任何图象）；3）干扰频率与信号频率的间隔可以是任意的。4）只有调幅信号才会产生交调干扰；5）当两个以上的输入信号之一的幅度大到足以使放大器工作到饱和状态时就可能产生交调干扰。所以，交调干扰的大小，反映了放大器处理信号的线性能力（即放大器的动态范围）。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

所谓相互干扰或相互调制，是由两个以上的频率成分差拍（加或减）后产生新的频率分量，这些新的频率分量和任一输入信号的频率都不同，但当它落在某一输入信号的频带中间就会形成相互干扰。相互干扰在图象上表现为一种网纹干扰。互调干扰和交调干扰一般是同时发生的。任何一个有非线性失真的设备（如放大器），在正常的使用情况下，它的输出电压和输入电压的关系可用下式近似表示：

U0=K1Ui+K2Ui2+K3Ui3（其中K2Ui2称为二阶项，K3Ui3称为三次项）上式中U0是输出电压，Ui是输入电压。现在假设有两个信号A和B同时输入，那末输入信号的表达式：Ui=ACOSω1t+BCOSω2t1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

输出电压：U0=K1(ACOSω1t+BCOSω2t)+k2(ACOSω1t+BCOSω2t)2+K3(ACOSω1t+BCOSω2t)3上式的第一项是我们需要的信号，它将输入信号Ui放大了K1倍。第三项（叫三阶项）K3(ACOSω1t+BCOSω2t)3展开如下：=K3(A3COS3ω1t+B3COS3ω2t+3AB2COS2ω2tCOSω1t+3A2BCOS2ω1tCOSω2t)=K3[3/4A3COSω1t+3/4B3COSω2t+A3/4COS3ω1t+B3/4COS3ω2t+3/4A2BCOS(2ω1±ω2)t+3/4AB2COS(2ω2±ω1)t+3/2AB2COSω1t+3/2A2BCOSω2t]

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

在上式中，含有COS3ω1t和COS3ω2t的项是三次谐波项，称为三次谐波产物。含有（2ω1±ω2）和（2ω2±ω1）的项是差拍项，称为三次差拍产物。这些项都有可能落入正常频道之中形成互调干扰，所以，我们将式中的这些谐波项和差拍项所产生的频率分量落入到正常频道中的那部分产物称为三阶互调产物，这三种产物之和我们称为组合三次差拍，简称CTB。式中的最后两项的频率仍然是基本频率，而不是新产生的频率，所以不属于互调，但是它们的幅度上不但有本频道的电视信号，而且有其它频道的电视信号。如K3*3/2AB2COSω1t项，它是A频道的基本频率ω1，所以在收看A频道时肯定能收到这一项的产物。但是它的幅度上存在B2项，因此出现了B频道信号，造成两个图象同时出现在屏幕上的串象现象。所以这两项为交扰调制干扰项。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

CTB产物的分布是这样的，落入工作频道内的CTB产物中的大部分，一般群集在某一两个特定的频率上，在这两个频率上可以群集几十、几百甚至上千个失真产物。这个特定的频率我们称为CTB的主要群集点频率。在相邻等间隔的那些频道（如DS6—DS12、Z1—Z37）中，图像载频就是这些频道CTB产物的主要群集点频率，在图像载频上群集的CTB数量，中间频道最多，随着频道的升高或降低，都逐渐减少，呈对称或接近对称。在DS1—DS3和DS4、DS5中，CTB的数量较少，分布较为分散。在DS13—DS22中（550MHZ系统），CTB产物主要部分集中在图像载频和+1MHZ两处，这两个频率都是CTB的主要群集点频率。随着频道的升高，图像载频上CTB产物数量是先增加后减少，中间最多，两头减少呈对称。在+1MHZ处，则是逐渐减少的。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算二阶项：K2（ACOSω1t+BCOSω2t）2将此式展开=K2[A2/2+B2/2+A2/2COS2ω1t+B2/2COS2ω2t+ABCOS(ω1±ω2)t]式中A2/2、B2/2是直流项（低频项），可通过电容去滤除，第三、第四项是二次谐波项（称二次谐波产物），第五、六项是差拍项（称差拍产物），总的来看，后面四项都是新产生的频率项，只要它们落入正常频道之内就形成互调干扰。我们将这些频率分量称为二阶互调产物，把这三种产物的总和通称为组合二阶失真，简称CSO。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

550MHZ系统中CSO的分布是：CSO产物只有49.5%落在系统各个工作频道内，比CTB少得多。在相邻等间隔的那些频道（DS6—DS12，Z1—Z37）中，CSO主要分布在离图像载频-0.25MH和+0.25MHZ处；在DS1—DS3中，每个频道的CSO总数较少，且大多分布在离图像载频较远的频率上。在DS4和DS5这两个频道中，+2.75MHZ是整个系统中CSO分布数量最多的群集点。DS13—DS22中,CSO相当集中地分布在+1.25MHZ处，其数量随频道的升高而增加。

1.1有线电视基础理论（3）非线性失真指标C/CSO和C/CTB的计算

现在有线电视系统中采用了推挽式放大器，使得二阶失真大大降低，人们的注意力都集中到CTB上。综上所述，交调是由三阶失真CTB产生的，互调在二阶CSO和三阶CTB失真都能产生。为了定量分析这些失真对系统的影响，引入了组合三次差拍比C/CTB和组合二次差拍比C/CSO两个参数。