智能建筑弱电系统4 CATV系统与卫星电视接收

4CATV系统与卫星电视接收4.1系统概述4.1.1有线电视系统的开展情况有线电视系统是在共用天线电视系统(CommunityAntennaTelevisionSystem,CATV)的根底上开展起来的。4.1.2有线电视系统的根本组成与分类1)根本组成有线电视系统一般可看成是由前端、干线、分配分支3个局部组成，如图4.1所示。图4.1组成系统的3个局部(1)前端局部前端又可分为信号源和信号处理两个局部。前端局部的主要作用是：①为系统提供各种源信号，以满足用户的需要。②对信号源提供的信号进行必要的处理和控制，以输出高质量的信号给传输干线局部。③将各路处理好的信号用混合器混合成一路，以频分复用的方式送给干线传输。前端信号处理局部是整个系统的核心，是保证系统具有高质量指标的关键，因此应尽可能选择高标准设备，并进行精心设计和调试。(2)干线局部干线就是指连接前端和用户群的传输线路。它的作用是把前端送出的信号尽可能保质保量地传输给用户分配局部。干线使用的传输介质有光缆、同轴电缆和微波。目前，较大的有线电视系统均用光缆作干线。假设干线采用光缆，其主要设备有：光发送机、光分路器、光中继器、光接收机等；假设干线采用同轴电缆，其主要设备有：干线放大器、均衡器等；假设干线采用微波，其主要设备有：微波发射机、微波接收机等。(3)分配分支局部分配分支局部的作用是把干线传来的信号尽量不失真地分送给用户群的各个用户。分配分支局部用的主要设备有：分配放大器、线路放大器、分配器、分支器、用户终端盒等。CATV系统的根本组成示意图如图4.2所示。图4.2CATV系统的根本组成2)系统的分类(1)按最高工作频率分类可以分为450MHz邻频传输系统、550MHz邻频传输系统以及750MHz邻频传输系统。目前主要采用750MHz邻频传输系统。(2)按系统规模分类可分为如表4.1所列的几种类型。(3)按不同传输介质分类全同轴电缆系统光缆与同轴电缆相结合的系统微波和同轴电缆相结合的系统全光缆系统(4)按信号传输方向分类单向系统双向系统4.2电视信号的传播4.2.1无线电波的根本知识1)无线电波的频段划分电磁波是电场和磁场反复交替变化形成的。电磁波的频率范围非常宽，通常将频率在3×105MHz以下的电磁波称为电波，频率在3×105MHz以上的电磁波称为光波。因为电波以前大多是以无线的方式传播，所以电波又称为无线电波。电磁波按频率从低到高顺序排列它包括：无线电波、红外线、可见光波、X射线、γ射线等。通常将无线电波划分为许多不同的波段(频段)，如表4.2所示。地面电视信号属于甚高频(VHF)和特高频(UHF)频段，而卫星电视信号属于超高频(SHF)频段。2)无线电波的传播方式无线电波有一些和光波类似的根本传播特性。不同波长的无线电波，其传播途径也不一样，下面分别介绍。(1)地面波传播(2)天波传播(3)空间波传播(4)宇宙空间波传播无线电波的4种传播方式如图4.3所示。图4.3无线电波的4种传播方式3)无线电波的极化与极化匹配(1)极化为了提高传输效果，一般要对无线电波的传播模式进行控制或预置。对无线电波电场矢量的方向、大小进行的控制称为无线电波的极化。电波电场矢量的方向、大小随时间变化的方式，叫做极化方式。无线电波的极化方式一般有3种：线极化、圆极化、椭圆极化。(2)极化匹配在接收无线电波时，接收天线的类型和架设形式必须与电波的极化方式相适应，才能获得最大功率接收，这称为极化匹配，否那么称为极化失配。失配时，将大大降低接收效果，甚至收不到信号电波。4.2.2视频信号与射频信号1)视频信号电视摄像机直接输出的信号就是视频信号(Vidio)。因为视频信号是代表图像内容的电信号，所以也称其为图像信号。音频信号的频率成分主要集中在20Hz～20kHz的频率范围内，视频信号的频率成分主要集中在25Hz～6MHz的频率范围内，通常都记为0～6MHz。每一个信号的频率成分都主要集中在某一段频率范围内，这个范围称为信号的频带，范围的大小称为信号的频带宽度，简称频宽或带宽。视频信号又常称为视频基带信号，或视频基频信号。2)射频信号3)电视射频信号的频谱图4.2.3射频信号的传播方式1)无线传播电视射频信号电流馈送到发射天线后，它将以无线电波的形式向空间辐射。在电波的有效辐射范围内，架设接收天线，就可以将电波转变为高频电流，从而实现电视信号的接收。我们，电视信号是以空间直射波方式传播的。因为地面是球面，加上天线高度有限，所以，直线传播的电视信号必然会被限制在最大视距以内。根据地球半径和发射、接收天线高度可以计算出最大视距。如图4.9所示，发射、接收天线高度分别为ht、hr，地球半径为R0，由图看出：图4.9最大视线距离因为大气是非均匀介质，大气对无线电波的折射系数也随高度增加而减小。所以，电视电波实际在空间传播时并不是沿着直线传播，而是沿着向下弯曲的曲线路径传播的，故其实际传播的最大距离比(4.1)式算出的最大视距远，根据理论分析和推导的结果，工程上常用下式来计算最大传播距离。例4.1电视台的发射天线高为100m，某CATV系统接收天线架设高度为25m，问接收天线离发射天线最远距离能有多远?解由式(4.2)知假设把接收天线增加到49m的高度，那么最远距离为2)有线传播在CATV系统中，是把电视射频信号馈送到线缆中进行传输。目前CATV用的线缆，一般为同轴电缆和光缆。CATV系统的干线一般使用光缆，在光缆干线中，是用电视射频信号去调制光波，让光波“携带〞它在光纤中传输。4.3CATV系统常用的设备和器材CATV系统常用的设备和器材很多，通常用两种方法将它们进行分类：第一种是按使用场合来分，分为前端用的设备和器材，传输分配系统用的设备和器材；第二种是按有源和无源来分，分为有源设备器材和无源设备器件。4.3.1接收天线与同轴电缆1)接收天线电视接收天线的种类很多，按工作频段来分有单频道天线、宽频带天线，宽频带天线中又分有VHF段天线和UHF段天线等。目前CATV系统中用得最多的是单频道八木天线。八木天线，又称多单元引向天线。(1)八木天线的结构八木天线的结构如图4.10所示。(2)八木天线的工作原理以三单元天线为例(如图4.11(a)所示)。图4.10八木天线的结构图4.10八木天线的结构图4.11八木天线的工作原理引向器的作用是：从天线前方来的电波先到达引向器，后到达有源振子。反射器的作用是：电波从有源振子到反射器又多走了λ/4的行程，所以反射器上产生的感应电势eC滞后eA90°，如图4.11(c)。(3)八木天线的主要性能参数与特性方向性输入阻抗增益2)同轴电缆目前，对于传输距离约小于1km的CATV分配系统来说，电视信号的传输主要是用射频同轴电缆。射频同轴电缆，简称同轴电缆。同轴电缆是实际工程中经常接触的传输线。传输线又常称为馈线。图4.13同轴电缆的结构(1)同轴电缆的结构同轴电缆的结构如图4.13所示，它由内导体、绝缘层、外导体、护套4个局部组成。内导体绝缘层外导体护套(2)同轴电缆的种类实芯同轴电缆藕芯同轴电缆物理高发泡同轴电缆(3)同轴电缆的型号我国同轴电缆命名型号的主要组成局部如下：例如：SYKV-75-5又如：SDGFV-75-7(4)同轴电缆的根本性能参数①特性阻抗在均匀传输线上任意一点的入射波电压与电流的比值是一个常数，这个常数称为传输线的特性阻抗。同轴电缆是均匀传输线，根据传输线理论知道，其特性阻抗值为有3种常用的不同特性阻抗值的同轴电缆，这3种电缆的特性阻抗值为50Ω、75Ω、100Ω，但在CATV系统中一般都使用特性阻抗为75Ω的同轴电缆。②衰减常数衰减常数是指单位长度的衰减量，常用β表示，衰减量的单位为dB。同轴射频电缆当传输的信号频率在VHF、UHF频段时，其衰减常数可用(4.4)式近似表示。由(4.4)式可见，在同轴电缆结构一定的情况下，其衰减量与频率的平方根成正比。图4.14是几种型号同轴电缆的衰减频率特性曲线。图4.14同轴电缆的衰减频率特性在实际工作中，(4.4)式很少用到。通常是由电缆生产厂家将其产品在几个特定频率下进行测量，把测得的衰减常数和频率值一起列于产品说明书中。这样，可根据说明书中的数据，计算出同轴电缆在任一频率下的衰减值，这时常用下面的公式：例4.2查表4.3知SDGFV-75-7同轴电缆在信号频率为30MHz和800MHz时的衰减常数分别为2.08dB/hm和11.5dB/hm。假设将该电缆用于750MCATV系统，求：200m长的此电缆对最低频道和最高频道信号的损耗各为多少?解750MCATV系统，最低频道为1频道，最高频道为42频道，现将1频道频率以50MHz计算，42频道频率以750MHz计算。先计算50MHz时的衰减常数，据式(4.5)有因30MHz和800MHz相比与50MHz更接近，所以f1取30MHz准确得多。将f1=30MHz，β1=2.08dB/hm，f2=50MHz代入上式得再计算750MHz时的衰减常数。因为800MHz和750MHz很接近，所以，近似认为750MHz时的衰减常数和800MHz时相等，即故，200m长的该电缆对1频道信号的损耗为对42频道信号的损耗为可见，同样一段电缆对上下频道信号的损耗有明显差异，电缆越长，它对上下频道信号的损耗相差也越大，这样，上下频道信号经电缆传输后电平相差也会越大。假设将这样的信号直接输入放大器、电视机等设备，高频道和低频道信号电平很难同时满足要求，容易产生非性线失真。这时，就需要采用加斜率均衡器，或加具有斜率均衡功能的放大器等进行校正和补偿。从图4.14还可看出，同一类型的同轴电缆，外径越大，衰减越小。③温度系数电缆对信号的损耗除了和其结构以及传输信号的频率有关外，还与其周围的环境温度有关，温度越高，电缆损耗越大，温度越低，损耗越小，这种现象称为电缆损耗的温度特性。电缆损耗的温度特性用温度系数来表征。例4.3在例4.2中，常温(20℃)下，42频道信号在200mSDGFV-75-7电缆中传输时将衰减23dB，假设电缆在环境温度为50℃时工作，试计算衰减量变为多少?解如果电缆温度系数以0.15%/℃计算，那么可求出温度升高后衰减量为由此可见，在传输距离不长时，电缆损耗随温度增减的变化量不大。但当传输距离很长时，其变化量就较大了，这时需要慎重考虑它的影响。④同轴电缆与系统中设备和器件的匹配连接平衡信号源：假设信号源两极对地电压大小相等，相位相反，那么为平衡信号源；否那么为不平衡信号源。平衡负载、平衡馈线：假设负载两端、馈线两导体对地阻抗相同，那么为平衡负载或平衡馈线；否那么为不平衡负载或不平衡馈线。信号源与馈线匹配的条件是：信号源内阻等于馈线的特性阻抗，并且二者平衡性一致。馈线与负载匹配的条件是：馈线的特性阻抗等于负载阻抗，并且二者平衡性一致。如果信号源与馈线，馈线与负载不匹配，那么必须经过变换使之匹配后才能连接，否那么就不能做到最大功率传输，会出现信号反射等情况。由八木天线的对称结构可看出，它的两个端点对地阻抗相同，因此，八木天线是平衡负载。并且，八木天线的输入阻抗为300Ω，即馈线的负载阻抗为300Ω。由此可见，八木天线与同轴电缆不匹配，它们的平衡性不一致，阻抗也不相同。为实现二者的匹配连接，必须进行变换，目前，一般均用传输线变压器式变换器。传输线变压器式变换器的结构如图4.15(a)所示。其等效电路如图4.15(d)所示。图4.15变压器式阻抗变换器4.3.2前端常用的设备和器件1)CATV前端的组成形式覆盖一个城市的CATV系统属于大型系统，其前端除了一般的设备和器件外，它还有摄像机、录放像机、VCD机、DVD机、节目编辑机、节目切换台、电子特技机、电影电视转换机，以及光发送机、光接收机等等。常见中小型CATV系统的前端组成如图4.32所示。2)天线放大器(1)放大器的主要性能参数放大器的工作频带有时也称为频率范围。放大器输出信号的幅度一般均会随信号频率的变化而变化，它们二者之间的关系就是放大器的幅频特性。放大器的幅频特性一般可用图4.16来表示。图4.16放大器的幅频特性当信号幅度下降一定数值(通常规定为3dB)时，与其相对应的低频端和高频端频率，分别称为该放大器的下限频率和上限频率(图中用fL和fH表示)。下、上限频率之间的频率范围，称为放大器的工作频带。频率范围的大小称为放大器的工作频带宽度，简称带宽，带宽常用B表示，由图4.16看出，B=fH-fL。②增益放大器的输出电压与输入电压的比值称为放大器的电压放大倍数，电压放大倍数用分贝表示，习惯上又称为电压增益，常用GU表示。放大器的输出信号电平减去输入信号电平就等于其增益，即CATV系统中用的放大器的增益一般为20～40dB。③增益控制范围和增益带内平坦度增益控制范围就是指从最大增益到最小增益的调整范围。CATV系统中使用的放大器的增益带内平坦度一般在几dB范围之内。④最大输出电平和额定输出电平最大输出电平就是指在保证放大器输出信号不失真的前提下，放大器输出的最大电平。额定输出电平就是指放大器的主要性能参数到达最正确值时的输出电平。生产厂家常将额定输出电平写为标称输出电平或工作输出电平，也是其推荐使用的电平。CATV系统中使用的放大器的最大输出电平一般在110～130dBμV之间，额定输出电平一般在90～110dBμV之间。⑤噪声系数噪声是各种杂波信号的统称。放大器的噪声系数是衡量其产生噪声大小的参数，其单位为dB。天线放大器的噪声系数一般小于4dB，其他放大器一般小于8dB。⑥非线性失真性能参数非线性失真性能参数，是表征放大器发生干扰的程度。非线性失真性能参数的单位也为dB，其值大，说明这种干扰小，反之那么说明干扰大。⑦供电电压、载波交流声比以及反射损耗采用分散供电方式的放大器一般直接接入220V电源，采用同轴电缆集中供电方式的放大器一般是由电源供给器供电，其电压一般为60V。放大器内部再将交流电变为低压直流电。载波交流声比参数是用来衡量放大器中的电视信号受干扰的程度，它的单位也为dB。载波交流声比大，说明电视信号受交流声干扰程度轻，反之那么说明受干扰程度重。CATV系统中的放大器的载波交流声比参数一般都在60dB以上。CATV系统中的放大器的输入、输出阻抗不可能和连接馈线的特性阻抗完全匹配，这样，电视信号在其输入、输出端就会出现一定量的反射，反射损耗就是衡量反射波大小的参数，单位也为dB。放大器的反射损耗值大，反射波就小，说明匹配程度高；反之那么反射波大，说明匹配程度低。CATV系统中前端用的放大器的反射损耗参数一般在10dB以上，传输分配系统用的放大器的反射损耗参数一般在15dB以上。(2)天线放大器天线放大器分为两种，一种是单频道型天线放大器，另一种是宽频带型天线放大器。单频道型天线放大器，只放大单一频道的电视信号，其工作频带与电视信号的频带一致，带宽为8MHz。宽频带天线放大器一般为分频段式的，如VHF(L)频段(1～5频道)天放，VHF(H)频段(6～12频道)天放，UHF频段(450～800MHz)天放等。天线放大器要和接收天线配合使用。因为天放是信号的第一级放大器，所以要求其噪声系数要小，而且增益要高，天放的噪声系数一般在2～4dB之间，增益在30dB左右。它的工作电源是由设置在前端室内的天放供电电源提供的，供电电源将交流220V电压降压整流为低压直流电，通过电视信号引下线向天放供电。3)频道处理器频道处理器原理方框图如图4.17所示。图4.17频道处理器原理方框图频道处理器有以下特点：①由于中频频率较低，容易对信号进行放大，以及各种控制和处理。②图像和伴音电平可以分别调整，在邻频道使用中，一般调整为伴音电平比图像电平低17dB左右，以防止下邻频道的伴音对上邻频道图像的干扰。频道处理器的最大输出信号电平值一般在115dBμV以上，并可以在一定范围内调节。频道处理器的性能参数要求见表4.4。4)电视调制器电视调制器的作用是将视频信号和伴音信号调制成射频信号。调制器也是有源设备，它通常分为直接调制式与中频调制式两类。目前使用的调制器一般为中频调制式的。中频调制式调制器的原理方框图如图4.18所示。调制器输出的信号电平最大值一般在120dBμV左右，并可在一定范围内调节。图4.18中频调制方式电视调制器方框图5)滤波器滤波器的作用是让一些频率成分的有用信号能最大限度地通过，而对其他频率成分的无用信号进行最大限度地抑制，使其通不过。滤波器分为有源和无源两类，在CATV系统中使用的滤波器大都是无源的。图4.19L、C组成的滤波器图4.19是用L、C元件组成的一个滤波器电路图。滤波器在一定的频率范围内对信号的衰减很小，使得信号很容易通过，这个频率范围称为滤波器的通带。频率范围的大小，即为带宽。在其他频率范围内，滤波器对信号的衰减〔或反射〕很大，使信号不能通过，这些频率范围称为滤波器的阻带。根据通带的范围，滤波器又常分为3种类型，即：低通型、高通型和带通型。其中，用得最多的是带通型滤波器。一个带通滤波器的理想衰减频率特性和实际衰减频率特性如图4.20所示。图4.20带通滤波器的理想和实际衰减频率特性CATV系统中通常使用带宽为8MHz的带通滤波器，其通带和相应的电视频道频率相一致。滤波器的主要性能参数有插入损耗、带外衰减和带内平坦度等。通过信号的输入电平减去输出电平就等于滤波器的插入损耗，即滤波器的插入损耗越小越好，其值一般在4dB以内。带外衰减是指滤波器对通带以外信号的损耗程度，滤波器的带外衰减越大越好，其值一般在25dB以上。6)混合器混合器就是一个将多路电视信号混合成一路输出的装置。混合器也分为有源与无源两类，目前的CATV系统大多使用无源混合器。混合器从原理上又可分为滤波器式和宽带变压器式两种。滤波器式混合器主要优点是插入损耗小，主要缺点是生产调试困难。图4.21(a)是VHF和UHF信号混合器电路图。宽带变压器式混合器结构简单，本钱低廉，输入端隔离度高。图4.21混合器的电原理图图4.21混合器的电原理图图4.21(b)是一个四路宽带变压器式混合器的电原理图。混合器的主要性能参数有插入损耗、带内平坦度、输入端相互隔离等。插入损耗〔简称插损〕指混合器对输入信号的损耗，习惯用L表示，单位为dB。某一路输入信号电平减去输出中这路信号的电平就等于插入损耗，即4.3.3传输与分配系统的设备和器件1)干线放大器干线放大器简称干放，其作用主要是放大干线上的电视信号，以补偿信号在电缆中的衰减。干放的标称增益一般为28dB左右，标称输出电平一般为98dB左右。图4.22为具有AGC功能干放的组成方框图。图4.22AGC干线放大器组成方框图2)线路放大器线路放大器又简称线放，一般用于CATV系统的支线，或作用户分配放大器，以提升信号的电平，使其满足分配、传输的要求。为了满足分配系统用户电平到达要求，以及补偿分配器、分支器的损耗，它的增益、输出电平等参数值一般都要高于干放，而非线性参数值那么略低于干放。线放既可采用集中供电方式供电，也可采用交流市电分散供电。3)衰减器和均衡器(1)衰减器衰减器是由含有电阻、电容的π型和T型电路组成，是无源器件。它的主要参数有衰减量、频率范围等。衰减量的单位是dB。衰减器有固定式和可调式两种。衰减器的符号为(2)均衡器均衡器是一个衰减量随频率升高而降低的衰减器。在工程中，通常将均衡器和具有平坦幅频特性的放大器结合使用，将其接在放大器的前面。均衡器的电原理图如图4.23(a)所示。图4.23均衡器电原理图及其衰减频率特性图4.23均衡器电原理图及其衰减频率特性电缆和均衡器的衰减频率特性分别如图4.23(b)，(c)所示。均衡器的主要性能参数有均衡量、频率范围和插入损耗等。频率范围是指均衡器能均衡工作的频率范围。均衡量是指均衡器对频率范围下限频率信号的衰减量与上限频率信号的衰减量之差。均衡量的单位为dB。插入损耗〔简称插损〕是指均衡器对上限频率信号的衰减量，单位为dB。均衡器对下限频率信号的衰减量就等于均衡量加上插入损耗。均衡器有均衡量固定式和可调式两种。4)电源供给器电源供给器的工作原理是：它通过变压器将220V交流电降为60V交流电，然后通过扼流电感送入同轴电缆中。电源供给器一般设置在前端或干线中间的位置，从前端输出电流向放大器供电，或从干线中间向前后两边的放大器供电。其输出的交流电压一般为60V。5)分配器和分支器(1)分配器分配器功能是将输入端口的电视信号平均分配到各个输出端口。分配器有二分配器、三分配器、四分配器等。图4.24(a)是二、三分配器的电原理图。图4.24分配器、分支器电原理图图4.24分配器、分支器电原理图分配器的主要性能参数有分配损耗、输出端相互隔离等。分配损耗是指电视信号从输入端到输出端的减少量。分配损耗的单位为dB。输入端信号电平减去输出端信号电平就等于分配损耗，即(2)分支器分支器的作用是从电缆线路上取出一局部信号给分支输出端输出。分支器分为一分支器、二分支器、四分支器等。图4.24(b)是一、二分支器的电原理图。分支器的输入端常称为主路输入端，被取出的一局部信号的输出端口称为分支输出端，其余信号沿原线路输出的端口称为主路输出端。分支器的分支输出一般都送入用户电视机。分支器的主要性能参数有分支损耗、插入损耗、相互隔离、反向隔离等。分支损耗是指电视信号从主路输入端到分支输出端的衰减量。分支损耗的单位为dB。主路输入信号电平减去分支输出信号电平就等于分支损耗，即插入损耗是指电视信号从主路输入端到主路输出端的衰减量，其单位为dB。主路输入信号电平减去主路输出信号电平就等于插入损耗，即分支器的相互隔离，是指分支输出端之间的隔离程度，其单位为dB，相互隔离值越大，那么各分支输出端之间的影响就越小。反向隔离是指分支输出端对主路输出端的隔离程度，单位为dB，反向隔离值越大，那么分支输出端对主路输出端的影响就越小。分支器的分支输出端可以空出，但分支器的主路输出端不接其他器件时那么不能空出，而应接75Ω匹配电阻。6)用户终端盒与分支串接单元(1)用户终端盒用户终端盒是CATV系统和电视机或其他用户终端设备之间的接口。用户终端盒分为单孔和双孔两种。(2)分支串接单元4.4CATV系统的设计与计算4.4.1系统设计的依据1)应遵循的根本原那么在有光缆传输的系统中，因为组合二次差拍干扰也比较突出，一般还要求单独计算载波组合二次差拍比，使其到达要求。工程实际中一般要求这个参数≥53dB。系统的非线性失真参数也主要取决于系统内放大器的非线性失真参数的大小。而放大器的非线性失真参数首先取决于其本身的性能，此外，还和放大器的工作状态有关。如果放大器输出信号电平越低，输入各频道信号电平相差越小，非线性失真参数就越大；反之，那么越小。由此可见，载噪比和非线性失真参数这二者对信号电平来说是矛盾的，寻求到一个信号电平的最正确值，使这二者均能满足要求，是系统设计的主要任务之一。4.4.2系统设计及计算的根底1)分贝的定义及其在CATV中的应用两个功率之比的常用对数被定义为贝尔(bel)数，即分贝(dB)是贝尔这一单位的1/10，即分贝数是贝尔数的10倍，所以有因为分贝单位在表示、计算上有很多优点，所以在CATV中各种设备、器材的性能参数，系统的各项指标等一般均用分贝数给出。CATV系统中，电视信号在传输前后的相对关系一般均用分贝表示。如图4.25所示，设信号经过一个设备(器材)传输，信号的输入功率、输入电压、输入电阻分别为Pi、Ui、Ri，输出功率、输出电压、输出电阻、负载电阻分别为Po、Uo、Ro、RL，那么设备(器材)的功率放大倍数为图4.25电视信号传输前后的关系用分贝数来表示功率放大量为电压放大倍数为在CATV系统中，各个设备、器材的输入输出电阻，负载电阻以及电缆的特性阻抗(Rc)均为75Ω，即那么，功率增益GP可写为而人们定义设备(器材)的电压增益分贝数为：即在CATV系统中，设备的电压增益与功率增益的分贝数相等。所以用分贝来表示功率比、电压比等称为分贝的相对表示。CATV系统中任意一点的电压或功率值，与1μV或1mW等标准单位电压或功率相比，所计算出的分贝数叫分贝的绝对表示，其单位记为dBμV、dBmW等。例如，系统中某点电压为Uo=10μV或1mV，当用1μV作比较标准时，那么该点的电压电平为或又如，系统中某点的功率为Po=100mW或1W，当用1mW作比较标准时，那么该点的功率电平(在CATV信号的光缆传输及卫星电视中，常用功率电平)为或电压增益又可写为〔4.6〕上式说明电压增益等于信号的输出电平减去输入电平。我们常利用(4.6)式计算输出电平，即从(4.6)式中可看出：假设即KU＞1，那么GU＞0，说明信号被放大，有增益。假设即KU＜1，那么GU＜0，说明信号被缩小，有衰减或设备(器材)有损耗。假设即KU=1，那么GU=0，那么说明信号传输前后电压相等，是零增益或零衰减。人们为了用正数表示损耗，损耗被定义为同样，损耗又可写为我们也常用上式计算输出电平，即可见在CATV系统中，电视信号要经过很多设备和器材传输，但只有两种情况发生：增益或衰减。如图4.26所示，设信号经过n个设备(器材)传输，输入电压为Ui，输出电压为Uo，设备(器材)的电压放大倍数和电压增益分别用KU和GU表示，那么有图4.26信号经过n个设备(器材)传输此式说明总增益等于各台设备(器材)的增益与衰减的代数和。(4.7)同理可推出下式2)载噪比与噪声系数(1)载噪比载噪比常用C/N来表示，其定义为：用分贝表示为载噪比越大，电视图像质量越好。国际上一般将电视图像质量划分为5个等级，每个等级与系统载噪比的对应值如表4.10所示。我国标准规定CATV系统的图像质量必须到达4级以上，这样，系统的载噪比必须≥43dB。(2)噪声系数噪声系数就是衡量设备产生的噪声大小的参数。常用F表示，其定义是设备输入端信号的载噪比与输出端的载噪比的比值，即噪声系数也常用分贝表示，并习惯写为NF。3)一台放大器载噪比的计算如图4.29所示，设放大器的功率放大倍数和噪声系数分别为Kp和F，其输入为一带热噪声的信号，等效电路如图中所示，es，en分别为等效信号源和热噪声源，信号源内阻为75Ω，放大器处于匹配工作状态，输入电阻为Ri=75Ω，负载电阻RL=75Ω。设Psi和Pni为输入信号功率和噪声功率，Pso和Pno为输出信号功率和噪声功率，Ui为输入信号电压，由图看出：图4.29一台放大器载噪比的计算因为所以而故，放大器输出信号的载噪比为上式两边取对数得根据噪声理论知道，常温下热噪声电势en=2.64μV，那么上式可写为〔4.9〕4)多台放大器级联时载噪比的计算如图4.30所示，我们先不考虑前级放大器产生的噪声，假设每台放大器输入的信号只带有热噪声，利用(4.9)式计算出每台放大器的载噪比，然后再考虑把每台放大器的载噪比叠加起来，即可得到级联后总的载噪比。图4.30多台放大器级联时的载噪比计算上式可写为用此式直接算出的载噪比是分贝数，将上式进行变换，把上式写为两边取对数得因为所以代入上式得这就是常用的总载噪比叠加计算公式。多台放大器级联后的总噪声系数用下式计算式中，F1～Fn为各台放大器的噪声系数(倍数)，KP1～KPn-1为前面n-1台放大器的功率放大倍数。从公式看出，对放大器级联的总噪声系数来说，第一级起决定性作用，如果第一级放大器的噪声系数小，增益高，那么总噪声系数就小。所以天线放大器的噪声系数越小、增益越高越好。5)载噪比指标的分配根据(4.10)式可推出CATV系统载噪比指标分配的计算公式。将前端、干线、分配系统分别看作一台放大器设备，整个系统由这三者级联而成，那么有通常是按预定的比例来分配系统的总指标，例如，某CATV系统的前端分配系统总载噪比的，这时，其实是分配总噪载比的给前端(分配的是噪声)，即两边取倒数得可见，此时前端载噪比必须是总载噪比的4倍。一般情况是，设系统某一局部分配总载噪比的比例为q，(C/N)x为其分配的载噪比值，那么有：为将上式变为载噪比用分贝表示，把等式两边取对数得那么(4.12)式为常用的系统总载噪比分配的计算公式。6)非线性失真参数的计算(1)几个主要的非线性失真参数①载波组合三次差拍比所以有载波组合三次差拍比采用C/CTB表示，但习惯上大都写为CTB。该参数用于衡量电视信号受组合三次差拍分量干扰的程度。载波组合三次差拍比的定义是CTB值越大，说明组合三次差拍电压相对越小，电视信号受干扰程度越轻，图像质量越好。目前CATV系统传输的电视频道数较多，一般都在35个以上。这时，组合三次差拍干扰尤为突出，所以在系统设计时，CTB是非线性失真参数中主要考虑的对象。并且，只要CTB到达指标要求，其他参数一般也能到达指标要求。CSO越大，说明组合二次差拍电压相对越小，电视信号受干扰程度越轻，图像质量越好。在工程实际中一般要求CSO≥53dB。③交扰调制比交扰调制比简称交调比，用CM表示。该参数用于衡量电视信号受交扰调制干扰的程度。交调比的定义是交调比越大，说明其他频道转移来的调制电压相对越小，电视信号受干扰的程度越轻，图像质量越好。——厂家测试时放大器的输出电平(一般就是标称输出电平)；——测试时输入放大器的频道数；——放大器实际工作时的输出电平；——放大器实际传输的频道数；CTB——放大器实际工作时的载波组合三次差拍比。首先进行频道换算。假假设放大器实际传输N个频道时的载波组合三次差拍比为CTB，那么CTB和CTBt之间可用下式换算(推导从略)其次进行电平换算。根据前述载波组合三次差拍比与信号的电平关系有所以因为CM与信号电平的关系与CTB相同，所以同理有由于CSO为考虑二次失真项产生的干扰分量而定义的参数，根据前述载波组合二次差拍比与信号电平的关系，那么有为用分贝表示，变换上式为两边取对数得因为所以〔4.14〕〔4.15〕(4.15)式即为常用的放大器级联时，CTB叠加的计算公式。由于CM与CTB有相同的叠加规律，那么有因为总的载波组合二次差拍比的倒数(倍数)和各台的载波组合二次差拍比的倒数(倍数)是平方叠加的关系，所以推导出(3)非线性失真指标的分配根据(4.14)式可推导出CATV系统载波组合三次差拍比指标分配的计算公式。〔4.16〕同理有而对载波组合二次差拍比指标的分配公式为确定非线性失真参数总指标分配比例的原那么是：使电视信号产生非线性失真多的局部分配比例应较大，反之，应较小，这样才合理。另外，分配比例之和应为1。4.4.3前端的设计1)前端类型根本上可分为两大类型：混合放大型(又称宽放型)和放大混合型(又称频道放大型)。第一种类型是先将各路信号混合成一路，再经过一个放大器(常称主放大器)放大后输出；第二种类型那么是先将各路信号通过各自的频道放大器放大，再经过混合器(无源混合器)混合成一路输出。目前的前端一般为第二种类型。一个典型中小型CATV系统的前端组成形式如图4.32所示。图4.32一个典型中小型CATV系统的前端组成形式2)前端的输出电平及参数计算(1)前端的输出电平假设实际工作时的输出电平为112dBμV，混合器为16路高隔离度无源混合器(能输入15路电视信号和一路导频信号)，其插损通常小于22dB，那么其输出为90dBμV(112-22)。将光接收机接收并经解扰器输出的市有线电视网的信号电平也调整为90dBμV，同时设经解扰器输出信号的载噪比，非线性失真参数等均高于系统前端自己的信号。二混合器的插损一般为3dB，那么前端输出电平为这种类型前端的输出电平一般在86dBμV左右。(2)前端的载噪比对一般的中小型系统而言，因为前端的有源设备相对较少，所以可以将系统载噪比总指标的1/3分配给它。假设系统载噪比总指标以43dB(4级图像质量)要求，那么前端的载噪比应到达的指标值为：对卫星电视信号、自办节目信号以及地面电视信号的解调—调制方式而言，每个频道使用了一个调制器。而对调制器来说，只要输入的V、A信号符合要求，那么其输出射频信号的载噪比一般很高，通常均大于50dB。对于经频道处理器输出的2个频道地面电视信号而言，先看没有加天放这个频道。它从前端输出的载噪比由频道处理器的载噪比决定。设频道处理器的输入电平为，那么其输出载噪比为频道处理器的噪声系数一般小于10dB，现设定为10dB，把上式变换后，并将[C/N]处=47.8dB代入得设天线输出电平为，天线到前端房的电缆长度为30m左右，其损耗约为3dB，那么有所以(3)前端的非线性失真参数因为前端用的调制器、频道处理器等均为频道型设备，其边带抑制通常都在60dB以上，混合器也为高隔离度无源混合器，所以，前端发生频道间交调、互调干扰的可能性很小，其非线性失真参数很大，可以不占系统的总指标。4.4.4传输干线的设计传输干线的作用就是把前端输出的信号不失真地送给用户分配系统。例4.6设某单位的中小型CATV系统，其前端的组成如图4.32所示。市有线电视网送来的频道数为35，系统前端自己接收以及自办节目的频道数为10(混合器多余的输入端接上75Ω匹配电阻，今后扩充频道时再使用)，那么系统总共传输的频道数为45。最低传输频道为1ch，最高为22ch，传输干线系统如图4.33所示。由图看出，系统是典型的树状网络。括弧里的数字为建筑物楼幢号。因为6号楼较高，又处于相对中心位置，系统前端就设于该楼顶层一间专用房间里，抛物面天线和八木天线架设于楼顶。系统设计了900个用户输出端口，总共20幢建筑，分为3个较集中的片区，从前端引出3条传输干线将信号送往这3个区域，

即L1、L2、L3路。楼外干线电缆均穿管暗敷于电缆沟内，楼内电缆均穿管沿墙沿吊顶暗敷，设备、器件均安装于楼内的电视设备箱内。图4.33一个中小型CATV传输干线系统图各楼幢的电平计算如下：从前端送来的信号经四分配器，四分配器分配损耗为7.5/8dB，那么其输出电平为四分配器输出中，一路供6号楼用，另三路分别引向3个片区。对L3路而言，因200m电缆衰减较大，中途接放大器又不便，所以四分配器输出直接加一级放大器A。放大器型号为MW-30E-PD-750，其工作频带为47～750MHz，标称增益为30dB，PD表示为倍功率干放。调整其增益使GA=17dB，那么其输出电平为SDGFV-75-9电缆对1ch和22ch的衰减常数为从放大器A输出经200m电缆到17号楼的电平为上下频道电平相差为92.5dBμV-80dBμV=12.5dBμV。为了减小下一级放大器的非线性失真，应使其输入电平根本一致，所以加一个均衡器。为使均衡器输出电平呈高频端稍高、低频端稍低的倾斜状，选均衡量为15dB的均衡器，型号为JC15/550，其频率范围为45～550MHz(和系统传输的电视信号频率范围根本一致)，插损为1.5dB，那么其输出电平为为抵消温度升降引起的电缆衰减变化，加一级具有AGC功能的干线放大器B，型号为MW-30G-PD-750，使GB=20dB，其输出电平为放大器输出接一个三分配器，分配损耗为6dB，那么其输出电平为三分配器的输出中，一路供17号楼用，另两路到16号和18号楼。从设备箱出来经120m电缆到18号楼的电平为再加一个均衡器，型号为JC9/550，插损为1.5dB，其输出电平为再加一级具有AGC功能的放大器C，型号为MW-30G-PD-750，使Gc=16dB，那么其输出电平为放大器输出接一个四分配器，分配损耗为7.5/8dB，那么其输出电平为四分配器输出中，一路供18号楼用，另外二路送到19号和20号楼，还预留一路供系统扩充用。从设备箱出来经50m电缆到19、20号楼的输出电平为因为进入19、20号楼的电平较低，肯定要加一级放大器，所以为简便起见，传输干线的参数就不单独计算，而同分配系统的放大器一起考虑。4.4.5分配系统的设计分配系统的作用就是把干线送来的信号保质保量地分给每一个用户。分配系统的设计就是根据系统用户的分布情况，确定分配系统的组成形式，以及系统中分配器、分支器的规格和数量，使用户端输出电平在(65±5)dBμV范围之内，并且保证输出信号的载噪比及非线性失真参数等到达相关标准。图4.346层72端用户分配网络分配系统的设计方法主要有两种：一种是顺算法，另一种是倒推法。分配系统的根本组成形式有：分配—分配，分支—分支，分配—分支等。例4.7现设计计算图4.33中19、20号楼的分配系统。这两幢楼是结构相同的18层塔楼式高层住宅楼，每幢楼有两个单元，每单元每层四户，共有144户。现设计计算其中的19号楼。为满足电平分配分支的需要，干线电缆进入楼幢后，加一级增益和输出电平相对较高的线路放大器D，其型号为LF33-6，该放大器标称增益为33dB，标称输出电平为104dBμV。现使GD=16dB，那么其输出电平为图4.3518层住宅楼分配系统因为建筑物较高，假设分支电缆从一层一直到顶层，那么电平一般不能满足要求，为此采用了分段的形式，将18层分为3段，共有6条分支电缆，如图4.35所示。现计算楼顶6层的用户电平。信号由放大器D出来经二分配、三分配器的输出电平为建筑物层高以3m计算，那么从一层到13层的电缆长度为3m×12=36m，考虑还有一些横向走线，现以36m+15m=51m计算。

室内电缆型号为SDGFV-75-7，这种电缆对1ch和22ch的衰减常数为(1)13层的入口电平为：13层选用MW-174-20四分支器(见表4.11所示)，用户引入线设为10m，那么13层用户电平为：(2)14层的入口电平为14层选用MW-174-18四分支器，14层用户电平为(3)15层入口电平为15层选用MW-174-16四分支器，15层用户电平为(4)16层入口电平为16层选用MW-174-14四分支器，16层用户电平为(5)17层入口电平为17层选用MW-174-12四分支器，17层用户电平为(6)18层入口电平为18层选用MW-174-10四分支器，18层用户电平为1～12层用户电平的计算如法炮制。4.4.6干线传输及分配系统性能参数的计算1)载噪比的计算如前所述，对中小型CATV系统，可将载噪比总指标的1/3分配给前端，这时干线传输及分配系统占的比例就为2/3。假设总指标以43dB计，那么传输分配系统载噪比应到达的指标值为由图4.33可见，从前端到19、20楼，干线传输及分配系统总共有A、B、C、D4个放大器，系统的载噪比及非线性失真参数就由这4个级联的放大器决定。现将4个放大器的局部性能参数列于表4.12中，其实际工作状态参数列于表4.13中。由表4.13看出，在输入电平中，除放大器A的1ch输入电平比22ch高0.5dBμV外，其他放大器的1ch输入电平均比22ch低0.8dB以上，应选1ch计算载噪比。根据所以利用(4.11)式，计算出传输分配系统的载噪比为可见，传输分配系统所有频道中，载噪比的最小值为61.9dB。因为61.9dB＞44.8dB，因此传输分配系统载噪比到达要求指标值。前面述及，前端输出的信号中，经频道处理器输出的频道载噪比最小，假设其载噪比方前述刚好到达要求的指标值47.8dB，那么整个系统传输的所有频道信号中，载噪比最小值为：可见，47.6dB＞43dB，到达部标准规定的数值。2)载波组合三次差拍比的计算就CTB参数而言，传输干线及分配系统的CTB值应到达54dB以上。由表4.13看出，在输出电平中，除放大器A的22ch输出电平比1ch低0.5dBμV外，其他放大器的22ch输出电平均比1ch高0.8dB以上，应选22ch计算CTB值。根据(4.13)式可计算出各台放大器实际工作时的CTB值。由所以利用(4.15)式，计算出传输分配系统的CTB值。可见，60.4dB＞54dB，传输干线及分配系统的CTB值到达要求指标，即整个CATV系统的CTB值均能到达要求指标。4.5CATV信号的光纤传输4.5.1光纤与光缆1)光纤光纤是光导纤维的简称，它是一种能够传导光信号的很细的传输介质。光纤一般分为单模光纤和多模光纤2种。图4.36两种类型的光纤2)光缆常用的光缆结构为层绞式和束管式两种。图4.37两种光缆的结构图4.37两种光缆的结构3)光纤的优点光纤传输信号有以下优点：①频带宽。一根光纤(如单模)的工作频带就达1GHz，可以传输所有68个标准电视频道以及增补频道信号。②损耗低。目前所采用光缆的传输损耗一般＜0.3dB/km，而且光缆衰减值几乎不随周围环境温度改变而变化。③光纤体积小重量轻。光纤是用玻璃纤维制成，常用光纤单根外径＜1mm，因此和相同容量的电缆相比，光缆的体积和重量均小和轻得多。④光纤抗电磁干扰的能力强。因为光纤不导电，所以它不受电磁辐射的影响，不需要保护和屏蔽接地，其本身就具有抗雷击和各种工业电磁干扰的能力。⑤和同轴电缆相比，传输信号时的载噪比和非线性失真参数得到大大提高。4.5.2CATV信号的光纤传输光纤只能传导光波，电视信号要用光纤来传输，就要用光波来“携带〞。按照对电视信号的不同处理方法，调制分为模拟调制和数字调制两种方式，其中模拟调制又分为幅度调制和频率调制。(1)幅度调制(AM)幅度调制即调幅—光强度调制方式。这种方式是将各种调幅的射频信号混合起来后直接去调制光源。其优点是简捷和传输容量大。用这种方式的光纤链路一般可传输约30km的距离。(2)频率调制(FM)频率调制即调频—光强度调制方式。这种方式是将各套节目的视频、音频信号对不同频率的载波进行调频，然后将各路调频信号混合起来去调制光源。其优点是接收灵敏度高，传输距离远；缺点是调频制与电视接收制式不兼容，必须经过FM/AM转换，才能将信号送入用户分配系统。另外因为调频信号占有的频带宽，所以可传输的电视频道数少。(3)数字调制数字调制即数字信号—光强度调制方式。这种方式是先将电视信号数字化，然后用数字信号去调制光源。其优点是传输中无噪声累积，没有非线性失真，缺点是数字信号要占用较宽频带。4.5.3光缆传输CATV系统的主要设备及光纤连接光缆传输CATV系统可分为两类：一类是全光缆系统；另一类是光缆与同轴电缆的混合型系统，光纤入户的全光缆系统是开展趋势，但目前常用的是光缆与同轴电缆的混合型系统，这类系统常称为HFC系统。如图4.38所示。图4.38HFC系统HFC中的主要光设备有光发送机、光接收机以及光分路器等。光发送机光发送机的主要组成局部如图4.39(a)所示。光发送机的标称电视射频输入信号电平一般为30dBmV(即90dBμV)左右，其标称光输出功率一般为几毫瓦至十几毫瓦。光接收机光接收机的主要组成局部如图4.39(b)所示。图4.39光发送与接收机组成框图图4.39光发送与接收机组成框图光接收机的标称光输入功率电平一般为-8～0dBmW，其输出电视射频信号电平一般为35dBmV(95dBμV)左右。光分路器光分路器又常称为光耦合器，它与CATV系统中的分配器类似，在光传输过程中，起分配光功率的作用，它可将光信号分成假设干路输出。其工作原理是通过光纤间的光模场(光分布的范围)相互耦合来实现分光。光分路器的主要性能参数有分光比和分光损耗。分光比是光分路器各分路输出功率与输入功率的比值。分光损耗与分配损耗类似，光分路器分配输入光功率，使分路输出功率自然减小，分光损耗一般用dB表示。光纤连接的方法有热接和冷接两种。热接又称永久性连接，即用专门的光纤焊接设备，采用高压电弧放电使光纤熔接在一起。冷接又称连接器连接。4.5.4系统设计计算举例例4.8图4.40为一级光缆路由示意图。从前端向3个用户分配系统(3个光节点)送光信号，选定的光缆平均损耗值为0.4dB/km，3台光接收机型号一样，其标称输入光功率电平为-3dBmW，试确定光发送机的标称输出功率为多少？图4.40一