第5章 电视原理 有线电视系统.ppt

第5章有线电视系统 5 1概述5 2信号接收与信号源5 3前端系统5 4传输系统5 5分配系统5 6用户终端5 7双向有线电视系统5 8付费电视系统 5 1概述 5 1 1基本概念1 定义与分类 1 定义 有线电视系统是采用缆线作为传输媒质来传送电视节目的一种闭路电视系统CCTV ClosedCircuitTelevision 它以有线的方式在电视中心和用户终端之间传递声 像信息 所谓闭路 指的是不向空间辐射电磁波 2 分类 按照用途分 有线电视系统有广播有线电视和专用有线电视 即应用电视 两类 不过 随着技术的发展 这两种有线电视的界限已不十分明显 有逐渐融和交叉的趋势 2 传输方式应用电视和广播有线电视均采用同轴电缆或光缆甚至微波和卫星作为电视信号的传输介质 传输方式 一种是射频信号传输 又称高频传输 另一种是视频信号传输 又称低频传输 应用电视系统都采用视频信号传输方式 广播有 无线电视系统常采用射频信号传输方式 3 工作频段及频道 1 有线电视工作频段包含VHF和UHF两个频段 2 我国的无线 开路 广播电视台按行政区域覆盖范围实行中央 省 市 地区和县四级布局 3 邻频道指的是相邻的标准广播电视频道 4 增补频道传输也是增加有线电视频道的一种方法 有线电视的工作频段及频道分布 表5 1Z1 Z16频道分配表 表5 2CATV的频道划分表 4 特性与功能有线电视近年来发展很快 已成为家庭生活的第三根线 又称图像线 第一根线是电灯线 第二根线是电话线 有线电视的发展之所以迅速 主要在于它有如下特性 高质量 宽带性 保密性和安全性 反馈性 控制性 灵活性 发展性 5 1 2有线电视系统的构成1 基本组成有线电视系统一般由接收信号源 前端处理 干线传输 用户分配和用户终端几部分组成 而各个子系统包括多少部件和设备 要根据具体需要来决定 图5 2是图 有线电视系统的基本组成框图 有线电视系统的基本组成实例 有线电视系统的基本组成 1 接收信号源 2 前端设备 3 干线传输系统 4 用户分配网络 5 用户终端 不同的功能需要不同的终端设备 例如 电视 接收机上变换器 解扰器 电视接收机 调频广播 收录机 收音机 通信 调制解调器 Modem 复用器 电话机 传真机 电视电话机 计算机 调制解调器 计算机 报警 调制解调器 传感器 报警器 2 拓扑结构有线电视系统的拓扑结构指的是其传输分配网络的结构型式 拓扑结构有 树枝型 即信号在 树根 前端 产生 然后沿 主干 干线 到达 树枝 分支线 分配线 最后送到 树叶 用户 树状结构具有多路传送 分支分配 放大等功能 且可以中继传送 适合同轴电缆网 有线电视拓扑结构 a 环形 b 树枝形 c 星形 光纤CATV拓扑结构 a 星 树型网络 b 根树型网络 c 格子网 表5 3有线电视系统的基本类型 3 基本类型种类繁多 分法复杂 按系统规模或用户数量来分 有线电视有A B C D四类 分别对应大型 中型 中小型和小型系统 大型和小型CATV系统示意图 a 大型CATV b 小型CATV 大型和小型CATV系统示意图 a 大型CATV b 小型CATV 按网络构成分 有线电视系统有以下几种模式 同轴电缆网 光缆网 微波网 混合网 HFC混合网 表5 4按工作频段分的有线电视系统类别 5 2信号接收与信号源 5 2 1信号接收1 开路电视信号的接收 1 差值天线 两副天线处于同一水平面 且天线方向正对需要接收的电视信号 主信号 入射方向 两副天线一前一后 前后距离d等于所要接收的电视信号中心波长 0的一半 两副天线一左一右 左右间距D 3 0 4 以避免两副天线互相干扰 干扰信号入射方向与两副天线馈点间的连线方向垂直 两副天线的两条引下的馈线长度相等 即LA LB 经反相加法器 合成器 获得输出信号uo 差值天线 设入射信号与天线方向夹角为 如图5 8所示 则空中波到达A B两点的相位差为式中 的取值对合成信号uo有很大影响 当 2n n 0 1 2 时 使合成信号uo为最小时对应的角 称为抗干扰角 当 2n 1 n 0 1 2 时 使合成信号uo为最大时对应的角 称为增强角 5 1 图5 8差值天线的抗干扰角分析 2 可变方向性天线 分集接收天线 移相天线 二元天线阵方向图零辐射角 与天线间距d和波长缩短系数 之间的关系为 5 2 图5 9分集接收天线 图5 10d与零辐射角的关系曲线 图5 11移相天线组成原理 2 卫星与微波电视信号的接收卫星电视信号的接收是采用卫星接收机 微波电视信号 主干线微波中继 的接收是采用微波收信机 图5 12抛物面天线的类型 a 主焦点抛物面天线 b 卡塞格伦天线 目前应用的接收天线 主要有1m 3m 4 5m 5m 6m 7m 7 3m 10m等几种 它们都工作在C波段 4 5m的卡塞格伦天线的电特性为 频率 C波段3 7 4 2GHz 增益 G 43 8dB 第一旁瓣低于17dB 极化特性 圆极化 可分为左 右旋两种 并可方便地改成线极化 工作环境 50 45 可抗10 12级风 可调范围 方位 90 微调 5 俯仰 0 90 跟踪方式 手动 5 2 2信号源简单的信号源只有一台录像机 复杂的信号源可包括多台录像机 摄像机 电视电影机 字幕机以及整套演播室设备提供的视频和音频信号 这一部分可参阅第3章3 2节 5 3前端系统 5 3 1前端系统及其要求前端是有线电视系统核心 它是为用户提供高质量信号的重要环节之一 其主要作用是进行信号处理 它包括 信号的分离 信号的放大 电平调整和控制 频谱变换 调制 解调 变频 信号的混合以及干扰信号的抑制 目前的有线电视系统的频道设置 一般要求充分利用VHF频段 设置情况如下 N为频道数 N 7 隔频设置 即用DS 1 DS 3 DS 5 DS 6 DS 8 DS 10 DS 12 7 N 10 隔频设置 加增补频道 11 N 19 邻频设置 加增补频道 即用DS 1 DS 12和Z1 Z7 20 N 28 邻频设置 加增补频道 即用DS 1 DS 12 Z1 Z7和Z8 Z16 系统的载噪比主要由前端载噪比决定 国标规定 若有线电视系统的载噪比C N 43dB 则要求前端系统的载噪比 C N h为式中 K为分配系数 若K 0 3 则 C N h 48 2dB 前端的输入信号电平应为 5 3 5 4 在工程上 天线输出电平可以实测 也可以按下式估算 系统的指标分配应根据以下指标分配公式 CM x CM 20lgK 5 6 IM x IM 10lgK 5 7 CTB x CTB 20lgK 5 8 5 3 2前端系统的组成1 前端系统的基本组成方式前端系统的组成方案不同 前端系统的组成也就各不相同 归纳起来 主要有以下几种 1 常见型 2 重新调制型 3 外差型 图5 13常见型前端 图5 14重新调制型前端 图5 15外差型前端 2 有线电视前端系统的发展过程从有线电视的发展过程看 前端系统的发展有以下三个阶段 第一阶段为早期的传统型前端系统 第二阶段为逐步发展起来的邻频前端系统 1 对邻频前端的技术要求 抑制带外成分 使所传输频道的频谱很纯 波形很规则 伴音 图像载波功率比可调 以免伴音载波干扰邻频道图像 输出信号稳定 邻频道电平差要小 变频和放大部件非线性失真要非常小 采用宽频带高隔离度的混合器作输出 邻频前端的处理方式主要有以下两种 射 高 频处理方式 中频处理方式 中频转换 中频陷波方式 中频转换 声表面波滤波器 SAWF 方式 3 频率相关技术第三阶段为新一代组合式邻频前端 图5 16中频处理方式 5 3 3前端设备1 前端系统中的放大器前端系统中的放大器 按结构和实用性可分天线放大器 频道放大器和高电平输出 功率 放大器等几种 1 天线放大器 2 频道放大器 3 高电平输出放大器 图5 17用宽带型天线放大器和频道滤波器组成频道型天线放大器 图5 18频道放大器工作原理 a 手动增益调节频道放大器 b 自动增益调节频道放大器 2 频道转换器频道转换器是只进行载频搬移而不改变频谱结构的频率变换器 主要有以下几种 U V转换器 将UHF的电视信号转换成VHF的电视信号 在VHF较低频率上传输 容易保证信号质量和降低系统成本 U Z转换器 采用增补频道进行信号传输时需要U Z转换器 V U转换器 在全频道有线电视系统中 可以用V U转换器把VHF的电视信号转换为UHF的电视信号 V V转换器 在强场强区 为了克服空间波直接窜入高频头而形成前重影 往往采用V V转换器 频道转换器从工作原理上分 有一次变频和二次变频两种 前者结构简单 体积小 但存在许多干扰 而且涉及的品种多 后者干扰少 品种也少 易实现系列化 但是体积大 成本高 一次变频的频道转换器的原理框图示于图5 19 为保证频谱不倒置 通常采用低本振取差频方式 即fP2 fP1 fL 图5 19一次变频频道转换器 图5 20二次变频频道转换器 表5 5频道转换器的主要技术指标 3 频道处理器频道处理器有两种类型 即外差型和解调 调制型 与二次变频的频道转换器相比 它主要多了中频处理器和中频AGC两部分 因此 它可以在中频将图像与伴音进行分离 并进行伴音电平的调节 然后 再与图像信号进行混合 图5 21为一PAL D K制电视频道处理器框图 解调 调制型频道处理器主要用于通过微波中继的超大型系统 而一般常用的是外差型 4 调制器调制器是将视频和音频信号变换成射频电视信号的装置 它常与录像机 摄像机 卫星接收机等配合使用 调制器有高频 直接 调制和中频调制两种方案 且常常使用后者 高频直接调制方案的框图如图5 22所示 调制电路大多采用三极管高电平调制方式 输出幅度大 失真和干扰也大 图5 21频道处理器框图 图5 22高频直接调制器 图5 23中频调制器 5 混合器混合器是把两路或多路信号混合成一路输出的设备 其主要技术指标是 插入损耗 要小 隔离度 要大 一般要求 20dB 带外衰减 要大 输入输出阻抗 通常为75 图5 24混合器举例 6 导频信号发生器为了增加干线长度或补偿由于温度变化而引起电缆衰减量和放大器增益的变化 在干线中要进行自动增益控制 AGC 和自动斜率控制 ASC 为此 在前端就需要提供一个或两个反映传输电平变化情况的固定频率 幅度也要稳定 的载波信号 导引信号 即导频 图5 25导频信号发生器框图 5 4传输系统 5 4 1传输系统概述传输系统是把前端的电视信号送至分配网络的中间传输部分 在大型有线电视系统中 主要指干线和支线 也可能有超干线 在中 小型有线电视系统中 通常只有支线 5 4 2传输媒质1 射频同轴电缆有线电视系统传输电视信号通常采用的是射频同轴电缆 简称同轴电缆 同轴电缆在支线中使用较为普遍 在分配网络中几乎都采用同轴电缆 在干线中也可使用同轴电缆 1 基本结构 内导体 绝缘体 外导体 金属管状 铝塑复合带纵包搭接 编织网与铝塑复合带纵包组合 护套 2 性能 特性阻抗 有线电视系统标准特性阻抗为75 同轴电缆的特性阻抗由下式计算 衰减常数 同轴电缆的衰耗由内 外导体的损耗 r和绝缘介质的损耗 g两部分组成 即 5 9 5 10 驻波系数与反射损耗 屏蔽系数与屏蔽衰减 温度特性 3 同轴电缆的发展与规格 最早的是SYK型实芯聚乙烯绝缘同轴电缆 第二阶段以SSYV型化学发泡聚乙烯绝缘同轴电缆为代表 5 11 5 12 SYKV纵孔聚乙烯绝缘同轴电缆属于第三代产品 SYWFY型物理发泡聚乙烯绝缘电缆是第四代同轴电缆 图5 27MC2同轴电缆结构 表5 6美国三种同轴电缆的性能比较 2 光缆 1 结构 2 性能 衰耗特性 频率特性 防干扰性能 寿命 其它性能 表5 7光纤的分类 图5 28光缆断面图 3 微波以微波作为传输媒质的除了国家微波干线的大微波和卫星外 还有单路与多路FM微波 AM微波以及多路微波分配系统MMDS 微波传输有以下特点 频带宽 传输容量大 传输质量高 稳定性强 适应性和灵活性强 投资少 便于维护 5 4 3传输方式1 同轴电缆传输同轴电缆传输方式是一种在前端和用户之间用同轴电缆作为传输媒质的有线传输方式 图5 29干线传输系统示意图 串接放大器后 系统交调增加 载噪比下降 因此对传输系统中放大器的数目或者传输距离应有所限制 通常 一条干线内串接的放大器应在30个以内 传输距离与系统的上限频率有关 一般上限频率越高 传输距离越短 用同轴电缆传输的电视信号通常为AM VSB信号 前端和用户不需要调制和解调 使用比较方便 传输系统根据网络拓扑的不同 还常使用分支器和分路器 分配器 2 光缆传输光纤的损耗很小 在一定距离内不需放大 光纤的频率特性好 可不需要进行均衡处理 1 基本组成 光缆传输系统的基本组成如图5 30所示 2 光调制方式 光调制方式有模拟和数字两种 3 光缆的多路传输 光缆的多路传输指的是用一根光缆同时传输多路电视信号 波分多路方式 频分多路方式 图5 31光缆的多路传输 a 波分多路 b 频分多路 3 光缆 电缆 传输这是一种常见的混合传输方式 其特点是用光缆做主干线和支干线 在用户小区用电缆作树枝状的分配网络 如图5 32所示 图5 32光缆 电缆传输 4 无线传输 1 单 多路FM微波电视传输 这属于调频微波链路 FML 一般用于远距离传输或信杂比超过56dB的高指标要求场合 其频率为2GHz或12 7 13 25GHz 频道带宽为25MHz或12 5MHz FML的基本组成如图5 33所示 图5 33FML的基本组成 2 MMDS系统 MMDS系统的构成参见图5 34 MMDS系统是地方性广播分配系统 其核心是多路调幅发射机 多套电视节目通过多路发射机输出 由双工器或合成器组合起来 送到一个或两个发射天线 图5 34MMDS系统构成 MMDS系统有以下特点 要求无阻挡接收 在高层建筑多而必然存在电波无法到达的场合不适用 MMDS系统在采用下变频器接收时的指标不高 不能进行指标的再分配 因此 这种方式通常只适合于个体接收 或者说是一种分配服务系统 用MMDS进行传输和分配 具有投资少 见效快等优点 但无双向功能 对有线电视网的多功能发展有一定的局限性 3 AML系统 调幅微波链路AML也是一种调幅微波传输电视信号方式 其工作频率为12 7 13 2GHz 共500MHz带宽 定向发射 可传50套左右的PAL制电视节目 AML系统的构成如图5 35所示 图5 35AML系统的构成 5 4 4传输设备1 放大器在电缆传输系统中使用的放大器主要有干线放大器 干线分支 桥接 放大器和干线分配 分路 放大器 在光缆传输系统中要使用光放大器 干线放大器的分类与组成 手控增益 MGC 和斜率均衡放大器 手控增益和斜率均衡加温度补偿放大器 AGC干线放大器 第三类干线放大器 带斜率补偿的AGC干线放大器 第四类干线放大器 ALC干线放大器 第五类干线放大器 ALC干线放大器的构成如图5 40所示 它需要两个导频信号 一个用于AGC控制 另一个用于ASC控制 图5 36第一类干线放大器 图5 37第二类干线放大器 图5 38第三类干线放大器 图5 39第四类干线放大器 图5 40ALC干线放大器的构成 干线放大器的工作方式 或电平倾斜方式 分为以下三种 全倾斜方式 半倾斜方式 平坦方式 图5 41前馈放大器原理图 2 干线分支和分配放大器 3 光放大器 目前有线电视系统使用的光放大器主要是干线光放大器和分配光放大器 按工作原理分 它们主要有半导体激光放大器和光纤激光放大器两种 图5 43光放大器 a 行波式光放大器 b 光纤激光放大器 图5 43光放大器 a 行波式光放大器 b 光纤激光放大器 2 均衡器 EQ 均衡器是一个频率特性与电缆相反的无源器件 通常为桥T四端网络 在工作频带内 最高频率 fH 信号通过均衡器的电平损耗 L称为插入损耗 最低频率 fL 信号通过的电平损耗与插入损耗之差称为最大均衡量JL 设均衡器的衰减特性为L f 则有 5 13 5 14 5 15 设长度为b的电缆衰减特性为b f 则 在选择均衡器时 其标称工作频率范围应与所工作系统的信号频率范围相同 JL应与系统信号最大电平差相等 若干线放大器的增益为G 则电缆损耗的均衡有三种方式 如图5 44所示 图 a 为BON BuidingoutNetwork 方式 5 16 图5 44均衡方式 3 光端机光端机包括光发射机和光接收机 它有单路和多路两类 单路光端机主要用于电视台机房与发射塔之间 多路光端机主要用于有线电视网 1 光发射机 2 光接收机 4 其它设备 1 光分路 耦合 器 2 光纤活动连接器 图5 45光发射机 图5 46光接收机框图 4 其它设备 1 光分路 耦合 器 它有均分路器和非均分路器两种 在光缆CATV中常用后者 从结构上看 它有星型和树枝型 即M N型和1 N型 在有线电视中常用后者 2 光纤活动连接器 它有平端和斜面两种 在光缆CATV中常用后者 5 4 5传输系统设计1 设计要素传输系统设计要考虑的最基本的有三大条件 即三要素 它们是工作频段 fL fH 传输长度 工作条件 如温度等 所谓电长度E 指的是在传输长度内所有放大器的总增益E 2 设计依据传输系统的设计依据是系统的性能参数 主要有载噪比 非线性指标等 根据系统指标的分配公式 5 3 式 5 6 式 5 8 可以对传输系统进行指标分配 单级放大器载噪比为式中 Si为放大器输入信号电平 dB v NF为噪声系数 dB 若由参数相同的放大器 n级 组成传输链路 则传输系统载噪比为 5 17 5 18 若由不同参数的放大器组成 则传输系统载噪比为 如果单级放大器交调比为 CM i 即 式中 Sm So分别为最大输出电平 dB v 和实际工作电平 dB v N为传输频道数 若系统由n个相同的放大器组成 则传输系统的交调比 CM t为 5 19 5 20 5 21 若系统由不同参数的放大器组成 则 IM t CTB t等非线性指标的计算方法与上面类似 用电长度E表示传输距离 与电缆的衰减系数无关 但电缆的温度系数 会使系统产生电平波动 S 而 S与E有关 为 S E t dB 5 23 式中 t为温度的最大变化量 5 22 3 设计内容 1 网络结构设计 2 传输链路设计 电缆传输系统设计 由电缆的衰减特性 在fH处衰减值为IHdB m 可求出实际传输长度为 光缆传输系统设计 光节点的选定 划分片区 5 24 确定链路总损耗 光链路总损耗为 选择相应的光端机 5 25 5 5分配系统 5 5 1作用 组成与特点1 分配系统的作用分配系统的作用主要是把传输系统送来的信号分配至各个用户点 2 分配系统的组成分配系统由放大器和分配网络组成 分配网络的形式很多 但都是由分支器或分配器及电缆组成 3 分配系统的特点分配系统考虑的主要问题是高效率的电平分配 其主要指标是交 互调比 载噪比 用户电平 系统输出口电平 等 分配系统具有如下特点 1 用户电平和工作电平高 2 系统长度短 放大器级联级数少 通常只有一二级 且放大器可不进行增益和斜率控制 5 5 2分配方式有线电视的分配网络一般都是电缆网 其基本方式有如下几种 1 串接分支链方式这是分配网络中常用的分配方式 如图5 47所示 2 分配 分配方式如图5 48所示 分配网络中使用的均是分配器 且常用两级分配形式 3 分支 分支方式在这种方式中使用的均是分支器 如图5 49所示 图5 48分配 分配方式 图5 49分支 分支方式 4 分配 分支方式如图5 50所示 这是一种最常用的分配方式 在分配 分支网络中 允许分支器的分支端空载 但最后一个分支器的输出端仍要加75 1 4W 负载 5 分配 分支 分配方式这种方式带的用户终端较多 但分配器输出端不要空载 如图5 51所示 图5 50分配 分支方式 图5 51分配 分支 分配方式 5 5 3放大器 分配器和分支器1 放大器 1 分配放大器 2 线路延长放大器 2 分配器分配器是将一路输入信号均等或不均等地分配为两路以上信号的部件 图5 52二分配器原理图和符号 a 原理图 b 符号 分配器的电气特性主要有分配损耗 LS 端口隔离度S 输入 输出阻抗 电压驻波比 VSWR 和工作频率范围等 其中式中 pin Pout分别为分配器输入 输出功率 n为输出端数 分配路数 实际的LS还要比式 5 26 算出的值大些 通常S要大于20dB 输入 输出阻抗为75 各端口的VSWR 2 5 26 均分时 3 分支器分支器是连接用户终端与分支线的装置 它被串在分支线中 取出信号能量的一部分馈给用户 不需要用户线 直接与用户终端相连的分支设备 又称为串接单元 分支器由一个主路输入端 IN 一个主路输出端 OUT 和若干个分支输出端 BR 构成 图5 53所示为一分支器原理图和符号 图5 53一分支器 a 原理图 b 符号 分支器根据分支端数目的不同 通常有一分支器 二分支器和四分支器几种 在分支器中信号的传输是有方向性的 因此分支器又称定向耦合器 它可作混合器使用 分支器的主要性能指标有插入损耗Ld 分支损耗Lc 相互隔离度S和反向隔离度Sr等 其中 5 27 5 28 5 6用户终端 5 6 1常用终端技术1 有线电视接收机方式2 集中群变换方式3 机上变换器方式 这种方式以用户为单元 在其电视接收机前加装机上变换器 这种方式有以下特点 1 对信号作进一步的处理 提高了收视质量 2 可收看邻频 含增补频道 节目 3 增加了电视接收机的节目存储容量 4 为收看付费电视打下了基础 4 电视接收机直接收看方式 5 6 2机上变换器这里的机上变换器不包含解扰 密 功能 1 机上变换器的组成机上变换器通常采用高中频的双变频方式或解调 调制方式 1 高中频双变频式机上变换器 2 解调 调制式机上变换器 图5 54双变频式机上变换器 图5 55解调 调制式机上变换器 2 机上变换器的类型 1 从上限频率来分 上限频率指的是变换器所能接收和处理的最高信号频率 目前有300MHz 450MHz 550MHz等几种 上限频率越高 可接收的频道数越多 2 从调谐方式来分 从变换器组成可以看出 变换器中都有调谐部分 目前的变换器几乎均为数字调谐 数字调谐有两种方式 即电压合成数字调谐和频率合成数字调谐 5 7双向有线电视系统 5 7 1工作方式1 空间分割法又称双缆法 它是利用两根电缆或光缆分别传送上 下行信号 2 频率分割法用同一缆线的不同频段分别传送上 下行信号 这是一种常用的方法 根据分 割频率的不同 又有三种方式 低分割 分割频率取30 47MHz 中分割 分割频率取100MHz左右 高分割 分割频率取200MHz左右3 时间分割法这种分割方式类似于通信系统中的时分多址 TDMA 和时分复用 TDM 它虽然不产生上 下行信号的交 互调干扰 但存在迟延现象 而且技术难度大 需要复杂的取样和传送设备 因此 目前还难以实现 5 7 2双向系统的组成1 网络拓扑双向CATV系统的拓扑结构常有环形 星形和树枝形三种 2 构成方式不同的分割方式和网络拓扑可以构成不同的双向CATV系统 如双缆星型网 单缆树枝网等 3 双向CATV的基本组成图5 56示出了单缆树枝型双向CATV的基本组成 图5 56双向CATV基本组成 5 7 3通信控制双向CATV是多个终端共用传