有线电视技术01 2

第一章有线电视系统概况,本章要点有线电视的起源和发展有线电视的基础知识有线电视系统概述有线电视系统的邻频道传输技术,第一节有线电视的起源和发展,有线电视的起源有线电视起源于美国。二十世纪四十年代末期，,在美国的一些山区,由于周围山势的影响,电视节目收看质量很差,于是当地居民便选择具有较好接收条件的山头架设高质量的天线,用同轴电缆把接收到的信号送至山下,通过分配网络传递给多个电视用户。,这种多个用户共用一组优质天线,以有线方式将信号分送至各个用户的电视系统,便是有线电视系统的雏形,人们称之为共用天线电视系统,缩写为MATV(MasterAntennaTelevision),随着城市的发展,高层建筑和各类电磁干扰源日益增多,电视屏幕上的各种干扰也日趋严重。为了改善接收质量,共用天线系统便在城市中逐渐发展起来。,这类系统起初只在大楼、宾馆、饭店以及小型住宅区使用,随着科技的发展,利用光纤传输技术、微波技术、卫星通讯技术等传输方式,使电视信号的传输距离更远,网络的规模更大,终端的用户数量更多,此外系统前端不仅能高质量地转播当地的开路电视节目,还可以利用各种影像设备自办节目和转发卫星电视节目,这样就逐渐形成了我们今天所说的有线电视系统,英文缩写是CATV(CableTelevision)。,有线电视的特点及优点1图像的质量好2传送的节目多、距离远3节省费用,有利于美化市容,有线电视的发展随着社会的进步和发展,“天上卫星,地上有网”的星网结合模式必将成为21世纪电视广播的主要技术手段,也将成为我国信息化社会的组成部分。有线电视网、电信网和计算机数据网的“三网合一”是信息化社会的发展方向。,有线数字电视有线数字电视是指从内容采集、制作、播出到传输、存储、接收的各个环节全部采用数字技术的新一代电视。随着数字技术的日臻完善，有线数字电视将由标准清晰度数字电视（SDTV），发展到高清晰度数字电视（HDTV）。,第二节有线电视的基础知识,电波传播的基本知识电磁波的基本概念当把高频电流送入天线导体时,高频电流在导体的周围产生变化磁场,而这个变化的磁场又会激起变化电场,变化的电场又产生变化磁场,变化的电场和磁场便以馈电导体为中心,以周围的空气为媒介向远处传播,这种传播具有波动特性,所以称为电磁波。,在自由空间里,电磁波的电场方向与磁场方向是互相垂直的,且朝着和电场、磁场都互相垂直的方向传播。如图1-1a所示图1-1电磁波的传播及电磁波的极化,极化是电磁波的一个重要概念。电磁波在空间传播时,电场矢量和磁场矢量在空间具有一定的取向,这种现象就称为电磁波的极化。通常我们以电磁波的电场矢量的方向作为波的极化方向,在此方向上电场强度最大,(在垂直于传播方向的平面上,由电场矢量端点的轨迹呈线状、圆形或椭圆形,极化分为线极化、圆极化、椭圆极化)。,在工程上,通常以大地作为参照标准平面,把电场方向与大地平面相平行的电磁波称为水平极化波,如图1-1a所示;而电场方向与大地平面相垂直的电磁波称为垂直极化波,如图1-1b所示。,电磁波在真空中和大气中的传播速度近似于光速即300000km/s,电磁波相邻两对应点（如同一相位的波腹）的空间距离为电磁波的波长,其速度()和波长()之间的比值为电磁波的频率(f),三者之间的关系为:=/f因此,可以按波长和频率对电磁波划分波段，不同的波段,用途也不同。根据电磁波理论只有当天线的几何尺寸大到可以和电磁波波长相比拟时，天线才能有效地辐射电磁波。由于实际天线尺寸的限制，故电磁波发射必须提高到高频频段。,电磁波的波段划分随着科技的发展,作为一种自然资源,电磁波的应用频率范围已十分宽广,国际上把电磁波的整个频率范围划分为许多波段,各波段的频率范围、对应的波长和波段名称见表1-1所示。在各波段中,用于电视广播的是超短波和微波中的分米波,即甚高频(VHF)和特高频(UHF)。,电磁波的发射和接收在广播电视系统中,天线是实现高频电流(或电压)与电磁波相互转换的装置。天线可分为发射天线和接收天线,发射天线是将高频电流(或电压)转换为电磁波并向空间传播出去,接收天线则是将空间接收到的电磁波转换成在传输线中传输的高频电流(或电压)。因此,无论发射天线还是接收天线,都属于能量变换器,具有可逆性,即一副天线,既可以作为发射天线使用,也可以作为接收天线使用,且参数保持不变。,电磁波的极化方向取决于发射天线的放置方向。当发射天线平行于地面放置时,电磁波中的电场方向也平行于地面,所辐射的电磁波就是水平极化波;当发射天线垂直于地面放置时,电磁波中的电场方向也垂直于地面,所辐射的电磁波就是垂直极化波。因此,在接收端,为了接收到较强的电磁波,接收天线的放置方向必须与发射天线放置的方向一致。当电磁波为水平极化波时,接收天线应水平放置,如图1-2a所示;当电磁波为垂直极化波时,接收天线应垂直放置,如图1-2b所示。,图1-2电磁波的极化与接收天线的放置形式,信号的分贝表示法分贝是由贝尔(Bel)导出的。贝尔是为了度量两个物理量(N1和N2)的比值而设定的计量单位,其定义式为:R=lg(N1/N2)(Bel)(1-1)式中lg以10为底的常用对数。1Bel在实际测量中往往太大,因此常用其1/10作为测量单位,这就是1分贝(decibels),简写为dB。由定义可得:1Bel=10dB把该等式代入式(1-1)即为分贝定义式:R=10lg(N1/N2)(dB)(1-2),在无线电技术中,常用分贝来表示放大电路的增益和一些物理量的大小,例如电功率;电压;电流等。使用分贝的优点主要有以下几个:1.可以把较大的数字转换为较小的数字。2.把乘除运算变为加减运算,例如多级放大电路中,若每级放大电路的增益用分贝表示,那么总的增益就可以用求和的方法计算。3.在实际生活中,有些现象符合对数规律,如听觉与声音功率近似成对数的关系,因此用分贝来表示电声性能更符合人们听觉上的特征。,电平在电子技术中,常常用分贝(dB)来表示电功率;电压;电流等电量的大小,称为电平。这时,N1为测量值,N2为参考基准值,根据所选取的基准值的不同,电平可分为两种:相对电平和绝对电平。1.相对电平相对电平定义为功率(或电压;电流)与同单位的某一基准值之比的常用对数,常用的是相对功率电平和相对电压电平,其表达式为:Gp=10lg(P/P0)(dB)(1-3)Gu=20lg(U/U0)(dB)(1-4),式中Gp相对功率电平;Gu相对电压电平;P测量点的功率;P0进行比较的基准功率;U测量点的电压;U0进行比较的基准电压。,相对电平用来表示两个同类物理量的比值。注意,这里只是表示一个比值,而不表示一个有确定数值的物理量。由上述定义可以得出:(1)当PP0,则Gp0,记为+dB,表示测量值大于基准值。(2)当PP0,则Gp1,且NF值越大,表示内部噪声越大。,第三节有线电视系统概述,有线电视系统的基本结构大致可分为四个部分:即有线电视信号源、射频前端、干线传输系统和用户分配网络。图1-3是有线电视系统的基本结构框图。,信号源有线电视系统的接收信号源可分为两类:一类是从空间收集的信号,另一类是有线电视台的自办节目1空间收集信号主要包括以下几种信号:广播电视信号是指当地电视台和电视差转台发射的电视信号,也称开路电视信号,其工作频道都是标准电视频道,即VHF、UHF电视信号。开路信号容易受到各种因素的干扰,例如空间电波的干扰、地形的影响、城市中高层建筑的阻挡与反射等等,会产生信号衰落、重影等现象,在接收点较远时(即弱场区),影响的程度会更大。,(2)卫星电视信号是指利用人造地球卫星作为中继站来进行转发的电视信号,由于卫星电视信号为调频信号,且大部分时间在大气层以外的宇宙空间中传输,而宇宙空间接近真空状态,不易受到自然条件和人为干扰的影响,因此传输质量很高(仅在飞机飞过接收方向时,有几秒钟的遮挡),所以信号质量非常好。同时覆盖面积大,频带宽,传输容量大,工作稳定可靠。,(3)微波电视信号微波电视信号可以是调频电视信号、调幅电视信号和数字电视信号。由于调幅信号不存在电视调制制式的转换问题,因此得到了广泛的应用。微波信号是视距传播,最远只能传输5060km,在此范围内传输是很稳定,再远需要利用中继站进行接力传输。微波信号的质量比卫星电视信号差,但比开路电视信号好。,2自办节目信号自办节目是指当地电视台利用摄像机、录像机、影碟机、激光唱机、编辑机、特技机、计算机动画制作系统等各种音像设备制作编辑和播放的节目,它大大增加了用户所能收看到的节目套数。自办节目设备输出的信号为视频信号和音频信号,利用射频前端的调制器将其变为射频电视信号,然后进入传输系统。信号源部分的主要设备是接收天线,接收天线的性能好坏直接影响着整个系统的收看效果,因此一般采用高性能的单频道天线,并且要根据接收点信号的强弱,周围干扰源的具体情况,在接收天线的输出端安装低噪声天线放大器和滤波器或陷波器,以提高接收信号的质量。,射频前端射频前端是把天线接收来的开路电视信号、卫星电视信号、微波信号和自办节目设备送来的信号进行必要的处理,都转换为射频电视信号,并使输出电平和载噪比达到规定的要求,然后再把全部信号混合成一路送到干线传输系统。射频前端是整个系统的核心部分,也简称为前端。主要功能有:,(1)频率转换把卫星电视信号和微波电视信号转换到射频频段的某一标准频道或增补频道上。(2)调制把自办节目设备送来的信号调制为射频频段的某一标准频道或增补频道上。(3)频道转换由于同轴电缆对UHF频段的电视信号损耗较大,因此一般将UHF频段信号从UHF频道转换到VHF频段上的标准电视频道或增补频道上。(4)放大将各频道电视信号分别放大到一定的电平,以满足系统对信噪比的要求。由于所接收的各频道信号强弱不一样,加之干扰噪声的存在,因此最好选用专用频道放大器进行放大和调整,这样可滤去部分干扰和噪声。若接收信号很强,需用衰减器，不用放大器。(5)混合将各频道电视信号的电平调整到大致相同的合适值,经混合器混合成一路信号(包含所用电视节目的多频道宽带射频信号)。(6)分配将混合后的多频道电视信号经分配器分为多路,然后输出至传输干线和监视器。,以上就是前端的基本功能,规模较大的有线电视系统由于具有一定的节目制作和编辑能力,因此还有例如增加字幕、特技处理等功能。前端设备主要包括频道放大器、频道转换器、卫星和微波接收设备、自播节目设备、调制器、混合器、分配器等,干线传输系统干线传输系统是把前端输出的射频电视信号,传输给用户分配系统的一系列传输媒质和传输设备。传输设备主要有各种类型的干线放大器和无源器件,干线系统的传输媒质主要有三类:同轴电缆、光缆和微波1.同轴电缆同轴电缆是最早使用的传输媒质。由于其对信号有较大的衰减作用,因此每隔一段距离要加干线放大器,以补偿信号的损耗,放大器会对信号产生非线性失真,从而限制了传输距离,所以同轴电缆现在只用于用户分配系统和小型有线电视系统的干线传输中。,2.光缆光导纤维(简称光纤)是近年来新型的一种传输媒质,是以光波为载体传送信号,把若干根光纤绞合成一股,就构成了光缆。光缆对信号的损耗非常小,因此传输距离远;而且,光纤的通讯容量大,不受电磁干扰,抗干扰性强,信号质量好,保真度高;另外,光纤尺寸小,重量轻,便于运输和施工,制造原料在地球上蕴藏丰富,所以得到了广泛的应用,成为当前有线电视系统干线传输的主要手段和发展方向。,3.微波微波传输适用于地形复杂(例如跨越河流山脉)、建筑物和街道的分布使得架设光缆困难的地区。这时可以采用微波传输技术实现电视广播覆盖。微波传输还具有投资少、建网时间短、便于维护等特点。,现在大多数有线电视系统采用光缆和同轴电缆混合传输(HFC),其中光缆用于干线传输,一般是星形结构;电缆用于分配系统,一般是树形结构。还有的系统用微波和同轴电缆混合传输,这时在前端输出端设有光发射机和微波发射机,接收端设有光接收机和微波接收机,如图1-所示。,用户分配网络用户分配网络是有线电视传输系统的最后部分。如果把整个传输系统形象地比作一棵树的话,那么干线传输系统可看作树干,用户分配网络就好比树枝。当干线至某一居民区时,用分支器分出一条支路送至该居民区的用户分配网络,通过分配网络把信号传送给千千万万台电视机,供用户收看。目前,我国有线电视系统的分配网络都是电缆传输,主要设备包括线路延长放大器、分配放大器、分支器、分配器、分支线以及系统输出口等。用户终端即用户终端盒和电视机。用户终端盒的输出阻抗一般为75,如果电视机输入阻抗为300,则需用阻抗变换器变换。终端盒和电视机之间的连接最好用同轴电缆。,系统规模系统规模通常是根据用户数量的多少来区分的,具体可参见表1-3。表1-3系统规模大小分类,其中,A类属于大型系统;B类属于中型系统;C类属于中小型系统;D类属于小型系统。随着城市的发展,现在系统规模逐渐扩大,用户数量越来越多,一些超大型系统的用户数量已达数十万。,第四节有线电视系统的邻频道传输技术,在有线电视系统中,信号传输的信道主要是有线媒质,例如同轴电缆或光缆,而不是象传统的电视广播,通过向空间发射电磁波来传送电视信号。因而在开路传输中不允许使用的频率,在有线电视系统中却可以使用。因此,与传统的电视广播方式相比,有线电视都是宽频带的,属于多频道传输系统。,在有线电视的发展过程中,随着科学技术的进步和人们物质文化生活水平的不断提高,相继产生了两种多频道传输体制,即隔频传输和邻频传输。一、隔频传输在早期有线电视系统中,由于系统规模较小以及节目源不多,因此隔频传输是使用较多的一种传输体制1有线电视传输频谱划分根据国家标准规定,我国有线电视传输频谱划分如图1-5所示。,图1-5有线电视全频道传输系统频谱划分,以上就是有线电视全频道传输方式的频谱划分,所谓全频道传输方式,是指VHF和UHF两个频段都使用。由图可知,标准电视频道共有68个:即VHF波段(DS-1DS-5)、VHF波段(DS-6DS-12)、UHF波段(DS-13DS-24)以及UHF波段(DS-25DS-68);88108MHz波段是用于调频广播,而在这些频段的空隙处,即A1波段(108167MHz)、A2波段(223295MHz)和B波段(295470MHz),设置了增补频道,所谓增补频道,就是在非电视广播频段设置频道,来传送电视节目,这些频道是供有线电视系统专用的,只能在有线媒质中传输,而不能变成空间电磁波。在A1、A2和B波段总共设置了37个增补频道,即Z-1Z-37。而在566606MHz之间还有40MHz的宽度,有些地区也进行了开发,如北京的DS-24副1、DS-24副2,即566574MHz、574582MHz。具体的频道划分详见附录A。,2.隔频传输所谓隔频传输,是指在所有的标准电视频道中,并不是每个频道都可以被利用,而只能利用其中的某些频道,这些频道之间要有足够的空隙,而不是象使用DS-1、DS-2、DS-3DS-12等等这样依次连续地使用电视频道,这种传输方式称为隔频传输。产生这种情况的原因主要有以下几点:(1)由于电视接收机对相邻频道的抑制能力很差,为防止干扰,在系统中只能间隔频道传输,例如只能使用DS-1、DS-3、DS-5DS-11等,或者只能使用DS-2、DS-4、DS-6DS-12等频道。,(2)不能使用那些不相容的频道,即容易引起相互干扰的频道。比如,镜像频道不能用;系统放大器二次失真互调产物落入的频道不能用;接收机本振信号泄漏产生对其接收机的干扰使相隔正、负4的频道不能使用等等。(3)UHF频段频率很高,对系统设备的指标要求很高,同时,由于射频信号在同轴电缆中的损耗与频率的平方根成正比,频率越高,信号损耗就越大,在传输一定的的距离以后,会造成高、低端频道存在着很大的电平差,限制了放大器增益的有效发挥,不利于传输。因此,使用UHF波段也不合适。,综上所述,在配置好的全频道有线电视系统中,VHF波段只能使用6个频道,UHF波段只能使用约10个频道。,二、邻频传输随着社会的发展和科学技术的进步,以及人们不断提高的物质文化生活水平,有线电视的邻频传输系统就逐渐形成和发展起来,从而在一个有线电视系统中,能够使用的频道数目大大增加,使得能同时传送的电视节目套数也大大增加,满足了人们的要求。因此,在规模较大的系统中,基本都采用邻频传输技术。所谓邻频传输,是指使用相邻标准电视频道与相邻增补频道进行传输的多频道传输体制。,1.邻频传输的技术要求邻频传输对有线电视系统各部分的技术指标提出了更高的要求,主要包括以下几个方面:(1)邻频道干扰抑制好。为防止上下相邻频道的干扰,要求所传输频道的波形要规则,频谱很纯,因此,带外抑制要大于60dB。(2)通带内信号幅度波动要小。要求在相对于图像载频的-0.75+6MHz范围内,幅度变化1dB。(3)图像载波电平和伴音载波电平要可以分别调整。即图像伴音功率比可调，一般A/V比应达到-17dB,即伴音载波电平应比图像载波电平低17dB以下，才能避免下邻频道的伴音对上邻频道的干扰。(4)各频道的电平差要小。为确保不出现频道之间的干扰，要求相邻频道的电平差dB，任意频道间电平差10dB。(5)频率稳定性高。一般都采用晶体振荡器作为本振源。以上就是邻频传输的基本技术要求，这些要求主要是通过采用符合邻频传输要求的信号处理方式和高性能的设备来实现的。,.信号处理方式中频处理方式是目前有线电视系统主要采用的一种信号处理方法，中频处理方式中信号处理器的结构如图1-6所示。,信号处理器一般由三部分组成,即下变频器、中频信号处理器和上变频器。信号处理器都采用二次变频方式,首先把接收到的VHF和UHF频段的射频电视信号通过下变频器转换为固定频率的中频信号,即38MHz的图像中频和31.5MHz的伴音中频信号;然后送入中频处理器进行相应的处理,使之满足邻频传输的要求;最后再送入上变频器,转换到VHF频段的某一标准电视频道或增补频道。由于中频频率较射频频率低,容易调整控制及对信号进行各种处理,因此采用这种方式既能解决邻频道的信号传输问题,又能得到令人满意的图像质量。目前,一些大型有线电视系统基本上都在采用这种方式。,信号处理器能够符合邻频传输的要求,主要是因为具有以下特点:(1)图像中频信号和伴音中频信号分通道处理。信号处理器的中频部分有图像和伴音分离电路,使伴音载波电平和图像载波电平可以分别调整,即A/V比可调。由于下邻频道的伴音载波与上邻频道的图像载波相隔很近,只有1.5MHz,因此下邻频道的伴音载波是主要干扰源,A/V比不仅对本频道有影响,同时对上邻频道也有影响。一般伴音载波电平应比图像载波电平低17dB以下,才满足邻频传输的要求。,(2)中频滤波器均采用声表面波滤波(SAWF)。声表面滤波器是利用电、声转换原理制成的一种新型滤波器件,它是整个中频信号处理器中的关键部分,其邻频抑制度很高,带外抑制可达60dB,这样使相邻频道之间的频谱不相重叠,符合邻频传输要求,一般LC滤波器很难实现这一点,此外,它的指标高,可靠性好,只是插入损耗很大,约为几十分贝,因此前后都应加放大器,以补偿插入损耗。,(3)信号处理器中加有AGC电路。利用AGC电路,来保证输出电平的稳定,从而使各频道之间的电平差很小,满足邻频传输的要求。同时由于AGC电路加在射频和中频放大部分,使上变频器的输入电平恒定,易于保证上变频器部分的非线性状态的控制。(4)信号处理器中的本振均采用晶体振荡器。由于信号处理器对频率稳定性有很高的要求,如在VHF频段,图像载波频率与标准值的偏差不超过20kHz,这就要求所有的本振均应采用晶体振荡器。由于信号处理器先进的电路设计,使它能够符合邻频传输的要求,其性能是一般频率变换器所无法相比的。因此,目前的有线电视系统前端中,几乎无一例外地都采用这种方式。,如果输入信号是视频信号和音频信号,例如卫星电视接收机的输出和自办节目设备的输出,这时首先把视频信号和音频信号送入中频调制器,变换成中频信号,然后送入中频信号处理器和上变频器。具体过程如图1-7所示。图1-7视频和音频信号的中频处理方式,三、有线电视系统的频率配置有线电视频率配置方案与无线电视广播系统的配置方案是相互兼容的。由于有线电视系统具有双向传输功能,因此同时存在上行信号和下行信号,上行(反向)信号是指从用户端流向系统前端的信号,下行(正向)信号是指从系统前端流向用户端的信号,也就是我们所收看到的各种电视节目。上行(反向)通道的频率范围是530MHz,下行(正向)通道的频率范围是48.5958MHz,即图1-4所示的频道划分。现在可能的方案见表1-4,小结,1、有线电视起源于共用天线电视系统,缩写为MATV(MasterAntennaTelevision)。2、有线电视系统,英文缩写是CATV(CableTelevision