有线电视系统原理

第五章有线电视系统5．1概述5．1．1定义与分类1．定义有线电视系统是采用缆线(电缆或光缆)等作为传输媒质来传送电视节目的一种闭路电视系统CCTV(Closed-circuittelevision)[用CCTV称呼有线电视系统，容易与中国中央电视台的简称CCTV(ChinaCentralTelevision)相混淆，所以国内常常使用CATV这个词(共用天线系统/有线电视CommunityAntennaTelevision)]，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，是指不向自由空间辐射，可供电视接收机通过无线接收方式直接接受的电磁波。随着技术的发展，特别是光缆技术和双向传输技术，以及卫星和微波通信技术的发展，打破了传统闭路与开路的界限，其传输媒质包括从平衡电缆、同轴(射频)电缆到光缆，再到卫星和微波；提供的节目从一般的电视广播到宽带综合业务数字网(B-ISDN)，都有了长足的发展。有线电视网通过信息高速公路的主干线与世界各地相连，是实现全球个人通信(PC)的一条重要途径。(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。应用电视在绪论课中已作了简单的介绍，这里只介绍广播有线电视系统。广播有线电视的雏形是共用天线电视系统(CommunityAntennaTelevision，简称CATV)。它是在有利位置架设高质量接收天线，经有源或无源分配网络，将收到的电视信号送到众多电视机用户，解决在难以接收电视信号环境中收看电视的问题。共用天线电视系统的分配系统一般较小，多是为公寓大楼、宾馆、饭店以及小型住宅区服务，它的前端也非常简单。由于科学技术的不断发展，人们并没有满足“共用天线电视系统”原有概念所包含的内容。把开路电视广播、调频广播以及录像机和调制器自行播放放的节目等通过同轴电缆分配给广大电视用户，这就是电缆电视系统CATV（CableTV）。从这个意义上讲，共用天线电视系统属于电缆电视的范畴。但由于它们都简称CATV，因此有时也不加以区别而混用。实际上，它们是两种不同的系统。一般来讲，电缆电视在前端有接收、处理信号的功能，传输分配网络的规模和复杂程度，以及用户终端数量等方面部比共用天线电视系统复杂得多。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以及微波和卫星作为电视信号的传输介质。电视信号在传输过程中普遍采用两种传输方式：一种是射频信号传输，又称高频传输/频带传输；另一种是视频信号传输，又称低频传输/基带传输。应用电视系统的终端通常是工业级的图像监视器，信号采用视频输入方式，所以在传输距离较近、视频信号路数较少时，常常采用视频信号传输方式；而广播有线电视系统的终端为电视接收机，信号的输入方式为射频，所以通常采用射频信号传输方式，且保留着无线广播制式和信号调制方式。广播有线电视系统在中近距离传输时，通常采用隔频(道)传输、邻频(道)传输、增补频道传输、双向传输等方式，其传输媒质一般是同轴电缆、光缆、平衡电缆等有线介质。而在较远距离传输时，除用光缆和同轴电缆—光缆混合方式（HybridFiberCoax/Coaxialcable同轴电缆，简称HFC）外，还常用微波和卫星等无线传输媒质。3．工作频段及频道Z17～Z38(1)有线电视的工作频段及频道分布标准频道用DS、增补频道(共43个)用Z表示）(2)隔频（道）传输与邻频（道）传输开路广播采用隔频传输，有线电视系统也可采用隔/邻频传输方式。国内大多数用户的电视机高频头，都是具有AFC功能的电调谐高频头，中频滤波器采用选择性高的声表面波滤波器(SAWF)，对邻频的抑制度可达40dB以上，且采用同步检波方式，基本上可以做到没有邻频干扰，直观收看效果可达4级以上，要实现邻频传输需要解决问题的是有线前端设备发射的频谱要纯。(3)增补频道的划分(4)CATV频道的划分4343434338364860678598111(5)有线电视的无线传输手段主要有卫星和微波两种，而微波传输方式主要有多频道微波分配系统MMDS(Multi-channelMicrowaveDistributionSystem多频道微波数字系统)和调幅微波链路AML(AmplitudeModulationMicrowaveLink)两种。其中，MMDS的工作频段为2.5～2.7GHz，带宽为200MHz，可容纳24个PAL制电视频道。AML的工作频段为12.7～13.2GHz，带宽为500MHz，可传送50套左有的PAL电视信号。当然，若采用调频微波链路FML(FrequencyModulationMicrowaveLink)，在远距离单频道传输时，性能较好。目前地面无线传输采用较多的是MMDS，系统价格较低，比较适合我国的国情。4．特性与功能有线电视是现代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，第四根线是互联网线)。图像高质量，系统频带宽（节目套数多），不仅消除了城市中的“天线森林”，有利于市容美化，还可以提供多种服务功能（增值业务）。例如：付费电视、视频点播（VOD）、互联网接入、IP电话、安全监控、远程教学/医疗。5．1．2有统电视系统的构成1．基本组成(1)接收信号源(2)前端设备(3)干线传输系统。如干线放大器(AGC)、(ASC）和干线电缆或光缆。(4)用户分配网络(5)用户终端电视接收、调频广播、线缆调制解调器(CableModem,PC机、IP电话等)等。线缆调制解调器(CableModem)，连接电脑用RJ-4510Base-T连接器，下行载波频率在88～860MHz之间，采用64/256QAM方式，下行速率可达42.4Mbps，上行调制频率可高达42MHz，采用QPSK/16QAM，上行速率昀高可达10Mbps。接入方式传输速率传输距离备注N-ISDN128kb/s几十公里HDSL784kb/s约3.6km1.5Mb/s(下行)ADSL256k/s(上行)约5.4kmSDSL1.5Mb/s正研制26Mb/s(下行)数字用户线(DSL)VDSL1Mb/s(上行)约300m正研制有线电视网HFC50Mb/s（下行）N+公里2．拓扑结构主要有环形、树形、星形三种。传统结构为树形(同轴电缆)，光纤—同轴电缆混合网（HFC）的主干可以采用星形或环形结构，其中环形结构的可靠性高,适合提供增值业务。用光缆实现的连接方式还有干线光缆FB(FiberBackbone，本地前端或中心前端到支线)、光纤到节点FTTN(FibertotheNode，前端到分配点)、光纤到路边FTTC(FibertotheCurb)和光纤到昀后一个放大器FTTL(FibertotheLastAmplifier)。其中，以FB中的光纤到支线FTF(FibertoFeeder)和FTTN方式用得昀多（大庆的部分中心地区已达到光纤到楼头）。FTTN方式的特点是干线和支线都使用了光纤，使光纤延伸至分配网络的中心；光接收机置于分配网络的中心(光节点)。光纤和微波直接到终端在技术上没有障碍，但目前成本太高，服务商和用户均无法承受,所以目前较为先进的有线电视网均为混合网。3．基本类型①同轴电缆网。传输距离≤10km，比较适合于中小型或小型有线电视系统。②混合网。混合网有光纤—同轴电缆混合网HFC(HybridFiberCoax/Coaxialcable)、微波—同轴电缆混合网、光纤—微波—同轴电缆混合网等几种。其中，HFC是较理想的宽带网，是当今有线电视发展的主流。双向CATV光纤—同轴电缆混合网HFC5．2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。所谓差值天线，就是两副参数完全相同的天线按一定方式组合而成的天线。①两副天线处于同一水平面，正对需要接收的电视信号入射方向。②两副天线的前后距离d等于电视信号中心波长λ0的一半。③两副天线的左右间距D≥3λ0/4，以避免两副天线互相干扰。④干扰信号入射方向与两副天线馈点间的连线方向垂直。⑤两副天线的两条引下的馈线长度相等，经反相加法器(合成器)获得输出信号。()αθλλπϕ+⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=Δsin222020Dπϕn2=Δ()πϕ12+=Δn合成信号昀小合成信号昀强称为抗干扰角α(2)可变方向性天线改变天线阵中天线的间距或其相移，使天线阵方向性改变，可消重影抗干扰。①分集接收天线。②移相天线⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=gddλλδθarcsin1arcsin式中，λ为信号波长,λg为馈线中信号的波长。改变天线馈线的长度(即改变相移)，就可使天线阵的零辐射角对准重影信号。2．卫星电视信号的接收卫星电视信号接收天线有两种基本类型：一是主焦点抛物面天线，它只有一个反射面，二是卡塞格伦天线，它除了主反射面(抛物面)外，还有副反射面，电波经两次反射后才集中到一点。卡塞格伦天线的成本较高，特别适合于热带的卫星电视接收站使用，因为它的低噪声放大器(LNA)可以放在抛物面背后，避免阳光直射。非对称结构的偏置抛物面天线，可以避免抛物面反射器受到馈源、副反射器及其支撑杆的遮挡，从而减小天线增益的下降和旁瓣的增高多。抛物面天线可分为旋压成形、冲压成形、玻璃纤维和金属网等四种类型。为防止对太阳光聚焦，大多数抛物面天线的涂料均采用具有较小颗粒的银灰色油漆（当然黑色油漆昀好，但不美观）。接收天线除了要有足够高的增益和尽可能低的噪声外，还要有正确的天线指向和极化方式。目前应用的接收天线，口径主要有1m、3m、4.5m、5m、6m、7m、7.3m、10m等几种，一般说来口径越大增益越高，它们都工作在C波段或Ku波段（实际取决于高频头），通常能在-50℃～+45℃环境下工作，可抗10～12级风。亚洲昀小DBS天线（25cm）馈源一体化高频头3．卫星电视接收系统基本组成①抛物面天线把来自空中的信号能量会聚成一点(焦点)。②馈源是在抛物面天线的焦点处设置一个接受卫星信号的喇叭形装置。③高频头(LNB亦称降频器)是将馈源送来的卫星信号进行降频和放大后传送至卫星接收机。④卫星接收机是将高频头输送来的卫星信号进行解调，输出卫星电视图像信号和伴音信号。馈源一体化高频头馈源DBS：直播卫星(direct-broadcastsatellite)5．3前端系统5．3．1前端系统及其要求前端系统主要作用是进行信号处理：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。前端设备主要是射频和中频信号处理设备，如天线放大器、频道滤波器、调制器、混合器、导频信号发生器。主要指标有：频率范围、载噪比(C/N)、用户电平和干扰抑制。有线电视系统的频道设置对于充分利用VHF频段的300MHz系统(N为频道数量)：N≤7：隔频设置，即用DS-1、DS-3、DS-5、DS-6、DS-8、DS-10、DS-12；8≤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。这种设置对传输系统的性能指标要求较低，系统造价较为经济。但是，用户中大量现有的非CATV对应的电视接收机无法接受全部16个300MHz以下的增补频道，而目前550MHz系统的造价与300MHz系统相比并不十分昂贵，所以实际的CATV多为550MHz以上的系统，且基本上采用了邻频传输技术。当然，300MHz系统对于电视节目套数较少的边远农村地区还多少具有一些吸引力。系统的载噪比系统的载噪比主要由前端载噪比决定。国家标准规定：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KNCNChlg10−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛式中，K为分配系数，若是K＝0.3，则(C/N)h＝48.2dB。前端的输入信号电平应为)dB(5.2)dB()dB(++⎟⎠⎞⎜⎝⎛=FhNNCS式中,2.5dB为75Ω噪声源内阻上的等效噪声电平。若前端系统的NF＝8dB,则S应为58.7dB(我国通常指,即约8