第5章有线电视系统

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。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;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,而广播有线电视系统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,因此,并不改变电视接收机的基本性能。3.工作频段及频道应当强调指出:有线电视的工作频段及频道指的是在干(支)线中传输的信号的频段及频道,并不是指前端接收信号的频段。(1)有线电视的工作频段及频道分布如图5―1所示,它包含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。图5―1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:①高质量。②宽带性。③保密性和安全性。④反馈性。⑤控制性。⑥灵活性。⑦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是有线电视系统的基本组成图。图5―2(a)组成框图;(b)实例图5―2(a)组成框图;(b)实例(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。传统的有线电视系统(电缆电视系统)的拓扑结构为树枝型,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。树枝型结构的示意图如图5―3(b)所示。图5―3(a)环形;(b)树枝形;(c)星形图5―4光纤CATV(a)星-树型网络;(b)根树型网络;(c)格子网3.基本类型有线电视系统种类繁多,分类方法复杂,但总可把它归结为以下几种基本类型。按系统规模或用户数量来分,有线电视有A、B、C、D四类(表5―3),分别对应大型、中型、中小型和小型系统。表5―3有线电视系统的基本类型图5―5大型和小型CATV(a)大型CATV;(b)小型CATV图5―5大型和小型CATV(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:①同轴电缆网。②光缆网。③微波网。④混合网。图5―6HFC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。①两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。②两副天线一前一后,前后距离d等于所要接收的电视信号中心波长λ0的一半。③两副天线一左一右,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,即LA=LB,经反相加法器(合成器)获得输出信号uo。图5―7差值天线设入射信号与天线方向夹角为α,如图5―8所示,则空中波到达A、B两点的相位差为式中,Δφ的取值对合成信号uo有很大影响。当Δφ=2nπ,(n=0,±1,±2,…)时,使合成信号uo为最小时对应的角α称为抗干扰角。当Δφ=(2n+1)π,(n=0,±1,±2,…)时,使合成信号uo为最大时对应的角α称为增强角。22002()sin()2D(5―1)图5―8差值天线的抗干扰角分析(2)可变方向性天线。①分集接收天线。②移相天线。二元天线阵方向图零辐射角θ与天线间距d和波长缩短系数δ之间的关系为1arcsin()arcsin()gdd(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(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()/10lghCCNKN(5―3)()()()2.5()hFCSdBNdBdBN(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)()()()20lg()18()ASadBvEdBvGdBLdBdB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①抑制带外成分,使所传输频道的频谱很纯,波形很规则。②伴音/图像载波功率比可调,以免伴音载波干扰邻频道图像。③输出信号稳定,邻频道电平差要小。④变频和放大部件非线性失真要非常小。⑤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:①射(高)频处理方式。②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(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75Ω)。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。①内导体。②绝缘体。③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。④护套。2)性能①特性阻抗。有线电视系统标准特性阻抗为7