CATV工程设计

CATV工程设计

郑州大学信息工程学院

CATV工程设计指导书

目录

第一章 CATV 系统原理 1.1 概述

1.2 信号接收与信号源 1.3 前端系统 1.4 传输系统 1.5 分配系统 1.6 用户终端 1.7 双向有线电视系统 1.8 付费电视系统

第二章 CATV用户分配系统设计 2.1用户系统的设计 2.2设计安装调试实例

CATV工程设计任务书 附录

第一章 CATV 系统原理

1.1 概述

在城市地区高层建筑的剧增引起电视信号的反射和衰减，同时工业噪声干扰也使电视图像质量下降；另一方面，随着广播电视的发展，电视节目不断增加，电视台通过地面传输和卫星传输向用户传送电视信号，一般用户很难获得理想的电视收看，人们非常希望得到高质量的电视信号接收，于是公用天线电视系统CATV(Community Antenna Television System)应运而生，因为早期的有线系统是通过电缆传送信号，故也称为电缆电视系统(Cable Television System, CATV)或闭路电视系统(Closed Circuit Television, CCTV)。随着科学技术的发展，CATV系统的功能在进一步扩大，将成为计算机技术、数字通信技术的综合运用平台。

1.1.1 基本概念 1.定义与分类

(1)定义。有线电视系统是采用电缆线作为传输媒质来传送电视节目的一种闭路电视系统,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

随着电视技术的发展，电视节目增多，使电视频道数越来越多。由于射频信号在同轴电缆中损耗与频率平方根成正比，造成较高频率电视信号的传输损耗增大，从而了传输的距离，增大了各频道间的电平差，使信号质量下降。为了在不减少频道数的前提下尽量减少CATV的频率范围，有效的方法是利用邻频道传输技术，具体就是增设增补频道。

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1―1所示,它包含VHF和UHF两个频段。

图1―1 有线电视的工作频段及频道分布

(2) 邻频道指的是相邻的标准广播电视频道。

(3) 增补频道是指利用非广播电视波段进行闭路电视信号传输的方法。在450MHz内总共增补35个频道。

表1― 1 Z1~Z16频道分配表

表1―2 CATV的频道划分表

4. 特性与功能 ① 高质量。 ② 宽带性。

③ 保密性和安全性。 1.1.2 有线电视系统的构成

1.基本组成

CATV系统通常由前端系统、干线传输系统、信号分配系统组成,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1―2是有线电视系统的基本组成图。

图1―2 有线电视系统的基本组成 (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)、电视电话机; 计算机:调制解调器、计算机; 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的拓扑结构为树型，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。树型结构的示意图如图1―3(a)所示。

图1―3 CATV拓扑结构(a)树形; (b)星形

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,CATV有A、B、C、D四类(表1―3),分别对应大型、中型、中小型和小型系统。

表1―3 CATV系统的基本类型

图1―4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,CATV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。

1.2 信号接收与信号源 1.2.1 信号接收

1.开路电视信号的接收

开路电视信号指电视台通过发射天线向用户传送的射频电视信号，其工作频段一般在VHF段，接收相对简单，但CATV系统对信号质量要求高，一般采用单频道天线定向接收。 (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1―5 差值天线

(2) 单频道定向天线。

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1―6 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。 1.2.2 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。 1.3 前端系统

1.3.1 前端系统作用

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:信号接收、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。 1.3.2 前端系统的组成

1.前端系统的基本组成方式

前端系统的组成主要有以下几种: (1)常见型。 (2)重新调制型。

a.常见型前端 b. 重新调制型前端

图1―7 前端结构

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. 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。 第三阶段为新一代组合式邻频前端。 1.3.3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。

图1―8 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1―9 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1―10(a)。为保证频谱不倒置,通常采用低本振取差频方式,即fP2=fP1-fL。

a. 一次变频频道转换器 b.二次变频频道转换器

图1―10 频道转换器原理

表1―4 频道转换器的主要技术指标

3.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1―11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1―11 高频直接调制器

图1―12 中频调制器

4. 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1―13 混合器举例

5. 导频信号发生器

为了补偿电缆引起的信号衰减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1―14 导频信号发生器框图

1.3.4 前端系统的设计

前端设备的任务是接收各种信号，然后把集中的信号由传输系统分配到用户，前端设备主要考虑天线输出电平、部件选择与组合以及输出电平与载噪比等。

1. 天线输出电平

在工程上,天线输出电平可以实测,也可以按下式估算:

Sa(dBv)E(dBv)G(dB)20lgLA(dB)18(dB)

上式中E为接收场强，G为天线增益，LA为馈线损耗，20lgλ与接收频道有关。

一般电视机要显示良好的图像质量，载噪比应大于46dB，载噪比小于34dB就会出现杂波干扰。通常天线引入的噪声约8 dB，这样为保证良好的图像质量，天线输出的最低电平应为 dB，考虑到系统老化等因素，留出6 dB余量，因此最低信号电平为：46+8+6=60 dB (1mV)

若信号太强也会造成图像质量下降，考虑到电视的AGC功能，允许的最高电平为：60+20=80 dB

CATV工程中dB为相对电平值，基准为1V(对应0 dBV)，用户电平确定为(70±7) dBV。

综上所述，若Sa<60 dBV，需加天线放大器；若Sa>60 dBV，则无需放大。 2. 性能要求

前端的性能直接影响系统性能，指标包括载噪比、互调和交调。

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：

C

()hC/N10lgK N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

C

S()h(dB)NF(dB)2.5(dB) N互调干扰是各频道的高频载波互相组合差拍，形成了新的高频成分，若这一新的高频成分进入某一工作频道，就会产生干扰，在屏幕上呈现网状干扰图像。

互调：载波电平有效值与互调产物有效值之比，用IM表示：

载波电平有效值 IMdB20lg

互调产物有效值一般说输出电平提高A dB，互调变坏A dB；输出降低A dB，互调改善A dB，因此放大器输出电平不宜太高。互调主要决定于两个频道，即使频道数增加，互调特性不再有明显变化，我国规定IM> dB。

交调：被测频道需要调制的包络峰峰值与被测载波上无用的包络峰峰值之比，用CM表示：

CMdB20lg在被测载波上需要调制的峰-峰值

在被测载波上无用的包络峰-峰值交调由放大器的非线性引起，是指接收频道的载波受到其它频道调制波的调

幅，一般来说交扰调制是低电平频道的高频载波受高电平频道的影响。交调的现象表现为白而宽的条带从左向右移动，称为“擦窗机现象”。交调与输出电平有关，输出电平提高A dB，交调变坏A dB；输出降低A dB，交调改善A dB，交调与频道数有关，同时放大的频道数越多，交调越差，我国规定CM>49 dB。 1.4 传输系统 1.4.1 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。

图1-15 同轴电缆基本结构

1.4.2 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75Ω。同轴电缆的特性阻抗由下式计算:

②衰减常数。同轴电缆的衰耗由内、外导体的损耗αr和绝缘介质的损耗αg两部分组成,即

③ 驻波系数与反射损耗。

④屏蔽系数与屏蔽衰减。 ⑤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;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同轴电缆。 2.光缆 (1)结构。 (2)性能

①衰耗特性。 ②频率特性。 ③防干扰性能。 ④寿命。

⑤其它性能。

表1―5 光纤的分类

图1―16 光缆断面图

3.微波

以微波作为传输媒质的CATV系统主要采用多路微波分配系统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。 1.4.3 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1―17 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。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1―18所示。

图1―18 光缆传输系统的基本组成

(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。

① 波分多路方式。 ② 频分多路方式。 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1―19所示。

图1―19 光缆+电缆传输

4. 无线传输

(1) MMDS系统。

MMDS系统的构成参见图1―20。 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1―20 MMDS系统构成

MMDS系统有以下特点:

①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。 ②MMDS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。

③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。

(2)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1―214所示。

图1―21 AML系统的构成

1.4.4 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。

在干线上用的放大器叫干线放大器，它具有补偿电缆损耗的功能；由于电缆的损耗在高、低频是不同的，高频上损耗大，因此放大器还具有均衡的作用。均衡的目标是保持各频道电平一致，它的实现是靠前端得到频信号发生器产生代表高、低频道的两个导频信号，放大器通过检测导频信号的幅度自动控制放大器增

益和输出电平。导频信号可以正确反映信号电平大小，但又不受电视信号影响，这就是自动增益控制(AGC)和自动斜率控制(ASC)，导频有三个：47MHz、110.7MHz、222.95MHz，导频电平为0dBV。

干线放大器是宽带放大器，它同时放大多个频道信号，因此放大器将使系统噪声增加、载噪比下降、频道间相互干扰加大。干线放大器的分类如下： 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)。它需要两个导频信号,一个用于AGC控制,另一个用于ASC控制。

a.第一类干线放大器 b.第二类干线放大器

c.第三类干线放大器 d.第四类干线放大器

e. ALC干线放大器的构成

图1―22 放大器分类与结构

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。 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ΔL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:

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1―23所示。图(a)为BON(BuidingoutNetwork)方式。

图1―23 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。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。 1.4.5 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,可以对传输系统进行指标分配。

电平计算：传输系统电缆上各点信号电平可用下式近似计算： STS1.15Lm

式中S为干线放大器输出信号电平，1.15L为同轴电缆损耗，为衰减常数，L为电缆长度，m为器件插入损耗。

根据以上计算，当某点电平降到70~80dB时，就应设置干线放大器。 载噪比计算：

单级放大器载噪比为

式中,Si为放大器输入信号电平(dBμv),NF为噪声系数(dB)，2.4dB是指无源网络的热噪声电平约为2.4dBV。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

若由不同参数的放大器组成,则传输系统载噪比为

交调和互调：这两个指标与系统中传输的频道数和串接的放大器个数有关，另外根据交、互调定义还与放大器的输出电平有关，要求放大器线性好。交调和互调不易精确计算，通常用仪器测量，一般情况下为了使交、互调小，要保证信号工作在线性范围，因此必须降低放大器的输出电平，降低量为： 10lgn5lgN1 式中n为放大器个数，N为传输的频道数。

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(dBμv)和实际工作电平(dBμv),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：

若系统由不同参数的放大器组成,则

3.设计内容

(1)网络结构设计。 (2)传输链路设计。 1.5 分配系统

1.5.1 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。 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)传输长度短,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。

1.5.2 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1―24 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

LS10lgPin均分时10lgn Pout 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还要比上式算出的值大些。通常S要大于20dB,输入、输出阻抗为75Ω,各端口的VSWR≤2。

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1―25所示为一分支器原理图和符号。

图1―25 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:

1.6 用户终端：连接电视接收机 1.7 双向有线电视系统 1.7.1 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。 1.7.2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。 1.7.3 信息交换方式

现在流行的交互式业务有两种信息交换方式。

1. 分配扫描方式

又称查询方式或巡检方式,其主要构成如图1―26所示。这种方式前端主动,用户被动,属于广播型交换方式。

图1―26 分配扫描方式原理

2. 点-点方式

在采用这种方式的网中,各用户以终端速率传输数据,只需前端一个频率变换器,其基本原理如图1―27所示,图(a)为传输示意图,图(b)为频谱利用情况。

图1―27点-点方式 (a)传输示意图; (b)频谱利用情况

1.8 付费电视系统

1.8.1 付费电视的基本原理

付费电视就是用加扰(或加密)技术对发送的电视信号进行特定的变换处理,使之成为一种伪装了的信号,一般用户无法正常收视,只有配备解扰(密)器并付费后才能有效收看。其基本原理如图1―28所示。

图1―28 付费电视原理

1.8.2 付费电视信号的加扰方法

1. 图像信号加扰的基本方法 (1)振幅处理方式 ①极性倒置(反相)。 ②同步抑制或代换。 ·正弦波同步转移。 ·脉冲同步转移。

·同步代换。

图1―29 切割反相

2. 频率处理方式

主要有频谱倒置和频谱扰乱两种方法。频谱倒置就是把已调波的频带倒置传输,频谱扰乱就是把图像信号的频谱加以扰乱。 3. 时基处理方式

①行旋转。将每行信号切成若干段,并在交换前、后位置后发送。 ②行置换。随机交换行的位置后发送。 ③行逆向扫描。扫描自右向左逆向进行。 2. 伴音信号加扰的基本方法 (1)再调频法。伴音信号用FM方式调制到超音频(如30kHz或70kHz)载波上,在解密器中要加一个调谐在超音频上的鉴频器。

(2)频谱倒置和频谱扰乱法。这与图像信号的加扰方法类似。 (3)时间扰乱法。把伴音信号按时间分段并打乱其顺序。 (4)数字伴音。数字音频常用PCM技术进行加密。 1.8.3 解密器与收费卡

1.数码处理及解密电路

这部分通常由微处理器、存储器及运算电路等组成。 2.图像及伴音信号处理电路

第二章 CATV用户分配系统设计

2.1、用户系统的设计

用户系统也称为分支系统，它是干线分支后的分支信号传输系统，它把干线系统分支后的电视信号合理地分配给各电视用户。它一般由分配器、分支器、支线放大器、串接单元、终端器等组成。支线传输电平的计算与干线系统的计算基本相同。

一、用户电平的确定与分配 在电视用户的电平分配过程中，用户电平过高，接收机的高频头工作会过载，使接收机无法工作。用户电平过低，接收机的信噪比变差，形成“雪花”干扰。国家规定用户电平为60dB -- 80dB之间。考虑到邻频传输系统的特殊性，并预留3dB老化余量后，应69±6dB；考虑到一年四季最大波动电平为±2dB，留有1dB余量，则邻频传输系统用户分配部分的用户电平可按常温下69±3dB进行设计。

用户电平是设计分配系统的重要依据，用户电平的计算方法有顺算法和倒算法。对于前者是从前往后算，由放大器输出电平开始，分别减去分配器的分配损失、分支器插入损耗、电缆损耗等计算出用户电平，当然如果电平不合适就需要调整设计或分支器分配器的型号，使用户端电平达到要求。倒算法是先利用系统允许的最低电平确定距离远处的用户电平，加上分配损失、分支损失、电缆损耗等得到放大器的输出电平。

用户电平的分配连接有不同的方式，常用的有如下几种方式。

（l）分配—分配方式。这种分配方式全部使用分配器。由前端设备输出的信号先经二分配器分成二路信号输出，然后再用二分配器或四分配器把每一路再分成数路输出。这种分配方式的特点是分配损失较小，缺点是如其中的一路空载对其他几路影响较大。下图为分配器—分配器连接方式。

图2―1 分配-分配方式

(2）分支—分支器方式，如图所示。它把前面分支器的支线作为后面分支器的干线。这种方式的缺点是插人损失较大。

图2―2 分支-分支方式

（3）分配—分支器方式，如图所示。在分配器的输出端接入分支器就组成了分配——分支方式，这种方式线路简单，安装方便。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75Ω(1/4W)负载。

图2―3 分配-分支方式

（4）分支—分配器方式，如下图所示。这种方式的特点是分配输出端的电平均等，分配损失小，但终端不宜空载。

图2―4 分支-分配方式

（5）分配—分支—分配方式，如图2-5所示。这种方式大都在电平不高而用户较多的情况下采用，这种方式带的用户终端较多,但分配器输出端不要空载。

图2―5 分配-分支-分配方式

（6）串接分支方式，如图2-6所示。这种方式全部使用分支器进行分配，所有的分支器均在干线中串接使用，每个分支输出通过电缆输送到电视终端盒。

图2-6 串接分支链方式

在用户电平的分配设计过程中，还经常设计不平衡分配方式。在远距离传输用损失较小的输出，在近距离传输用损失较大的输出，这样可以充分利用信号的能量。

二、施工安装

有线电视安装包括支线部件、支线电缆、用户终端盒等。

图2-7 电缆接头

图2-8 部件安装

支线电缆的安装分明线和暗线安装两种，暗线安装是在墙壁内埋暗管布线，暗管的内径应大于电缆外径的两倍以上。无论明线还是暗线安装，要求尽量走直线，在拐弯处成直角。明装沿墙行线时每40～50cm用电缆卡固定，入户的电缆沿外墙穿入室内时要用防水导管，以防雨水沿电缆线进人室内。

分配器与分支器的安装：

分配器、分支器尽可能安装在建筑物内。安装在室外时，一般距地面2.5m左右。不论安装在室内外，都应装在符合电波泄漏标准的防护盒内。分配器的空余端和最后一个分支器的主输出口必须接75负载。电缆与分配器、分支器的连接如图所示，部件接头处的电缆要留一定余地，以使今后对部件的拆卸。

图2-9 电缆与部件连接图

用户终端盒安装：

用户终端盒是系统与用户电视机连接的端口，一般应安装在距地面0.3～1.8m的墙上，分明装和暗装两种方式。

终端盒的明装要求

（1）用户电缆进入住户后用塑料钉卡钉牢，卡距应小于0.4m，布线要横平竖直，弯曲自然，符合弯曲半径要求。

（2）用户终端盒应距地0.3～1.8m位置牢固安装，不得松动、歪斜。用户盒到电视机之间连线应小于5m。

（3）用户终端安装方式如图2-10所示，电缆与用户终端连接采用冷压F型连接器，用专用工具夹紧，接头不得松动。

图2-10 用户终端盒安装

用户终端盒到电视接收机的引入线应采用屏蔽系数好的75-5型同轴电缆，长度不宜超过5m。

2.2 设计安装调试实例

设计要求：1幢4层楼房，共4个单元，每个单元的间距为20m，每个单元每层有2户，每层相邻两用户终端的距离为6米，楼层高为3m，放大器可放在四楼中间位置，有线电视输入电平为70dB,设计安装该楼的有线电视系统。（系统采用邻频传输（50－550MHz），放大器采用INT－8034D,分支分配器采用INT系列，电缆采用武汉汉力牌SYWV－75系列，参数见附录4）

根据楼宇的实际情况，采用分配－分支－分配方式，先做出原理图如下：

图2―11 分配-分支方式

放大器放在四楼中间位置，输出接四分配器分配到四个单元，输出分配到四个单元的距离分别为30，10，10，30，考虑到输出到单元距离较远所以采用75－7电缆衰耗较小，以下采用75－5电缆。系统末端一楼采用二分配，二、三、四采用二分支。

根据前述，规定用户电平为69±3dB。以末端用户为准采用倒推法设计，就本楼情况，以2、3单元一楼用户为基准，如用户端电平设计为69dB，一楼分配器输出电平应为：69＋1（用户盒损失）＋3＊0.15（75－5每米损耗0.15，见附表）＝70.45

一楼分配器输入电平应为：in1=70.45＋4（二分配分配损失）＝74.45 dB 二楼分支器输出电平为：74.45＋3＊0.15＝74.9 dB

根据输出判断二楼分支器分支损耗应在10dB以内，否则10dB加上3米线损0.45 dB，再加用户盒损耗达11.45dB，这样分支输出的用户电平将低于规定电平，故选用分支损耗为8 dB的分支器2／8M，由此二楼分支器输入电平为：

in2=74.9＋4.5（2／8M插入损耗见附表）＝79.4 dB

则二楼用户电平为：79.4－8（分支损耗）－1－3＊0.15＝69.95 dB，符合设计要求。

三楼分支输出为：79.4＋3＊0，15＝79.85 dB；三楼应选分支损耗为10的2／10M，其输入电平为：

in3=79.85＋2.5（2／10M插入损耗）＝82.35 dB；则三楼用户电平为： 82.35－10－1－3＊0.15＝70.9 dB，符合实际要求。

四楼分支输出：82.35＋3＊0.15＝83.8 dB，四楼分支选2／14M，四楼分支输入为：

in4=83.8＋2＝85.8 dB；四楼用户电平为：

85.8－14－1－3＊0.15＝70.35 dB，符合设计要求。

10米75－7电缆损失为10＊0.1＝1 dB，输出四分配分配损耗为8 dB，所以放大器输出应为85.8＋1＋8＝94.8 dB；1、4单元比2、3单元远20米，所以1、4单元用户比对应2、3单元用户整体低2个dB，既1、4单元1、2、3、4楼用户电平分别为67 dB、67.95 dB、68.9 dB、68.5 dB，符合设计要求。上述设

计的2单元用户电平分布如下图。

图2―12 分配-分支方式

施工安装

把放大器固定在指定的四楼中间位置，高度2.5米，接通电源线，把75－7电缆线按长度裁好，做好接头，连接放大器、分配器及分支电缆，分支电缆离地面2.5米，每隔50cm用－7釘卡固定，终点预留1米余量，四楼分支器放在楼道中间，离地2.5米处，入户线高度也为2.5米，终端用户盒在离地1.5米的指定位置，用户盒固定连接办法见前节所述（（在实验室因场地，按实际长度模拟施工，模拟安装四个用户，一到四楼，电缆按实际长度（－7用10米，－5线3米），分支分配器其他口用75电阻代替。））

测调

安装完毕后，用万用表测试放大器输出电缆接头有无短路情况，将放大器电源接通，用场强仪测输入电平（场强仪使用办法见附录2），高端电平应为70 dB，把场强仪接到放大器8034D输出端，打开放大器，调整增益旋钮，使高端输出电平为94.8dB，调整斜率均衡器EQ旋钮，使低端电平比高端低1－2个dB，测试用户电平。

最后用电视机目测：把电视机直接连在用户盒上，观看图像清晰度，测试结果图象质量在四级以上(图象质量见附录3)。

CATV 工程设计任务书

一、工程设计内容

1、学习CATV系统原理与设计方法。

2、以郑州大学新校区的建筑布局为用户分布图，以信息工程学院办公楼501电视实验室为前端中心，设计一套覆盖郑大新区的CATV系统，要求包含以下内容：

①网络结构设计。 ②传输系统设计。 ③分配系统设计。

④计算载噪比等性能指标。

⑤用场强计测量各频道空中信号场强。

3、以提供的器件参数为基础，假设输入信号电平为70dB，设计一套连接于主干线路上的分配系统，要求终端电平为70dB，楼房结构为3个单元、每层2户、层间距4米。

4、完成分配系统的施工布线图设计。

5、进行系统安装、调试和测试，对图像质量进行评价。 二、工程设计（论文）要求

1、对系统进行优化设计与性能计算。 2、在规定的时间内完成。 3、撰写设计报告，包括以下内容 （1）方案选择与论证。

（2）系统的设计与优化，以及设计过程的分析、性能指标计算等。

（5）系统调试原理与方法。对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施。 （6）收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。

CCTV实验器材清单

干线放大器 INT－7530A(参数见附录) 用户放大器 INT－8034A(参数见附录) 均衡器 二分配 四分配 二分支 用户盒 －5接头 －7接头 75欧姆负载 －5丁卡 同轴电缆线 同轴电缆线

VB－20 SU／2(参数见附录) SU／4(参数见附录) TU／2 （08／10／12／14／16）(参数见附录) Y1 SYKV－75－7(参数见附录) SYKV－75－5(参数见附录)

郑州大学新校区分布图

附录1 CATV传输电缆及常用有源无源器材 1、同轴电缆的特性参数

同轴电缆由内导体、外导体、绝缘介质和防护套4部分组成，如

附图1所示。

内导体的任务是传输高频高流。外导体除了传输高频电流外，还承担着屏蔽外界电磁干扰，防止电视信号外泄的作用。绝缘介质的作用是阻止沿径向的漏电电流，同时也要对内外导体起支撑作用，使整个电缆构成稳定的整体。目前常用的电缆有藕芯电缆和物理发泡电缆。

同轴电缆己开发物理发泡电缆。是目前有线电视网普遍采用的电缆。（参数见附表）

（1） 特性阻抗

同轴电缆的特性阻抗取决于内外导体的直径和内外导体间绝缘材料介电常数。常用电缆的特性阻抗有75和50两种。有线电视系统中都采用损耗最小的75电缆

（2）衰减特性

电缆在传输信号过程中会对其产生衰减作用。衰减是由导体损耗和介质损耗两部分组成，由于导体损耗的增加与频率的平方根成正比，介质损耗的增加与频率成正比，所以随着频率的升高，总损耗将增大。

（3）温度特性

电缆的损耗不但与工作频率有关，而且还随着使用环境温度的不同而变化。温度升高时损耗增加，一般电缆的温度系数为0.2%/℃，即当温度变化1℃，电缆的衰减量一般有0.2%的变化。

线路均衡器

均衡器一般安装在进入放大器之前，对电缆衰减的频率特性给予适当的补偿。均衡器的主要参数是均衡量和插入损耗。

温度补偿

为了补偿因环境温度变化而产生的线路电平的变化，确保气温变化时电平不出现较大的波动，可以采取季节性的人工调整补偿电平方法，每年冬、夏季调整两次。除此以外，也可采用带温度补偿的干线放大器。

2、无源器件

有线电视系统有两大类器件，即有源器件和无源器件。所谓无源器件是指各种不需要供电的器件，如分支器、分配器、系统输出口（终端用户盒）、均衡、衰减和各种接插件等。

分配器：

分配器是把一路信号等分为若干路信号的无源器件，常用的二分配器、三分

配器和四分配器（参数见附表）。分配器有一个输入口和若干个输出口，

分配损耗是分配器的主要指标之一。

分支器：

分支器跟分配器不同，它是从信号中分出一部分能量送到支路上或送给用户，分出的这部分比较小，主要输出部分仍占输入信号的大部分。分支器通常串接在分支线上，由一个主路输入端、一个主路输出端以及若干个分支输出端构成。如果将分支器与用户终端盒结合在一起，称为串接单元。

分支器中信号传输具有方向性，即只能由主路输入端向分支输出端传送信号，而不能反过来由主路输出端向分支输出端传送信号。因而常把分支器称为定向耦合器。

分支器除有分支损耗外，还有插入损耗。插入损耗是主路输入电平与主路输出电平之差，分支损耗主路输入电平与支路输出电平之并。（参数见附表）

用户终端盒

用户终端盒是有线电视系统和用户电视机之间的无源器件。有单输出孔和双输出孔之分，单输出孔的终端盒只有一个电视插孔，为安全起见，内部串接一个高压电容；双输出孔的终端盒有电视（TV）和调频广播（FM）两个插孔，一个供收看电视，一个供收听调频广播，两者不能插错了。

3、放大器

放大器是有线电视必不可少的有源器件，以前有分立元件放大器，现在全部采用模块放大器，维修使用都很方便，既可做干线线路延长放大器、分配放大器、又可用做用户放大器，其结构原理基本相同，惟一不同的是模块的指标，下图是深圳迈威MW-26E单模块放大器电原理图。

由图可以看出，单模块放大器的结构较简单，没有复杂的功能性电路，只有基本的增益调节和均衡调节。单模块放大之所以不加功能电路，是因为功能电路要消耗一部分增益，本来单模块放大器输入电平就不高，再加功能电路会降低输入信号的载噪比，得不偿失。

（1）增益调节部分

放大器采用可调衰减器作为增益控制元件，实现增益的随意调节，调试过程非常方便。

（2）均衡调节部分

均衡器采用以下3种形式：第一种为可调均衡器；第二种为固定均衡器，它解决了可调均衡器的鼓包问题，通常以9dB为起点，每3dB为一挡变化，共配4只；第三种为固定均衡器和可调均衡器配合使用。固定均衡器的均衡量一般为8～12dB,当低于8dB时把固定均衡器换成直通，用可调均衡器调节，当均衡量大于8dB时，固定均衡器和可调均衡器共用。

(3)输出分配部分

放大器经过模块放大后的信号输出形式一般有两种，一种是一分配器（又称双输出），另一种是一分支器（分主输出与一20dB输出）。

附录2 常用测试仪器的使用

在有线电视的安装、调试过程中，场强仪是必不可少的测试工具，如何选择和使用好场强仪尤为重要。

早期的场强仪只有指针式电表作指示，目前多数采用数字方式显示，读数一般直接显示频道（或频率）和电平dB，场强仪一般还带有鉴频器和监听扬声器，供测量时监听伴音质量。下面以德国徳力DS 1872为例介绍一下场强仪的使用方法。

DS 1872场强仪的使用

（1>面板结构

图8-2是DS 1872场强仪面板示意图。

频道范围：中国标准1CH-56CH（仪器显示CH001 -CH056 ) 中国增补ZICH-Z43CH（仪器显示CH101-CH143 ) 频率精度：120ppm 分辨率：10kHz

测量带宽：280kHz、150kHz 测量范围：30dBV-120 dBV

测量精度：11.5dB（200C15℃） 12 ．5dB（-10℃~40℃） 分辨率：0.1 dB

检波方式：峰值检波

输入阻抗：75Ω（不平衡，F型接头）

扫描频道数量：最多100个（46MHz- 870MHz全频段覆盖） 扫描速度：约3个频道/s

记忆单元：共可存储100个频道的测量值 载噪比(C/N）范围：20dB-50dB

电压测量范围：0-100V交流或直流(AC/DC ) （2）使用注意事项

①场强仪充电：仪器由内部的12V/1.3Ah铅酸电池供电工作，由于采用了多项低耗电技术，在一次充足电的情况下，平均可连续不关机使用4-6.5h。 按下电压测量键(VOLT）可测量仪器内部的供电电压(BATT DC），电池电压低于10V,仪器会自动关机。在空闲时间内，应给电池充电，一般不要低于10V才充电。因为铅酸蓄电池的寿命与放电深度有直接关系，至少六个月放电一次。如果放电深度为30%, 50%, 100%,则电池循环寿命次数对应为1500, 400, 1800 ②电平单位设置：按下功能调协键（SET)，仪器进入设置方式，液晶显示出现LEVEL,UNIT,转动旋轮或按上、下方向键，选择dBpV作测量信号电平单位。

③选择电视频道：按下功能设置键，显示屏显示USER PLAN字样，转动旋轮或按上、下方向键，选择CHINA标准。

④测量方式选择：本仪器既可测量单频道电平，也可测量点频率电平，可按LEVEL/TV与LEVEL/FM来选择。

⑤图像、伴音，AN比测量：按下单频道测量键LEVEL/TV，仪器进入单频道电平测量模式，连续按下此键可分别测量图像载波电平，伴音载波电平或AN比。

⑥载噪比测量：按下载噪比测量键(C/N)即可测量传输系统的载噪比，此时图像载波电平必须大于85dB,若低于80dB，则测不出C/N o

⑦斜率测量：按下斜率测量键(TILT),即可测量3个频道间的电平差（即斜率）显示屏上的“L”、“M”、“H”分别代表低、中、高频道，其后面数字表示测量的三个频道号。显示屏左下角的三条竖线代表三个频道图像载波电平高度，右下角显示高、低频道电平差。

附录3 有关有线电视的几个基本概念

多路电视节目信号在通过有线电视系统的非线性部件时，会产生交扰调制和相互调制。系统的调试不当，会影响信号传输质量。在系统调试之前，了解测试过程中的几个基本概念是有必要的。

一、图像质量评分法

对于电视图质量的好坏，是以信噪比的大小来衡量的，由此建立起图像、信噪比与信号场强之间的关系。对于图像质量的评价目前采用两种方法，即主观评价和客观测量方法。

主观评价是由人眼观察图像好坏来评价的，评价标准按国际无线电咨询委员会CCIR的标准分为五个等级标准。

客观测量是用仪器对系统的各项指标进行测量，其图像质量与信号的场强、载噪比有关。当载噪比达不到要求时，即使信号场强很高，图像质量仍达不到理想要求。

表1. 图像质量五级评分法

图像等级 5 4 3 2 1 图像等级 5 4 3 2 1 主观评价 优 良 中 差 劣 信号场强 50dB以上 48dB 4548dB 3845dB 38dB以下 图像质量 觉察不到杂波和干扰 可觉察到有杂波，但不讨厌 杂波干扰明显，有些讨厌 杂波干扰很明显，令人讨厌 杂波干扰非常严重，非常令人讨厌 载噪比 46dB以上 4046dB 3740dB 3037dB 30dB以下 表2. 图像等级与场强、载噪比 二、交扰调制

在有线电视系统中使用了非线性失真的放大器，当输入两个以上的电视信号时，如某个电视信号过强或放大器调试不当，会使放大器工作在非线性区，接收频道的图像受到干扰频道的调制波调幅，使被干扰频道的电视图像产生竖直的条纹，这种竖条因两个频道信号间的行频的差异而左右缓慢移动，像雨刷一样，这种现象称为交扰调制，情况严重时，在被干扰频道的图像背景上还可以看到干扰频的图像。

三、相互调制

相互调制是由两上以上的频率成分，差拍后产生新的频率分量，这些新频率和任一输入信号的频率都不相同，但当它落在某一输入信号的频带中间就会形成干扰。相互调制和交扰调制一般是同时发生的，但与交扰调制不同，即使产生了相互调制，只要在输出信号中将调制成分滤除，就不会对其他频道产生干扰，而交扰调制是不能滤除的。

相互调制在电视图像上表现为网纹，网纹越粗越疏，其干扰频率越接近图像载波频率。网纹越细越密，表示干扰频率离图像载频越远。

四、同频干扰

同频干扰是指干扰信号与主信号的频率相同，二者如同时进入有线电视系统或电视机中，就很难将它们分开，虽二者的频率相同，但其相位不同，二者混合后会产生差拍频率而形成水平白条带，明暗相同，布满屏幕，严重时还会上下缓慢移动或跳动，造成无法收看。

五、邻频干扰

在有线电视系统中，如用邻频传播，系统调试不当，极易产生邻频干扰。由于相邻频道的频率相互衔接，前一个频道的伴音载频与后一个频道的图像载频只差1.5MHz，当接收主信号频道图像载频，受到一个频道的伴音载频差拍干扰时，

电视图像会出现大约80条左右的斜网纹、竖向直格子或锯齿状纵向条带的干扰。当主信号频道的伴音载频受到上邻频道的图像载频干扰而生产1.5 MH拍频干扰时，电视图像出现纹波状飘动网纹。

六、重影

重影就是在电视屏幕的左侧或右侧出现暗淡的图像影子。左侧出现的重影叫左重影，有的称前重影，它是强场强的电视信号，直接窜入系统用户电视机的时间，比系统传输的该电视信号到达用户电视机的时间要超前，于是在电视图像的左侧出现重影。图像右侧出现的重影叫右重影，也称为后重影，它是同一个图像信号的反射波到达电视机的时间，要落后直射波到达电视机的时间，这是由于电磁波多径传播造成的，因而影响出现在右侧。

附录4 器材参数