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有线电视计算

第六章有线电视系统设计

6.1有线电视系统概述

有线电视系统不仅能高质量的转播当地的开路电视节目,还可以自办节目或转发卫星电视节目,并能双向传输和交换信息,完全能满足这些要求。

有线电视以有线闭路形式把节目送给千家万户,所以被人们称为CATV(CableTelevision)[7]

6.1.1有线电视系统的组成

有线电视系统由前端、干线传输和用户分配网络三部分组成。

按系统功能和作用不同,可分为有线电视台、有线电视站和共用天线系统。

有线电视台的有线电视系统是相当复杂和庞大的,它使用的载波频率高(750MHz或更高)、干线传输距离远、分配户数多,而且大多是双向传输系统。

一个居民楼内的共用天线系统则可能是没有干线传输部分的最简单的有线电视。

前端系统负责对电视信号接收处理。

来自卫星的节目大多为数字压缩电视信号,通过前端系统将数字电视信号变为PAL-D制射频信号。

以一个典型的VHF(甚高频)有线电视系统为例,前端包括闭路和开路两个部分。

闭路部分有录播用的录像机和直播的摄像机、灯光等设备。

开路部分包括VHF、UHF(特高频)FM(调频)、微波中继和卫星转发的各种频段的接收设备,接收的信号经频道处理和放大后,与闭路信号一起送人混合器,输出的是一路宽带复合有线电视信号,再送人干线传输部分进行传输。

干线传输部分是一个传输网,它主要是把前端混合后的电视信号高质量地传送到用户分配系统。

它的传送距离可以达几十公里,可以包括干线放大器、干线电缆、光缆、多路微波分配系统(MMDS)和调频微波中继等。

分配系统均匀的将信号分配给用户,已达到较好的收视效果,使终端设备发挥最佳作用,并隔离用户端之间的信号,使之不影响。

它包括线路延长分配放大器、分支器、分配器、用户线及用户终端盒等。

CATA系统由信号源设备\前端设备和传输分配系统构成。

⑴信号源设备

包括各种单频道型天线、分频段型天线或全频道型天线、FM接受天线、卫星地面接受站,自办节目用的录象机、摄像机、话筒,特殊效果发生器、编辑机和视频切换装置等。

⑵前端设备

前端设备是接在信号源与传输分配系统之间的设备用以处理传输分配的信号:

①天线放大器:

为提高接受天线的输出电平及满足载噪比的要求与接受天线馈出线相连的低噪声型放大器。

②频道放大器:

用于放大电视频道或频段信号的各种专用频道放大器或宽频带放大器以及调频波放大器等。

③频率变换器:

用来将一个或多个信号的载波频率变换到其他载波频率的装置。

④混合器:

将多个频道或频段的信号混合起来,汇成一路输出的无源器件,兼有混合和放大功能的综合混合器件,则属有源设备。

⑤调制器:

用来将各种信号调制成特定频道的设备。

⑥分波器:

将一个输入端的多个频道信号分解成多路输出,每个输出端覆盖着其中某一频段的器件。

⑦导频信号发生器:

特大型CATV系统中用以改善线路传输的温度频率特性的设备.

⑶传输分配系统

主要由于干线传输系统和分户分配系统构成干线传输系统主要有主干线放器、主干线桥接放大器和分配器。

主干射频电缆构成,在特大型(一般指万户左右)的CATV系统中起传输作用,中小型的CATV系统通常不考虑干线传输系统,而有前端与用户分配系统相接。

用户分配系统的用途在于将干线的信号能量尽可能均匀地分配给每台用户电视机并保证其信号质量,一般包括如下器材:

①分配器:

将一路输入的信号能量均等或不等地分配给两个或多个输出的器件。

②分支器:

串接在干线中,从干线上耦合部分能量分几路输出的器件。

③用户终端:

向用户提供信号的末端插孔。

④馈线:

用来提供信号传输通路,有干线和分支线之分。

⑤线路放大器:

又称线路延长放大器,装在分支干线上以补偿线路损耗。

目前,我国高层建筑常以一座楼或一组楼群为单位装设CATV系统,一般为中型(100~400户)或大型(400~1000户)系统,极少有数千乃至上万户的特大型CATV系统.这主要是因为国内多数高层建筑对CATV系统的功能要求还不是很高。

前端和信号源部分还不是很复杂。

因此,无论是从经济上,还是从维护管理上来看,都不宜使系统覆盖范围太大。

随着社会进步和生活水准的提高,CATV技术的发展,特大型化必将成为必然的趋势。

6.1.3CATV有关基本概念

⑴分贝的运用

共用天线电视系统接收统中经常利用分贝这一数学概念,使系统设计大为简化,分贝(dB)是一种对数加减运算值,习惯上常常用分贝来表示电压或功率等绝对电平值。

①场强表示:

0分贝=1微伏/米或称微伏分贝/米;

②输入输出电平:

0分贝=1微伏或微伏分贝;

③功率:

设有两个功率分别为P1及P2则增益Gp=10log(P2/P1)6-1

P1:

表示输入功率

P2:

表示输出功率

④电压:

设有两个电压分别为V1及V2则增益Gv=20log(V2/V1)6-2

V1:

表示输入电压

V2:

表示输出电压

在③、④两项中,P2/P1(V2/V1)>表示衰减。

而且可以看出,电压增益20分贝为10分贝为10倍,引入分贝这一概念后,对一个系统的计算只要加减运算就可以了。

⑵场强

场强的全称是电磁场强度,是衡量空中传播电磁波强度的一个量,单位为微伏/米,若用对数表示则为微伏分贝/米。

在设计共用天线电视接收系统时,首先要了解当地场强情况,场强一般用仪器测量,有时限于条件也可对场强进行估算。

6.2CATV主要部件及其性能

CATV系统所使用的天线,与一般家用接受天线并无本质区别。

它接收载有图象和作伴信号的空中高频电磁波,使之变为感应电压和电流,并经过电缆传输到系统。

天线的增益越高,其输出电平就越高,系统的信噪比就越好。

在信号场强较弱或干扰较大的地区,应选用高增益、抗干扰能力强的天线。

⑴天线的分类

①按天线的结构形式分类:

有八木天线、对数周期天线、菱形天线和各种特殊功能接受天线(如抗重影天线和阵列天线等)。

在CATV系统中,最常用的是八木天线,天线由有源折合半波振子数。

单元数越多,则天线的增益越高,方向性越强。

②按天线的接受频带分类:

大致可以分为三类,即甚高频接收天线、超高频接受天线和甚高频超高频全频道接收天线。

VHF甚高频接收天线(1~12频道)

VHF宽频带接收天线(1~5频道)

VHF低频段接收天线(6~12频道)

单一频道专用接收天线(1、2、3……12频道)

UHF超高频接收天线

UHF宽频带接收天线(13~62频道)

UHF低频段接收天线(13~44频道)

UHF高频段接收天线(45~68频道)

UHF.VHF全频道接收天线(1~68频道)

⑵天线设备及其选择

高层建筑CATV系统的天线应选用增益高、方向性强而旁瓣和后瓣以及前后比大的产品。

VHF段应尽可能采用单频道型专用接收天线,UHF段可采用分频段天线。

天线结构应牢靠并有足够的机械强度以承受高空风力负载,6~12频道的接收天线应采用8单元以上的天线。

1~5频道可采用5单元的天线以免引向器过长而增大风荷。

如因场强过弱,或因天线方向图不够尖锐而产生重影。

可考虑用同类天线组成水平垂直叠成天线。

⑴天线放大器

在电视台服务半径的边远地区场强较弱,采用天线放大器是解决远距离接收的有效措施一般天线输出电平低于75分贝时,就必须考虑采用天线放大器。

天线放大器应该选用高增益(>15分贝)和(≤6分贝)的产品。

天线放大器在VHF频段应该配合单频道专用天线采用专用频道天线放大器。

对于UHF频段则应配合分频段天线采用相应频率范围的放大器。

⑵主放大器

主放大器是CATV系统中的一个重要部件。

它应能足工作频带要求,增益要高并应连续可调。

噪声系数小,最大输出电平要高并且具有良好的交流调制和相互调制特性。

在设计中应根据系统规模考虑是否需要具有自动电平控制(ALC)和自动斜率控制(ASC)等功能。

为了减少大信号输出时的非线性失真,必须考虑到设备性能下降等因素的影响,留出一定裕度以便日后调整。

主放大器又称共用天线控制器,一般都包括衰减器、专用频道放大器、混合器和稳压器和稳压电源等器件。

⑶线路放大器

线路放大器串接于分配系统中,用以补偿线路的损耗,在全频道CATV系统中,应该采用全频道宽带放大器,并应具有补偿频响倾斜的功能和较高的输出频率。

但由于有多个频率信号通过,放大器的非线性失真会使多个信号之间产生交调和互调现象,串接的线路放大器线路越多,频道数越多,则交调和互调干扰越大。

射频电缆衰减随频率的增高而加大,如果线路较长,会使高、低频道信号电平相差很大,因此,线路放大器应具有斜率补偿特性以抵消电缆的频率衰减。

⑷混合器

在使用组合天线时,必须采用仅让接收信号通过而阻止其他信号通过的滤波型混合器。

混合器常分为二混合、三混合及多路混合器等多种,混合的路数越多,则插入损失相应也大一些。

混合器通常由高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器及阻滤波器等组成,也有利用偶合器作成多路混合器的,还有将分配器倒接作为混合器使用的。

一般要求混合器的驻波比应不大于2.5,插入损耗不大于2分贝,相互隔离度不小于20分贝。

⑸衰减器

在公用天线电视接收系统中,衰减器接于放大器的输入端和输出端,用于调节放大器的输入电平和输出电平,在分支器中也常用到。

衰减器可以单独使用,也可直接装入放大器或分支器中。

衰减器通常用无感电阻按∏型或T型电路方式构成。

衰减器的阻抗有75欧和300欧两种,常用75欧的。

⑹前端设备的组成形式

前端设备的组成形式,决定于前端设备的输入电平及前端的输出电平。

前端设备的输入电平就是天线馈线输出端电平。

前端设备输出电平,应根据系统规模大小而定。

规模小,输出电平可以低一些;规模大,则要求输出电平高一些,大致在90~110分贝之间。

⑴分配器和分支器

分配器和分支器是CATV系统用户分配网络的关键设备。

分支器的插入损失和耦合量是系统计算中的重要参数,运用设计技巧合适的分支器可以使的用户电平趋于均匀。

在计算分支器的分支端电平时不应再计入分支器本身的插入损失。

分配器和分支器的输入、输出阻抗均为75欧。

在高层建筑中一般采用二分支器或四分支器,很少使用串接-分支器。

⑵传输电缆

在CATV系统中应采用75欧同轴电缆作为传输通道,在系统分配网络中,同轴电缆将对所传输的高频信号产生衰减,衰减的程度不仅与电缆的长度有关,而且还与所传输信号的频率和电缆结构及截面有关。

为了保证系统性能,防止信号电平下降过多和信噪比变差,应尽量采用损耗低、驻波小、温度稳定性好、抗干扰能力强以及具有一定机械强度和防潮能力的同轴电缆。

如果忽略电缆介质材料及结构上的不均一性的影响,在工作计算时可近似认为同轴电缆在某一频率(兆赫)下的衰减常数α为

α≈α1.

分贝/米6-3

式中α1—电缆在1兆赫时的衰减常数,分贝/米;

f—计算频率,兆赫。

⑶电缆接头分为插头和插座两种,多用于天线放大器与分配器之间的连接。

对于要求较高的CATV系统,插头和插座的使用尤为广泛,是共用天线电视接收系统不可缺少的部件。

6.3CATV系统设计和计算

⑴用户端电平(电视接收机输入电平)值,是制定系统方案的依据。

共用天线电视接收系统用户端电平值可在57~83微伏分贝范围内选定。

根据共用天线电视接收系统调试和有关资料证明,在一般情况用表7-15所列数据作为参考是适宜的。

即用户端电平值选为65±5微伏分贝。

接UHF频段时,用户端电平应大于70微伏分贝。

在接收条件比较复杂的环境中,用户端电平值的选定视具体情况综合考虑,使之达到满意的接收效果。

⑵接收点电场强度的计算

①视距传播最大距离的估算

最大视距S也称服务区域半径,在标准大气条件下,可按下式估算:

S=4.12(

+

)公里6-4

式中h1—发射天线高度,米;

②视距内电场强度的计算

一般情况下,电场强度E可按下式估算:

E=88·(h1h2

/λD·D)伏/米6-5

式中E—电场强度,伏/米;

h1—发射天线高度,米;

h2—接收天线高度,米;

P—发射天线有效辐射功率,瓦;

Λ—接收频道中心波长,米:

D—收、发天线间距离,米。

③根据接收质量估计电场强度

接受点的电场强度还可根据电视图象质量初步估算出电场强度值。

接收点电场强度的大小,由电波传播和接受过程中的许多种客观条件所决定。

实际上接点的场强为多径干涉合成场强。

以上公式只能提供参考,最好是利用场强仪实地测量,作为工程设计的可靠依据。

⑶接收天线输出电平

接收天线输出端的电平值或电压值,应按下式计算:

Sa=Er+20㏒λ/∏+Ga+Lf-76-6

式中Sa—接收天线输出电平,分贝;

Er—接收场强,分贝;

Λ—波长,米,按各频道的中心频率折算成波长;

Ga—接收天线的增益,分贝;

Lf—馈线损失,分贝。

式中的20㏒λ/∏称为波长修正因子。

应该强调的是,天线输出电平这一物理量,对设计共用天线电视接收系统是非常重要的。

因为前端设备信噪比,可以用下式表示:

S/N=Sa—天线输出电平,分贝6-7

Fn-前端噪声系数,分贝,主要由前置放大器的噪声电平的分贝数

根据主观评价电视图象质量,只有当信噪比S/N≥45分贝,方可得到良好的图象。

如Fn取8分贝,S/N≥45分贝,则要求天线输出电平至少应大于55.5分贝。

为了提高前端设备信噪比,应设法提高天线输出电平,这就要根据实际情况来选择天线和架设地点,尽量做到天线和75欧馈线匹配。

选择低噪声系数的放大器,而且放大器应直接接在天线之,需接入的衰减器应接在天线放大器和多波段放大器之间。

⑷前端输出电平的计算

计算前端设备输出电平时,应计算每一频道的输出电平。

为了很好地克服交调、互调影响,输出电平应尽可能一致,但考虑到系统的传输损耗,适当考虑不同频率信号,其输出幅度应有所不同,频率高的输出信号应大于频率低的输出信号。

每一频道电视信号在输出端(多波段放大器的输出端)的电平S应按下式计算:

St=Sa+Ga+Gx-Lx6-8

式中Sa—天线输出电平

Gt—前置放大器增益(在电场强区不加入前置放大器时不应计入)

Gx—多波段放大器增益

Lx—从天线下来的电缆引入损耗和混合器的插损

到底前端输出电平以多少为合适呢?

一般都希望输出电平高一些,但它又受到多波段放大器输出电平的限制。

根据国内外现有的器件水平,主放大器和线路放大器的最大输出电平宜控制在105分贝以下,这样做有利于调试,有利于广泛于选择各种系列的产品以降低造价,也为日后设备性能下降时留有一定的裕度。

多波段放大器输出电平可近似用下式表示:

Sx=110-5㏒(N-1)6-9

或Sx=120-5㏒(N-1)

式中Sx—多波段放大器输出电平

N—所接收电视的频道数

⑸传输分配系统

传输分配系统实际上是一个信号电平的有线分配网络。

它是由干线、支线电缆、放大器、分配器、用户盒等组成的,在小型、中型和大型系统中,这种分配方式的复杂性有很大差异。

中小型系统放大器的级联以及所用分支器、分配器都不多,而大型系统中级联放大器却达到相当多的数量。

于是,在传输过程中需要串接多少个放大器用户电平才能得到保证,而串接放大器后信噪比如何计算,信号在干线中是怎样传输的等等,在设计时都要加以研究。

①系统的信噪比 全频道共用天线电视接收系统。

小型系统一般在干线上不再加放大器;中型系统只串接少量放大器,系统信噪比在40分贝以上似乎是不成问题的,实际情况并非如此。

为了计算系统的信噪比,可以把干线上的情况进、简化为若干台(几台)相同噪声系数F而且传送距离相等的放大器,则总的噪声系数为

          Ft=nF     6-10

式中 F—放大器的噪声系数,分贝;

   n—级联放大器台数.

整个传输系统的信噪比为

    (S/N)i=Si-Ft-2.5 6-11

式中 Si—传输系统输入电平

传输信号的距离越远,级联放大器便越多,为了保证一定的信噪比,便要求输入电平Si愈高,对全频道共用天线电视接收系统而言,就是要求多波段放大器输出电平要高。

  传输系统与前端相连以后,总的噪声系数为

      Fn—前端噪声系数

      Gn—前端有效功率增益

  整个系统的信噪比按下式计算:

     (S/N)S=Sa-Fn-2.56-12   

②干线传输系统的电平计算

干线传输系统各级放大最高电平S'max按下式计算:

S'max—各级放大器最高电平

Sn—放大器最大输出电平

n—级联的放大器级数

N—所设计系统的频道数

由上式可知,级联放大器数量n愈多,输入频道数N愈多,放大器的输出电平便会变低。

这是因为在传输系统中,多个放大器级联,互调和交调干扰就愈显著,而交调指标又与输入频道数量N有关,N愈多,交调指标便愈坏。

为了改善放大器非线性失真所引起的交调和互调参数变坏,应该将放大器的最大输出电平降低。

当频道数量不变时,干线放大器输出电平的最大值不能超过En。

En=E1-10㏒n6-13

式中 Et—产品说明书上给出的一路输入时的最大输出电平值

   n—串接的干线放大器台数

此时,放大器输入电平不能小于S′min。

   S′min=Fn+(S/N)i+2.5+10㏒n6-14

式中 E1—产品说明书上给出的一路输入时的最大输出电平值

   N—串接的干线放大器台数

此时,放大器输入电平不能小于S′min=Fn+(S/N)i+2.5+10㏒n 

式中 Fn—放大器的噪声系数 分贝;

(S/N)i—传输系统信噪比

 n—串接的干线放大器台数

即干线放大器的最大增益不能小于超过下式:

(S/N)i—传输系统信噪比

n—串接的干线放大器台数

即干线放大器的最大增益不能超过下式.

G=S′max-S′min 6-15

⑹传输分配系统计算举例

在计算时需掌握下列数据:

①前端设备的输出频率;

②分配线所用电缆,分支器等的技术参数(耦合衰减及损耗等);

③分支器输出端(即用户插座)设计所要求的电平。

计算公式

第N个分支器输出电平=多波段放大器输出电平-分配器分配损耗-前段电缆衰减-(N-1)段电缆衰减总和-第N个分支器的分支损耗。

分配器和分支器的损耗由制造厂家提供.

⑺全频道共用天线电视接收系统设计特点

全频道共用天线电视接收系统设计时,最重要的一点就是要考虑VHF频段和UHF频段信号在电缆传输过程中信号衰减问题。

由上述给出的电缆传输衰减量,来计算一下用SYV-75-9电缆200米传输VHF频段和UHF频段电缆衰减情况,VHF频段衰减0.08分贝/米×200米=16分贝,UHF频率衰减0.16分贝/米×200米=32分贝,可以看出传输信号仅短短200米,衰减量相差达16分贝,所以在设计时必须进行U,V补偿,这是全频道共用天线系统,尤其是大﹑中型系统最重要的一点。

可以认为,全频道共用天线系统设计的好坏,很大程度上决定于U﹑V补偿好坏。

①小型系统 100户以下为小型系统。

这种系统的U﹑V补偿比较容易,只需将前端多波段放大器4个波段的输入端口增益,按照Ⅵ﹑FM﹑Ⅷ、U频的顺序分别调成一定的梯度,即Ⅵ增益最小﹑其次为FM……U频增益为最大。

这样从前端输出电平就会依Ⅵ﹑FM﹑Ⅷ、U频各段相应提高,这种系统干线往往传输不远,电缆衰减量不大,所以利用以上方法各用户UHF频段及VHF频段电平可以作为基本平衡。

②大、中型系统 大中型系统中,干线电缆长,各分支器、分配器数量多,而UHF频段信号相对VHF频段衰减量要大得多,所以U、V传输补偿就显得非常重要.VHF共用天线系统中多采用斜率放大器进行电缆传输补偿,它是利用放大器本身的反馈回路使放大器本身具有斜率特性的,这种斜率特性正好补偿电缆衰减量。

但在全频道共用天线系统中频带甚宽,这样宽的频带斜率放大器至今还不多见。

所以人们通常采用下述3种方法进行补偿。

a)线损均衡器 这种均衡器分VHF波段和UHF波段两种,它的均衡置分为6分贝、10分贝、14分贝供选用,它是一种无源器件,可以和坦平放大器(TZ7081VS)结合在一起进行补偿。

b)U、V混合传送单元 这是已作成产品的U、V混合传送单元,它的输入端可以分为U频段V频段两端口输入,也有分成Ⅵ、Ⅷ、及U频段三端口输入等等,增益UHF频段大于VHF频段,而增益可在0~12分贝范围内调节,其最大输出电平可达115分贝。

c)利用已有器件灵活组成U、V混合单元这种方式灵活,器件容易得到,适应性强,厂家所生产的全频道共用天线系统均采用这种方案,效果良好。

6.3.2设计原则与要求

(1)干线部分

干线传输部分是把前端接收的电视信号传输给用户分配系统的一系列传输设备。

为了向各地点传输符合要求的信号,传输网络的结构可以是星形、树形或是星-树形,在某些场合也可以采用网形或环形结构。

自前端至各建筑物的传输部分为干线传输部分,干线传输电缆采用SYKV-75-9/12或SYV-75-9/12同轴电缆。

若干线距离较长,为了保证末端信号有足够高的电平,需要加入干线放大器以补偿电缆的衰减。

电缆对信号的衰减基本上与信号频率的平方根成正比,故有时需要加入均衡器以补偿干线部分的频谱特性,保证干线末端的各频道信号电平基本相同。

(2)电缆分配网络

有线电视前端信号经放大器进入分配网络,前端信号进入一层的分配器,再由分支干线(SYV-75-9视频线)引至各楼层的分支器,再通过用户线(SYV-75-5视频线)到各个终端的有线电视插座。

①进线口的设置

a)多层式住宅楼及板式高层住宅楼,可根据线路设计要求按一处以上进线组织暗管系统。

b)楼外应设手孔,由手孔引至住宅建筑内放大箱的管道,孔径应不小于40mm,数量应不少于2条。

②电缆分配网络的结构

a)分配器-分配器

b)分支器-分支器

c)分配器-分支器

d)分配器-串接单元

以上几种网络结构并不是孤立存在的,在一个具体的住宅电缆分配网中,往往是几种结构的组合。

分配网络采用分配分支方式,一方面可以有效地抑制放射信号,另一方面由于终端是和分配分支独立连接的,终端与终端之间不互相影响,便于维护和以后的收费管理。

设计中所选分支分配器均为双向的,整个系统具有双向传输功能。

为使系统耐老化,电缆采用物理发泡同轴电缆。

(3)分配器、分支器的设计

①信号主轴线的末端不得使用分配器;

②分支器的串联不得超过6个;

③分配器到每户的终端盒应采用单独的暗管设置,不得与其他住户终端盒相串接;

④一户内多终端口的设置方式可采用户内分配方式。

分配器的输出端不能开路,否则会造成输入端的严重失配,同时还会影响到其他输出端。

在系统中当分配器有输出端空余时,必须接75Ω负载电阻

(4)用户终端的设计

①应同时具备TV输出口和FM输出口;

②应具有良好的电磁屏蔽性能和防潮防腐性能;

③应符合国标规定的安全要求;

④用户终端电平要求满足(68±4)dB;

⑤每套住宅应最少设计一个终端,高标准住宅可按实际需求对终端数进行设计安排,并应设置在每套住宅的起居室或卧室内。

⑥用户盒暗敷距地0.3米。

[8]

(5)同轴电缆选择及穿管管径

①用户分配网中使用的同轴电缆均采用物理发泡电缆;

②分配放大器输出端连接的分配器的分路电缆距离较长,宜采用-75-9、-75-7的电缆;分支器、分配器和用户终端之间的连接宜采用-75-7的电缆;

③楼内暗管系统应全部采用钢管;

④只敷设一条-75-9型电缆时,应采用内径≥25mm的钢管;

⑤敷设其他型号电缆或两条以上电缆时,管孔截面积的利用率应不大于40%;

⑥外线电缆均采用稳定聚乙烯护套,室内电缆可以采用聚乙烯或聚氯乙烯外护套。

6.4本工程有线电视用户电平计算

6.4.1本工程有线电视用户分配概述

本次设计中有线电视系统采用高频750MHz,低频48.5MHz传输,有线电视分配箱安装在一二单元之间,由前端进二分配

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