CATV工程设计.docx

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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

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（CommunityAntennaTelevisionSystem）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（CableTelevisionSystem,CATV）或闭路电视系统（ClosedCircuitTelevision,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，从而限制了传输的距离，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―1Z1~Z16频道分配表

表1―2CATV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―3CATV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―3CATV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。

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。

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:

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8dB，这样为保证良好的图像质量，天线输出的最低电平应为54dB，考虑到系统老化等因素，留出6dB余量，因此最低信号电平为：

46+8+6=60dB（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=80dB

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

综上所述，若Sa<60dBV，需加天线放大器；若Sa>60dBV，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：

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

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：

一般说输出电平提高AdB，互调变坏AdB；输出降低AdB，互调改善AdB，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>54dB。

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：

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AdB，交调变坏AdB；输出降低AdB，交调改善AdB，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>49dB。

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第四代同轴电缆。

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限制。

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―20MMDS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―21AML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0dBV。

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。

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：

式中S为干线放大器输出信号电平，1.15L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2.4dBV。

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：

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

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.