有线电视系统基础知识

单元一 有线电视系统

一、应用场所与作用

有线电视系统的主要设置场所为住宅建筑，其主要作用是改善广播电视的收视条件和增强抗干扰性能。早期的电视都是以无线、空间波的形式来传送电视信号的，这样的优点是设备投资少，见效快，缺点是信号的传送受到地形、地貌的影响，信号质量较差。为了改善收视效果，人们开发并使用了有线电视系统。同时在某些场合下还可以进行其他图像、数据、信息传输。

二、组成与工作原理

CATV系统如下图所示，主要由前端系统、传输系统、分配系统三个部分组成。

㈠前端系统

前端系统由信号源部分和信号处理部分组成。

1．信号源部分。信号源部分是对系统提供视频和音频信号等多种信号源。信号源部分的主要器件有地面电视接收天线、卫星电视接收天线、卫星电视接收机、光缆信号源、各类摄录放像设备、多媒体计算机设备等。

2．信号处理部分。对系统提供的信号进行必要的处理和控制，其主要器件有天线放大器、宽带放大器、衰减器、调制器、解调器、滤波器、频道变换器、混合器等。

㈡传输系统

传输系统的任务是把前端输出的高质量信号尽可能保质保量地送给用户分配网络。传输系统的质量对整个系统有直接的影响。其主要器件根据使用的传输线缆的不同而不同。在电缆传输系统中主要有干线放大器、同轴电缆、均衡器等，在光缆传输系统中主要有光发射器、光接收机、光缆等。

㈢分配系统

分配系统是把干线传输的射频信号分配给系统内的所有用户，并保证各用户的信号质量和各用户终端的电平均衡度。其主要器件有同轴电缆、线路延长放大器、分支器、分配器、用户终端（即电视出口插座）等。

按系统中不同传输介质分类，有线电视系统可以分为全同轴电缆系统、光缆与同轴电缆混合系统、微波与同轴电缆混合系统和全光缆系统。

 传输系统和分配系统都使用同轴电缆为全同轴电缆系统。由于电缆对信号的损耗较大，所以全同轴电缆系统目前仅有小型系统还采用这种传输方式。

 光缆与同轴电缆相结合的系统目前大、中型系统一般均为这种系统。通常干线用光缆，分配系统用同轴电缆。这种传输方式的系统简称为HFC系。

 微波和同轴电缆相结合的系统这种系统一般在信号须跨越江河或一些不易敷设线缆的山区等特殊场合才采用。通常用微波作干线，分配系统用同轴电缆。这种方式的优点是建网快、成本低，缺点是微波容易受干扰，并且微波传输也不易扩展系统功，所以这种系统一般作为过渡性的网络使用。

全光缆系统这种系统是有线电视系统的发展方向。今后若做到光纤入户，则系统将成为真正的宽带网。那时系统不仅可以容纳更多电视频道，还可以增加很多功能，像电视电话、视频点播、多媒体传输、电视购物等。当然，那时的系统肯定是双向传输系统。

三、CATV系统中的基本概念

㈠视频信号、音频信号和射频信号

电视摄像机直接输出的信号就是视频信号，麦克风直接输出的信号就是音频信号。音频信号的频率成分主要集中在20Hz-20kHz的频率范围内，视频信号的频率成分主要集中在25

Hz-6MHz的频率范围内。

每一个信号的频率成分都主要集中在某一段频率范围内，这个范围称为信号的频带，范围的大小称为信号的频带宽度，简称频宽或带宽。例如，视频信号的频带为0-6MHz，其频宽为6MHz－0=6MHz。

理论证明，只有当馈送到发射天线的电流频率足够高，即波长足够短，使天线的几何尺寸可以与其波长相比拟时，才会有足够的电磁能量辐射到空间去。由于视频信号中的主要成分频率都较低，与其对应的波长则很长，一般都在几km至十几km，所以它们不能直接以电磁波的形式辐射到空间去进行传播。即使有可能把这些低频信号辐射出去，那末各个电视台所发出的各套节目信号也会因它们的频带一样，而纠混在空间相互干扰。同时，接收机也无法选择出所需要频道的电视信号。因此，要想有效地传播视频信号，只有借助于高频电磁波，由它将视频信号（低频信号）“携带”到空间去。并且，不同的节自信号可以采用频率各异的高频电磁波，这样不仅可以将各套节目同时传播，而且避免了它们彼此之间相互干扰。就好像把相同外形的集装箱，放在不同车道内的汽车上运输一样。在接收端，接收机只要利用一个谐振电路之类的选频电路，就可以把所需的信号接收下来。那么携带有视频信号和音频信号的高频信号就称为射频信号。加载了视频信号和音频信号的射频信号的频谱图如下所示。

由此可见，一套电视节目信号的频带宽度为8MHz，这就决定CATV系统中单频道设备和器件的通频带宽度（简称通带宽度，有时也简称带宽），至少应为8MHz。

㈡分贝的概念

因为分贝单位在表示、计算上有很多优点，所以在CATV中各种设备、器材的性能参数，系统的各项指标等一般均用分贝数给出。CATV中用的各种测试仪器、仪表一般也均用分贝单位标度。

如下图所示，设信号经过一个设备传输，信号的输入功率、输入电压、输入电阻分别为Pi、Ui、Ri，输出功率、输出电压、输出电阻、负载电阻分别为Po、Uo、Ro、RL。

CATV系统中任意一点的电压或功率值，与1μV或1mW等标准单位电压或功率相比，所计算出的分贝数叫分贝的绝对表示，其单位记为dBμV、dBmW等。例如，系统中某点电压为Uo＝l0μV或1mV，当用1μV作比较标准时，则该点的电压电平为：

又如，系统中某点的功率Po=l00mW或1W，当用1mW作比较标准时，则该点的功率

电平为：

上图中设备（器材）的功率放大倍数和电压放大倍数分别为：

功率放大倍数分贝和电压放大倍数分贝分别定义为：

在系统中由于Ri =Ro=RL=75Ω，所以：

由此可以得第一个重要结论，设备的电压增益分贝数和功率增益分贝数相等。

由此可以得第二个重要结论，设备的电压增益分贝数等于输出电压分贝数减去输入电压分贝数，且：

如果GU＞0，Uo＞Ui，表明信号被放大，有增益。

如果GU＜0，Uo＜Ui，表明信号被缩小，有衰减或设备（器材）有损耗。

如果GU=0，Uo=Ui，则表明信号传输前后电压相等，是零增益或零衰减。

在CATV系统中，电视信号要经过很多设备和器材传输，但只有两种情况发生：增益或衰减。如下图所示，设信号经过n个设备（器材）传输，输入电压为Ui，输出电压为Uo，设备（器材）的电压放大倍数如图所示，

可以计算出输入和输出的关系为：

四、CATV系统中的主要设备和部件

㈠地面电视信号接收天线

在空间传播的无线电波碰到天线后，天线上将感应出高频电动势，继而产生高频电流，高频电流经馈线送入电视接收机或CATV系统的前端。CATV系统中用得最多的是日本人八木发明的八木天线。

1．天线结构

八木天线的结构如下图所示。它是由一些导电单元组成，这些导电单元一般是由合金

管或铜管做成，弯曲的单元叫有源振子，它前面的若干个单元具有把电波向后引的作用，所

以称为引向器，它后面的单元具有向前反射电波的作用，所以称为反射器。所有单元设置在同一个平面内，中间用一横杆固定，再用一支撑杆水平架设于室外。

天线收到的信号由有源振子的两个馈电点（a1、 a2）经馈线输出。

八木天线只有一个有源振子，一般也只有一个反射器，但引向器通常有多个。具有一个反射器、一个有源振子、一个引向器的天线称三单元引向天线；而有一个反射器、一个有源振子、两个引向器的天线称四单元引向天线；余此类推。

2．天线主要参数

天线常用的主要参数有输入阻抗、增益、频带宽度、方向性等。

⑴输入阻抗

输入阻抗是接收来自自由空间信号能量大小的重要参数，它是天线输入端的高频电压与天线输入端的高频电流的比值。八木天线在处于谐振状态时，其输入阻抗为纯电阻，近似等于300Ω。

⑵增益

天线增益表示天线在特定方向接收远处电视信号的能力。它是指在辐射功率相同的条件

下，某一定向天线在最大接收方向上接收到的功率与半波振子标准天线接收到的功率之比。八木天线的增益一般为几dB到十几dB。

⑶频带宽度

任何天线都不是工作在单一的频率上，而是工作在一定的频率范围之内的。频带宽度就是天线的各种电气性能（增益、方向性等）满足一定要求时的频率范围。由于一个电视频道的带宽为8MHz，因此天线的频带宽度应大于8MHz.。天线按照其工作频段来分有单频道天线、宽频带天线，宽频带天线中又分有VHF段天线和UHF段天线等，所以实际工程中一般都组成如下所示的天线阵的形式。

⑷方向性

方向性对电视接收天线而言，天线的方向性是指天线对来自空间不同方向的电波的相对接收能力，这种能力通常用方向性图来表示。天线的方向性图如下所示.。

方向性图是把最大接收方向的场强值设为1，其他各方向按最大值的百分数来标注作出，由上图看出，八木天线的方向性图像一朵花的很多花瓣，但其中一瓣特别大，称它为主瓣，其余称为副瓣。显然，副瓣越小，主瓣越大，越尖锐，天线方向性越好。 从图中还可看出，天线在正面的方向上接收能力最强，在有些方向的接收能力很小，甚至为零。因此在调试工作中，我们往往利用这一点，设法使天线的零接收角对准反射波和干扰电波，以达到消除重影、抗干扰的目的。

㈡卫星电视接收天线

卫星电视接收天线的外型如下所示，由抛物面天线、支撑件、溃源和高频头组成。

1．抛物面天线

因为到达地面的卫星电视信号很弱，所以必须采用高增益的抛物面天线来接收。抛物面天线，是指反射面形状是旋转抛物面的天线，它由反射面、支架、仰角和方位角调整机构组成。抛物面天线的基本原理与聚光灯类似，卫星信号电波到达地面时，近似是平面波，平面波波束相互平行，平行电波被抛物面反射后，能量将聚集在焦点处。

抛物面天线按使用场合不同，反射面被做成板状或网状。网状天线风载小，一般被用在沿海常有大风的地区，但网状天线接收效率低，制作工艺复杂。用得最多的是板状天线。板状天线接收效率高，制作容易，一般用合金铝板制作反射面，也可用加入金属或碳质导电体的强化玻璃纤维板制作反射面。按抛物面的口径不同分类，常见的有1.0、1.6、2.0、3.0、3.5、4.5m等多种规格的天线。口径较大的反射面通常用数块板拼装而成，口径较小的则是一次模压制成。

2．支撑件

支撑件在天线中起到支撑抛物面天线、馈源、高频头和安装固定的作用。 3．馈源

馈源的作用是将会聚在天线反射面焦点处的电磁波收集起来并馈送给高频头接收。所以

馈源一般安装在反射面的焦点处。

4．高频头

高频头的作用是对来自馈源的微弱信号进行放大、处理。

㈢同轴电缆

在CATV系统的前端系统和分配系统中，各种信号都是通过电视馈线同轴电缆进行传输的，因此熟悉同轴电缆的基本性能参数、结构、种类等，对于合理进行系统设计和施工具有重要意义。

1．同轴电缆的结构

同轴电缆的结构如上图所示，一般由内导体、绝缘体（如藕芯绝缘、物理发泡、聚乙烯管等）、外导体（如铝复合膜、铜网等）、护套四部分组成，由于它的四层结构的轴心保持重合，所以称为同轴电缆。

 内导体。同轴电缆内导体的作用是传输射频信号。它通常是一根实心导体，截面一般为圆形，材料多采用铜质，也有采用空心铜管或双金属线的。

 绝缘体。同轴电缆绝缘体的作用是将内导体与外部导体相互隔离。

 外导体。外导体由编织铜丝和铝箔纵包组合做成。外导体的作用是既作为传输回路的一根导体，又起屏蔽的作用。编织铜丝主要起传输导体的作用，屏蔽主要由铝箔完成。

 护套。护套一般用聚氯乙烯或聚乙烯塑料做成。它的作用主要是防水、防潮、避免电缆受到摩擦等机械损伤。