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试论CATV系统中的CSO和CTB

来源:欧得旅游网


试论CATV系统中的CSO和CTB

江苏省泰州市广播电视局

摘 要:本文理论联系实际地对CSO、CTB进行了分析,并就降低CTB和CSO失真的途径进行了探讨,提出了切实可行的措施。

关键词:线性失真 非线性失真 CSO CTB C/COS C/CTB

1 序论

在多频道传输的CATV系统中,视频信号要经过大量的无源器件和有源器件,进行信号的调制、变频、传输、放大和分配,最终以图像显示在用户电视接收机的屏幕上。在这复杂的传输路径中,由于相关设备存在着一定程度的非线性传输特性,必然会产生大量的非线性失真产物,干扰正常图像的收看,导致图像质量的损伤,这种损伤可用失真二字来描述。失真,按照其产生的机理不同,可分为线性失真和非线性失真两大类。

如果信号的失真与系统输入的幅度无关,而是由于系统中幅频特性和相频特性的不均匀,造成各频率信号的比例失调,没有产生新的频率分量,我们将其定为线性失真。

如果信号的失真与系统输入的幅度有关,即随着图像平均电平(APL)变化以及随着信号瞬时幅度变化的失真,它不仅使各频率分量的幅度和相位发生变化,而且产生了新的频率分量,并对有用信号进行干扰(CATV系统中产生大量的非线性失真产物,有一大部分落在有用频道之外,并未对有用频道形成干扰)。我们将其定为非线性失真。

由此看来,线性失真和非线性失真是两类不同性质的失真,区分它们主要是看:有没有产生新的频率分量,且新产生的频率分量是否对有用信号进行干扰。而在CATV系统中,新产生的频率分量主要来自非线性电路(如:放大、控制和频率交换等电路)中的放大电路,即放大器。

为此,人们为了降低放大器和其它电子线路的非线性失真,在系统的设计和制造中,尽可能地选用线性较好的晶体管和集成电路,但由于这些放大器和其它电子线路仅在有限的幅频特性范围内呈线性,它们对大信号会进行压缩或削波,其结果造成了这样或那样的非线性失真。

2 CATV频道数与CSO和CTB的关系

2.1 CATV系统中常见的非线性失真产物

交叉调制--CM

CM产生的机理是:两个频道的信号,由于它们的行同步脉冲不是由同一发生器发生出,或者说不同步,两个信号的同步头相互之间产生了调制,形成干扰(又叫干扰同步头)。其图像反映为:画面上的竖条会向左或向右缓慢地作水平移动或抖动,这就是所谓汽车挡风玻璃雨刷式干扰;干扰严重时会有横条干扰和串像干扰,图像反映为:一幅正常图像的背景里会有另一幅图像(负像)在缓慢移动。

相互调制--IM

IM产生的机理是:在多个输入信号的线性组合频率点上,当信号经过非线性设备时,

在它们的和频、差频及倍频处产生了新的频率信号(又称互调产物),并对有用频道产生差拍干

扰(又称互调干扰)。图像反映为:一幅正常图像画面上呈网纹或斜纹干扰,互调产物的频率距离被干扰频道图像载频越近,干扰网纹越疏、越粗;距离被干扰频道图像载频越远,干扰网纹越密、越细。

CTB和CSO

在实际的CATV系统中,IM产物的数目随着传送频道数N的增加而迅速增加,这些IM产物会同时对某一个有用频道产生干扰,它们落在有用频道内,会在图像载波附近聚集成簇,对该频道形成综合差拍干扰。人们把这种由IM产物综合形成差拍干扰的现象称为复合干扰或复合差拍(Composite Beat),其中,由IM产物中3次成份综合起来的干扰,称为3次综合差拍干扰(Composite Triple Beat),用CTB表示,其定义是:落在某一频道内所有3次差拍成分的总和。同样,由IM产物中2次成份综合起来的干扰,称为2次综合互调干扰(Composite Second Order Beat),用CSO表示。关于CSO,目前国际上还未成对它形成明确定义。因2次谐波分量在数量和幅度上

均小于2次互调产物,目前业内人士暂且用:落在某一频道内所有2次互调干扰的总和来定义它。

2.2 CATV系统中非线性失真产物的分析

我们知道,任何一个放大电路输出电压U出与输入电压U入之间都满足如下的数学关系公式:

U 出=K0+K1(Acosα+Bcosβ+Ccosγ)+K2(Acosα+Bcosβ+Ccosγ) 2+ … … … …+Kn(Acosα+Bcosβ+Ccosγ)n?

由于Acosα+Bcosβ+Ccosγ=U入电压U 入之间可简化为下公式:

入,则放大器的输出电压U出与输

U出=K0+K1U入+K2U入2+…+KnU入n(1)

在公式(1)中:

(1)K0为常量,为输出信号中的直流成分或低频成分,在阻容耦合放大器中它是很容易被电容滤除掉,不能传输到下一级,则K0=0时可略去。

(2)K 1、K2…Kn是U入的各次项的系数,也可视为常数,它们不再是U

入的函数,其数值和符号由传输器件的输出特性曲线和静态工作点确定。

(3)如果K0=K1=K2=……=Kn时,因为K0=0,即高次项的系

数均为零,则输出电压与输入电压成正比,这正是我们所期望的,我们称这种情况为输出电压与输入电压具有线性关系,即输出是输入的完全同样的克隆放大过程,这一过程中没有产生新的频率分量。

(4)在CATV系统工程的实际分析中,高次项的系数并不为零,即:K1=K2=……=Kn≠0;这是因为K1、K

2、……Kn的值中,K1>K2>……

3、K

4、K

5、……K

n的

>Kn>0;是一个由大到小收敛的无穷级数。且K

值非常小,系统设计时,取项愈多,精确度愈高。理论计算时,只取到U入3项已足够

准确,后边各项可不必理会,完全可以忽略,不然会得到十分冗长的数学结果。

这样公式(1)可简化为:

U出=K1U入+K2U入2+K3U入3 (2)

从公式(2)中可以看出:

第1项K1U入是输出电压U出的1次产物;

第2项K1U入2是输出电压U出的2次产物;

第3项K1U入3是输出电压U出的3次产物。

由于CATV系统中工作的频道较多,包含的设备、部件也多,讨论起来将十分复杂,为了表达简洁,这里只对CATV传输系统中,输入3个载频运算结果的有关非线性失真产物进行分析的讨论。

当CATV系统只输入3个载频A、B、C时,其输出会出现如下7类信号分量:

第1类:基波信号分量

其输出产物与输入信号频率相同,由公式(2)中U入项产生,这正是我们所需要的信号,也是CATV输出信号的主体,我们将之称为基波信号分量,有3个,其输出为:AB,C。

第2类:2次谐波分量

其输出产物为各自输入载频信号的2倍频,由公式(2)中U入2项产生,我们将之称为2次谐波分量,也有3个,其输出为:2A,2B,2C。

第3类:2次互调分量(或2次差拍分量)

其输出产物为各自输入载频信号中任意两个载频的和频与差频,也是由公式(2)中U入2项产生,我们将之称为2次互调分量或2次差拍分量,在CATV系统中2次互调分量将和2次谐波分量(第2类)统称为2阶产物或2阶失真,有6个,其输出为:A±B,A±C,B±C。

第4类:3次谐波分量

其输出产物为各自输入载频信号的3倍频,由公式(2)中U入3项产生,我们将之称为3次谐波分量,也有3个,其输出为:3A,3B,3C。

第5类:3次互调分量

其输出产物为各自输入载频信号中任意一载频的2次谐波分量与另一个载频的和频与差频,由公式(2)中U入2和U入3项产生,我们将之称为3次互调分量,有12个;在CATV系统中3次互调分量将和3次谐波分量(第4类)统称为3阶失真产物,其输出为:2A±B,2A±C,2B±A,2B±C,2C±A,2C±B。

第6类:3次差拍分量

其输出产物为各自输入载频信号中的任意载频的和频与差频,由公式(2)中U入

3项产生,在CATV系统中,这类产物实际上也是3次互调分量,只不过其类型不同于第5类,为区别计算,我们可称这类产物为3次差拍分量,这是CATV系统中类型最大的失真产物。有4个,其输出为:A+B±C,A-B+C,B+C-A。

第7类:交扰调制分量(CM分量)

其输出产物信号频率仍然为A、B、C,但信号的幅度却混入了其它频道的幅度信号,也是由公式(2)中U

入3项产生,我们将之称为CM分量,在CATV系统中CM分量

也属3阶产物或3阶失真,其输出为:A信号,其幅度为:3/2K3AB2+3/2K3AC2;B信号,其幅度为:3/2K3BA2+3/2K3BCC信号,其幅度为:3/2K3CA2+3/2K3CB

2。

2;

从以上分析得知,在CATV系统中,除了第1类和第7类外,其它几类产物都是新产生的频率,即产生了原来输入信号中所没有的频率,是我们所不需要的信号,这正是非线性失真的重要标志。第7类产物虽然不是新产生的频率,但在每个输出载频信号的幅度上都含有另外两个频道载波幅度平方的成份。如:频道A的幅度应当与频道B、C的幅度无关,但因为CATV传输系统的非线性,却窜进了B、C输入频道的幅度。因此,CM分量也属于非线性失真,即输出产物与输入信号幅度有关。当我们观看频道A的电视节目时,却有频道B和频道C的节目内容窜进来,从而影响了正常节目A的收看。这就是前面所说的CM干扰现象的具体表现。

可想而知,如果CATV系统中只有两个频道输入时,一个频道的电视信号中就会有另一个频道的视信号窜入。当CATV系统中输入为N个频道时,其中任何一个频道都会有(N-1)个频道的电视信号窜入,窜入的信号在频道内组合成新的频率分量--簇,对载频产生差拍,

形成干扰,造成图像的失真。这种窜入是相互的,即你中有我窜入,我中有你窜入。

由于CATV系统干线传输部分中的放大器数量较多,就单个路径而言,分配网络部分中的放大器数量虽不如干线传输部分多,但其工作电平较高,很容易使放大器处于非线性部分。因此CATV系统中的非线性失真,主要来自于传输和分配网络部分中的放大器,而前端混合器之前都工作于单频道,这类失真产物可不予重视。

2.3C/CSO和C/CTB与频道数的关系

由上而知,在CATV系统中,当输入3个载频A、B、C时,输出信号中2阶产物失真有9个(2次谐波失真分量3个、2次互调失真分量6个),3阶失真产物有19个(3次谐波失真分量3个、3次互调失真分量12个、3次差拍失真分量4个)。

当系统的输入频道数确定N时,则可推算出各项失真分量数目的计算公式如下:

2次谐波失真分量数为:N个;

3次谐波失真分量数为:N个;

2次互调失真分量数为:N×(N-1)个;

3次互调失真分量数为:2×N×(N-1)个;

3次差拍失真分量数为:(2÷3)×N×(N-1)×(N-2)个。

由上面公式计算出频道数N的增加与产生谐波、互调、差拍失真分量数递增规律如表

1所示。

由表1中得悉:

(1)当系统的输入频道数N增加时,失真产物是随着频道数增加而急剧增加;

(2)急剧增加失真产物中,互调失真产物的数量比谐波失真产物的数量增加快;

(3)互调失真产物中的3次失真产物比2次失真产物的数量增加快;

(4)失真产物中增加数量最多的是3次差拍失真产物。

由此看来,我国的PAL-D制550MHz的CATV系统,满频道配置时,不考虑反向频道,其输入频道N数为59个(标准频道22个,增补频道37个),经计算机分析得知,系统产生的2阶分量失真产物有3481个,而3阶分量失真产物有136939个!

当然,并非所有失真产物都会影响系统的正常工作,只有那些落在工作频道以内的失真产物才会形成干扰。如CTB有70%左右的产物是落在带外;只有30%左右的产物落在带内,对有用频道形成了干扰。对于某一频道电视信号的干扰不仅与落在频道内的失真产物数量有关,而且还与这些产物幅度的大小,以及产物的频率和图像载频之间的频率间距有关。如:国内的300MHz、450MHz和550MHz的CATV系统,除了第3、第4频道之间的频率间隔不是8MHz外,其它均为有规律的频道配置。

进而在CATV系统的实际工程技术测试中,从系统传输的频谱分析得悉,落入工作频道内又对该频道影响较大的失真产物,绝大多数聚集在图像载频上或载频附近某几个特定的频率上,在这些频率聚集点上,各类失真产物相互迭加、形成簇的集合,对正常的工作

频道进行综合效应的复合干扰,形成复合差拍,这就是复合差拍失真产物的由来。由于这些复合产物有2次失真和3次失真形成的总和,因此又可分为CSO产物和CTB产物。

同样,在多频道的CATV系统中,CSO产物的数量也是远远小于CTB产物的数量。当频道数N增加时,CTB产物的增长也比CSO产物快得多。特别是系统中各级放大器常采用推挽式技术,对称的两个放大管的CSO产物相位相反,幅度接近,大部分被抵消。因此,人们关注的重点应以CTB产物为主。

但是近几年来光缆在CATV中得到广泛应用,光发射机基本上都是单端器件,没有采用推挽输出技术,使CSO产物得不到抑制,当光纤传送频道较多时,想避开CSO产物是不可能的。因此,对于含光缆传输的CATV系统CSO产物仍然是必须考虑的技术性能参数。

在CTB产物中,随着频道数的增多,3次差拍产物和3次互调产物增加更为迅速。至于3次谐波分量,无论是产物数量还是产物幅度远小于3次差拍和3次互调。

在目前实际的CATV系统工程中,人们所认识的CTB,通常指的是3次谐波、3次差拍和3次互调产物,并以3次差拍产物为主。CSO,通常指的是2次谐波、2次差拍和2次互调产物,并以2次互调产物为主。

为了定量地说明CTB和CSO对工作频道的干扰程度,人们更关心的是工作频道图像载波电平与CTB和CSO干扰产物的比值,即:

(1)载波复合三次差拍比(Carrier/Composite Triple Beat),简写为C/CTB。其定义为:在系统指定点,图像载波电平(有效值)与围绕在图像载波中心附近群集的CTB产物的峰值电平之比(多簇产物时应取叠加功率),并

以dB表示。即:

C/CTB=20lg(图像载波电平有效值/CTB电平峰值)(dB) (3)

(2)载波复合2次互调比(Carrier/Composite Second Order Beat),简写为C/CSO。它是指:图像载波电平有效值与该图像载波中心附近群集的CSO产物电平的峰值之比,并以dB表示。即:

C/CSO=20lg(图像载波电平有效值/CSO电平峰值)(dB) (4)

2.4 放大器工作电平与C/CTB和C/CSO指标的关系

如前所述,在CATV系统中,由于放大器有限的线性范围,输出工作电平越高,其输出特性曲线偏离线性曲线区域越远,导致了信号经过放大器后的压缩或削波,造成非线性失真指标下降或变差。故CATV系统的非线性失真指标同放大器的工作电平密切相关。

容易证明,通过降低系统中放大器工作电平的办法,使其输出特性曲线在线性范围内,从而提高CATV系统的非线性失真技术指标。

当CATV系统各输入频道图像载波电平均提高1dB,三阶失真CTB将会提高3dB,而C/CTB是载波电平与CTB电平之差(除法关系式在对数计算中为减法关系式),因此C/CTB降低(恶化)2dB。同样,对于二阶产物CSO,当系统各输入频道图像载波电平均提高1dB,CSO电平将会提高2dB,而C/CSO随之降低(恶化)1dB。

若系统设计时,分配给某一个干线放大器的C/CTB指标为88dB,分给它的CSO指标为79dB,但厂家给出的特性参数表明,该放大器在输出电平为98dBuV时的C/CTB

指标为80dB,CSO指标为76dB,不能满足要求,若将放大器的输出电平降低4dB,变为94dBuV时,则C/CTB指标可提高8dB,变为88dB,CSO指标可提高4dB,变为80dB,都可以满足系统设计的要求。

反之,如果系统各输入频道图像载波电平均降低1dB时,则系统的C/CTB改善2dB,而C/CSO改善1dB。

证明一:设所需计算C/CTB的频道为Na,且仍有频道A=B=C(各输入信号

的幅度相等)。首先考虑有两个信号输入的情况,即令C=0,可得对Na频道的C/CTB。

见第7类,幅度最高的失真成份:

3/2K3AB2+3/2K3AC2

∵C=0

∴3/2K3AB2+3/2K2AC2=3/2K3AB2。

式中3/2K3为转移过来的调制信号的电平峰值。

根据公式(3),可知两信号C/CTB:

C/CTB=20lg(图像载波电平有效值/CTB电平峰值)(dB)

∵C/CTB=K1A 3/2K3AB2=2K1 3K3×1B2

∴ 用对数表示为:

C/CTB=20lg(C/CTB)(dB)

=20lg(2K1 3K3×1 B2X)

=20lg2K1 3K3-2×20lgB

∴各输入频道图像载波电平(实指干扰电平,即上式中20lgB)降低1dB时,则系统的载波复合三次差拍比C/CTB的总值应减去(2×1)dB,即C/CTB降低2dB,也就是系统的C/CTB改善了2dB。

证明二:如果放大器频响平坦,各频道输入幅度A、B、C、D相等,且被干扰频道幅度D也与它们相等,则令A=B=C=D。

对于C/CSO而言,根据公式(4),其C/CSO选取幅度最大的失真成份为:

C/CSO=20lg(图像载波电平有效值C/CSO电平峰值)(dB)

∵C/COS=K1D K2AB=K1 K2×1 A

∴ 用对数表示为:

C/CSO=20lg(C/CSO)(dB)

=20lg(K1 K2×1 A)

=20lgK1 K2-20lgA

∴ 各输入频道图像载波电平(实指干扰电平,即上式中20lgA)均降低1dB时,则系统的C/CSO的总值应减去1dB,即C/CSO降低1dB,也就是系统的C/CSO改善了1dB。

上述证明的这一结论(即系统各输入频道图像载波电平均降低1dB时,则系统的C/CTB改善2dB,而C/CSO改善1dB),可用于CTB和CSO的测量中以判断失真产物是CTB还是CSO。

CTB和CSO均是系统正常输入信号中所没有的产物,当系统中频道数很多时,大量的CTB产物群聚在图像载频附近,将使屏幕上出现横向差拍杂波;对图像形成各种网状和条纹干扰。为消除它们对图像质量的影响,关键在于选用优质放大器,并在设计和调试中合理地确定放大器的输出电平。

2.5 CTB和CSO的测试

实际上,在CATV系统检测时,如果把所有频道都测量一遍,工作量就太繁重了。对不同的传输带宽可以选择不同数量的测量频道,从以上分析可知,虽然CTB和CSO分布很离散,但其并不是杂乱无章的,也不是均匀分布在系统的每一个频道中所有的频率点上,而是相对于集中在某几个频道的几个频率点上。理论的计算、分析和实际的检测表明,对于300MHz系统,只需测量9、10、11频道和增补16频道;对于450MHz系统,只要测量增补14、增补15和增补35频道;对于550MHz系统,只需测量增补15、增补16和标准22频道的CTB和CSO,即可清楚该系统的技术指标等级。

3 降低CTB和CSO失真的途径

一般说来,为了降低系统中的CSO和CTB非线性失真,有两个方面的工作要做。一方面是CATV系统整体设计和指标分配应合理、先进;另一方面是设备和部件的设计要考虑如何提高线性。就系统设计而言,可以考虑如下几种措施:

3.1 线传输手段以光纤取代电缆,对于较长距离的超干线或干线采用特殊技术,以提高整个系统的 CTB和CSO非线性失真指标。

(1)对于距离在30~50km的干线采用光纤传输方式

(2)对于距离在50~100km的干线采用微波传输方式

利用微波传输把高频电视信号的频率变到几GHz到几十GHz微波频段,或直接把电视信号调制到微波载波上,定向或全向向服务区发射。在接收端再把它变回高频电视信号,送入用户分配系统。

由于传输带宽的增加,传输体系的变化,电缆和光缆干线系统中产生的CTB和CSO非线性失真也就不复存在。

(3)对于距离在100km以上的超干线采用卫星转发传输方式

由于卫星下传的信号质量高于前端指标,大大降低了系统CTB和CSO失真。

3.2 择合适的干线放大器工作点,提高其线性动态范围。

选择合适的工作点,以提高干线放大器的线性动态范围,也可以减小CSO和CTB非线性失真,这是因为放大器的线性动态范围扩大后,放大器的输出和输入特性曲线非常接近于直线,此时2次、3次失真系数都很小,相应的CSO和CTB失真电压也就很小。

3.3 理选择频道、增加并联路数。

合理选择频道,尽可能避开2次和3次失真产物最严重的频道。如300MHz系统中的9频道、450MHz系统中的增补14频道;550MHz系统中的增补15频道。设计中干线传输部分尽可能增加并联路数,减少放大器串接数目。

3.4 低放大器的工作电平,提高C/CTB和C/CSO。

放大器的工作电平越低,显然对降低系统的非线性失真越有利,但不利于载噪比的改善。因此,适当降低系统放大器的工作电平,则系统的C/CTB和C/CSO都能得到改善,从而减少系统的非线性失真。系统设计时应注意在这两个参数指标间取得一个合理的折中,过高过低都是不合适的。

3.5 确设计、选用放大器,滤除或抵消系统已有的非线性失真。

正确设计、选用放大器,可以滤除或抵消已经产生的非线性失真。如采用推挽电路的PP放大器,使输出信号反相相加,可以抵消部分CSO失真。由两个推挽电路组成的并联混合电路的PHD放大器,也可以抵消部分CSO失真;因为每个放大器的工作电平降低3dB,CSO和CTB非线性失真指标可进一步得到改善,采用失真分量抵消技术的前馈放大电路的FF放大器,可以使CSO和CTB非线性失真指标提高14~19dB。

3.6 新技术改进频道设置,从主客观上降低CSO和CTB。

改进频道设置方案,可以减少由于非线性失真而产生的新频率对有用频道的干扰。如:采用增量关系相关电路的IRC技术,使各频道图像载频之间都有固定的8MHz的整数倍,这就使各个CTB产物都能准确地落在图像载频上,与本频道图像载频形成的差拍为零,这样只是使电视信号的亮度发生微小的变化,不能形成明显的干扰,在主观感觉上,CTB性能可改善3~5dB。但这种方法对复合二次差拍CSO不能改善。若采用谐波关系相关电路的HRC技术,使各频道的图像载频都是8MHz的整数倍,这时可使CSO和CTB失真形成的干扰都得以降低,CSO和CTB非线性失真指标在主观上能得到9~10dB的改善。

4 语

由于CATV系统排除和空间相互干扰,采用全封闭的电磁信号的传输形式,可以在自己的闭路系统环境内,充分利用介质所能提供的传输频谱范围。随着设备硬件技术的发展和社会需求的增长,允许传输的频率上限将越来越高,传送的频道也将越来越多,系统设计中对CTB和CSO等重要指标的要求也越来越高,在设计和施工中应以CATV这个大链路的系统工程来考虑,要强调大系统的总体技术指标。

从目前国际和国内的CATV发展的进程看,全球的CATV发展正处在技术发展的飞跃阶段,是一个变革时期,传统的CATV传输技术将逐步被光纤传输技术和数字化传输技术等所取代,新的传输方式也将会带来新的失真内容,对诸多新的失真内容,还需要我们去学习、探讨。新的发展将导致新的突破,新的突破也将造就一批CATV工程技术人员的成长。

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