1、1第章 有线电视技术及其网络有线电视是相对于无线电视(开路电视)而言的一种新型的广播电视传播方式。它是用高频电缆、光缆和微波等来传输，并在一定的用户中分配和交换声音、图像、数据及其它信号的电视系统。我国的有线电视市场经过二十几年的发展，特别是进入 90 年代以来的飞速发展：从各自独立的、分散的小网络公共天线电视(MATV)、共用天线电视、闭路电视(Closed Circuit TV), 向以部、省、地市（县）为中心的部级干线、省线干线和城域联网发展的有线电视系统 CATV；从单一以传输广播电视业务为主，逐步向在网络中传输广播电视信息、计算机信息和数据信息等多种综合业务信息为主；网络的传输媒介也
2、从原来的以电缆为主，逐步发展为空间以卫星传播、地面以光缆为主干线的 HFC 系统为主, 辅之以 MMDS 等微波传输手段。截止 1998 年底, 我国已批准建立有线电视台约 1300 余家, 有线电视终端数达7800 万,入户率超过电话和计算机达 17%, 成为覆盖率最高的名符其实的“百姓网” 。1998 年, 国家信息化建设规划把有线电视网络的建设纳入国家信息基础设施建设的范围,开拓了有线电视技术的发展方向,极大地促进了有线电视网络中多功能业务应用的市场，使有线电视网络的建设具有更大、更广阔的发展机遇。广义上的有线电视技术是一种发展非常迅速的、综合了包括数字电视技术、计算机技术、通信技术、H
3、FC 网络技术等多项高新技术的综合技术。在以后的几章中将会分另进行讨论。本章主要围绕比较传统的有线电视技术作一些介绍。4.1 有线电视系统的构成有线电视系统是指为完成传输高质量的电视信号，而由具有多频道、多功能、大规模、双向传输和高可靠、长寿命等特性的各种相互联系的部件设备组成的整体。通常，有线电视系统由前端设备、干线传输和用户分配三部分组成，如图 4.1 所示。前端设备是指用以处理由卫星地面站以及由天线接收的各种无线广播信号和自办节目信号的设备，是整个系统的心脏。包括天线放大器、频道放大器、频道变换器、频率处理器、混合器以及需要分配的各种信号发生器等。来自各种不同信号源的电视信号须经再处理为
4、高品质、无干扰杂波的电视节目。它们分别占用一个频道进入系统的前端设备，并分别进行处理。最后在混合器中被合成一路含有多套电视节目的宽带复合信号，再经同轴电缆或光发射机传送出去。2图 4.1 有线电视系统组成方框图 传输部分是一个传输网，其作用是把前端送出的宽带复合电视信号传输到用户分配系统。干线传输有三种方式，即电缆、光缆和微波。在技术手段上有全同轴电缆网、光纤电缆混合网(HFC)、多路微波分配和电缆混合网三种形式。使用的设备主要有干线放大器、干线电缆、光缆、光接收机、多路微波分配系统和调频微波中继等。用户分配网络是整个系统的最后部分，它以最广的分布直接把来自干线传输系统的信号，分配传送到千家万
5、户的电视机（用户终端） 。设备主要有分配放大器、分支器、分配器、分支线、用户线及用户终端盒等。4.2 前端系统从 74 年北京饭店的我国第一个共用天线电视系统诞生到 89 年沙市有线电视网络建成,我卫星接收机邻频调制器V卫星地面站VHFUHF(强) 带通滤波器邻频频道放大器VHFUHF(弱) 信号处理器带通滤波器邻频频道放大器信号处理器天线放大邻频频道放大器室外降频器MMDS 电视调制器邻频频道放大器导频信号发生器混合器前端设备接收信号源分配给邻近线路干线桥接输出干线放大中间桥接输出终端桥接输出干线传输TV用户分配延长放大分配放大分配器引入线A3国才真正步入有线电视网络发展阶段,一个成熟的有线
6、电视前端系统基本成形。现在广泛使用的前端设备其主要技术特点为：在前端采用中频 38MHz 调制、A/V 可调、幅频稳定技术、信号邻频配置、增补频道启用、增量相关载波 IRC 和谐波相关载波 HRC 技术的应用,使系统减少了干扰,提高了稳定度,频道容量也大大增加。目前广泛使用的300MHz、450MHz、550MHz 邻频系统分别容纳的频道数为 28、47、59。4.2.1 邻频前端的基本组成从图 4.1 所示的邻频前端基本组成框图可见,输入前端设备的信号来自不同的信号源,并分别进行处理,然后进入混合器,被合成一路宽带复合信号输出。卫星电视信号首先进入卫星接收机，将第一中频电视信号解调成音频和视
7、频信号。再由邻频调制器把音频和视频信号调制到给定的电视频道(VHF、UHF 频段或增补频道)送往下一级。现在常用一体化的组合单元部件完成这两个工作。开路发射的 VHF/UHF 电视信号进入邻频前端后,有两种处理方法:一是由解调器解调,得到音频和视频信号之后,再馈入邻频调制器,变成指定的电视频段信号;二是把信号送入频道处理器,经过处理直接变换到有线电视系统的工作频段所指定的频道。然后通过频道放大器放大后送入混合器。MMDS 微波电视信号,通过室外抛物天线的降频器把频率降至 VHF/UHF 频道后进入前端,再按开路电视信号处理。自办节目的电视信号来自室内演播室的摄像机或录像机，它们输出的音频和视频
8、信号进入前端之后，用邻频调制器调制成指定的频道经放大后即可送入混合器。在大型的有线电视系统中，还需使用导频信号发生器，它提供整个系统自动电平控制ALC 和自动斜率控制 ASC 的基准信号,可以在环境温度和电源电压不稳定时,保证输出稳定的载波电平。4.2.2 邻频前端的主要单元部件邻频前端主要单元部件包括:信号处理器、邻频调制器、频道放大器、混合器和导频信号发生器等。1)信号处理器信号处理器实际上就是一个功能齐备、性能良好的频道变换器，即把 VHF/UHF 电视信号变换到符合有线电视系统要求的电视频道,其组成方框图见图 4.2,下面简要讨论它的工作过程。4图 4.2 信号处理器的组成方框图信号处
9、理器大多采用外差式二次变频方式。一般由三部分组成。首先由下变频器将VHF/UHF 电视信号经滤波、高放、混频、中放和 AGC 控制,得到一个标准的中频信号, 为射频信号, 为本振信号)。标准 97dB V 的中频信号进入MHzffVLI38VfLf 中频处理器之后,被分成两路,其中图象中频信号 V 经图象声表面波滤波器取出,再经放大,校正带内幅频特性,使图象中频具有良好的边带衰减及带外抑制。从而再次滤掉下变频器残留下来的带外三阶产物和寄生产物，更好地抑制邻频干扰，中频及镜象频道干扰，得到优质的图象中频信号。另一路伴音中频 A 经伴音中频声表面波滤波器取出,获得 31.5MHz伴音中频信号。经过
10、放大,伴音载波 AGC 控制,由可调衰减器输出,实现伴音可调，即 A/V比可调。最后，两路信号经二混合器混合后送到上变频器。上变频器即电视频道输出变换器，它将中频信号分别变换成 VHF、UHF 标准频道及增补频道信号。中频信号经过低通滤波后,与本振信号 相混,得到所需的射频信号 ,实现第二次变频。再经带通Lf ILVff滤波,射频放大,功率放大,输出标准电平 115dB V。2)频道放大器频道放大器的作用是只放大一个频道的电视信号,因此抗干扰性能要好,输出电平要高,且输出的动态范围要大,以减小信号输出时的非线性失真。图 4.3 给了常用频道放大器的方框图。输入信号经带通滤波器输入，再经放大器放
11、大后，一部分信号通过 AGC 电路控制放大器的第二级,控制的调整量较大,使输出信号电平稳定。由于放大增益较高，多为 34 级放大电路组成,级间采用调谐回路耦合, 使放大器的选择性较强,能达到较高的阻滞损耗,提高了抗干扰能力。混频RF 放大 IF 放大 合成 混频 RF 放大本振AGC 放大 本振下变频器INIF 伴音限幅中频处理器OUT上变频器AGC 延迟5图 4.3 频道放大器工作原理方框图3)邻频调制器邻频调制器是将各种视频信号和音频信号变换成高频调制信号的设备,其输入信号可以是图 4.1 所示的各种信号源。接我国广播电视标准，电视调制器可分为射频调制式和中频调制式两种。射频调制方式就是直
12、接调制式，即用视频和音频信号直接调制射频载波信号。在这种方式中，图象信号输入后，先经视频处理（包括滤除图像信号中 6MHZ 以上频率成分的低通滤除,分出同步脉冲的同步分离,调制视频调制度的增益调整等）,再送入调制电路,与载波振荡器产生的载波信号调制。再经一个高要求的残留侧边带滤波器滤波，滤波处理后的射频调制信号送入相加电路。伴音信号输入后，经放大和音频预加重处理后，送入 6.5MHZ调频振荡电路,实现频率调制,并同图象载波振荡电路产生的高频信号一起送入变频电路,得到比图象载波高 6.5MHz 的伴音载波信号进入相加电路。两种信号相加后，产生的电视射频信号经射频放大滤波后输出。中频调制方式是将视
13、频信号对图象中频 38MHz 进行调幅,得到图象中频信号,并将伴音信号对 31.5MHz 中频载波进行调频,再与 38MHz 混合,得到电视中频信号,然后与不同频率的射频本振信号进行混频,得到所需要的标准电视频道或增补频道的射频电视信号。4)混合器混合器是将多个输入端的信号馈送到一个输出端的装置,它可以把多路不同的电视频道混合成一路,用一根电缆传输,达到多路复用的目的。混合器按用途分为频道混合、频段混合和宽带混合三种。按其电路结构又分为滤波器式和宽带传输变压器式，邻频传输的有线电视系统一般采用宽频传输变压器式混合器，其结构见图 4.4。这种混合器相当于分配器或定向耦合器反过来运用，不需调整即可
14、进行任意频道的混合，使用比较方便。但插入损耗较大，且随混合路数的增加而增大。带通滤波器 放大器 带通滤波器 AGC 控制 输出电源ACAGC输入6图 4.4 变压器式混合器电路结构5)导频信号发生器导频信号发生器是邻频传输的大中型有线电视系统必备的单元部件。它实际上是一个频率和输出电平很稳定的振荡器。它是为整个系统的自动电平控制 ALC 和自动斜率控制ASC 作用提供基准信号,即导频信号。在长距离电缆干线传输网中，由于同轴电缆在传输载频电视信号时存在衰减，且衰减量随频率的增高而加大。一般电缆对 800MHz 和 45MHz 之间的衰减量相差可达 13dB 以上。另外，一年四季温度变化的影响，需
15、要对放大器增益曲线的斜率和增益进行必要的调整，以保证最终向用户提供的所有频道的信号电平相同。这种调整是干线放大器完成的，而自动电平和自动斜率调整的基准点是导频信号。即导频信号从前端同电视信号一起送入干线，给各干线放大器提供基准信号。导频信号发生器工作原理，由晶体管和晶体组成的振荡器输出一个频率十分稳定的振荡信号，它经放大器放大到足够大的电平，进入动态范围较大的自动增益控制放大电路，使输出电平保持稳定。AGC 后的可调衰减器和高性能的窄带滤波器是为调整导频信号的输出电平和保证输出信号的带外抑制而设置的。应当注意，导频信号发生器是一个标准信号源，在出厂前都经过严格的调整和测试，在现场除可调输出衰减
16、器外，绝对不可随意调动，以免造成系统控制失灵。4.3 干线传输网络干线传输网络结构有星型和树枝型两种形式。电缆网只能采用树枝型结构,HFC 网可以采用星型和树枝型,而微波传输目前只是作为辅助传输手段,只用在地形特殊的地区,这里不做过多介绍。10 11 12 导频 2输出导频 1 -20dB 检测 1 2 3输入74.3.1 同轴电缆干线传输同轴电缆的干线传输仍是我国目前大部分地区所用的干线传输方式,其结构如图 4.5所示。由于它形如树枝，因此称为“树枝型”结构。这种网络性能价格比较好，但较难扩展，适用于传输距离 10 公里范围内的同轴电缆网。由于前端设备多频道播出能力的提高，对传输干线的要求相
17、应提高，除使用优质低耗的电缆外，前馈、功率倍增、ALC 等先进技术以及集成放大器模块技术得到了广泛地采用。另外，每隔一定距离还必须插入一级宽频带的干线放大器，以均衡地提高信号电平，即由干线放大器依据前端的导频信号发生器产生的代表高低频道的两个导频信号的大小自动控制输出电平来实现高低频道信号的均衡放大，即所谓自动电平控制 ALC 和自动斜率控制 ASC 电路。另外，放大器还应具有温度补偿电路。图 4.5 树枝结构的电缆传输形式传输网络中，根据需要可选择不同类型的干线放大器、中间桥接、终端桥接等放大器。但是，应当注意，主干线上应尽可能减少分支，保持干线上串接放大器数量最少为优。4.3.2 光纤电缆
18、混合网(HFC)现在已经得到广泛共识的是:HFC 网络是把“信息高速公路”铺到广大用户“门口”的前端四分支干线放大器二分配延长放大器分支线用户终端二分支8最佳途径。HFC 网不仅能满足有线电视传送的要求,而且是目前把宽带综合业务接入用户的唯一最佳方案,国家广电总局在有线电视广播规划草案中确定分五个层次建网,最终目标是要完成全国有线电视光纤联网工程。HFC 网是由光纤和同轴电缆混合组成。光纤部分一般采用星形或环形结构，从光节点输出的电信号则经过树枝形电缆网送到用户家中。现就光缆干线部分介绍如下：1)光缆干线传输的工作原理光缆有线电视网的组成如图 4.6(a)所示。中心前端的混合射频电视信号一部分
19、经分配点送给本地用户，另一部分给光发射机对半导激光器进行强度调制，将混合射频电视信号变成光信号。光信号经单模光纤到达远端的光接收机。光接收端机将光信号解调为混合射频的电视信号。最后，由远端用户网的电缆分配到用户。图 4.6 光缆有线电视网的组成框图这种调幅-残留边带(AM-VSB)光缆传输系统主要由光发射机、单模光纤和光接收机组成。光发射机的核心器件是激光二极管(LD), 射频信号对激光管的发光强度直接进行调制。AM 光发射机一般采用分布反馈式(DFB)激光器,是一种单模工作激光器,具有良好的噪声性能、线性和互调性能。光接收机一般采用光电二极管(PIN-PD)作为光电转换器件。它的接收电平较高
20、,灵敏度较好。输入光功率在 0dBmV10dBmV 之间。整个 AM 光缆干线传输的带宽可达 1GHz。2)光纤传输中光放大器的应用远距离、大规模的光缆 CATV 传输,必须使用光放大器。如图 4.7 所示,使用了两个光放大器。本地用户光发射端机光接收端机远端用户网中心前端 单模光纤IN 电阻RF 匹配DFB光发射机偏流输入单模光纤光接收机(a)(b)PIN9图 4.7 用光放大器的光缆传输系统光放大器有两种：一是半导体激光放大器, 是利用能级间跃迁的受激现象进行光放大。它具有体积小、效率高、功耗低、易集成的优点，但与光纤耦合比较困难。另一种是光纤型激光放大器。它是利用光纤的非线性效应制成的。
21、当光纤输入功率增加到一定程度时，光纤材料受强输入光的激发而产生许多频率和许多模式的光。如果其中某一频率的光信号输入到该光纤中，能接受强输入的泵浦光的能量，并沿光纤逐步增强，则输出一个放大的与信号光有相同频率，相同传输模式的较强光。所以，光纤型激光放大器需要半导体泵浦光源，体积较大。4.4 用户分配网络用户分配网络是 CATV 系统的最后部分, 其作用是把干线传输的分配部分分给子系统,并将提供的电平信号合理地分配给各个用户, 使各用户收视信号达到标准要求。分配网中使用的器件有分支放大器、分配器、分支器和用户盒等，其组成如图 4.8 所示。分支线上串接一连串分支器，由它们的分支输出端引出用户线给用
22、户。分支器是一种无源部件，可以对用户电视机之间的相互影响起隔离作用，并为用户提供最合适的信号电平。4.5 有线电视双向传输网在国家信息基础设施建设规划中, 有线电视 HFC 网以高效廉价的优势，被公认为是解干线光放大器发射端1:N接收接收接收接收光纤分配光放大器L干线星形耦合器10决我国信息高速公路建设的进户问题， 把模拟、数字宽带综合信息业务接入到用户的唯一最佳解决方案。要适应有线电视的这种发展趋势，有线电视网络必须逐步解决双向传输问题。图 4.8 分配网络的实例图4.5.1 对网络的基本要求现阶段一个优良的双向传输网应当在可靠性、可扩容性、灵活性及易管理性等方面，满足下面的一些基本要求。可
23、靠性，指网络的性能可靠，不仅误码率低，而且在网络出现一般故障时，正常的业务应当不受太大的影响。这就要求网络的设计要正确、合理，设备本身的性能要高，可靠性要强。对于重要设备和易损设备要有备份，并建立合适的自愈网。可扩容性是指在业务不断增长的情况下，网络自身和网管系统都能在不停机的情况下进行在线扩容。灵活性是指网络仅通过软件的修改和配置即可为不同的用户进行不同类型的服务。这干线放大器干线分支放大器5 层4 层3 层2 层1 层用户盒 分支器终接电阻11对于市场和用户的需求尚处不断发展的过程中时，灵活性对于网络至关重要，如果选用业务适配能力强的设备，建立一个适用于不同业务的统一平台，即可实现利用尽量
24、少的设备来提供尽可能多的服务。易管理性是指网络在正常营运时要便于进行管理。这不仅能保证向用户提供优质服务，而且能有效地降低管理成本。提高网络的运行效率。因此，设计和建设一个高效、可靠的网管系统也是网络建设的重要内容之一。4.5.2 网络结构HFC 用户网一般采用光纤电缆混合结构，也有采用光纤入户结构的。图 4.9 是一个特大城市有线电视网结构示意图。图 4.9 特大城市有线电视 HFC 网示意图主前端和分配中心组成一级环形光缆干线网。各分配中心和二级分配中心组成二级干线环形网，从主前端、一级分配中心、二级分配中心部分可以通过星形光缆直接把光信号送到光节点。每个光节点下面的用户组成一个子网，共用
25、整个反向带宽，光节点以下用同轴电光节点主前端光节点分配中心光节点分配中心分配中心二级分配中心二级分配中心二级分配中心光节点电缆分配系统分配器远端单元 用户电视机电话 数据双向电缆网配中心用户网络接口单元数据电话电视12缆组成树形结构。为了提高系统质量，光节点应尽量靠近用户。从光节点输出的电信号可以有两种方式送到用户家。一是双向电缆网送至网络接口单元（由多个用户共同一个） ，再分别输出电话、电视和数信等信号；二是使用分配器把各种信号分离。电视信号由原单向电视分配系统送往用户家，而电话和数据信号送往远端单元，用双绞线与各用户连接。如果采用一根电缆入户，用户需使用机顶盒 STB,把视频、音频和计算机
26、数据信号统一进行处理，分别送至不同的终端；并把上行的各种信号分别经过编码、调制，合成一路信号，由电缆、光缆等送往前端。4.5.3 双向传输的基本方式实现有线电视的双向传输, 如同其它通信系统的多工应用一样,可以有空间分割、时间分割和频率分割等方式。空间分割，是指采用不同的线路分别传输上行和下行信号。这种方式在技术上最简单。有线电视的光纤传输部分，就是用这种方式。因为在光缆中增加一根芯的费用是不多的。而电缆部分则不行。时间分割，是利用一条线路，在不同的时间内分别传送上行和下行信号。在数字通信系统中可以采用这种方式。可以用一个脉冲开关来控制两种信号的传送时间。在一个脉冲周期内传送下行信号，在接着的
27、另一个脉冲周期内传送上行信号。只要脉冲周期足够小，就不会影响传输的信号质量，也不会产生相应的交调和互调。但是，模拟信号不便采用时间分割方式，因为模拟信号是连续的。频率分割，是用不同的载波频率分别传输上行和下行信号。这是目前有线电视双向传输系统所用的主要方式。根据 GY/T106-1999 规定,用 5MHZ65MHZ 频率传送上行信号,87MHZ 以上频率传送上行信号(其中 111MHZ1000MHZ 用于传输模拟电视、数字电视和数字业务)， 65MHZ87MHZ 留作保护频带。保护频带为空闲频带，用以分隔两个频带，减小由于滤波器滤波特性不陡峭而造成的频带交叉影响。另外，每个光节点上的所有用户
28、共用整个反向带宽,为使每个用户有足够的上行带宽, 满足综合业务的要求, 应使光纤尽可能向用户延伸,尽量减少每个光节点的用户数(500 户以下), 最好采用光纤到最后一个有源点(FTTLA)技术。这种技术既可减少用户间的相互影响，又可增加每个用户实际享用的反向带宽。4.5.4 网络管理双向有线电视综合信息网的管理是网络建设和营运的极为重要的问题之一,必须引起我们的高度重视。在设计建设网络的同时，就必须设计和建设一个高效、可靠的网管系统。13网管系统的任务是以合理的代价组织和利用系统资源，对全网实行智能化的监控、维护和流量管理，以保证对用户提供安全、可靠、优质和有效的服务。另外，如何有效地降低管理
29、成本，也是网管系统的重要任务。网络管理包括配置管理、性能管理、安全管理和用户管理等。配置管理是对网络设备进行配置，设置网元的工作参数，控制设备的运行状态。性能管理是对网络内所有的重要设备进行在线监测，对各种监测数据进行采集、传输、存储、统计和分析，提供网络和网元性能分析以及运行效能的报告和评估，发现问题后及时报警，便于技术人员及时采取措施。为此，应有专门的，具有多重保护的网管信息传输通道，对网管数据透明传输，无论在网络的任何地方出现异常现象，都能及时进行准确的记录，并实时反映出来。安全管理是为了保证网络正常运行，网络用户的各种业务正常传输，不致发生泄密或网络受到黑客破坏的事件。为此，要在网络的
30、网元中设立用户等级，对不同用户设置不同的权限，防止用户越权访问。用户管理是对用户的基本情况、权限等级、业务使用和交费情况进行管理。网络管理是一个复杂的系统工程，随着有线电视综合信息网络的全市、全省，甚至全国联网，网络的范围越来越大，功能越来越强，技术越来越复杂，网络管理的要求也会越来越高，只有在发展中不断地发现和研究新问题，解决新问题，网络的管理才能适应网络发展的需求，促进有线电视技术的不断发展。参考文献:1 有线电视技术， 王锡胜等编著， 电子工业出版社2 中国有线电视发展战略研究， 吴峰， 中国有线电视， 2000.013 全数字高清晰度电视和 DVB, 郑志航编著, 中国广播电视出版社4 有线电视综合信息网技术, 李鉴增 焦方性编著, 人民邮电出版社5 有线电视宽带 HFC 网络回传系统，D.拉斯金&D.斯通贝克著，张文生，周强译，中国广播出版社，1999.3
