視頻基本原理 -模擬有線電視(CATV)系統(tǒng)
有線電視有時也稱為CATV、電纜電視或閉路電視。有線電視系統(tǒng)是由早期的共用天線系統(tǒng)發(fā)展起來的。共用天線系統(tǒng)主要用來解決遠離電視臺邊遠地區(qū)和高樓林立的市區(qū)難以收到高質(zhì)量電視信號的問題。隨著視頻技術(shù)、通信技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，有線電視經(jīng)歷了以共用天線系統(tǒng)為代表的初級階段、以電纜電視為代表的閉路電視系統(tǒng)、多路微波電視分配系統(tǒng)、光纖傳輸系統(tǒng)、衛(wèi)星電視傳輸與接收系統(tǒng)等階段。CATV系統(tǒng)在應(yīng)用中不斷發(fā)展、不斷完善，它已經(jīng)成為一個多功能、多業(yè)務(wù)的信息綜合系統(tǒng)，成為信息化社會的重要傳播媒介。CATV系統(tǒng)在應(yīng)用中不斷發(fā)展體現(xiàn)在兩方面：傳輸技術(shù)與應(yīng)用功能，主要是傳輸技術(shù)，特別是寬帶傳輸技術(shù)。本節(jié)將簡單介紹有線電視系統(tǒng)的組成，重點放在介紹有線電視系統(tǒng)的傳輸方式。這些傳輸方式包括鄰頻道傳輸，同軸電纜傳輸，微波傳輸與分配，光纖同軸電纜混合傳輸（HFC），基帶視頻傳輸，視頻信號的非廣播傳輸?shù)取?br/>
一個完整的有線電視系統(tǒng)由以下幾部分組成：信號源，前端，干線傳輸與用戶分配。
有線電視廣播系統(tǒng)前端是有線電視系統(tǒng)的中樞，承擔著收集電視節(jié)目信號、完成調(diào)制變換、為系統(tǒng)提供多頻道射頻電視節(jié)目等主要信號處理功能。前端設(shè)備包括信號源設(shè)備、調(diào)制器和混合器三部分。
1. 信號源設(shè)備: 完成從不同途徑獲取各種電視節(jié)目的視頻信號和伴音信號的任務(wù)。
2. 調(diào)制器: 按照本臺的安排，將各路視頻和音頻信號調(diào)制到某一個有線電視頻道上。
3. 混合器：將各調(diào)制器輸出的射頻信號混合，輸出寬帶射頻復(fù)合信號，送入干線傳輸系統(tǒng)。
下圖所示為系統(tǒng)的組成原理框圖。圖示中的信號源主要來自衛(wèi)星接收機和微波地面接收機的節(jié)目，以及攝像機，錄象機，DVD播放機等本地視頻信號源。調(diào)制器的作用是將收到的衛(wèi)星電視信號、微波電視信號和信號源提供的視頻信號調(diào)制到有線電視指定的電視射頻頻道上。為了使普通接收機能接收CATV節(jié)目，調(diào)制方式仍然和開路節(jié)目相同，即圖像信號采用殘留邊帶調(diào)幅，伴音采用調(diào)頻的方式。
視頻基本原理 -模擬有線電視(CATV)系統(tǒng)
上圖中的導(dǎo)頻信號發(fā)生器的作用是為CATV系統(tǒng)的自動電平控制和自動斜率控制提供基準信號，即載波信號。當環(huán)境溫度變化或電源電壓變化時，導(dǎo)頻信號發(fā)生器也能輸出頻率和幅度穩(wěn)定的正弦波。當有線電視系統(tǒng)使用同軸電纜時，高頻電視信號的衰減隨溫度和載波頻率變化而變化，信號在干線上的衰減和幅頻特性的斜率都會因上述因素變化。由此可見，系統(tǒng)有必要設(shè)置自動增益控制和自動斜率控制。進行控制時，從干線放大器輸出的兩個不同頻率的導(dǎo)頻信號的幅度反映了電纜和干線放大器的衰減特性和頻率特性，以此作為基準去反向控制干線放大器的增益和斜率。導(dǎo)頻信號的頻率選擇為46.6Mhz, 109.9Mhz, 229.5Mhz。
從地面廣播天線接收視頻源的通道一般稱為頻道處理器，有時也稱信號處理器，它將通過天線把接收到的高頻電視信號按有線電視系統(tǒng)的要求進行處理，再送入混合器。它的主要處理環(huán)節(jié)是從天線接收到的信號中選出要收轉(zhuǎn)的電視頻道信號，低噪聲放大；在節(jié)目源輸出（開路發(fā)射）的高頻電視信號中，圖像/伴音功率比為10dB，有線電視鄰頻系統(tǒng)為17dB，但無線傳輸后，這個比例由于受到很多因素影響將會發(fā)生變化，而且不穩(wěn)定。頻道處理器要實現(xiàn)功率比可調(diào)，還要做到圖像信號和伴音信號都有自動增益控制。即使得到的高頻電視信號（即頻道處理器的輸入信號）圖像/伴音功率比偏離標準值+-10dB，輸出功率比也應(yīng)保持基本不變。而且，通過設(shè)在頻道處理器中的濾波器能有效地抑制各種諧波分量所造成的干擾。頻道處理器還應(yīng)完成頻道轉(zhuǎn)換，通常是將UHF信號轉(zhuǎn)換到VHF頻道中傳輸，因后者在電纜中傳輸?shù)乃p小。
可見，頻道處理器的基本任務(wù)是將同一節(jié)目由一個頻道轉(zhuǎn)到另一個頻道。頻道處理器根據(jù)功能結(jié)構(gòu)可分為3種:
1. 直接變頻式頻道處理器它的工作原理是把天線收到的某一頻道的高頻電視信號經(jīng)帶通濾波器選通放大后進行高頻放大，然后進入混頻級，與本振信號混頻得到另一個頻道的信號；經(jīng)帶通濾波后輸出，得到符合有線電視系統(tǒng)要求的幅頻特性。這種方法的優(yōu)點是簡單，價格低；由于在混頻時只能采用和頻，而不能采用差頻，故缺點是低本振信號的諧波干擾落在輸出頻道信號的頻率范圍內(nèi)，會產(chǎn)生網(wǎng)紋降低了系統(tǒng)的性能。
2. 中頻變換式頻道處理器將收到的某一頻道的射頻信號經(jīng)下變頻器變成中頻，再由上變頻器將中頻信號變換為另一頻道的信號。在這種變換方式中，由于使用了兩次變換，有兩個本振源，故可采用高本振信號避免諧波干擾。這種方法的優(yōu)點是諧波干擾小，圖像質(zhì)量高。若在上、下變頻器之間加入中頻處理器，則圖像質(zhì)量會更高。
3. 解調(diào)式頻道處理器，這種方式是將收到的任意頻道的射頻信號解調(diào)出視頻、音頻基帶信號，然后再進行中頻調(diào)制、中頻處理和上變頻，從而轉(zhuǎn)換成所需的頻道的射頻信號。實際上，它包括了普通接收機的前半部分和發(fā)射機的主要部分。其優(yōu)點是使用方便、無需調(diào)整。但要經(jīng)過先解調(diào)、后調(diào)制的環(huán)節(jié)，故信號質(zhì)量有所下降。上圖中就是使用這種方式。
混合器的作用是把多路高頻電視信號混合成一路輸出，用一根同軸電纜或光纜傳輸，實現(xiàn)多路復(fù)用。混合器又可分為無源混合器和有源混合器兩種。經(jīng)混合器輸出的多路電視信號被送到發(fā)射機。
用電纜作為傳輸干線時，干線傳輸距離一般為10多千米甚至20多千米，還需加干線放大器。同時要求干線放大器可以進行自動增益控制、自動斜率控制。在雙向有線電視系統(tǒng)中還要求將干線放大器設(shè)計成雙向放大器。按照我國規(guī)定，5～30Mhz 頻段傳輸上行信號，48Mhz以上頻率傳輸下行信號。用光纖作為傳輸干線時，傳輸距離可以像電信傳輸網(wǎng)一樣不受限制。傳輸干線采用微波傳輸方式，它是將高頻電視信號調(diào)制到微波波段，再定向發(fā)射。接收端解調(diào)收到的高頻電視信號，再送到用戶分配系統(tǒng)。用戶分配網(wǎng)絡(luò)是有線電視系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，它將電視節(jié)目分配給成千上萬個電視用戶。
有線電視的發(fā)展過程中，一開始就面臨著增加系統(tǒng)傳輸頻道數(shù)目的艱巨任務(wù)。由于電視接收機對相鄰頻道的抑制能力差，受系統(tǒng)技術(shù)條件的限制，一般有線電視系統(tǒng)均采用隔頻傳輸方式傳輸電視節(jié)目。因此，在模擬視頻領(lǐng)域，解決節(jié)目容量問題的最有效手段就是采用鄰頻道傳輸系統(tǒng)。鄰頻傳輸系統(tǒng)是指在VHF頻段的12頻道全部占用的情況下，為了充分利用系統(tǒng)內(nèi)有限的頻率資源，可以利用開路廣播電視中不能使用的頻段（如調(diào)頻廣播、電信與軍用通信頻段），開設(shè)增補頻道（非標準頻道）。因為有線電視是一個獨立的、封閉的系統(tǒng)，所以只要合理設(shè)計，完全不會對廣播、電信等業(yè)務(wù)產(chǎn)生干擾。
下圖所示為鄰頻傳輸信號處理器的簡化框圖。圖示中，將VHF和UHF頻段中的某一標準頻道信號在下變換器中變成一個固定的中頻38Mhz信號。在中頻信號處理器中，要調(diào)整圖像伴音功率，采用濾波技術(shù)，將其帶外成分抑制在－60dB以下。由于鄰頻道的伴音載頻與本頻道圖像載頻相隔只有1.5Mhz，所以低鄰道的伴音載波是對本頻道圖像的主要干擾源。因此，對中放的頻率特性要求比對接收機的更嚴格，通常都采用聲表面波濾波器，使濾波后的中頻信號與相鄰頻道的中頻信號不會產(chǎn)生重疊。對中頻信號處理比直接對高頻信號處理的優(yōu)點是：頻率低，可以集成化，元器件性能好，參數(shù)一致性好。經(jīng)過中頻處理后的信號再進行上變頻，將38Mhz的中頻信號轉(zhuǎn)變成按規(guī)定要求的射頻（RF）頻道信號。
視頻基本原理 -模擬有線電視(CATV)系統(tǒng)
實現(xiàn)鄰頻道傳輸，在技術(shù)上有一定的難度。具體來說，要抑制帶外成分，消除鄰頻道干擾；要將帶外成分抑制到－60dB以下；要使伴音載波電平可調(diào)，實現(xiàn)圖像伴音功率比可調(diào)，減小伴音載波干擾相鄰頻道的圖像；對圖像載頻和伴音載頻的頻率準確度要求高，偏差要控制在+-
10KHz以內(nèi)，且圖像和伴音必須鎖相。
視頻基本原理 -模擬有線電視(CATV)系統(tǒng)
在有線電視系統(tǒng)中，干線傳輸系統(tǒng)是一個傳輸網(wǎng)，如上圖所示，它將前端送來的電視信號不失真地傳輸給用戶分配系統(tǒng)，是有線電視系統(tǒng)中不可缺少的部分。同軸電纜的傳輸是一種最基本的傳輸方式。這種傳輸方式的優(yōu)點是成本低，設(shè)備可靠，安裝比較方便；缺點是電纜對高頻電視信號的損耗大，每隔數(shù)百米需要用干線放大器來補償信號損失，同時，電纜的頻率特性差，高頻段的信號損耗更大，需要帶自動電平放大器的干線放大器進行斜率補償。這種傳輸系統(tǒng)目前只在小系統(tǒng)中使用，在大系統(tǒng)中只用于靠近用戶分配系統(tǒng)的最后幾千米線路中。下圖所示為同軸電纜傳輸系統(tǒng)，它由多級干線放大器級連。在雙向傳輸系統(tǒng)中，干線放大器要采用雙向放大器，由于上行信息與下行信息采用頻分復(fù)用多路傳輸方式，所以在雙向放大器支路中要接入高通濾波和低通濾波器。橋接放大器不對干線信號放大，僅對分出的支路信號進行放大，并送到用戶分配系統(tǒng)中。分配放大器是用來驅(qū)動用戶分配網(wǎng)的。主干線上的信號分成幾個支路，進入用戶分配網(wǎng)絡(luò)還需一些無源器件，例如，分支器、分配器等。在工程技術(shù)中所使用的干線放大器是多種多樣的，而且有很多種技術(shù)參數(shù)，讀者可查閱有關(guān)文獻。電纜的損耗與工作頻率和溫度有關(guān)。因此，電纜損耗的變化引起干線放大器信號電平變化，從而導(dǎo)致載噪比劣化、非線性失真加大，直接影響用戶端圖像質(zhì)量。
視頻基本原理 -模擬有線電視(CATV)系統(tǒng)
干線傳輸系統(tǒng)將前端輸出的多路射頻信號傳輸?shù)礁鹘邮拯c，除了上述小系統(tǒng)中同軸電纜傳輸方式以外，大系統(tǒng)目前主要采用光纖傳輸系統(tǒng)。光纖傳輸系統(tǒng)分為1310nm光波長直接調(diào)制系統(tǒng)和1550nm光波長外調(diào)制系統(tǒng)。
1310nm系統(tǒng)由采用分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制式光發(fā)射機、光分路器、光纖和光接收機組成。
1550nm系統(tǒng)由外調(diào)制式光發(fā)射機、光放大器（EDFA）、光分路器、光纖和光接收機組成
視頻基本原理 -模擬有線電視(CATV)系統(tǒng)
通過干線光纖傳輸系統(tǒng)以后，還需要信號分配網(wǎng)絡(luò)為用戶分配、接入電視信號，目前采用同軸電纜網(wǎng)絡(luò)。和上述同軸電纜干線系統(tǒng)的用戶分配網(wǎng)絡(luò)類似，用戶分配網(wǎng)絡(luò)由放大器、同軸電纜和無源分配器件（分支器、分配器）組成。
放大器：作用是補償電纜線路對射頻電視信號的損耗；
無源分配器件：作用是給用戶或線路分配合適的信號電平。
視頻基本原理 -模擬有線電視(CATV)系統(tǒng)
下面簡單講述一下有線電視系統(tǒng)的主要技術(shù)指標：
噪聲與噪聲溫度，系統(tǒng)的噪聲包括由無源器件產(chǎn)生的基礎(chǔ)熱噪聲和有源器件產(chǎn)生的霰彈噪聲，分配噪聲和閃爍噪聲。
載噪比，載噪比（C/N）定義為信號載波功率與噪聲功率之比。載噪比是系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，反映了系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲對圖像質(zhì)量的影響。討論系統(tǒng)載噪比時，要計算每個放大器產(chǎn)生的影響。
交擾調(diào)制比，載波的交擾調(diào)制是系統(tǒng)的非線性引起的，它使其他頻道的信號疊加到本頻道中，但不產(chǎn)生新的頻率分量。交擾調(diào)制比是指在指定頻道上已調(diào)載波的有用調(diào)制信號峰峰值與其他頻道轉(zhuǎn)移到本頻道的交擾調(diào)制信號峰峰值之比，用dB表示。
載波組合三次差拍比，組合三次差拍指的是進入指定頻道內(nèi)所有三次差拍成分之和。
