廣電技術能手競賽(電平、載噪比、非線性失真講解)

全國廣播電視技術能手競賽有線網(wǎng)絡專業(yè)（一）基礎理論一專業(yè)知識二安全技術三專業(yè)技能四三四三四二一

第一部分基礎理論有線電視基礎理論（電平、載噪比、非線性失真）光傳輸網(wǎng)絡技術理論數(shù)字電視基礎理論網(wǎng)絡安全基礎理論和知識計算機網(wǎng)絡基礎理論相關新興技術分貝是無線電電子技術中一個較為特殊的測量單位，它既可表示功率，又可表示電壓，它是這樣得來的：假定一個放大電路，它的輸出功率為P2，輸入功率為P1，將P2/P1的比值取常用對數(shù)，即lg(P2/P1)，所得結果用“貝爾”作單位，即貝爾數(shù)=lg(P2/P1)。由于貝爾這個單位太大，我們?nèi)∷?/10作為單位，稱為“分貝”，并用符號“dB”來表示。其結果為：分貝數(shù)=10×lg(P2/P1)例如：某放大器輸出功率P2為5W，輸入功率P1為0.005w，則功率增益=10×lg(P2/P1)=10×lg(5/0.005)=10×lg1000=10×3=30dB。上述結果為表示“功率”分貝數(shù)的公式，如果要表示“電壓”的分貝數(shù)，則公式會變?yōu)椋悍重悢?shù)=20×lg(V2/V1)。1.1有線電視基礎理論（1）分貝比與電平電平單位的換算

1.1有線電視基礎理論（1）分貝比與電平電平單位的換算第一，由于聲強和放大器的輸出功率是一致的，因此分貝除作為電壓和功率的單位外，還作為聲強的表示單位。科學實驗已經(jīng)證明：當放大器輸出功率（同時也是聲強）成10倍、100倍、1000倍增強時，人們聽起來只覺得是增強了1倍、2倍和3倍。這種關系實際上正好是一種對數(shù)關系，因此采用對數(shù)關系來表示這種增強關系正好符合人們的聽覺上感受到的聲強的變化程度。

1.1有線電視基礎理論（1）分貝比與電平電平單位的換算第二，采用分貝作為單位給放大電路的增益計算提供了極大的方便，它把很大的數(shù)字化小了，也把需要由乘法來計算的事情變?yōu)橹挥煤唵蔚募臃▉碛嬎?。例如：一個三級放大器，其各級電壓放大倍數(shù)分別為25倍(28dB)、316倍(50dB)和100倍(40dB)。如果直接用乘法來計算它的總電壓放大倍數(shù)，則為：25×316×100=790000倍，這個數(shù)值是很大的。如果改用分貝計算，則為28+50+40=118dB，這個數(shù)值就比原來小得多了，計算起來或讀起來都很方便。

1.1有線電視基礎理論（1）分貝比與電平電平單位的換算此外，用分貝這個單位來表示一個放大器的增益也很方便。例如，一個運算放大器的開環(huán)增益為1000000倍，用分貝表示則：

20×1g1000000=20×6=120dB。

通常情況下，電平均指絕對電平。如：常用的dBm、dBu、dBv、dBr、dBFS等都是絕對電平。

1.1有線電視基礎理論（1）分貝比與電平電平單位的換算

dB是decibel的縮寫,意即十分之一貝爾(bel)—分貝。分貝(dB)是國際上統(tǒng)一使用的電信傳輸單位,它是沒有量綱的對數(shù)計數(shù)單位。在電信技術領域,為了準確計量信號在電路中各點的功率、電壓和電流等的傳輸變化情況,一般不直接用瓦(W)、伏(V)和安(A)作為測量單位,而采用“電平”這樣一個概念。一個信號的大小用相對于某一基準值的功率比值、電壓比值或電流比值的對數(shù)關系來表示,便稱之為“傳輸電平”。分貝就是傳輸電平的單位,稱為“傳輸單位”。用公式可表示為:

D=10lgP1/Po=20lgU1/U0=20lgl1/lo(dB)

可以方便地把電平由一種單位化為另一種單位。1.1有線電視基礎理論（1）分貝比與電平電平單位的換算

1.1有線電視基礎理論（1）分貝比與電平電平單位的換算例如：要把115dBuV化為其它單位表示，可利用表中最后一行：化為dBW時用第一列數(shù)-138.75，即用原來的數(shù)加-138.75得-23.75，說明115dBμV相當于-23.75dBW；類似地，115dBuV相當于115-108.75=6.25dBm；相當于115-60=55dBmV。若把dBmV化為其它單位，則應用第三行；若把dBm化為其它單位，則應用第二行；若把dBW化為其它單位，則應用第一行等等。

高清有線數(shù)字電視機頂盒的最小接收信號電平應小于等于40dBuV（64QAM）；最大接收信號電平應大于等于80dBuV（64QAM）

1.1有線電視基礎理論（2）載噪比的計算關于載噪比的基礎知識：在電視信號的采集、調(diào)制、放大、傳輸過程中，不可避免地會產(chǎn)生“噪聲”（代號N,英文Noise的第一個字母），隨著放大級數(shù)的增加，噪聲會逐步增大。噪聲就像魚缸水中的泥沙，會使清晰度降低，輕微時在電視畫面背景上均勻地密布不規(guī)則的細微噪動點，嚴重時則變成粗大的雪花點。

電視中噪聲的輕重程度用“載噪比”（代號C/N）來表征，單位是dB，它就是“載波功率與噪聲功率之比的分貝值（10lg）”：C/N＝10lg（載波功率/噪聲功率）（單位：dB）

C/N數(shù)值愈大，說明載噪比愈高，電視畫面清晰度愈好。1.1有線電視基礎理論（2）載噪比的計算行業(yè)標準GY/T106－92(GYT106-1999)中規(guī)定有線電視系統(tǒng)（出口）的C/N指標要求≥43dB（顯然，此時載波功率是噪聲功率的20000倍），通常在作系統(tǒng)設計時取C/N＝44dB為設計值，留1dB設計裕量。

我們在計算單個放大器的載噪比時，可以先不考慮由前級輸入的“噪聲功率”，認為輸入放大器的僅僅是信號的“輸入載波功率”。此時這個放大器自身的“噪聲功率”只有兩項：由于器件中電子不規(guī)則熱運動而產(chǎn)生的“基礎熱噪聲”和因放大器放大而“增加的噪聲”。

1.1有線電視基礎理論（2）載噪比的計算這樣，單個放大器C/N指標的計算式就是：C/N單＝10lg［輸入載波功率/放大器的噪聲功率］

＝10lg［輸入載波功率/（增加的噪聲＋基礎熱噪聲）］

＝10lg輸入載波功率－10lg增加的噪聲－10lg基礎熱噪聲

1.1有線電視基礎理論（2）載噪比的計算

由于“10lg輸入載波功率”就是放大器的“輸入電平”（代號Si，單位dB），“10lg增加的噪聲”就是放大器的“噪聲系數(shù)”（代號NF，單位dB）,“10lg基礎熱噪聲”按我國的電視制式換算出來的數(shù)值是2.4dB（20℃）。因此，前面的算式就成為：（C/N）單＝輸入電平Si－噪聲系數(shù)NF－2.4，即：（C/N）單＝Si－NF－2.4（dB）…………（1）

1.1有線電視基礎理論（2）載噪比的計算

（1）式就是單個放大器C/N指標基本計算公式。從這個算式中可以看出，放大器的輸入電平Si提高（降低）1dB，其C/N指標隨之提高（降低）1dB，是1比1的正相關。

當放大器級（串）聯(lián)使用時，前級放大器將信號輸給下級放大器的同時，必然會將噪聲一起輸進去，不可能“僅僅是信號的輸入載波功率”，因此后級放大器輸出的噪聲中必然還包含其前面所有器件所產(chǎn)生的噪聲，所以此時的載噪比就要進行“級聯(lián)累加”計算。

1.1有線電視基礎理論（2）載噪比的計算當n臺放大器級聯(lián)使用，而它們的輸入電平Si、噪聲系數(shù)NF都相同時，其總載噪比（即最后一級放大器輸出信號的載噪比）（C/N）總可由下式算出：（C/N）總＝Si－NF－2.4－10lgn（dB）…………（2）（2）式說明，放大器級聯(lián)數(shù)愈多，C/N指標愈差。

1.1有線電視基礎理論（2）載噪比的計算當兩只放大器級聯(lián)時，C/N指標降低3dB（10lg2＝3）；當3只放大器級聯(lián)時，C/N指標降低4.8dB（10lg3＝4.8）；當10只放大器級聯(lián)時，C/N指標降低10dB（10lg10＝10），等等。單臺放大器在實際運行時的C/N指由下式算出：C/N＝So－G－NF－2.4…………（3）

（3）式說明，放大器的輸出電平So高，C/N指標也高（但失真指標低了）；如果兩臺增益G高、低不同的放大器輸出電平So相同，那么增益高的放大器的C/N指標低些。因此，放大器在實際的運用中，實際調(diào)試的輸出電平So，要和放大器的標稱輸出電平Sa(=72+G)盡量相近，不能遠低于Sa，否則，C/N指標就太低了。要做到這點，放大器的間距要認真設計。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

有線電視三大技術指標詳解一個有線電視網(wǎng)絡系統(tǒng)性能的好壞，我們通常都用載噪比（C/N）、組合三次差拍比（CTB）、組合二次差拍比（CSO）進行衡量。國家廣電行業(yè)標準（GY/7106-1999）規(guī)定：有線電視系統(tǒng)的載噪比≥43dB、組合三次差拍比≥54dB、組合二次差拍比≥54dB。那末這三大指標的含義是什么？在這里向大家逐一介紹。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

一、載噪比定義：在系統(tǒng)的指定點，圖象或伴音載波電平與噪波電平之比（用dB表示）。

噪聲是一切干擾信號的泛指，它的存在影響著有用信號的清晰度。在有線電視系統(tǒng)中的噪聲主要是熱噪聲。在日常，我們打開電視機，不輸入任何信號，我們會看到屏幕上布滿了無規(guī)則的黑白點，即所謂的“雪花”點，這些“雪花”點就是噪聲在電視屏幕上的反映。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

有線電視的噪聲主要是由熱噪聲和散粒噪聲所組成。熱噪聲主要是由導電體內(nèi)部的自由電子無規(guī)則的熱運動所產(chǎn)生的，噪聲功率的大少和工作頻率、工作帶寬、工作溫度有關，我國電視制式的視頻帶寬是5.75MHZ，在常溫下所產(chǎn)生的噪聲功率是2.4dbμV。散粒噪聲則是由放大器等有源器件內(nèi)的半導體所產(chǎn)生的。這些噪聲不論有無信號，它總是存在并具有起伏特性。在圖象上表現(xiàn)為“雪花”干擾，是難以抑制的。圖象的清晰度將隨著噪聲電平的增加而下降，為了衡量CATV系統(tǒng)的接收質(zhì)量，所以用載噪比來定量描述它。它的數(shù)學表達式是：C/N=10*lg（載波功率/噪聲功率），單位是dB。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算在CATV系統(tǒng)中，用戶端的功率是前端的熱噪聲加網(wǎng)絡中所有串接的放大器自身所產(chǎn)生的噪聲之和，放大器是一個有源器件，其內(nèi)部是由晶體管、電阻等電子器件組成，所以每個放大器自身也必會產(chǎn)生噪聲，放大器在對信號進行放大的同時也將噪聲疊加到輸出端，這樣，輸出端的信號載噪比必然比輸入端的信號載噪比低。為此，我們就用輸入載噪比和輸出載噪比的比值來衡量放大器的噪聲指標，定義為噪聲系數(shù)，用F來表示，這個系數(shù)通常都由生產(chǎn)廠家提供。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

根據(jù)以上所述，一條由多個放大器串接而成的CATV電纜網(wǎng)絡，后一級放大器的輸入載噪比肯定比前一級放大器輸入載噪比低，這就是為什么在有些CATV系統(tǒng)中，為保證載噪比的指標，越后級的放大器的輸入電平要求就越高的原因。多級同一型號放大器串接鏈路載噪比的計算公式是：C/N=Vi-F-10lgn-2.4（dB）

Vi為輸入電平；F為放大器的噪聲系數(shù)；n是串接的放大器級數(shù)；2.4是常溫下的熱噪聲功率。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

二、CATV系統(tǒng)的非線性失真在整個CATV網(wǎng)絡系統(tǒng)中，使用了大量的有源器件，如電纜放大器、光收發(fā)機等，這些有源器件都會產(chǎn)生非線性失真，這些非線性失真的結果會在系統(tǒng)上產(chǎn)生很多新的頻率分量，稱之為產(chǎn)物。如果這些產(chǎn)物落在播出頻道帶內(nèi)，就會對這些頻道的圖象產(chǎn)生干擾，如圖象拉絲、網(wǎng)紋干擾、“雨刷”干擾、“串象”等，根據(jù)對圖象的干擾表現(xiàn)方式，非線性失真可分為交擾調(diào)制干擾（又稱交調(diào)失真）和相互調(diào)制干擾（又稱互調(diào)失真）兩類。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算所謂交擾調(diào)制干擾是當CATV系統(tǒng)同時傳送兩個載頻不同的調(diào)幅波時，通過系統(tǒng)的有源器件會使這兩個射頻信號相互作用而使電視機通帶內(nèi)的有用信號受到通帶外的干擾信號的調(diào)制而形成的干擾。其特點是：1）當收到有用信號時，才出現(xiàn)干擾，有用信號消失則干擾信號也消失；

2）干擾信號遠大于有用信號時，會造成“阻塞”（此時電視機看不到任何圖象）；3）干擾頻率與信號頻率的間隔可以是任意的。4）只有調(diào)幅信號才會產(chǎn)生交調(diào)干擾；5）當兩個以上的輸入信號之一的幅度大到足以使放大器工作到飽和狀態(tài)時就可能產(chǎn)生交調(diào)干擾。所以，交調(diào)干擾的大小，反映了放大器處理信號的線性能力（即放大器的動態(tài)范圍）。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

所謂相互干擾或相互調(diào)制，是由兩個以上的頻率成分差拍（加或減）后產(chǎn)生新的頻率分量，這些新的頻率分量和任一輸入信號的頻率都不同，但當它落在某一輸入信號的頻帶中間就會形成相互干擾。相互干擾在圖象上表現(xiàn)為一種網(wǎng)紋干擾?；フ{(diào)干擾和交調(diào)干擾一般是同時發(fā)生的。任何一個有非線性失真的設備（如放大器），在正常的使用情況下，它的輸出電壓和輸入電壓的關系可用下式近似表示：

U0=K1Ui+K2Ui2+K3Ui3（其中K2Ui2稱為二階項，K3Ui3稱為三次項）上式中U0是輸出電壓，Ui是輸入電壓?，F(xiàn)在假設有兩個信號A和B同時輸入，那末輸入信號的表達式：Ui=ACOSω1t+BCOSω2t1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

輸出電壓：U0=K1(ACOSω1t+BCOSω2t)+k2(ACOSω1t+BCOSω2t)2+K3(ACOSω1t+BCOSω2t)3上式的第一項是我們需要的信號，它將輸入信號Ui放大了K1倍。第三項（叫三階項）K3(ACOSω1t+BCOSω2t)3展開如下：=K3(A3COS3ω1t+B3COS3ω2t+3AB2COS2ω2tCOSω1t+3A2BCOS2ω1tCOSω2t)=K3[3/4A3COSω1t+3/4B3COSω2t+A3/4COS3ω1t+B3/4COS3ω2t+3/4A2BCOS(2ω1±ω2)t+3/4AB2COS(2ω2±ω1)t+3/2AB2COSω1t+3/2A2BCOSω2t]

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

在上式中，含有COS3ω1t和COS3ω2t的項是三次諧波項，稱為三次諧波產(chǎn)物。含有（2ω1±ω2）和（2ω2±ω1）的項是差拍項，稱為三次差拍產(chǎn)物。這些項都有可能落入正常頻道之中形成互調(diào)干擾，所以，我們將式中的這些諧波項和差拍項所產(chǎn)生的頻率分量落入到正常頻道中的那部分產(chǎn)物稱為三階互調(diào)產(chǎn)物，這三種產(chǎn)物之和我們稱為組合三次差拍，簡稱CTB。式中的最后兩項的頻率仍然是基本頻率，而不是新產(chǎn)生的頻率，所以不屬于互調(diào)，但是它們的幅度上不但有本頻道的電視信號，而且有其它頻道的電視信號。如K3*3/2AB2COSω1t項，它是A頻道的基本頻率ω1，所以在收看A頻道時肯定能收到這一項的產(chǎn)物。但是它的幅度上存在B2項，因此出現(xiàn)了B頻道信號，造成兩個圖象同時出現(xiàn)在屏幕上的串象現(xiàn)象。所以這兩項為交擾調(diào)制干擾項。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

CTB產(chǎn)物的分布是這樣的，落入工作頻道內(nèi)的CTB產(chǎn)物中的大部分，一般群集在某一兩個特定的頻率上，在這兩個頻率上可以群集幾十、幾百甚至上千個失真產(chǎn)物。這個特定的頻率我們稱為CTB的主要群集點頻率。在相鄰等間隔的那些頻道（如DS6—DS12、Z1—Z37）中，圖像載頻就是這些頻道CTB產(chǎn)物的主要群集點頻率，在圖像載頻上群集的CTB數(shù)量，中間頻道最多，隨著頻道的升高或降低，都逐漸減少，呈對稱或接近對稱。在DS1—DS3和DS4、DS5中，CTB的數(shù)量較少，分布較為分散。在DS13—DS22中（550MHZ系統(tǒng)），CTB產(chǎn)物主要部分集中在圖像載頻和+1MHZ兩處，這兩個頻率都是CTB的主要群集點頻率。隨著頻道的升高，圖像載頻上CTB產(chǎn)物數(shù)量是先增加后減少，中間最多，兩頭減少呈對稱。在+1MHZ處，則是逐漸減少的。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算二階項：K2（ACOSω1t+BCOSω2t）2將此式展開=K2[A2/2+B2/2+A2/2COS2ω1t+B2/2COS2ω2t+ABCOS(ω1±ω2)t]式中A2/2、B2/2是直流項（低頻項），可通過電容去濾除，第三、第四項是二次諧波項（稱二次諧波產(chǎn)物），第五、六項是差拍項（稱差拍產(chǎn)物），總的來看，后面四項都是新產(chǎn)生的頻率項，只要它們落入正常頻道之內(nèi)就形成互調(diào)干擾。我們將這些頻率分量稱為二階互調(diào)產(chǎn)物，把這三種產(chǎn)物的總和通稱為組合二階失真，簡稱CSO。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

550MHZ系統(tǒng)中CSO的分布是：CSO產(chǎn)物只有49.5%落在系統(tǒng)各個工作頻道內(nèi)，比CTB少得多。在相鄰等間隔的那些頻道（DS6—DS12，Z1—Z37）中，CSO主要分布在離圖像載頻-0.25MH和+0.25MHZ處；在DS1—DS3中，每個頻道的CSO總數(shù)較少，且大多分布在離圖像載頻較遠的頻率上。在DS4和DS5這兩個頻道中，+2.75MHZ是整個系統(tǒng)中CSO分布數(shù)量最多的群集點。DS13—DS22中,CSO相當集中地分布在+1.25MHZ處，其數(shù)量隨頻道的升高而增加。

1.1有線電視基礎理論（3）非線性失真指標C/CSO和C/CTB的計算

現(xiàn)在有線電視系統(tǒng)中采用了推挽式放大器，使得二階失真大大降低，人們的注意力都集中到CTB上。綜上所述，交調(diào)是由三階失真CTB產(chǎn)生的，互調(diào)在二階CSO和三階CTB失真都能產(chǎn)生。為了定量分析這些失真對系統(tǒng)的影響，引入了組合三次差拍比C/CTB和組合二次差拍比C/CSO兩個參數(shù)。