張 放

（有線電視技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，上海 201103）

1 信號(hào)和電平的概念

1.1 電平的定義

為了避免混淆，對(duì)“電平”的含義必須明確加以定義[1]。在數(shù)字QAM信號(hào)中，“電平”是指在任意一個(gè)時(shí)間間隔中所測(cè)得信號(hào)的真實(shí)功率。另一方面，在模擬視頻信號(hào)的情況下，“電平”是指在水平同步脈沖周期內(nèi)所測(cè)得的已調(diào)制RF載波的真實(shí)功率，有時(shí)也被稱(chēng)為“峰值視頻包絡(luò)功率”。如果在一個(gè)經(jīng)延伸的時(shí)間周期內(nèi)，用一個(gè)被稱(chēng)作“視頻濾波器”的電路對(duì)同一個(gè)已調(diào)制載波進(jìn)行測(cè)量，那么所得之結(jié)果將是“平均”功率。

1.2 模擬和數(shù)字信號(hào)的幅度分布

首先假設(shè)將QAM信號(hào)電平設(shè)置成等同于模擬視頻信號(hào)的平均功率[2-3]。誠(chéng)然，即便如此，兩種信號(hào)的幅度分布情況大不相同。這就是說(shuō)，在同一瞬間兩種信號(hào)的特定瞬時(shí)值截然不同。在同一個(gè)示波器上交替觀察這兩種信號(hào)就可以看出它們之間的差別。通過(guò)對(duì)模擬信號(hào)的行、場(chǎng)消隱脈沖的重復(fù)顯示，就可對(duì)它進(jìn)行測(cè)量。而數(shù)字信號(hào)則完全是隨機(jī)的。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)看，兩種信號(hào)“密度函數(shù)的或然率”（Probability Densi?ty Functions，PDF）是不相似的。數(shù)字信號(hào)經(jīng)常是呈現(xiàn)“高斯”（Gaussian）型的。

然而，當(dāng)許許多多獨(dú)立的信號(hào)被組合在一起時(shí)，整個(gè)信號(hào)的幅度分布將趨向于“高斯”分布。人們常用“中心限制理論”（Central Limit Theorem）來(lái)證實(shí)這一點(diǎn)（詳盡的數(shù)學(xué)計(jì)算已不屬于本文范圍）。實(shí)際結(jié)論可以這么說(shuō)，隨著信號(hào)數(shù)目的增加，兩種不同信號(hào)的“峰值”將越來(lái)越相似。這樣，在激光發(fā)射機(jī)中經(jīng)過(guò)峰值限幅，兩種信號(hào)將更為近似了。本文所指大量模擬視頻信號(hào)的組合，其數(shù)目約為大于20個(gè)。

1.3 模擬視頻信號(hào)的峰值包絡(luò)功率和平均功率的差別

一個(gè)模擬視頻信號(hào)的峰值包絡(luò)功率是等于未調(diào)制RF的載波功率，這是因?yàn)樵谒酵矫}沖周期內(nèi)的調(diào)制深度為0。當(dāng)載波被調(diào)制時(shí)，功率之減少取決于在白色峰值電平出現(xiàn)時(shí)的最大調(diào)制深度以及平均的圖像電平（Average Picture Level，APL）。

對(duì)一個(gè)單一信號(hào)來(lái)說(shuō)，APL的變化將跟隨圖像內(nèi)容的變化。當(dāng)節(jié)目?jī)?nèi)容不同時(shí)，APL的值將完全不同。但是，當(dāng)一組圖像信號(hào)被組合在一起后，APL的變化必將會(huì)減少。所以要選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)腁PL值。根據(jù)以上分析，選擇APL為50%，這是因?yàn)閳D像的中間亮度在全白與全黑之間，這樣的假設(shè)看來(lái)較為合理。另外，應(yīng)考慮到有足夠多的一組信號(hào)被組合在一起。

因而，在隨后的計(jì)算中考慮的是一個(gè)模擬視頻信號(hào)的平均功率有50%的APL。

1.4 場(chǎng)消隱期間的效應(yīng)

在PAL制中，場(chǎng)消隱持續(xù)時(shí)間約占25行的時(shí)間。在場(chǎng)消隱期內(nèi)不傳視頻信號(hào)，但其間有幾“行”可能包含圖文數(shù)據(jù)和測(cè)試信號(hào)等信息。由于有此場(chǎng)消隱期效應(yīng)，APL更難計(jì)算?？紤]到這個(gè)因素，在計(jì)算時(shí)可作一個(gè)小的調(diào)整。但如何來(lái)給這個(gè)調(diào)整作具體設(shè)定較難給出。通過(guò)大量的實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在最差的情況下，因場(chǎng)消隱期效應(yīng)引起的已調(diào)制信號(hào)的平均功率增加約為0.2 dB。

1.5 色度信號(hào)與音頻信號(hào)的效應(yīng)

由于色度信號(hào)與音頻信號(hào)之幅度遠(yuǎn)低于各種同步信號(hào)之幅度，因此，對(duì)亮度信號(hào)的50%APL來(lái)說(shuō)，它們的效應(yīng)可以忽略不計(jì)。

1.6 電視制式標(biāo)準(zhǔn)的選擇

以下各項(xiàng)計(jì)算的根據(jù)是采用PAL制（除PAL–I制外）特性標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的各項(xiàng)修正可證明，如采用NTSC制特性標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)果也基本相同。對(duì)PAL–I制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，差別較大（特別常涉及到調(diào)制深度），就需要另作計(jì)算。

2 數(shù)字與模擬信號(hào)電平差的計(jì)算

2.1 采用一般制式時(shí)的計(jì)算

圖1展示了在行消隱期間一個(gè)模擬視頻信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)過(guò)程。需要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)已規(guī)定了各種電視信號(hào)的詳細(xì)特征，行同步脈沖和消隱的持續(xù)時(shí)間在某一特定的信號(hào)電平上是唯一的。當(dāng)然，從一個(gè)電平瞬間轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電平也是不可能的。

圖1 行消隱期間的模擬信號(hào)

然而，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)從行同步脈沖到行消隱電平之間的轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)轉(zhuǎn)換，并且它們的持續(xù)時(shí)間是平均值。從圖1中可見(jiàn)，行同步脈沖（B）的時(shí)間寬度取值為4.7 μs，整個(gè)行消隱持續(xù)期，包括消隱前沿（A）、行同步脈沖（B）以及消隱后沿（C）（后沿內(nèi)包含色同步信號(hào)），總共為12 μs。

如果從同步頂點(diǎn)到峰值白電平之間總的視頻信號(hào)幅度為1 V，設(shè)同步頭峰值點(diǎn)作為參考點(diǎn)，其值設(shè)為0 V，則消隱沿為0.3 V，50%的APL值為0.65 V。

基帶模擬視頻信號(hào)對(duì)RF載波的調(diào)制采用負(fù)極性調(diào)制方式（大部分電視系統(tǒng)都采用負(fù)極性調(diào)制方式）。這意味著在行同步脈沖期間的RF載波幅度為最大。在PAL制式中，當(dāng)圖像信號(hào)處于峰值白電平時(shí)，“殘留”（residual）的載波幅度是最大值的1/10，即0.1（要特別注意“幅度”與“功率”之區(qū)別）。圖2展示的是在行消隱期間的已調(diào)制信號(hào)。

圖2 行消隱期間的已調(diào)制RF載波信號(hào)示意圖

相應(yīng)于消隱電平的RF載波幅度導(dǎo)出過(guò)程為：

在基帶信號(hào)中，同步頭到峰值白電平為1 V，消隱信號(hào)出現(xiàn)在0.3 V處（見(jiàn)圖1）。如果RF載波的最大幅度為1.0，其幅度變化可從1.0～0.1，即0.9的動(dòng)態(tài)范圍。將0.3乘以0.9，得到0.27。所以，消隱信號(hào)可表現(xiàn)出一個(gè)最大值為0.73（由1.0-0.27得）倍的RF載波電平。

類(lèi)似地，相應(yīng)于50%白電平的RF載波幅度導(dǎo)出過(guò)程為：

在基帶信號(hào)中，50%白電平信號(hào)出現(xiàn)在0.65 V處（見(jiàn)圖1）。把0.65乘以0.9，得到0.585。因此，50%白電平信號(hào)可表現(xiàn)出一個(gè)最大幅度為0.415（由1.0-0.585得）倍的RF載波電平。

在行同步脈沖期間，RF載波處于最大幅度值，即1 V?，F(xiàn)在又如何來(lái)確定已調(diào)制載波的平均功率呢？這就需要測(cè)定在整個(gè)一個(gè)行周期中（64 μs），信號(hào)在3種電平（0.415，0.73，1.0）上各自的信號(hào)持續(xù)時(shí)間。

信號(hào)的3個(gè)持續(xù)時(shí)間如表1所示。

表1 信號(hào)的持續(xù)時(shí)間

以上計(jì)算都是以電壓（V）為單位的，現(xiàn)在則應(yīng)以功率為單位來(lái)計(jì)算。因功率與電壓的平方成正比，則可按電壓平方關(guān)系計(jì)算

瞬時(shí)平均功率之相對(duì)值=

因此，功率從最大值下降了10lg（0.274）=5.62 dB。換言之，一個(gè)被具有APL為50%的視頻信號(hào)調(diào)制的RF載波，其平均功率比峰值包絡(luò)功率或未調(diào)制載波的功率低5.62 dB。這就表明，對(duì)數(shù)字QAM信號(hào)來(lái)說(shuō)，建議應(yīng)用的平均功率電平應(yīng)比模擬信號(hào)的峰值包絡(luò)功率電平低約6 dB。這樣就與模擬視頻信號(hào)具有相同的功率電平了。

同樣的方法也可用來(lái)分析在場(chǎng)消隱期間所增加的RF信號(hào)功率。誠(chéng)然，如前所說(shuō)有些電視系統(tǒng)常在場(chǎng)消隱期內(nèi)插入文字、數(shù)據(jù)、測(cè)試信號(hào)等信息，有些系統(tǒng)則很少插入這些信息。在最差的情況下，假設(shè)不插入任何信息，則RF信號(hào)的平均功率被增加0.2 dB。這一點(diǎn)微小的調(diào)整可以忽略不計(jì)，而實(shí)際情況是，在場(chǎng)消隱期內(nèi)插入測(cè)試信號(hào)是較為普遍的一種應(yīng)用。

2.2 采用PAL-I制時(shí)的修正

在計(jì)算信號(hào)平均功率時(shí)，要考慮PAL–I制與其他制式的基本差別在于載波的調(diào)制深度。在PAL–I制中，與峰值白電平相應(yīng)的殘留載波幅度是最大值的1/5，即0.2，不同于其他PAL制的0.1，如圖3所示。

圖3 PAL–I制時(shí)行消隱期間的已調(diào)制RF載波信號(hào)示意圖

用如前所述測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)度的方法來(lái)決定已調(diào)制載波的平均功率。這就是測(cè)定在整個(gè)行周期中（64 μs），信號(hào)在3種電平（0.48，0.76，1.0）時(shí)各自的信號(hào)持續(xù)時(shí)間。

信號(hào)的3個(gè)持續(xù)時(shí)間如表2所示。

表2 信號(hào)的持續(xù)時(shí)間

按電壓平方關(guān)系計(jì)算

因此，功率從最大值下降了10lg（0.326 5）=4.86 dB。事實(shí)上，PAL–I制的最大調(diào)制深度與其他PAL制相比略小一點(diǎn)，結(jié)果造成調(diào)制信號(hào)的平均功率略大?，F(xiàn)在的結(jié)論就是在PAL–I制系統(tǒng)中，數(shù)字QAM信號(hào)的電平設(shè)置可比峰值包絡(luò)視頻功率電平低5 dB。這樣就與模擬視頻信號(hào)具有相同的功率電平了。

實(shí)際上，在有線電視系統(tǒng)的應(yīng)用中，采用降低6 dB的方法較為普遍，而不管其為何種電視制式。

3 QAM信號(hào)的測(cè)量和設(shè)置

3.1 正確測(cè)量QAM信號(hào)的幅度

HFC設(shè)備正常工作的最基本要求是下行RF電平要設(shè)置正確。大多數(shù)人對(duì)模擬頻道的測(cè)試都已經(jīng)很熟悉，使用頻譜分析儀和電平表很容易做到，但要正確測(cè)量64QAM和256QAM就遇到了麻煩。首先，這些載波形式的幅度是8 MHz帶寬的平均功率。其次，數(shù)字調(diào)制載波很像充滿頻帶的噪聲，這使測(cè)量變得復(fù)雜。

在模擬電視頻道幅度測(cè)量中感興趣的是已調(diào)頻道的視頻載波的瞬時(shí)同步峰值的均方根值（RMS）。那就是為什么電平表使用峰值檢波的道理，那樣的儀表就可以決定瞬時(shí)同步峰值和顯示載波RMS幅度。峰值檢波電平表對(duì)視頻是最佳的，但對(duì)噪聲和類(lèi)噪聲的信號(hào)則無(wú)法測(cè)量。

當(dāng)用通常的電平表去測(cè)量噪聲時(shí)，必須使用檢波器校對(duì)因子來(lái)修正。因?yàn)殡娖奖硎窃谳^窄的帶寬下測(cè)量的，對(duì)視頻載波可以取得最佳效果，但對(duì)噪聲就不行了。對(duì)8 MHz帶寬的調(diào)制載波測(cè)量必須取整個(gè)帶寬的平均功率。很明顯這個(gè)帶寬要比電平表的測(cè)量帶寬（MBW）寬得多。有些儀表已具備數(shù)字平均功率測(cè)量的功能。頻譜分析儀提供了一個(gè)很方便的測(cè)量數(shù)字調(diào)制載波的方法。但是，如果不注意使用方法非常容易得到錯(cuò)誤的結(jié)果。

從圖4和圖5可以看出，盡管信號(hào)沒(méi)變，但由于頻譜分析儀上的分辨率帶寬（RBW）設(shè)置不同，在頻譜儀屏幕上顯示出的QAM信號(hào)相對(duì)模擬信號(hào)的幅度差是不一樣的。

圖4 RBW為100 kHz時(shí)QAM信號(hào)相對(duì)模擬信號(hào)的幅度差

圖5 RBW為300 kHz時(shí)QAM信號(hào)相對(duì)模擬信號(hào)的幅度差

通過(guò)公式計(jì)算的方式可得到正確的QAM功率為

式中：PT是總功率；PRBW是光標(biāo)點(diǎn)測(cè)量值（圖4是90 dBμV，圖5是 95 dBμV）；BWE信號(hào)帶寬；BWR是分辨率帶寬（RBW）（圖4是100 kHz，圖5是300 kHz)。

通過(guò)圖4所得到的數(shù)據(jù)計(jì)算得

通過(guò)圖5所得到的數(shù)據(jù)計(jì)算得

可見(jiàn)圖4、圖5中QAM信號(hào)強(qiáng)度都是109 dBμV。按國(guó)內(nèi)大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，如果要求QAM信號(hào)比模擬信號(hào)低10 dB，則此時(shí)恰恰相對(duì)于模擬信號(hào)100 dBμV高出了9 dB，高于正常值19 dB。

3.2 正確設(shè)置QAM信號(hào)與模擬信號(hào)的電平差

通過(guò)上節(jié)分析可知，正確的設(shè)置見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 RBW為100 kHz時(shí)QAM信號(hào)相對(duì)模擬信號(hào)的實(shí)際幅度差為10 dB

圖7 RBW為300 kHz時(shí)QAM信號(hào)相對(duì)模擬信號(hào)的實(shí)際幅度差為10 dB

PRBW的光標(biāo)點(diǎn)測(cè)量值在圖6是中71 dBμV，圖7中是76 dBμV。根據(jù)圖6中所得數(shù)據(jù)，依據(jù)式（3）得

根據(jù)圖7中數(shù)據(jù)計(jì)算得

可見(jiàn)，這樣的設(shè)置才是正確的。

4 數(shù)字平移后發(fā)射機(jī)電平的調(diào)整

在實(shí)際應(yīng)用中，由于數(shù)字平移后模擬頻道數(shù)大大減少，一般從60個(gè)減少到6個(gè)，而增加的QAM數(shù)字頻道數(shù)約在30個(gè)左右，所以光發(fā)射機(jī)的輸入總功率下降，時(shí)常會(huì)引起發(fā)射機(jī)顯示輸入過(guò)低告警。此時(shí)就需要增加發(fā)射機(jī)的RF輸入功率。必須清楚地知道，這個(gè)功率是指發(fā)射機(jī)得到的RF輸入總功率。一般會(huì)通過(guò)提高每頻道電平來(lái)提高總功率。

4.1 計(jì)算平移前后的信號(hào)總功率

如果平移前模擬頻道為60個(gè)，每頻道的電平為15 dBmV，則有

這個(gè)功率就是平移前發(fā)射機(jī)得到的總功率。

如果平移后模擬頻道為6個(gè)，每頻道電平提高到23 dBmV，QAM頻道為30個(gè)，QAM信號(hào)比模擬信號(hào)低10 dB，則有

這個(gè)總合成功率就是平移后發(fā)射機(jī)得到的總功率。可見(jiàn)，平移前后發(fā)射機(jī)得到的總功率基本相等，發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)沒(méi)有改變，仍處在正常工作狀態(tài)。

4.2 建議的調(diào)試方法

根據(jù)上節(jié)的計(jì)算可以看到，平移后如果把模擬信號(hào)電平提高8 dB，就可以保持光發(fā)射機(jī)得到的總功率與平移前一樣。但也應(yīng)該注意到，由此會(huì)帶來(lái)3個(gè)問(wèn)題：

1）要將前端原有的信號(hào)分配系統(tǒng)提高信號(hào)電平較困難，需要在前端增加前置放大器。

2）隨著將來(lái)QAM頻道的增加，需要降低信號(hào)電平，否則會(huì)引起發(fā)射機(jī)過(guò)載，信號(hào)質(zhì)量變差。

3）無(wú)論是現(xiàn)在提高發(fā)射機(jī)的每頻道輸入電平還是將來(lái)隨著QAM頻道的增加而降低每頻道電平，都會(huì)引起光站的輸出電平變化，進(jìn)而引起用戶電平的變化。整個(gè)電纜分配網(wǎng)電平需要重新調(diào)整。

鑒于這3點(diǎn)，筆者建議在平移后不通過(guò)提高每頻道電平的方法來(lái)提高發(fā)射機(jī)的總功率，而是采用如下3種方法：

1）有條件的可將整個(gè)頻段內(nèi)的QAM頻道布滿，不用的頻道不加調(diào)制。將來(lái)僅需開(kāi)啟調(diào)制，電平無(wú)需調(diào)整。

2）關(guān)閉的且頻點(diǎn)未被替換的模擬調(diào)制器繼續(xù)保留，僅關(guān)閉調(diào)制，載波繼續(xù)輸出。將來(lái)根據(jù)QAM頻道的增加而逐一替換。

3）用1臺(tái)（也可2臺(tái)或3臺(tái)，根據(jù)具體情況）替換下的模擬調(diào)制器，放在頻段最高點(diǎn)，調(diào)高其輸出電平，使其與正在使用的模擬和數(shù)字信號(hào)的合成總功率與平移前一致。其輸出電平的計(jì)算及總合成功率的計(jì)算方法與上節(jié)計(jì)算方法一樣，區(qū)別的僅是此時(shí)是3個(gè)信號(hào)的合成，即在用模擬信號(hào)、QAM信號(hào)和這個(gè)僅供調(diào)試用模擬載波信號(hào)。將來(lái)隨著QAM頻道的增加，僅需通過(guò)降低這個(gè)模擬載波電平來(lái)保持總功率不變。而這個(gè)輸出電平較高的模擬載波，由于處在頻段的最高點(diǎn)，其產(chǎn)生的寄生雜波不會(huì)影響到頻段內(nèi)正常使用的頻道。如果有多臺(tái)替換下的模擬調(diào)制器可被用來(lái)放在頻段的最高處用作調(diào)試用信號(hào)，則每臺(tái)調(diào)制器的輸出電平可相應(yīng)降低。

總而言之，上述3種方法都是可使原來(lái)的模擬頻道電平保持不變或很小的提高，從而無(wú)須對(duì)光站輸出電平進(jìn)行調(diào)整。圖8和圖9分別示意了上述方法1和方法3。

圖8 平移后頻段內(nèi)空余頻道用無(wú)調(diào)制QAM頻道布滿

圖9 平移后用一個(gè)最高頻點(diǎn)無(wú)調(diào)制模擬載波來(lái)提升總功率

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[1]LYONS R G.數(shù)字信號(hào)處理[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]冷偉民，潘長(zhǎng)勇，楊知行.一種改進(jìn)的QAM信號(hào)時(shí)鐘誤差檢測(cè)算法[J].電視技術(shù)，2008，32（7）：6-8.

[3]劉勤.淺析有線電視前端信號(hào)系統(tǒng)的構(gòu)建[J].電視技術(shù)，2010，34（10）：77-79.