有線電視

第一章 概述

1.1 引言

有線電視(CATV)自20世紀後期以來,在世界各國迅速發展,規模亦越來越大。美國依然領先於1948年,因一些偏遠鄉鎮為了解決能收到城市的電視節目,採用共用天線方法,把電視信號接收下來,經過放大混合處理後,用電纜傳給使用者,這就是美國CATV的雛形。後來,這種形式逐步擴展到中小城市,那些中小城市不僅要轉播附近大城市的電視節目,而且還要把本地無線電視台的節目以及自製節目利用同軸電纜傳送給使用者;再加上微波中繼技術的發展,遠地電視節目也可以傳送過來。由於節目來源豐富了,比起初期發展的CATV,規模有明顯的擴大。接著CATV進入大城市,開始提供多頻道多種節目的服務。面對廣播公司電視網的競爭,CATV必須提供更多更好的電視節目,如教育、娛樂、音樂、體育、文藝、電影節目等。同時利用通信衛星進行節目傳輸,更把CATV擴展到全國。八十年代以來,美國的CATV突破了娛樂領域,普遍開展了各種資訊和數據通信結合應用,諸如自動抄讀使用者家中的電表、水表和瓦斯服務,以及防火防盜安全監視、報警等雙向傳輸的互動服務,朝著整合資訊網路方向發展。日本、歐洲的部分國家也不甘落後,紛紛發展自己的有線電視,改善和豐富節目內容,從而不斷推動了有線電視的發展。

有線電視的優點是:

第一、有線電視利用光纜或電纜將電視信號送入終端用戶,因為是封閉式傳輸,所以不受地形地貌及高層建築的影響,較容易克服電視影像疊影、頻道干擾、雪花的干擾等現象,可保證收視品質。

第二、有線電視能充分利用頻譜資源,它能夠有效地抑制頻道間的相互干擾,使同一套傳輸設備可以同時承載數個、甚至數十個電視節目,並可進行多通道同時廣播,設立專門頻道,如外文節目、兒童節目、教學、電影、戲劇、廣告、新聞等節目。另外,有線電視不會產生高頻輻射,同頻道不僅可以在不同城市重複使用,就是在同一城市的不同系統中也可以重複使用,大幅提高了頻譜利用率。美國的有線電視多達 60~70個頻道,可以滿足觀眾多方面的需求。

第三,有線電視可提供互動式的雙向服務,一個方向傳送來自首端的信號(下行傳送),另一方向把信號傳送到首端(上行傳送)。它可以進行資料索取、天氣預報、預訂車船機票、瞭解股市行情、電動遊樂器等等;另外家庭電話也可以與網路連接,形成簡易的雙向服務,例如:可以點播你喜愛的節目。隨著電腦逐漸步入家庭,電腦網路的深入,有線電視與電腦相連,會使觀眾受益越來越多。若在電纜中加入通信線路, 則有線電視可以為使用者提供國際長途、電報、電傳、國際資料檢索等許多服務。

 

1.2 有線電視的頻道配置

有線電視系統的傳輸容量取決於系統傳輸上限頻率的選擇,隨著系統節目來源的不斷增加,其上限頻率的選擇最早經歷了230MHz、300MHz、450MHz和550MHz等幾個階段,至今仍處於上升趨勢。按照標準電視信號的傳輸頻寬要求,對於上限頻率為300MHz系統,其傳輸容量可達28個頻道;對於上限頻率為450MHz的系統,則可提供47個頻道的傳輸容量。

有線電視系統是在充分使用無線電視廣播波段的各頻道基礎上,再向其間擴展專用波段,在專用波段內設置特殊頻道,即增補頻道。這樣,系統使用的波段劃分如表 1-1所示:

表中的R、A1、A2和B波段是有線電視系統增補頻道的專用波段。

如上所述,有線電視系統的頻道配置採用了與無線電視廣播頻道相容方式,即在保留無線電視廣播頻道基礎上,指配有線電視系統專用的增補頻道。由上表所示,增補頻道是緊連Ⅲ波段而連續配置的,這種配置有利於採用諧波相關技術。系統的頻道配置如圖1-1所示。

圖中R波段共有3個增補頻道,其中未加標識的頻道指配給上行通道傳輸非廣播服務信號;“S-1”和“S-2”兩個增補頻道一般用於上行通道傳輸電視信號。“DS-X” 表示電視廣播頻道共12個,“Z-X”表示增補頻道,共35個。這些頻道指配給下列通道傳輸電視和數位聲音等信號。至於DS-5頻道其高端與FM波段低端的頻譜交叉,故一般不用。

有線電視系統中的幹線放大器是多頻道放大器,沒有用作AGC控制的基準載波。因此,須在首端插入稱為導頻信號的載波信號。考慮到上行頻段將隨傳輸的資訊量增加而向上擴展的可能,則第一導頻選用DS-3或DS-4頻道的影像載頻,即65.75MHz或77.25MHz。之所以選擇兩個頻點,主要是為了靈活運用。第二導頻選用110.0MHz,該導頻主要用於單導頻傳輸方式的有線電視系統。第三導頻考慮到對於不同的傳輸上限頻率選用兩個頻點,即300MHz的系統,若選用296.25MHz;450MHz 的系統,則選用448.25MHz。第一、三導頻適用於雙導頻傳輸方式的有線電視系統。

 

1.3 有線電視系統的組成

有線電視系統的一般組成如圖1-2所示,包括節目信號源、首端、傳輸分配網路、使用者終端等部分。

節目信號源包括接收天線;攝、錄放設備等。

首端包括對節目信號源的信號進行不同處理的各種設備。一般由於電視發射台的方向不一致,接收電場強度也不一致,常常採用單一頻道的天線,即一個頻道用一副專用的天線來接收。對於接收點信號電場強度較強的頻道,在首端中要使用V/V轉換器,把此頻道的節目轉換到另一個頻道上,再向使用者送出。這樣處理後,空中較強信號直接導入用戶接收機就不會造成疊影干擾。對於空中電場強度較弱的頻道,在天線下面要裝一個天線放大器進行放大,以改善載波雜訊比。天線放大器一般是單頻道型式的,這樣可以避免其它頻道信號的導入而造成干擾。對於超高頻電視信號,在大型的有線電視系統中都採用U/V轉換器,將UHF電視信號轉換到閒置的VHF頻道上去。進行處理後的各個無線廣播的電視信號都送入混頻器進行混合。至於自行播放的視頻節目,例如錄影節目,雷射碟影節目,衛星接收機的視頻信號等等,都需要通過調變器M將它們調變成射頻信號再送入混頻器。調頻廣播的信號也可以收下來經過放大後送入混頻器。利用調頻調變器可將自己的聲音信號變成射頻信號也送入混頻器,形成自製的廣播節目。將以上各信號混合後,就成為一個複合的信號,因而只要用一根同軸電纜或光纜就可將它傳送給每個使用者。使用者則可用電視機或接收機變換器來選擇所需頻道。以上所述的天線放大器、V/V轉換器、U/V轉換器、調變器及混頻器等各種設備組成了一個有線電視的首端系統。

傳輸分配網路,使用同軸電纜或光纜向各點傳輸。使用同軸電纜時,幹線和支線通常是用比較粗的同軸電纜,使傳輸的衰減能小一些,以便傳送較遠的距離。幹線一般很長,衰減也大,因此,經過一段距離就得使用一個幹線放大器來提高信號的電位。我們知道電纜的衰減是隨傳輸的信號頻率不同而不同,高頻信號的衰減要大得多。幹線放大器就應當相對的具有電纜等化的功能,使各頻道的電位能保持一致。電纜的衰減隨著氣溫的變化,濕度的變化而變化。因此,過一段距離就要使用一台帶電位控制ALC電路的幹線放大器,使這些變化引起的信號電位起伏特可以自動得到調整。幹線系統中有ALC放大器時,在首端中要相對應地增加一台或二台導頻信號產生器P,導頻信號可以代表信號的大小。因此,各個ALC放大器都以導頻信號的大小來調整其增益,補償電位的起伏特,而不受電視信號的有無的影響。因為電纜衰減變化,信號電位和導頻的電位同時變化,只要自動調整增益使導頻信號的電位恢復原狀、電視信號電位也就同時恢復正常了。幹線放大器要有分支輸出的端點,或者在幹線放大器之後接一個幹線分支器分出信號。支線常常有一台分支放大器將信號放大後,利用多個分配器和分配放大器驅動各個使用者分配電路。分配器是一路進幾路出。分配放大器可串接,但不宜多串。最後的一台分配放大器的輸出就可送給使用者分配電路。分支放大器有時也叫橋接放大器,分配放大器有時叫延長放大器。

有線電視的傳輸分配網路,除上述同軸電纜傳輸分配系統外還有微波多路分配系統和光纖多路分配系統。與前二者相比,光纖多路傳輸分配系統具有如下優點:

  1. 目前,單模光纖在1.3μm或1.5μm波段的低衰減視窗每公里衰減為0.4db以下。這樣用這兩個波段,類比光纖多路電視傳輸可達到20km無中繼傳輸,若用同軸電纜多路電視傳輸則每公里就需要加1至2個幹線中繼放大器,並且最長只能傳輸10公里,再長將會因中繼放大器的雜訊和失真的累增使之達不到規定的標準。
  2. 傳輸容量大,國外先進的光纖多路電視傳輸系統傳輸頻率範圍為40MHz~500MHz,傳輸頻道數可達40個以上。這個數目是同軸電纜、微波多路電視分配系統所無法相比的。
  3. 傳輸品質佳,光纖傳輸不像同軸電纜那樣需要很多中繼過程,因而沒有雜訊累加。另外光頻雜訊以及光纖傳輸系統的非線性很小,所以被傳輸信號的載波雜訊比、交調、互調等功能指標都較高。
  4. 保密性能好,不易竊取信號,因此便於收費管理。同時,光纖傳輸不受電磁波干擾,特別適合應用於有強電磁干擾和電磁輻射的環境中。

光纜傳輸系統的基本構成如圖1-3所示

系統除光纖外還包括一些光元件,它們是: 

  1. 發光元件,發光二極體LED和雷射二極體LD。其發光波長有0.85μm、1.3μm、1.55μm幾種。發光二極體LED光電特性的線性好,適合電視信號的類比調變。輸出功率約為一至數毫瓦,頻率響應約為100MHz的LED已被應用。LED的壽命一般可達100萬小時,實用上不成問題。雷射二極體LD輸出功率較大,一般為5~10mw,壽命數十年,響應速度為GHz 數量級的LD已被應用。
  2. 光電元件,通信用光電元件有PIN光電二極體和崩潰光電二極體APD。在有線電視系統中主幹線上用高靈敏的APD支線及使用者分配線上用PN。
  3. 光分配/混頻器,它是用來對光進行分配、混合的元件。
  4. 光合波/分波器,用於將波長不同的幾個光波混合或分開的元件,用干涉膜濾波器、衍射柵等來達成。
  5. 光開關,它具有切替光傳送路線的功能,用來切換信號源、接收端機以及故障點等。
  6. 其它光元件,如光衰減器光隔離器光環行器等。

光纖多路電視傳輸系統將成為今後有線電視幹線傳輸的主要工具和發展方向。

使用者分配部份由分支線和使用者線路組成。它們通常使用較細的同軸電纜以便室內安裝。分支線上接有一連串的分支器,由它們的分支端引出使用者線路供使用者使用。分支器是一種無源元件,它可以針對使用者電視機之間的相互影響起隔離作用;同時還可以提供給使用者接收機最合適的信號電位。使用者線路的末端在室內,以使用者介面轉換器供連接電視用。另外還有一種串接單元,或稱串接式輸出端,它是一種分支器和使用者介面轉換器做在一起的輸出端。使用它可省去使用者線路,所以造價便宜,得到廣泛應用。使用者分配部分一般都是由無源元件組成,但有時為擴大使用者安裝數量,也可增加一台延伸放大器。

1.4 雙向傳輸技術

雙向傳輸的有線電視系統不僅把傳統的電視和聲音廣播信號從首端下行傳送給使用者,而使用者也能把資訊傳送到首端;或進行資訊交換。雙向傳輸的實現,有時間分割法、空間分割法和頻率分割法。頻率分割法又分為高頻分割、中頻分割和低頻分割等,因其經濟實用,目前各國都採用低頻分割系統。這種電纜電視頻率低頻分割系統由兩路同軸分配系統組成,一路是大容量寬頻正向下行傳輸系統,是系統主服務信號通道;一路是小容量反向上行窄頻傳輸系統,是系統的輔助通道。一般取5~30MHz頻段為上行載波信號、45MHz以上的頻段為下行載波信號,雙向傳輸的使用方式採用雙向濾波器和反向放大器。見圖1-4。

雙向傳輸網路的拓樸圖一般採用星形,如圖1-5所示。

在星形網路中,中心節點相當於有線電視系統的首端、A、B、C等點為星形端點,它直接受首端控制,再去控制與它相聯的一部分使用者。網路中,來自星形端點的所有資訊到達中心節點,離開中心節點的所有資訊都傳輸給星形網路中所有星形端點。比如A點給C點的資訊首先要通過中心節點,然後才傳給C點。

在雙向電纜分配系統中傳輸的上行信號可以是類比信號,也可以是數位信號。雙向傳輸技術可應用於電視教學、生產監控及飯店、旅館、圖書館等場合。如果在首端裝上電腦,星形端點裏加上微處理器,各使用者在電視機上加一有按鍵和數位處理功能的附加器,則整個系統更具“智慧”,使用者只要透過按鍵即可向中心索取所需資訊,以及達到報警、電視購物等許多功能。

有線電視雙向傳輸系統方塊圖如圖1-6所示。

系統首端的電腦是全部通信網路的管理中心,它儲存有整個系統的結構,如星形端點數目、位置、使用狀態等,還有使用者所需的資料庫。它通過查詢對星形端點進行控制,並在任何時候都能向星形端點下行傳輸新數據、工作軟體等。星形端點是首端電腦和使用者控制器之間的樞紐。使用者位址、轉換電路、擾碼電路都在星形端點中。對端星形端點中的微處理機可裝載來自首端電腦的軟體和數據;對使用者,星形端點可選擇給幾十個不同的使用者提供和處理資訊。星形端點方塊圖如圖1-7所示。

相對而言,使用者控制器並無“智慧”,使用者通過鍵盤傳送資訊。星形端點週期性地查詢使用者控制器,控制器的功能在星形端點中的微處理器中達成。使用者控制單元方塊圖如圖1-8所示。

可以相信,將來的雙向傳輸的有線電視網路會隨著技術的進步會更加完善,為使用者提供更多的服務。

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