有线数字电视噪声干扰初探

     吴江有线数字电视平台于2007 年6月建成并投入商业运行， 共传送90多套标清数字电视节目、2 套高清数字电视节目与10套数字音频广播， 目前吴江市已完成全市整转， 计24万数字电视用户。数字电视薄弱的环节是技术服务和维护， 通过维修维护实践， 我们对有线数字电视由于传输网络噪声干扰形成的故障有了一些认识， 现介绍如下。

　　随着技术发展， 有线电视传输网络普遍采用光纤传输系统与同轴电缆分配网相结合的宽带传输技术，利用混合光纤同轴来进行宽带数字通信的CATV 网络又称之为HFC 网络。根据GY /T 180- 2001??HFC 网络上行传输物理通道技术规范??和GY /T 106- 1999??有线电视广播系统技术规范??规定， 5~ 65MH z作为双向HFC 网络的上行频率带宽， 110~ 1 000MHz为模拟电视、数字电视、数据业务的下行频率带宽。在HFC 网络的传输中会出现这样和那样的噪声干扰， 它们是影响数字电视信号优质传输的根本原因， 下面结合吴江有线网络的实际情况对HFC 网络中的各种数字电视信号的噪声干扰产生的原因进行初探。

　　1  外界电磁波侵入噪声干扰

　　有线电视HFC 光纤光缆传输部分因有抗电磁波噪声干扰的特点， 所以空中的各种电磁波噪声无法干扰光纤中传送的数字电视信号， 而HFC中的同轴电缆分配网抗干扰能力低， 所以空中传播的电磁波噪声容易从同轴电缆分配网各个渠道进入有线电视系统， 对数字电视信号造成不同程度的干扰。

　　随着信息产业发展， 同一地域存在若干不同用途的网络(军用、警用、民用、电力等) ， 使得空中存在的电磁波多而复杂， 它们不可避免地互相干扰， 但大多电磁波因功率微弱或离网络距离远， 不会给HFC 网造成危害， 如微波和卫星的信号功率很小， 对网络干扰的可能性不大; 军用、航空、铁路等无线通信网信号往往使用不同频率， 传播区域较小， 有线电视网与它们距离较远， 基本可完全避免这种干扰; 目前有线电视网络线路基本与供电传输线路平行， 供电传输线距或多或少地对有线电视网络产生干扰， 但线间距离较远， 频率低，干扰信号比较小， 因此对有线电视信号影响较小。

　　从目前情况看， 移动通信网络是有线电视网络主要的干扰源， 移动通信信号有较强的方向性， 但移动通信发射塔多方向发射， 因此对有线电视网络构成全方位干扰， 同时移动通信信号发射功率大， 影响更为突出， 另外由于移动通信的特点， 其信号会不间断地对网络产生干扰， 移动通信信号具有较强的穿透力， 低质量的屏蔽层很难抵抗电波的穿透， 重要的一点， 就是移动通信所使用的频率与有线电视传输频率相近， 造成频道干扰程度明显。

　　以吴江为例， 目前有线网络使用的是550 MH z频率带宽系统， 由于在过渡期间， 有线网络内同时传输模拟电视和数字电视， 因频道数目的限制， 部分数字电视载频点只能安排在增补频道上， 而增补频道又通常都是在通信使用的频带内， 容易受到移动通信业务的干扰， 例如吴江数字电视曾经使用的363MH z的频点在吴江盛泽地区就受到移动通信系统很强的干扰， 使该频点传输的全部数字电视节目出现收视故障。因此有线网络中使用的电缆的抗外来干扰的能力就显得很重要， 使用年限过长、老化、人为损坏、接口氧化、外皮破裂等都会使电缆的屏蔽系数下降而不能抵御外界电磁波的侵入， 同时电缆老化还会造成电气传输特性变差、阻抗特性发生变化、网络传输电平下降， 因此外来电磁波噪声更容易进入有线电视传输系统形成干扰。

　　外来干扰是客观存在的， 但是只要提高网络材料的传输质量， 选择屏蔽系数高的电缆， 尽量延伸数字电视信号的光缆传输， 缩短同轴电缆传输， 加强有线电视网络施工工艺， 注意有线数字电视频点的规划安排， 就有可能抑制和克服外界电磁波侵入对数字电视信号产生的噪声干扰， 同时在线路安装时注意回避电磁波， 如新建房走暗线加金属套管等方法可避免外界电磁波的侵入噪声干扰。

　　2  网络失配带来的相位噪声干扰

　　与模拟电视信号不同的是， 数字电视信号普遍采用QAM 调制方式， 所以除了载波的幅度携带信息外，载波的相位也携带信息， 而网络的失配产生反射所造成的多径效应， 或者附近存在同频信号的干扰往往就能影响有线数字电视网络的相位特性。

　　有线电视网络如果存在失配(比如空闲的输出端没有接入假负载) 将产生信号反射， 这样使到达机顶盒的信号不只是直接路径传来的， 还有由反射路径传来的， 直接路径与反射路径存在时间差， 从载频角度讲， 只要两个信号到达的时间差改变1 /f c ( f c 是射频载频频率) ， 两者的相位差就改变2π弧度， 就是说很小的时间差就会引起很大的相位差， 在两信号相位差为2π时， 二者同相相加， 合成信号幅度; 两者相位差为π时， 二者反相相减， 合成信号幅度， 时间上延时的信号与直接信号到达接收机混合在一起， 不但会从幅度上影响， 更会从相位上影响数字信号的正确解码。

　　造成网络反射的原因有电缆的物理损伤、接头的氧化进水、干线空闲端口未接假负载、分配器有空口没有接假负载等， 这些都造成网络失配而产生反射， 同时如上文说到的有线网络受到外界电磁波信号的侵入噪声干扰， 也会造成信号叠加的问题， 从而产生相位噪声。相位噪声对模拟电视影响较轻， 即便相位噪声指标很差， 也不过表现为图像暗场出现杂乱无章的花纹，因此相位噪声指标在模拟电视里往往不被考虑， 而对于数字电视， 这种噪声则会影响信号的正确解码， 引起部分节目有马赛克或无法接收， 因此相位噪声是引起数字电视传输故障的重要原因之一。

　　3  有线数字电视抗失真产物的组合互调噪声干扰

　　在多频道传输的系统中， 相关设备存在一定程度的非线性传输特性， 必然会产生大量的非线性失真产物， 这些产物落在传输频道内， 会在载频附近*成“簇”， 对频道形成“综合”差拍干扰， 其中由二次失真产物*而成的“综合”互调干扰为CSO， 由三次失真产物*而成的“综合”差拍干扰为CTB。

　　数字电视信号采用的QAM 调制方式又称为正交幅相调制， 它既对载波的振幅进行调制， 又 对载波的相位进行调制， 由于调幅是平衡调幅， 抑制了载波， 其能量是均匀分布在整个限定带宽内的。根据这个特点，在传输频带内存在非线性失真的情况下， 所产生的互调、交调产物就不是呈离散性的分布， 而是呈白噪声的性质， 在被干扰的频道内弥散分布， 这等于在被干扰频道里增加了噪声， 成为组合互调噪声C /N， 使数字电视出现频繁的静帧或马赛克现象， 虽然该频道的信号电平并没有降低。

　　GY /T 221- 2006《有线数字电视系统技术要求和测量方法》规定了数字电视对系统CTB、CSO 指标的要求和模拟电视一样， 都是>= 54 dB， 而对于数字频道和模拟频道电平差为- 10~ 0 dB。有资料介绍， 当数字载波电平高出非线性失真电平50 dB 时， 信号质量将不受影响， 当高出40~ 46 dB 时， 数字电视信号在非常好和马赛克之间， 而当这个比值低于40 dB时， 数字信号将出现静帧或严重的马赛克现象。因此当有线电视系统的实际失真指标CTB、CSO 达到54时， 由于有线数字电视信号的电平比模拟电视低10 个dB， 对于数字电视来说， CTB、CSO 指标只有44 dB， 裕量不到4dB。网络的失真指标逐渐劣化时， 图像质量虽没有逐步劣化过程， 而失真指标一旦降低4个dB， 由于#悬崖效应?， 数字电视画面将立刻变为静帧或出现严重的马赛克， 同时由于系统电平升高1 dB， 失真指标将劣化2 dB， 这样不到4 dB的失真指标裕量意味着系统电平波动上限不到2 dB， 因此光发射机输入电平过高、光接收机和放大器输出电平过高， 会使失真指标下降，从而很容易导致成片有线数字电视用户出现收视画面静帧、马赛克甚至黑屏现象。

　　一般说来， 为了降低系统中的CSO 和CTB 非线性失真， 有两个方面的工作要做， 一方面是CATV 系统整体设计和指标分配应合理、先进， 另一方面是设备和部件的设计要考虑如何提高线性， 就系统设计而言， 可以考虑如下几种措施:

　　( 1)有线传输尽量以光纤取代电缆， 对较长距离的超干线或干线采用特殊技术， 以提高整个系统的CTB 和CSO 非线性失真指标;( 2)选择合适的干线放大器工作点， 提高其线性动态范围;( 3)合理选择频道， 增加并联路数;( 4)适当降低放大器的工作电平， 以提高C /CTB和C /CSO;( 5)正确设计、选用放大器， 滤除或抵消系统已有的非线性失真;( 6) 用新技术改进频道设置， 从主客观上降低CSO 和CTB。

　　4  HFC系统本身带来的电路噪声干扰

　　模拟有线电视HFC 网络系统的前端设备有调制器、光发射机等， 而数字电视所涉及的前端系统通常由编码、复用、加扰、调制、CA、EPG、NVOD、SMS、数据广播等众多子系统构成， 设备组成更为复杂， 同时传输网络中有大量的光发射机、光接收机、光纤、光连接器、分光器、放大器、分支分配器等， 它们都是产生随机噪声的主要原因， 随机噪声通常可分为两大类， 其一是上文所述的外部电磁波侵入噪声， 其二是HFC 系统本身带来的电路噪声。

　　4. 1  有线数字电视前端

　　目前的有线数字电视前端是一个集成了广播电视、计算机通信和网络传输设备等的综合性大规模现代通信系统， 这些设备由不同厂家生产， 它们产生的电磁干扰( EM I)水平往往参差不齐， 而且不同设备的固有噪声源对系统噪声的贡献也有较大差异， 另外由于有线电视技术的发展， 数字电视前端机房还同时安装了各种模拟设备、数字设备、数据设备， 它们共用一个机房， 使前端的电磁环境更为复杂。

　　各种前端设备内部固有噪声源主要有晶体振荡器和时钟分频电路、开关电源、快速时间转换电路、A /D变换器、无端接电路等， 这些设备所带来的噪声会使视/音频信噪比下降， 通过不同途径的累加引发时基抖动、漂移， 使系统出口节目时钟( PCR )指标严重超标，从而导致PSI/SI表格发送错误、发送间隔时间产生时延、PCR 抖动及时延等数字电视故障。

　　4. 2  HFC 网络光传输链路

　　光发射机/光接收机的输入信号大小直接影响输出信号的非线性失真， 使数字电视信号的BER 劣化以及使数字解调器瞬间失去同步而无法解调， 因此必须控制输入光发射机的RF电平， 使工作频带内的总RF功率不会导致激光器的削波失真， 同时控制输入光接收机的光功率， 使光检测器不致产生饱和失真。另外光纤的色散对长距离传输的信号将产生波形失真、组合二次差拍失真， 这将导致数字电视信号的信噪比和MER 降低， 因此需要精心设计长距离光纤传输系统，必要时对光纤色散进行补偿。

　　4. 3  同轴分配网络

　　光节点后的放大器级数应限度地控制， 它是设备产生热噪声和载噪比累积的主要原因。有线电视网络的改造除将光节点向小区延伸外， 光节点后尽量不设放大器， 多只设1~ 2 级放大器， 放大器应选择噪声指标、稳定性高的宽带放大器， 为光节点以后降低噪声把好关。

　　5  结束语

　　有线数字电视网络是一个庞大的系统， 前端涉及设备多， 牵涉环节多， HFC的同轴分配系统一般采用树枝型， 由于网络分配系统复杂、点多、面广、线长， 网络布局是全方位式的， 因此整个网络就像一面巨大的接收天线一样， 由于各种复杂的电磁波覆盖整个空中环境， 网络会受到各种窄带连续波和宽带冲击波以及无线电波的干扰， 而且往往是多种干扰同时作用于有线数字电视网络系统， 导致各种各样的收视故障， 因此在有线数字电视网络系统设计、建设过程中要严格按照相关标准进行， 选用优质器材器件， 以进一步减少系统故障， 为双向HFC 网络的发展打下坚实基础， 为用户提供高质量的数字电视服务。