CATV有线电视放大器的组成原理、及实际应用
摘要： 本文从分析射频传输电缆的电气特性入手，然后详细地阐述了CATV放大器的组成、原理和调试方法。
评价一个CATV网络的好坏通常用CTB、CSO、C/N这三项指标来进行评测。放大器是CATV网络中的有源器件，所以对放大器的选取、调试是否合理将直接影响着上述三项指标的好坏，下面我们就讨论一下CATV放大器的组成、原理和调试方法。
一、电缆的特性
电缆是组成CATV网络的主要器材，它具有三大特性：阻抗特性、传输特性和温度特性。放大器在网络中的主要作用是用它的增益补偿电缆的损耗，所以，了解电缆的特性将有助于我们理解放大器的组成、原理和调试。
1、电缆的传输特性
①、电缆对不同频率的高频信号有着不同的衰减量，单位长度（一般取100米）的电缆，在其上面传输的信号频率越高，衰减就越大。电缆的损耗大小随频率变化的这种特性我们称为电缆的斜率特性，理想的电缆它的传输衰减量与传送信号频率的平方根成正比。由于电缆存在这种斜率特性，为此在CATV系统中，要进行斜率补偿或叫均衡处理。下面是几种常用电缆的传输特性表：
同轴电缆的传输特性
通常我们都是以所传送信号的最高工作频率时电缆的衰减量来设计线路的。这里我们引入一个称为电长度的概念，在CATV系统中，常用电缆在最高工作频率下的损耗分贝数来表示电缆的长度我们称之为电缆的电长度。
在网络中对电缆所产生的负斜率进行补偿的器件是均衡器，其均衡量一般有两种表示方式：一种是直接标注高低频参考点的损耗分贝差；一种是标注电长度，这种标注法称当量均衡值。某段电缆的斜率等于其电长度除以系数μ=1/1-(fL/fH)1/2，式中fL是低端频率，fH是高端频率。根据此公式计算出：频率范围为50—750MHZ时μ=1.35，在50—550MHZ则μ=1.43，这一关系在网络的设计和调试时很有用。
同轴电缆衰减曲线
上面我们所论述的电缆斜率是线性的，是理想化的，如图1中的黑线所示，而实际上电缆的斜率曲线呈弧形，是非线性的，如图1中的红线所示，这个弧型的顶点在400MHZ附近，也就是说在中间频段电缆的损耗实际上要比理想衰减曲线值要小，至使在线路较长时形成整个通道内靠近中间频段的电平发生凸起的现象。
②、电缆对高频信号的衰减量与电缆的长度成正比。
2、温度特性
电缆的斜率和损耗还与环境的温度有关。我们用一个温度系数参数来描述电缆的这种温度特性。一般电缆的温度系数是0.2%/C0，即温度增加一度，损耗将增加0.2%。在我国的大部分地区，气温对电缆所造成的损耗变化量为±5%，当电缆网较长时，电缆的温度特性所造成的影响就不容忽视。
3、 阻抗特性
常用的CATV电缆其标称特性阻抗均为75Ω，当电缆因受长期的自身重量、风压负荷等作用使其机械特性变差时，电缆的特性阻抗将会发生变化，其结果使网络的反射损耗变小，严重时使图像产生重影现象。在网络的铺设施工中，我们常对电缆的弯曲程度和绑扎工艺都有一定的要求，其目的就是防止因为施工不当造成电缆的机械性能变差，使电缆的特性阻抗变值，从而使网络的反射损耗指标变差。
二、放大器概述
1、放大器的增益
为了保证CTB的指标正常，必须要降低放大器的输出电平，一般来说电平下降1db，CTB的指标可提升2 db。而放大器的输入电平则是由C/N来决定的，这些指标都和网络中所用的放大器台数N有关。把输入电平和输出电平及放大器台数N的关系画成曲线，就形成一个V字形曲线图，如图2所示，图中上下直线之差称为放大器的极限增益。从图2可见，随着台数N的增加，放大器的极限增益也将减少，即放大器的增益不能高于极限增益，否则将会不能满足指标的要求。对某一个N来讲就有一个极限增益以之对应，因此，正确选择放大器的增益是很重要的。
放大器输出电平
当两种放大器的增益不同（如一个为35db，一个为27db）但其最大输出电平和噪声系数相等时，如某CATV系统使用增益为35db的放大器串接数为10个，那么同样一个系统，使用增益为27db的放大器，其串接数为则为13个。在两个系统的CTB相等下，那么后者的C/N将得到改善，其改善值为：35-27-20(lg13-lg10)=5.8db，如果在C/N相等的情况下，那么CTB指标可改善5.8*2=11.6db。从以上分析可见，采用低增益的放大器对一般系统特性的改善有一定作用。那么是不是放大器的增益越低越好呢？回答是否定的。当干线放大器的增益降至8db以下时，C/N和CTB都将会变坏，因为此时串接的放大器数增多，CTB将由于20lgN的增加而变坏；C/N也因为10lgN的增加而变差。另外，如果增益低，对于同一输出电平，在输入端输入的信号值要求变高，各级放大器也因此而容易产生非线性失真。为此，当线路较长时，干线放大器增益选取在27db左右较为合适。
2、放大器的工作方式
在CATV网络中放大器的幅频特性必须与电缆传输特性相关，为此，放大器主要有如下三种工作方式。
①、 使干线放大器的输入信号电平与频率无关（即输入信号是平坦的），输出信号电平补偿电缆的衰减变化值，即输出信号的正斜率（高低端输出电平差为正值）刚好补偿电缆所产生的负斜率（高低端输出电平差为负值），该方式称为输出全倾斜方式。如图3 a
②、 使干线放大器的输出信号电平与频率无关（即输出信号是平坦的），放大器的增益补偿电缆的衰减变化值（即放大器所产生的正斜率刚好补偿电缆所产生的负斜率），该方式称为平坦输出方式。如图3 b
③、 介于上述两者之间的方式，称为半倾斜输出方式。如图3c
放大器的工作方式
工作于全倾斜方式的放大器出现在早期，这种放大器将整个传输频率范围分为高低两个通道分别进行放大，高端通道增益比低端通道高，现在已经很少采用。
工作于平坦输出方式的放大器是使用均衡与具有平坦特性的放大器组合在一起的，这种工作方式由于输入到放大模块的信号是平坦的，所以对改善非线失真有好处，但要使用大均衡量的均衡器，所以多使用在450MHZ及以下的CATV系统。
现在的放大器由于其工作的最高频率达750MHZ甚至860MHZ，所以无论是干线放大器、延长放大器，基本上都采用半倾斜输出方式。这种放大器通常由两块以上的放大模块所组成，它内部设置了两个均衡器，一个是输入均衡器，它的作用是保证输入到第一块放大模块的信号是平坦的；一个是级间均衡器，它使输出信号产生我们所需要的斜率。放大器工作方式的选择并非是随意的。例如放大器在设计时确定为平坦输出工作方式，如在实际应用中，该放大器不是置于平坦输出状态下工作，而是在半倾斜输出方式下工作，这样在调试时势必通过加大放大器输入端的均衡器的均衡量来达到半倾斜输出方式，这将会导致低端信号的C/N严重劣化。
3、放大器的增益控制功能
放大器对电平的波动控制方式有：手动控制（MGC）、自动增益控制（AGC）、自动电平控制（ALC）、自动斜率控制（ASC）。手动控制由手动控制增益及均衡所组成，控制单元可以是机械的也可以是电调的，这种控制方式的放大器多用在网路较短的网络上。当网络较长时，由于电缆的温度特性影响，用户端的信号电平将会有较大的变化，这是不容许的，为此必须要采用具AGC控制的放大器，这类放大器是将工作频带内，靠近中间点的频道载波作为参考导频，来控制放大器的增益，从而稳定放大器的输出电平。但是从电缆的温度特性可知，当温度变化时不只是信号的电平会发生变化，信号的斜率也会发生变化，为此引入了自动斜率控制（ASC），通常将既有AGC功能又具有ASC功能的称为自动电平控制（ALC），ALC常采用如下两种方式：
①、用检温器，如使用热敏电阻或热敏半导体等温感元件取出温度的变化量来控制放大器的斜率和增益。
②、采用二个频率的导频信号，一个作AGC控制，而另一个作ASC控制。通常用低导频作ASC（可采用我国标准频道1或3 的载频）；用高导频信号作AGC（可选标准频道42频的载频），这样使高端电平牢牢钳位不变，ASC以此作为参考电平通过其控制使低导频点与高导频点的相对电平保持在最佳值。
第一种的办法控制精度不高，但电路简单；第二种方法控制精度很高，但电路较复杂。通常高档的放大器均用第二种方法。
4、放大器的供电
放大器的供电电压一般有两种：一种是交流220V供电，属于市电供电方式；一种是交流60V供电，属于线路供电方式。
市电供电方式的放大器其电源电路结构是：变压器+桥式整流+简单的稳压电路所组成。它对市电电压变化的适应能力较差，在±10%范围内，当市电电压波动较大时会出现交流声调制指标下降，造成50HZ或100HZ的干扰，反映在电视屏幕上是一条上下滚动的黑带（50HZ）干扰或两条黑带（100HZ）干扰。
线路供电方式的放大器其电源电路一般是采用开关式稳压电源，其电路结构是利用一个振荡器，产生几十KHZ的振荡信号，经放大、稳压、整流处理后，产生放大器所需的工作电压。这种电源电路稳压范围宽，当外电源在35V---90V变化时都能输出稳定的工作电压，所以现在大多主干放大器或延长放大器都使用这种电源电路。
在线路供电方式中，我们在线路上还需安装供电器和电源插入器。供电器是供给放大器电源的一个设备，此设备实际上是一个铁磁式的交流稳压器，输入市电220V的交流电压后，在其输出端将输出稳定的60V交流电压。电源插入器是供电器与线路间的接口器件。
5、放大器的几项重要参数
①、放大器的最大输出电平：此参数的意义是指放大器在满负荷（对于750MHZ系统为78个PAL频道）时，放大器在一定的失真指标下所输出的上限电平。
②、放大器的噪声系数：由于放大器是一个有源器件，自身也必会产生噪声，放大器在对信号进行放大的同时也将噪声叠加到输出端，这样输出信号的载噪比必然低于输入信号的载噪比，噪声系数是输入载噪比和输出载噪比的比值。
③、CTB与CSO：这两个参数都是放大器的失真参数。CTB称为组合三次失真，CSO称为组合二次失真，它反映了满负荷下放大器在最大输出电平时所产生的失真状况。
④、增益：放大器对信号的放大能力。
以上几个参数在进行CATV网络设计和调试时都必不可少。
6、放大器的放大模块
现在的CATV放大器内部都使用了放大模块，一般放大模块有三种：普通放大模块、功率倍增输出放大模块、四倍增功率输出放大模块。这些模块内部的放大电路均采用推挽型放大电路，这种电路能减少谐波失真，特别是二次失真。所以在进行系统设计时，我们只考虑CTB指标就行了，只要CTB指标达到了，CSO指标也就达到了。功率倍增型是并联了两个或四个推挽电路同时工作，采用这种模块的放大器在同样的失真指标下，输出电平可提高3db或6db。
7、反向放大通道
由于多功能业务开展的需要，现在的放大器都设有反向通道，反向通道常采用手动增益控制，手动斜率控制电路和放大模块组成，可根据系统是否需要反向功能而选择。反向放大器带宽根据双向分割频率分3种：低分割（5~40MHZ）、中分割（5~112MHZ）和高分割（5~174MHZ）。
三、放大器的调试
放大器的调整主要包括两个方面，一是电平的调整，二是斜率的调整。一般是先调整好斜率再调整电平。
1、干放的调试
在这里我们以GI的MB-75SH型干线放大器为例加以说明，它是一个四模块的放大器，有一个输入口，三个输出口（一个主输出口和两个副输出口）。里面配备了插入式输入均衡器和衰减器，还配有频响特性校正板和波特板（ALC板），采用线路供电方式，工作在半倾斜输出方式。放大器的工作增益为：30±4db。
频响特性校正板（MDR）：它主要是为了校正放大器在整个工作带宽内的幅频特性而设。它将放大器的整个通带分成六个点、段进行补偿校正，使得放大器的整个通带特性趋于平坦均匀。此板的调整必须要用专用设备进行调整。此板还附设了一个均衡量（750MHZ）为10db的均衡器。
波特板（BODE）：此板主要是与ADU板或TDU板（又叫自动增益控制板或温度补偿控制板）配合使用，达到ALC的目的，ADU板或TDU板都是自动控制插件，它通过对高低导频的取样比较产生控制电压或通过对环境温度的取样比较产生控制电压，去控制波特板，从而达到AGC和ASC的目的。该板的控制量为±4db。
桥口输出方式选择跳线（SPLIT）：如果将跳线1和2连接，则桥口4有信号输出，桥口3为空口；如果将跳线2和3连接，则桥口3有信号输出，桥口4为空口；如果在此位置插上二分配器或一分支器，则桥口3和桥口4都有信号出。
设此干放的调整要求：主输出口和输出桥口输出电平为100db。它补偿电长度为29db（750MHZ）的电缆损耗，电缆所产生的斜率为：-29/1.35=-21db，那么输出斜率应为21/2=10.5db。
首先测量输入电平，比较高低端频道的电平差（低端的参考频道选3频，高端频道选42频），选择均衡值与电平差相等的均衡器，插入放大器中，这样做的目的是使得输入到第一个放大模块的信号为平坦信号。由于放大器内的频响特性校正板已经预设了+10db的斜率，所以，此时输出电平的斜率就应该是10db。然后作下面的调整：
①、安装自动增益控制（ADU板）的调整：
a、选择好作为控制用的导频信号，把信号电平测试仪器连结到放大器测试点，测量高端频道信号，例如：743.25MHZ。将ADU板插上（ADU板上的所要求的导频信号必需与所选择的导频信号频率一致）同时将DRIVE UNIT的跳线接到“自动”位置。
b、旋转主板上标记为ADU的电平控制旋扭使其衰减量到最大值。计算目前温度下要求的控制余量值。计算过程：设气温的变化范围是-21C0--49C0，在最高温度下的控制余量设为2db，温度每升高一度所引起的附加损耗是29*0.2%=0.058（29是电缆的电长度），以14C0为一个温度变化数量级来推算出所需的控制余量：0.058*14=0.82db，取1db，我们将温度的变化范围分为六级并将它们所对应的控制余量列于表2。仪器测到的电平应该等于要求的输出电平加上目前温度下要求的余量。如果输出电平过大，则应插上适当衰减量的输入衰减器，使输出电平与要求的电平误差在0.5db 以内。放大器要求的输出电平是100db。如果测量的电平是105db，并且周围的温度是21度C。查表2，找出在此温度下要求的余量是4db。应插入衰减器的衰减量是105-(100+4)=1db。
放大器温度补偿
c、调整ADU电平控制旋扭，使输出电平等于我们需要的输出电平（100db）。这样通过ADU板的控制，导频信号输出变化在95db--105db范围内，放大器的输出能维持在我们所需要的输出电平不变。
②、安装温度补偿控制（TDU板）的调整：
a、将TDU板补偿电缆的电长度选择跳线跳至30db处（有10db、20db、30db供选择）并调整TDU上的Thermal level电位器使波特板在损耗最小状态。
b、把信号电平测试仪器连结到放大器测试点，测量输出端最高频率信号的电平记为V0，根据周围的温度，查表2找出在此温度下要求的控制余量，调整TDU上的Thermal level电位器，使输出的最高频率信号电平=V0-余量值。
c、插入相应的输入衰减，使输出的最高频率信号电平等于要求的输出电平。
③、供电方式的选择
MBS-75SH干放是采用线路供电，供电电压范围是~38V--~90V，供电方式非常灵活，有输入口供电、主输出口供电、桥口供电。它内置了四个保险丝，通过对这四条保险丝的接插或空置来达到15种供电方式的设置。
2、楼放的调试
楼层放大器设计的工作方式多为平坦输出方式，它一般为单模块放大器，所以各项指标相对较低，为此建议输出电平调整不要超过100db。在斜率调整方面，由于其工作在平坦方式下，所以输出的信号斜率不能≥5db，否则会使低端信号的载噪比劣化。按规定用户输出端口的高低端频道电平差（即斜率）不能大于10db，在调整斜率时，我们可以这样进行估算：分配网的分接线是采用SYWV-75-9类型的电缆，一般最长不超过100米，100米的SYWV-75-9电缆所产生的斜率是-7db；入户线为SYWV-75-5电缆，一般不超过20米，20米的SYWV-75-5电缆所产生的斜率是-3db。分支分配器所造成的斜率为-1db左右，那么所产生的总斜率是：7+3+1=11db。用户端的电平斜率最大容许量为9db，所以楼放输出电平的斜率应为11-9=2db。
上面曾提到，电缆对射频信号所产生的负斜率不是线性的，在靠近工作带宽的中段，电缆的损耗比理想情况要小，形成的斜率特性如图1的红色曲线所示，从而造成信号电平在中端凸起的现象。在网路较长的情况下，我们必须要采取一些补偿措施，有两种方法：
①、在网络上隔两个或三个放大器（以电平凸起3—4db为准）安装一种均衡特性具有图1蓝线所示特性曲线的均衡器，从图中可看到，此种均衡器能很好地补偿电缆所造成的中段电平凸起的现象。
②、在网络中安装可调陷波器，这种陷波器的陷波点频率和陷波量均可调整，这样我们可根据网络电平的实际情况来调整陷波点频率和陷波量，从而达到较好的补偿作用。
三、总结
CATV网络中放大器的主要作用是补偿电缆对传输信号所造成的损耗，根据电缆的传输特性和温度特性，放大器内设置了自动增益控制电路（AGC）、自动斜率控制电路（ASC）和温度补偿电路。放大器的输入电平大小由载噪比（C/N）指标来确定，放大器的输出电平则由组合三次失真（CTB）指标来确定，放大器的增益则由串接的级数来定。
放大器的工作方式有输出全倾斜方式、平坦输出方式、半倾斜输出方式三种，现在大多数主干放大器都是半倾斜输出方式的，而楼层放大器多是平坦输出方式的。
放大器的调整主要包括两个方面，一是电平的调整，二是均衡的调整。一般是先调整斜率再调整电平。如果放大器采用导频控制模块（ALC）则要合理选取高低端的导频信号，一般来说低端的导频信号是利用低端信号的视频载波频率，高端的导频信号是利用高端信号的视频载波频率。如果放大器采用温度补偿模块则要注意该模块所标定的温度补偿范围和该模块的控制量，然后根据这两个参数设置好余量值以便调试。 |
