1广播电视传输技术.docx
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1广播电视传输技术
+前言:
信息学基础:
信源,信道,信宿。
通信:
点对点双向,信源和信宿可互换。
广播:
点对面(多点)单向,信源和信宿不可互换。
一、广播电视系统结构:
1、信源:
采集(记者,摄像,录音),编辑(配图,配音,字幕),播出(手动、自动)
2、信道:
传输(地面无线,微波,卫星,波导,光纤,电缆),分配。
(有线电视------调制,混合,放大,光缆,电缆,分支分配器)
3、信宿:
接收,显示(天线,接收机,机顶盒,显示器)
二、信号基础:
1、信号分类:
基带信号---由信源发出的未经调制的数字信号或模拟信号,只能有线传输。
射频信号---就是经过调制的,用来进行无线发射的信号,可以
长途无线传输。
载波信号---就是把基带信号(声音、图象)加载到一定频率的高频信号上,在没有加载基带信号时,高频信号的波幅或频率是固定的,加载之后波幅或频率就随着基带信号的变化而变化。
2、调制过程:
基带信号+载波信号(经非线性作用)=射频信号
3、调制作用:
a、避开基带频率上的干扰和噪声,以便长途传输;
b、便于频分复用,即用同一信道传输多
路不同频率的信号。
要求同一信道中各路RF信号频率
不能相同和交错。
c、便于无线发射,可传播更远距离,有
利于接收。
4、频谱:
0Hz(直流)-------KHz(10^3赫)------MHz(10^6
------GHz(10^9赫)-----THz(10^12赫)----------
赫)
音频(20Hz~20KHz),
视频(0~6MHz)。
中波(300kHz~3MHz),短波(3~30MHz),VHF-L(1~5CH,48.5~92MHz),调频(88~108MHz),VHF-H(167~223MHz),UHF(470~860MHz),微波(300MHz~300GHz),C波段(3.7-4.2GHz),Ku波段(12.5~18GHz),光纤1550nm(200THz左右),可见光(600THz左右)。
可见光就是一种看得见的电磁波。
三、射频信号特性:
不爱金属爱空气,专走直线最怕水。
1、有线传输时,频率越高越不适合在金属中传播。
a、频率越高,所需天线长度就越短,越易发射出去。
当天线长度为电
磁波波长一半时最容易把信号发射出去。
中波1MHz,波长300米,天线150米。
VHF1CH频率50M,波长6米,天线3米。
手机工作频率900MHz,波长33CM,天线16CM。
微波C波段4GHz,波长7.5CM,天线3.25CM。
Ku波段12GHz,波长2.5CM,天线1.25CM。
b、频率越高线损越大。
高频电流在导体中传播时,会产
生趋肤效应,即导线中芯实际上电流很小,电流主要集中在导线外
表层。
这样就使导线的等效截面积大大减小,因此电阻大大增加,
线路损耗也随之增加。
频率越高,趋肤效应越严重,导电层越薄,
线损也越大。
catv电缆损耗与√f成正比。
50Hz民用电,电话可
传播几公里,闭路线每隔几百米就要放大(30db=1000倍)。
损耗
最小的高频导线应该是像纸一样又宽又薄,但是却无法做成高频电
缆使用。
微波主要是在波导管里的空气中传输,光波已完全不能在
金属中传输。
c、频率越高越易被金属反射。
catv电缆外导体对100M以下的电磁波屏蔽效果较差,中波、短波很容易侵入,1-5CH也易出现干扰,频率越高越不易受干扰,屏蔽效果越好。
雷达
发射的频率为几十G,很容易被飞机的金属机身反射,从而被雷达捕获。
光很容易被镜子反射,是因为镜子是在玻璃后面镀了一层银膜。
古代用的铜镜也是用金属做的。
2、无线传输时,
a、频率越高越走直线。
电磁波只能翻越小于其波长的障碍物,频率越高波长越短,越怕障碍物,越不易绕过去。
长波频率30KHz--300KHz,波长几千米,可以沿地表以弧线传播。
中波频率300KHz--3MHz,波长几百米,白天沿地
表传播,晚上还可以通过电离层反射跳跃前进。
短波频率3MHz-----30MHz,波长几十米,通过电
离层反射跳跃前进。
米波频率30MHz----300MHz,波长几米,近视直线
传播。
微波频率300MHz---300GHz,波长1米---1毫米。
一般认为是直线传播。
光波频率几百THZ,波长可达1微米以下,完全是
直线传播。
b、在空气中传播衰减极小。
射频信号无线传播时是点对面传播,覆盖面越大扩散损耗(类似有线电视分配损耗)越大,传输损耗(类似
有线电视电缆损耗)却极小,与光纤损耗差不多。
光发输出功率17DB,
50毫瓦,传输距离可达50公里,无线发射机输出功率1000瓦,无
障碍时传输距离也可达到50公里以上。
由于无线传播时是点对面传播,所以需要很大功率。
若能和光纤一样点对点传输,则所需功率与光纤传输相差无几(<1DB/KM).
c、频率越高越怕水。
水的介质损耗很大,它可以吸收电磁波的能量转化为热能,频率越高转化效率越高,微波炉就是用这个原理来加热
食物的(f=2450MHZ)。
同轴电缆进水损耗会变大,报废。
空中的雨、雾会衰减卫星信号,云是由小水滴形成的,它们会阻挡阳光,造成光线不足,阴天。
四、地面无线传输
优点:
1、损耗小,无中继传输距离可达
50KM。
L=4.12(√H发+√H收)。
2、覆盖面广,点对面全向覆盖,适合移动接收。
3、全部投资在机房,传输分配零成本,接收机由用户自备。
缺点:
1、信号差:
a、传输效率低,扩散损耗很大,需大功率发射机。
b、直线传播不能拐弯,遇障碍(高楼,大山等)会产生死角。
损耗大出雪花,多径传输出重影。
c、易受多种干扰(电火花,无线电波,同频干扰)。
2、频道少:
共用自由空间,为避免同频干扰,必须限制频道数量。
急需解决:
信号拐弯,抗干扰,频道扩容。
五、差转传输。
接力方式。
(无线---微波---卫星)
1、发展过程:
无线差转---收发频率不同,浪费频率资源。
微波差转---中继站太多,影响信号质量。
卫星差转---主流传输方式之一,一次中继,覆盖全国。
2、解决方法:
a、走折线,避开障碍。
b、频率错开,避开干扰。
C、抛物面天线点对点收发,方向性强,频道容量大,节约能量。
3、卫星传输特点:
距离远,36000公里,大气层1000公里左右,损耗(传输+扩散)200DB,接收功率极低。
需大功率发射机,大口径天线,低噪声高频头,模拟调频,数字QPSK调制,以保证接收质量。
微波波段基本无外界干扰,而且带宽充足,
频道容量很大。
4、缺点:
雨衰和日凌。
六、波导传输:
反射方式。
1、定义:
用来传输高频电磁波的无缝金属导管,有圆形(圆波导)和方形(矩形波导)两种。
某些波状运动(如声波、光波等)借以传播的物质叫做这些波状运动的介质。
也叫媒质。
2、特点:
射频信号在封闭空间内的空气中做点对点无线传输,介质损耗极小,无扩散损耗,比自由空间损耗更小。
3、解决方法:
a、信号在管内不断反射,沿波导管传输避开障碍。
b、金属管壁可隔离内外空间,屏蔽一切干扰。
c、不干扰外界信号,可用带宽极高。
4、带来问题:
多模效应。
波导直径必须与信号波长相近,(λ≤D≤10λ),管内壁要光滑无变形,否则会产生大量回波,模拟信号出现严
重重影,数字信号出现严重误码。
有线电视频段:
1CH波长6米,500MHZ波长0.6米,波导管太粗,成本太高,
带宽窄,不实用。
微波波段:
C波段波长7.5CM,Ku波段2.5CM,成本较低,可用于短距离传输
(雷达馈管,卫星高频头馈源)。
长途传输用微波天线,省掉
波导管成本更低。
光波段:
直径几微米,做这么细的空心金属管太难,成本太高,不实用。
激
光切割机用的波导管较粗,可承受大功率,只传能量不考虑多
模效应。
七、电缆传输。
有线方式。
能传导电流的物体叫导体。
1、同轴电缆结构:
a、同轴电缆是平行电线的一种变形,借鉴波导管,将外导体变成圆筒形把
内导体全封闭。
直径最大在1英寸左右,再大会出现多模效应。
b、内导体传输射频信号时损耗较大,必须全铜或铜包铝。
c、介质支撑内导体,必须是介质损耗较小的固态绝缘体。
d、外导体隔离电缆内外信号,避免互相干扰。
必须很厚才行,否则低频时
屏蔽能力不足。
e、干线外护套为黑色聚乙烯,坚韧防外伤,抗紫外线防老化。
入户线为白色聚氯乙烯,柔软便于施工、阻燃。
2、解决方法:
1、信号在金属中传输,可随导线任意拐弯。
2
、同轴电缆用外导体屏蔽干扰。
3
、屏蔽层将内导体与自由空间隔开,所以有线电视可以使用
增补频道传输节目,实现频道扩容(
5---1000M都能用,
可用带宽较大,频道多。
)。
3、带来问题:
1、线损随之大增,需大量放大器来弥补传输损耗。
2、传输分配网投资巨大,维护困难。
趋肤效应:
交变电流通过导体时,由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀,愈近导体表面电流密度越大。
这种现象称“趋肤效应”。
频率越高,趋肤效应越显著。
当频率很高的电流通过导线时,可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过,这等效于导线的截面减小,导线变细,电阻增大。
既然导线的中心部分几乎没有电流通过,就可以使用空心导线或铜包铝代替实心导线以节约成本。
4、电缆传输效率:
以-9电缆为例、(电阻=电阻率*导线长度/导线截面积)
频率(MHZ)百米衰减效率损耗300米衰减效率损耗
50
-3db
50%
50%
-9db
12.5%
87.5%
550
-10db
10%
90%
-30db
0.1%
99.9%
-9电缆无放大传输50
公里,损耗为1500---5000db。
由此可见,频率越高,电缆越长,等效电阻就越大,传输效率越低。
随着科技发展,又出现了两种新技术(无线数字电视和光纤)
八、无线数字电视COFDM(编码正交频分复用)。
1、COFDM是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。
其基本原理就是将高速数据流通过串并转换,分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。
对噪声和干扰有着很好的免疫力,绕射和穿透遮挡物是COFDM的技术核心。
COFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。
2、原理:
在8M带宽内同时发射1000个子载波,带宽和幅度相同,每
个子载波传输一个数码。
例如有
1000个数码,第一个数码用第一个
子载波发射,第二个数码用第二个子载波发射,以此类推,直到第
1000个数码用第1000个子载波发射,然后再从头来过。
接收端与发
射端同步,先接收第一个子载波的信号,
在接收第二个,一直到1000
个,在从头来过。
由于障碍物产生多径效应,接收端会先后收到直
射播和反射波信号的。
用第一个频点发射发射数码
1时,会接收到
一连串的数码1,但不论接收多少个数码
1,接收端都只记做1个数
码1。
再用第二个频点发射第二个数码时,若数码是
0,则发射端关
机不发射,接收端收不到信号,则自动默认数码为
0。
然后是第三,
第四直到第1000,在从头来过。
3、解决方法:
a、用多载波并行传输方式消除重影干扰,不怕障碍物。
b、单向广播时数字电视纠错消除误码。
双向通信时还可以绕过被
干扰的频点。
c、多套节目只要不同时使用同一个频点,就可以一起传输。
大大提高了频道利用率。
4、不足:
频率带宽占用比较厉害,别的都比较不错
5、跳频通信:
军用电台采用跳频方式,数码序号与频点序号不再一一对应,即每个数码都伪随机选择一个频点来发射。
如果不知道每个数码用哪个频点发射,就永远无法破译接收到信息。
九、光纤传输技术(光波导)。
1、光纤的诞生:
由于波导管传光信号时要求管径太小,无法实现,人
们就考虑用玻璃,塑料等等透明介质代替空气,做成实心波导管。
可惜玻璃传输光信号时损耗太大(1000db/km),无法长距离使用。
1966年,高锟博士从理论上证明了,只要石英玻璃足够纯,损耗就
会非常小。
在此理论指引下,人们不断提高sio2的纯度,将损耗一直降到0.18db/km。
虽然高锟博士没有直接发明光纤,但他仍被尊称为光纤之父。
-按制造光纤所使用的材料分,有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。
光通信中主要用石英光纤,以后所说的光纤也主要是指石英光纤。
2、光纤的结构(单模):
自内向外为纤芯、包层和涂覆层。
纤芯由高度透明的材料制成,是光波的主要传输通道(相当于波导管中的空气);纤芯直径较细,通常在4μm~10μm范围内
包层是有掺杂物的玻璃,直径125μm(作用相当于波导管的管壁)。
由于包层的折射率略小于纤芯,只要入射角足够小,激光就会在包层和纤芯的界面上发生全反射,使光一直在纤芯中沿折线前进。
涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆,起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤,同时又增加光纤的柔韧性,起着延长光纤寿命的作用(相当于外护套)。
3、解决方法:
a、光信号在光纤中传输,可随光纤任意拐弯。
b、光纤包层可隔离内外空间,屏蔽外来干扰,防止信号泄露。
c、光纤传输频带极宽,可达200G,以后还会增加。
4、优缺点:
与电缆或微波等电通信方式相比,光纤通信的优点如下:
(1)传输频带极宽,通信容量很大;
(2)由于光纤衰减小,无中继设备,故传输距离远;
(3)串扰小,信号传输质量高;
(4)光纤抗电磁干扰,保密性好;
(5)光纤尺寸小,重量轻,便于传输和铺设;
(6)耐化学腐蚀;
(7)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富,并节约了大量有色金属。
光纤通信同时具有以下缺点:
(1)光纤弯曲半径不宜过小,怕折;
(2)光纤的切断和连接操作技术复杂;
(3)分路、耦合麻烦。
5、光纤无源器件:
A、接头:
熔接0.01—0.05db,冷接0.1db,抗拉强度低。
活动接头0.25db,连接头+适配器+连接头。
FC(圆头)SC(方头)/APC(斜面)UPC(平面)PC(球面)
B、光分路器:
微光型,光纤型,光波导通路型。
插入损耗=分光损耗(10lgk)+附加损耗
C、光衰减器。
D、光波分复用器(合波器,分波器,滤波器。
。
。
)
6、光纤有源器件:
A、光发射机:
内调制,1310nm,13db,20mw。
外调制,1550nm,7db(双路),5mw。
B、EDFA:
输入》3db,输出14---22db,入纤17db
C、光接收机:
PIN管+放大模块。
输入-2db,输出102db。
7、HFC网的发展:
A、FTTC光纤到路边(小区)带500户左右
B、FTTB光纤到大楼带100户左右
C、FTTH光纤到户带1户
D、FTTD光纤到桌面带1台电脑(用塑料光纤)。
HFC最多只能发展到FTTB,光收代替所有放大器。
若再往下发展,则成本
会越来越高,得不偿失。
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- 关 键 词:
- 广播电视 传输 技术