數(shù)字信號相對模擬視頻信號的電平設(shè)置

張 放

（有線電視技術(shù)專業(yè)委員會，上海 201103）

1 信號和電平的概念

1.1 電平的定義

為了避免混淆，對“電平”的含義必須明確加以定義[1]。在數(shù)字QAM信號中，“電平”是指在任意一個(gè)時(shí)間間隔中所測得信號的真實(shí)功率。另一方面，在模擬視頻信號的情況下，“電平”是指在水平同步脈沖周期內(nèi)所測得的已調(diào)制RF載波的真實(shí)功率，有時(shí)也被稱為“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)被稱作“視頻濾波器”的電路對同一個(gè)已調(diào)制載波進(jìn)行測量，那么所得之結(jié)果將是“平均”功率。

1.2 模擬和數(shù)字信號的幅度分布

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

然而，當(dāng)許許多多獨(dú)立的信號被組合在一起時(shí)，整個(gè)信號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，隨著信號數(shù)目的增加，兩種不同信號的“峰值”將越來越相似。這樣，在激光發(fā)射機(jī)中經(jīng)過峰值限幅，兩種信號將更為近似了。本文所指大量模擬視頻信號的組合，其數(shù)目約為大于20個(gè)。

1.3 模擬視頻信號的峰值包絡(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）。

對一個(gè)單一信號來說，APL的變化將跟隨圖像內(nèi)容的變化。當(dāng)節(jié)目內(nèi)容不同時(shí)，APL的值將完全不同。但是，當(dāng)一組圖像信號被組合在一起后，APL的變化必將會減少。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)看來較為合理。另外，應(yīng)考慮到有足夠多的一組信號被組合在一起。

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

1.4 場消隱期間的效應(yīng)

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

1.5 色度信號與音頻信號的效應(yīng)

由于色度信號與音頻信號之幅度遠(yuǎn)低于各種同步信號之幅度，因此，對亮度信號的50%APL來說，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)過簡單的各項(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PAL–I制標(biāo)準(zhǔn)來說，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)模擬視頻信號的時(shí)域響應(yīng)過程。需要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)已規(guī)定了各種電視信號的詳細(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

然而，為了簡化計(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，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），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。

基帶模擬視頻信號對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。

圖2 行消隱期間的已調(diào)制RF載波信號示意圖

相應(yīng)于消隱電平的RF載波幅度導(dǎo)出過程為：

在基帶信號中，同步頭到峰值白電平為1 V，消隱信號出現(xiàn)在0.3 V處（見圖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的動態(tài)范圍。將0.3乘以0.9，得到0.27。所以，消隱信號可表現(xiàn)出一個(gè)最大值為0.73（由1.0-0.27得）倍的RF載波電平。

類似地，相應(yīng)于50%白電平的RF載波幅度導(dǎo)出過程為：

在基帶信號中，50%白電平信號出現(xiàn)在0.65 V處（見圖1）。把0.65乘以0.9，得到0.585。因此，50%白電平信號可表現(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)在又如何來確定已調(diào)制載波的平均功率呢？這就需要測定在整個(gè)一個(gè)行周期中（64 μs），信號在3種電平（0.415，0.73，1.0）上各自的信號持續(xù)時(shí)間。

信號的3個(gè)持續(xù)時(shí)間如表1所示。

表1 信號的持續(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，對數(shù)字QAM信號來說，建議應(yīng)用的平均功率電平應(yīng)比模擬信號的峰值包絡(luò)功率電平低約6 dB。這樣就與模擬視頻信號具有相同的功率電平了。

同樣的方法也可用來分析在場消隱期間所增加的RF信號功率。誠然，如前所說有些電視系統(tǒng)常在場消隱期內(nèi)插入文字、數(shù)據(jù)、測試信號等信息，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，在場消隱期內(nèi)插入測試信號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載波信號示意圖

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

信號的3個(gè)持續(xù)時(shí)間如表2所示。

表2 信號的持續(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信號的測量和設(shè)置

3.1 正確測量QAM信號的幅度

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)人對模擬頻道的測試都已經(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，這使測量變得復(fù)雜。

在模擬電視頻道幅度測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。峰值檢波電平表對視頻是最佳的，但對噪聲和類噪聲的信號則無法測量。

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

從圖4和圖5可以看出，盡管信號沒變，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信號相對模擬信號的幅度差是不一樣的。

圖4 RBW為100 kHz時(shí)QAM信號相對模擬信號的幅度差

圖5 RBW為300 kHz時(shí)QAM信號相對模擬信號的幅度差

通過公式計(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)測量值（圖4是90 dBμV，圖5是 95 dBμV）；BWE信號帶寬；BWR是分辨率帶寬（RBW）（圖4是100 kHz，圖5是300 kHz)。

通過圖4所得到的數(shù)據(jù)計(jì)算得

通過圖5所得到的數(shù)據(jù)計(jì)算得

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

3.2 正確設(shè)置QAM信號與模擬信號的電平差

通過上節(jié)分析可知，正確的設(shè)置見圖6和圖7。

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

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

PRBW的光標(biāo)點(diǎn)測量值在圖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，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)常會引起發(fā)射機(jī)顯示輸入過低告警。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。一般會通過提高每頻道電平來提高總功率。

4.1 計(jì)算平移前后的信號總功率

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信號比模擬信號低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，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，由此會帶來3個(gè)問題：

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

2）隨著將來QAM頻道的增加，需要降低信號電平，否則會引起發(fā)射機(jī)過載，信號質(zhì)量變差。

3）無論是現(xiàn)在提高發(fā)射機(jī)的每頻道輸入電平還是將來隨著QAM頻道的增加而降低每頻道電平，都會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提高每頻道電平的方法來提高發(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。將來僅需開啟調(diào)制，電平無需調(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。將來根據(jù)QAM頻道的增加而逐一替換。

3）用1臺（也可2臺或3臺，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)信號的合成，即在用模擬信號、QAM信號和這個(gè)僅供調(diào)試用模擬載波信號。將來隨著QAM頻道的增加，僅需通過降低這個(gè)模擬載波電平來保持總功率不變。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)生的寄生雜波不會影響到頻段內(nèi)正常使用的頻道。如果有多臺替換下的模擬調(diào)制器可被用來放在頻段的最高處用作調(diào)試用信號，則每臺調(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的模擬頻道電平保持不變或很小的提高，從而無須對光站輸出電平進(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)空余頻道用無調(diào)制QAM頻道布滿

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

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