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有线数字电视的抗干扰特性和故障原因分析

文章来源:五年飞飏之创新之源(上) 发布于:2012-09-13 阅读:10252次

  当前,有线数字电视正处在全面普及阶段,随着数字电视用户数量的增加,故障投诉率也随之上升,在乡镇农村尤为显着,有些地方甚至造成维护工作不堪重负的局面。从理论上讲,数字电视抗干扰能力强,数字电视对系统质量指标的要求比模拟电视要低许多,模拟电视能够收看的地方,数字电视应该不会出故障,但是现实中往往并非完全如此,不少地方常常会出现模拟电视是好好的、而数字电视却出现故障频发的现象。为什么公认抗干扰强的有线数字电视还会频频发生故障呢?本文就对有线数字电视和模拟电视抗干扰特性的差异进行初浅的探讨、分析,并据此对有线数字电视故障的预防和维修提出几点意见,供同行参考,并请指正。
  1.有线数字电视和有线模拟电视抗干扰特性对比分析
  本节从抗普通(白)噪声干扰、抗失真产物的组合互调噪声干扰和抗外界侵入的噪声干扰三个方面,分析对比有线数字电视和有线模拟电视抗干扰特性的差异。
  1.1抗普通噪声干扰特性的差异
  “声噪比S/N”、“载噪比C/N”和“每比特信号能量与噪声功率密度之比Eb/No”,都是用来表示信号的“载波”与“噪声”两者之间的关系,它们的是数值越大,电视图像和声音的质量越好;相反,信号质量就越差,模拟电视的屏幕上就会出现“雪花”干扰,数字电视就会出现静像或“马赛克”。
  在有线数字电视(DVB-C)中,64QAM信号解调后的声噪比S/N和输入到接收机的信号载噪比C/N基本相等,其关系式是:S/N=C/N+0.441(dB)(滤波器α=0.15)[1]。
  由于数字调制技术的种类繁多,采用频谱效率不同(从每赫1b/s到每赫10b/s甚至更高)的各种调制方式调制出的信号,自身传输的可靠性差别较大,要达到相同的传输可靠性时,对系统C/N指标的要求就不相同。采用频谱效率较高数字调制方式(如有线数字电视采用的64QAM调制的性能为:进制8,频谱利用率每赫6b/s)的通讯系统,传输信息的能力较强,但传输的可靠性较差,对系统的C/N指标要求较高;采用频谱效率较低的通讯系统,传输信息的能力较差,但传输的可靠性较好,对系统的C/N指标要求较低。因此,在C/N指标相同时,它们实际的传输可靠性并不相同,就无法采用C/N指标对它们的可靠性进行横向比较。
  折算频谱效率以后而得出的“载波”与“噪声”的关系算式得出的数值,就是“每比特信号能量与噪声功率密度之比Eb/No”,可以横向比较采用不同调制技术系统的可靠性之高低了。可见,在数字通信系统中采用Eb/No参数的目的,是为了便于对采用不同数字调制技术的系统进行传输可靠性高低的比较,是为了“横向比较用的”,并不是“因为数字电视不出现载波,就没有C/N指标,所以才采用Eb/No”。实际上Eb/No参数是不能直接从系统中测量出来的,还得要首先测量出系统的C/N指标,然后才能用算式计算出Eb/No指标值,有线数字电视(DVB-C)采用64QAM数字调制方式,两者的换算关系是Eb/No=C/N-7.2(dB)。因此,仅仅在有线数字电视领域、无需横向比较时,也可以直接用C/N指标来衡量信号在系统中传输的可靠性,没有必要再换算成Eb/No参数,所以在许多场合,仍然经常可以见到用C/N指标来规范、评议有线数字电视的质量。
  虽然用系统的C/N或Eb/No指标可以衡量有线数字电视信号传输的可靠性高低,但这仅仅是以一个比较主要的方面来考察,信号传输的可靠性还受到其他多方面的影响,可靠性高低最后的结果通常以“误码率BER”来表达,
  简单地说,“误码率BER”的定义是:“发生误码的信号比特数与传输的信号总比特数之比”,有线数字有线电视采用64QAM调制,在RS纠错前的“门限”误码率BER=1×10-4,即BER=1×10E-04,或10E-04,也就是1/10000,从误码率BER和的关系曲线中可以查得此时相应的Eb/No=16.5dB,即C/N=23.7dB,此即为“噪声门限值”。实际接收信号时候要加上“噪声裕量”(接收信号的C/N指标值与门限值之差),国家广电行业标准GY/T221-2006中规定要求有线数字电视实际系统出口的C/N指标达到26dB以上(准确地说是“
  数字射频信号与噪声功率之比”SD.RF/N≥26dB)[2]。
  国家广电行业标准GY/T106-1999中规定有线模拟电视系统出口的C/N指标要求≥43dB,当前有线电视系统的C/N指标是按这个要求设计的,当系统的实际指标达到这个要求时,由于有线数字电视信号的电平通常比模拟电视低10个dB,因此有线数字电视信号的实际C/N指标比系统实际C/N指标也低10个dB,即为33dB,但比要求的26dB还高7个dB,显然还有相当多的裕量。从这个角度看,有线数字电视抗普通噪声的能力比有线模拟电视要强得多,系统指标的“下裕量”(指网络C/N指标的实际值与极限值之间的差距)比较大,比“上裕量”要大得多[3],因此,由于系统载噪比太低而导致有线数字电视发生静像或“马赛克”的情况比较少见。
  1.2抗失真产物的组合互调噪声干扰特性的差异
  数字信号频道的能量均匀分布在限定的频带内,由于这个特点,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CIN,使数字电视出现频繁的静像或“马赛克”。有资料介绍[1],当数字载波电平高出非线性失真电平50dB时,信号质量将不受影响;当高出40~46dB时,数字信号在非常好和“马赛克”之间;而当这个比值低于40dB时,数字信号将变为静像或严重的“马赛克”。
  因此,有线数字电视信号的失真指标应≥44dB,由于有线数字电视信号的电平比模拟电视低10个dB,所以要求有线电视系统的实际失真指标≥54dB,国家广电行业标准GY/T221-2006中规定数字电视对系统CTB、CSO指标的要求,和模拟电视一样,都是≥54dB。
  可见,当有线电视系统的失真指标达到要求时,无论模拟电视还是数字电视,都能正常收看,但网络的失真指标劣化以后,两者的出现的故障现象就大不一样了。
  当网络的失真指标逐步劣化以后,模拟电视画面的质量随之逐步降低,有一个渐变的过程。即使指失真指标比54dB低很多,电视画面还存在,往往还可以勉强收看。
  当有线电视系统的实际失真指标CTB、CSO达到54dB时,由于有线数字电视信号的电平比模拟电视低10个dB,因此对于有线数字电视来说,CTB、CSO指标只有44dB,裕量不到4个dB。当网络的失真指标逐步劣化时,图像质量没有逐步劣化过程,一旦失真指标降低4个dB左右,电视画面即刻变为静像或严重的“马赛克”,好像一下子跌入悬崖低谷(悬崖效应)。由于系统电平升高1dB,失真指标通常要劣化2dB,不到4dB的失真指标裕量,意味着系统电平波动上限不到2dB,系统指标的“上裕量”(指网络失真指标的实际值与极限值之间的差距)很小,比“下裕量”要小得多[3]。可见,有线数字电视抗失真产物的互调噪声能力比模拟电视差得多、比抗普通噪声的能力要差得多。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,是导致成片有线数字电视用户出现静像或“马赛克”的常见原因。
  1.3抗外界侵入噪声干扰特性的差异
  当网络发生故障,比如某处接触不良或电缆外导体进水霉断以后,外界干扰信号就会侵入系统,对于有线数字电视,其中非同频的杂散干扰信号可能会呈白噪声的性质,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,其结果,和前节讨论过的失真产物的互调噪声相似;而其中的同频干扰信号,情况可能就比较复杂。
  当系统网络发生故障时,有线数字电视信号中会出现两种同频干扰。
  (1)外界窜入的同频干扰信号。目前,由于带宽不足或模拟电视频道还继续存在,数字电视载频点往往被安排在增补频道上,这里通常都是通信使用的频带,当网络中发生接触不良、电缆外导体霉断等问题引起屏蔽能力降低,外界窜入各种干扰信号,其中就可能有与数字电视载频同频的干扰信号。
  (2)由自身信号反射形成的延时多径信号。当系统中出现阻抗不配时,就会出现强烈的信号反射现象,产生多次往复反射延时的多径信号,是和原来的数字电视信号之间存在相位差的同频信号。
  以上两种同频干扰信号,有可能是以白噪声的形式弥散分布在被干扰的频道内,直接劣化系统的C/N指标,使有线数字电视出现“马赛克”现象,其结果,也和前节讨论过的失真产物的互调噪声相似,这已经分析讨论过了。但也有一些文章作者认为,数字电视信号采用的是“正交幅度调制(64QAM)”,除了载波的幅度携带了信息外,载波的相位也携带了信息,网络自身产生或者外界窜入的同频干扰信号,会叠加到数字电视信号之中,由于干扰信号和数字电视信号之间存在相位差,就会产生相位噪声,从相位上影响数字信号的正确解码,导致出现“马赛克”现象。究竟哪一种可能性最大?笔者还没有见到权威人士的带权威性的结论,自己也不能作出准确的判断,但觉得两种说法都有一些道理,因此笔者认为得再从后一个角度来分析讨论有线数字电视和模拟电视抗“相位噪声”能力的差异。
  相位噪声是指单位赫芝频谱的一个噪声边带成分中测得功率与信号总功率之比。
  在系统没有故障的正常条件下,相位噪声可在发送端引入,或者在接收端因本振不稳定引入。相位噪声是由于振荡器中热噪声的影响和通过外部供电及控制电路射入的噪声而引起的振荡器的相位变化。振荡器的相位起伏和频率起伏会引起载波的相位噪声[1]。频率相同、仅仅是相位差异引起的相位噪声会影响数字信号的正确解码,引起“马赛克”或导致无法接收信号。
  相位噪声对模拟电视影响比较轻,即便相位噪声指标很差,也不过表现为图象暗场是出现杂乱无章的花纹,不会出现无法收看电视的后果,因此相位噪声指标在模拟电视里不被考察。而对于数字电视,这种噪声则会影响数字信号的正确解码,引起部分节目有马赛克或无法接收。所以数字电视与模拟电视相比较,数字电视非常怕相位噪声干扰、而模拟电视则不怕相位噪声干扰。
  当网络发生接触不良和信号反射的故障时,对有线模拟电视的影响往往很轻微,或者低端图像质量略降、其他正常,或者某些频道有干扰点,用户室内的故障通常也不会因反射信号引起重影。而此时对有线数字电视来说其后果都是很严重的,无论从外界侵入的干扰是何种方式引起数字电视故障,都可能使某几套节目出现静像或“马赛克”。可见,有线数字电视很怕外界入侵的干扰,外界入侵干扰常常是零星有线数字电视用户频频发生故障的最主要原因。
  综合前面的分析可知,有线数字电视信号经过载波调制处理以后,已经不是纯粹的数字信号,它的抗干扰能力大大降低了,特别在网络出现某些问题以后,它的抗干扰能力远远不及有线模拟电视,以致会出现“模拟电视是好好的、而数字电视却出现故障频发现象”。因此不能再侈谈“有线数字电视抗干扰”,对有线数字电视抗干扰的性能要有全面、正确的认识,笔者提出几句话供作参考:
  “当系统网络没有故障时,有线数字电视抗干扰;当系统网络发生故障时,有线数字电视怕干扰;当有线数字电视出现问题时,系统网络必然有故障。”
  2.有线数字电视发生故障的现象和预防及处理方法
  如果前端信号处理不出问题,有线数字电视发生的故障通常是局部点片故障或者零星用户故障,故障现象是静像或“马赛克”,以零星用户的故障占绝大多数,因此维修和预防工作的重点是零星用户的故障。
  2.1零星用户的故障
  零星用户发生有线数字电视故障的原因,少数是由于入户电平太低引起的,或者因为网络没有通过设计,入户电平本来就不足(特别是高端电平不足的问题比较常见),或者分接多台电视以后造成电平不足;用户私接劣质信号放大器劣化信号质量引起故障的现象也有一些;多数是由于用户室内器件阻抗失配、接触不良、电缆屏蔽损坏引入外界干扰引起的。由于某些干扰信号有固定的频率或频带,或者不是整天开通,通常不是整天干扰全部的各套数字电视,当用户收看被干扰的节目时,就报告数字电视出了故障,当收看没有被干扰的节目时,就说数字电视没故障;或者用户仅仅在晚上看电视、白天不看电视(上班),就报告晚上数字电视出故障;加上其他各种原因,有线数字电视管理部门接到数字电视故障时隐、时现的投诉是很正常的现象。无论数字电视的故障是不是时隐、时现,只要发生过故障就说明用户的室内网络有问题,就得进行维修。在维修时、在安装数字电视用户时,重点注意以下几个容易引发故障的“细节”问题;
  (1)连接机顶盒的电视信号线,一定要用新电缆做成两头电缆接头的电缆线。不可使用塑料压注双插头线(通常剪掉一个插头重做一个电缆接头接机顶盒、尚留一个压注插头接墙壁插座),因为塑料压注插头极容易内部脱焊而引发数字电视故障。
  (2)不要从用户墙壁的插座板上引接信号到机顶盒,因为插座极易发生接触不良引发的数字电视故障。一定要把插座改成电缆对冲接头(或换用F头对冲插接板),然后用带两个电缆接头的电缆线引接信号至机顶盒。新房屋装修时,禁止再使用电视信号普通插座板,改用F头对冲接头板。
  (3)室内分接电视信号,一定要用合格的高隔离度分配器、分支器和电缆,不可用劣质品,分配器、分支器的空端口要接上75欧负载电阻,绝对禁止将多条电缆直接扭合起来分接信号。
  遇到用户室内故障难以排除时,可以用一条两头做好电缆接头-5电缆,直接从室外接信号到机顶盒,用以鉴定判别或试用。
  2.2局部点片故障
  检修局部点片故障时,一定要利用网络图纸,仔细分析发生故障的范围,确定大致的故障点,然后才出门检修,可以达到事半功倍的效果。
  (1)如果某条用户分配主线以下有多数用户报告出故障,其他线路正常。那么这条主线电缆最大可能的问题是:接头接触不良、接头进水外导体霉断、分支器件进水或损坏。
  (2)某放大器以下所有各条线路下有多数用户报告出故障,其他放大器之下正常。那么最大可能的问题是:放大器前面干线电缆发生前例的问题、放大器输出电平太高、放大模块损坏导致失真剧增(有些仅仅是高端或低端增益下降3、4个dB、还可调出正常输出电平)或输出电平降低等。
  (3)某光接收机之下各放大器、各条线路下有多数用户报告出故障,其他光接收机之下正常。那么最大可能的问题是:光接收机输出电平过高(或过低)、光接收机损坏、光链路问题造成接收光功率下跌等。
  (4)某光发射机之下各台光接收机、放大器、各条线路下有多数用户报告出故障,其他光发射机之下正常。那么最大可能的问题是:光发射机输入电平过高(或过低)、光发射机故障等。
  2.3因载噪比过低引起的故障
  由于有线数字电视抗普通噪声干扰的能力强,系统指标的下裕量很大,按正常程序设计安装的网络,很少可能因载噪比过低而引起故障。因载噪比过低引起故障的现象,通常发生在由“新手”负责、放大器间距未经设计计算而建的网络中。比如某网页上反映[注],当地新建的有线电视系统,在第4级放大器下面就无法收看数字电视。那里到达第4级放大器输入端口的信号电平不到44dB,输出电平不到74dB(显然放大器增益G=30dB)。现试算一下C/N指标:
  C/N=So-G-NF-2.4=74-30-6.5-2.4=35.1(dB)
  有线数字电视信号的电平通常比模拟电视低10个dB,因此有线数字电视信号的实际C/N指标比系统实际C/N指标也低10个dB,即为25.1dB,叠加前面3级放大器的C/N指标以后,实际C/N指标就在门限值23.7dB以下,数字电视自然就无法收看了。
  因此,要避免出现因载噪比过低而引起有线数字电视故障,新建或改造有线电视网络时,必须进行网络图纸设计,至少要做到到达放大器输入端口的高端电平不低于放大器的“标称输入电平(72dB)”、放大器的输出电平要与其“标称输出电平(72+G)”相等或相近。
  参考文献:
  [1]施国强,黄吴明,张万书.有线电视网络技术手册[M].北京,电子工业出版社.2002年10月。
  [2]国家广电行业标准GY/T221-2006有线数字电视系统技术要求和测量方法。
  [3]林挺逵.有线电视系统质量指标的极限裕量分析[J].中国有线电视,2007,(7):P628
  [4]林挺逵.从前级起算的放大器调试参数计算式的推导和分析[J].中国有线电视,2007(9/10):P871
  (发表于《中国有线电视》2008年第3期)
  
  

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