數字信號相對模擬視頻信號的電平設置

張 放

（有線電視技術專業(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]。在數字QAM信號中，“電平”是指在任意一個時間間隔中所測得信號的真實功率。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所測得的已調制RF載波的真實功率，有時也被稱為“峰值視頻包絡功率”。如果在一個經延伸的時間周期內，用一個被稱作“視頻濾波器”的電路對同一個已調制載波進行測量，那么所得之結果將是“平均”功率。

1.2 模擬和數字信號的幅度分布

首先假設將QAM信號電平設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值截然不同。在同一個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、場消隱脈沖的重復顯示，就可對它進行測量。而數字信號則完全是隨機的。從統(tǒng)計學角度來看，兩種信號“密度函數的或然率”（Probability Densi?ty Functions，PDF）是不相似的。數字信號經常是呈現“高斯”（Gaussian）型的。

然而，當許許多多獨立的信號被組合在一起時，整個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）來證實這一點（詳盡的數學計算已不屬于本文范圍）。實際結論可以這么說，隨著信號數目的增加，兩種不同信號的“峰值”將越來越相似。這樣，在激光發(fā)射機中經過峰值限幅，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，其數目約為大于20個。

1.3 模擬視頻信號的峰值包絡功率和平均功率的差別

一個模擬視頻信號的峰值包絡功率是等于未調制RF的載波功率，這是因為在水平同步脈沖周期內的調制深度為0。當載波被調制時，功率之減少取決于在白色峰值電平出現時的最大調制深度以及平均的圖像電平（Average Picture Level，APL）。

對一個單一信號來說，APL的變化將跟隨圖像內容的變化。當節(jié)目內容不同時，APL的值將完全不同。但是，當一組圖像信號被組合在一起后，APL的變化必將會減少。所以要選擇一個適當的APL值。根據以上分析，選擇APL為50%，這是因為圖像的中間亮度在全白與全黑之間，這樣的假設看來較為合理。另外，應考慮到有足夠多的一組信號被組合在一起。

因而，在隨后的計算中考慮的是一個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

在PAL制中，場消隱持續(xù)時間約占25行的時間。在場消隱期內不傳視頻信號，但其間有幾“行”可能包含圖文數據和測試信號等信息。由于有此場消隱期效應，APL更難計算。考慮到這個因素，在計算時可作一個小的調整。但如何來給這個調整作具體設定較難給出。通過大量的實際測試發(fā)現，在最差的情況下，因場消隱期效應引起的已調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

由于色度信號與音頻信號之幅度遠低于各種同步信號之幅度，因此，對亮度信號的50%APL來說，它們的效應可以忽略不計。

1.6 電視制式標準的選擇

以下各項計算的根據是采用PAL制（除PAL–I制外）特性標準。經過簡單的各項修正可證明，如采用NTSC制特性標準，其結果也基本相同。對PAL–I制標準來說，差別較大（特別常涉及到調制深度），就需要另作計算。

2 數字與模擬信號電平差的計算

2.1 采用一般制式時的計算

圖1展示了在行消隱期間一個模擬視頻信號的時域響應過程。需要注意的是，標準已規(guī)定了各種電視信號的詳細特征，行同步脈沖和消隱的持續(xù)時間在某一特定的信號電平上是唯一的。當然，從一個電平瞬間轉換至另一個電平也是不可能的。

圖1 行消隱期間的模擬信號

然而，為了簡化計算，假設從行同步脈沖到行消隱電平之間的轉換為瞬時轉換，并且它們的持續(xù)時間是平均值。從圖1中可見，行同步脈沖（B）的時間寬度取值為4.7 μs，整個行消隱持續(xù)期，包括消隱前沿（A）、行同步脈沖（B）以及消隱后沿（C）（后沿內包含色同步信號），總共為12 μs。

如果從同步頂點到峰值白電平之間總的視頻信號幅度為1 V，設同步頭峰值點作為參考點，其值設為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載波的調制采用負極性調制方式（大部分電視系統(tǒng)都采用負極性調制方式）。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，當圖像信號處于峰值白電平時，“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制信號。

圖2 行消隱期間的已調制RF載波信號示意圖

相應于消隱電平的RF載波幅度導出過程為：

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，消隱信號可表現出一個最大值為0.73（由1.0-0.27得）倍的RF載波電平。

類似地，相應于50%白電平的RF載波幅度導出過程為：

在基帶信號中，50%白電平信號出現在0.65 V處（見圖1）。把0.65乘以0.9，得到0.585。因此，50%白電平信號可表現出一個最大幅度為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。現在又如何來確定已調制載波的平均功率呢？這就需要測定在整個一個行周期中（64 μs），信號在3種電平（0.415，0.73，1.0）上各自的信號持續(xù)時間。

信號的3個持續(xù)時間如表1所示。

表1 信號的持續(xù)時間

以上計算都是以電壓（V）為單位的，現在則應以功率為單位來計算。因功率與電壓的平方成正比，則可按電壓平方關系計算

瞬時平均功率之相對值=

因此，功率從最大值下降了10lg（0.274）=5.62 dB。換言之，一個被具有APL為50%的視頻信號調制的RF載波，其平均功率比峰值包絡功率或未調制載波的功率低5.62 dB。這就表明，對數字QAM信號來說，建議應用的平均功率電平應比模擬信號的峰值包絡功率電平低約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)常在場消隱期內插入文字、數據、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。這一點微小的調整可以忽略不計，而實際情況是，在場消隱期內插入測試信號是較為普遍的一種應用。

2.2 采用PAL-I制時的修正

在計算信號平均功率時，要考慮PAL–I制與其他制式的基本差別在于載波的調制深度。在PAL–I制中，與峰值白電平相應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制時行消隱期間的已調制RF載波信號示意圖

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

信號的3個持續(xù)時間如表2所示。

表2 信號的持續(xù)時間

按電壓平方關系計算

因此，功率從最大值下降了10lg（0.326 5）=4.86 dB。事實上，PAL–I制的最大調制深度與其他PAL制相比略小一點，結果造成調制信號的平均功率略大。現在的結論就是在PAL–I制系統(tǒng)中，數字QAM信號的電平設置可比峰值包絡視頻功率電平低5 dB。這樣就與模擬視頻信號具有相同的功率電平了。

實際上，在有線電視系統(tǒng)的應用中，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信號的測量和設置

3.1 正確測量QAM信號的幅度

HFC設備正常工作的最基本要求是下行RF電平要設置正確。大多數人對模擬頻道的測試都已經很熟悉，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，數字調制載波很像充滿頻帶的噪聲，這使測量變得復雜。

在模擬電視頻道幅度測量中感興趣的是已調頻道的視頻載波的瞬時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。

當用通常的電平表去測量噪聲時，必須使用檢波器校對因子來修正。因為電平表是在較窄的帶寬下測量的，對視頻載波可以取得最佳效果，但對噪聲就不行了。對8 MHz帶寬的調制載波測量必須取整個帶寬的平均功率。很明顯這個帶寬要比電平表的測量帶寬（MBW）寬得多。有些儀表已具備數字平均功率測量的功能。頻譜分析儀提供了一個很方便的測量數字調制載波的方法。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QAM信號相對模擬信號的幅度差

圖5 RBW為300 kHz時QAM信號相對模擬信號的幅度差

通過公式計算的方式可得到正確的QAM功率為

式中：PT是總功率；PRBW是光標點測量值（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所得到的數據計算得

通過圖5所得到的數據計算得

可見圖4、圖5中QAM信號強度都是109 dBμV。按國內大多數網絡的設置，如果要求QAM信號比模擬信號低10 dB，則此時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，正確的設置見圖6和圖7。

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

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

PRBW的光標點測量值在圖6是中71 dBμV，圖7中是76 dBμV。根據圖6中所得數據，依據式（3）得

根據圖7中數據計算得

可見，這樣的設置才是正確的。

4 數字平移后發(fā)射機電平的調整

在實際應用中，由于數字平移后模擬頻道數大大減少，一般從60個減少到6個，而增加的QAM數字頻道數約在30個左右，所以光發(fā)射機的輸入總功率下降，時常會引起發(fā)射機顯示輸入過低告警。此時就需要增加發(fā)射機的RF輸入功率。必須清楚地知道，這個功率是指發(fā)射機得到的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 計算平移前后的信號總功率

如果平移前模擬頻道為60個，每頻道的電平為15 dBmV，則有

這個功率就是平移前發(fā)射機得到的總功率。

如果平移后模擬頻道為6個，每頻道電平提高到23 dBmV，QAM頻道為30個，QAM信號比模擬信號低10 dB，則有

這個總合成功率就是平移后發(fā)射機得到的總功率。可見，平移前后發(fā)射機得到的總功率基本相等，發(fā)射機工作狀態(tài)沒有改變，仍處在正常工作狀態(tài)。

4.2 建議的調試方法

根據上節(jié)的計算可以看到，平移后如果把模擬信號電平提高8 dB，就可以保持光發(fā)射機得到的總功率與平移前一樣。但也應該注意到，由此會帶來3個問題：

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)射機過載，信號質量變差。

3）無論是現在提高發(fā)射機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，進而引起用戶電平的變化。整個電纜分配網電平需要重新調整。

鑒于這3點，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)射機的總功率，而是采用如下3種方法：

1）有條件的可將整個頻段內的QAM頻道布滿，不用的頻道不加調制。將來僅需開啟調制，電平無需調整。

2）關閉的且頻點未被替換的模擬調制器繼續(xù)保留，僅關閉調制，載波繼續(xù)輸出。將來根據QAM頻道的增加而逐一替換。

3）用1臺（也可2臺或3臺，根據具體情況）替換下的模擬調制器，放在頻段最高點，調高其輸出電平，使其與正在使用的模擬和數字信號的合成總功率與平移前一致。其輸出電平的計算及總合成功率的計算方法與上節(jié)計算方法一樣，區(qū)別的僅是此時是3個信號的合成，即在用模擬信號、QAM信號和這個僅供調試用模擬載波信號。將來隨著QAM頻道的增加，僅需通過降低這個模擬載波電平來保持總功率不變。而這個輸出電平較高的模擬載波，由于處在頻段的最高點，其產生的寄生雜波不會影響到頻段內正常使用的頻道。如果有多臺替換下的模擬調制器可被用來放在頻段的最高處用作調試用信號，則每臺調制器的輸出電平可相應降低。

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行調整。圖8和圖9分別示意了上述方法1和方法3。

圖8 平移后頻段內空余頻道用無調制QAM頻道布滿

圖9 平移后用一個最高頻點無調制模擬載波來提升總功率

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[1]LYONS R G.數字信號處理[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]冷偉民，潘長勇，楊知行.一種改進的QAM信號時鐘誤差檢測算法[J].電視技術，2008，32（7）：6-8.

[3]劉勤.淺析有線電視前端信號系統(tǒng)的構建[J].電視技術，2010，34（10）：77-79.