温度对模拟信号的影响

温度对模拟信号的影响

在有线电视行业内，维修人员有句俗话：“最忙最累，冬夏两季。”并不是说这两季是一年中气候最恶劣，而是说这两季温差太大，足以对有线电视系统构成严重的影响。冬季气温低系统电平升高，导致系统非线性失真严重，即CSO、CTB等指标下降，产生交调等故障；夏季气温较高，系统电平下降，造成C/N载噪比下降，使高频端许多频道产生雪花，甚至无法收看。这些影响主要是温度变化对电缆特性的影响。要想深入了解这一影响，必须从理论上进行分析，这样对系统设计和维护都有很大帮助。CA TV系统目前使用最多的信号传输媒介是同轴电缆，其优点是传输频带比较宽，频道稳定，可满足传输多种业务信号的需要，特别适用于双向传输；技术成熟，价格便宜，安装维修方便。在分析温度对电缆特性和系统影响之前必须先了解同轴电缆的一些特性。一、同轴电缆的传输原理电磁波在同轴电缆的中心导体与屏蔽层之间传输，是一封闭电路。由于高频信号的集肤效应，电流只在中心导体的表面与屏蔽层的内表面流动，因此电磁场不会向外泄漏，不会影响外界，外界干扰信号也不会渗入内部，具有良好的屏蔽性。二、同轴电缆特性1. 特性阻抗：同轴电缆在终端匹配的情况下，电磁波沿同轴电缆传播所遇到阻抗，称为特性阻抗，单位为Ω。同轴电缆的特性阻抗与其结构尺寸和介电常数等有关，可近似表示为：式中：Z0--特性阻抗（Ω）；D--外导体内径（mm）；d--内导体外径（mm）；εγ--相对介电常数。有线电视系统采用特性阻抗值为75Ω的同轴电缆。2. 损耗特性：同轴电缆的损耗（或衰减）特性反映了电磁能量沿电缆的损耗大小，它与同轴电缆的内外导体直径，绝缘材料的相对介电常数及工作频率有关，可近似表示为：电缆越长，对信号的衰减越大，因此衰减通常用单位长度的分贝数表示。在CATV系统中，常用在最高工作频率下的损耗分贝数来表示电缆的长度（即电长度），用字母E表示。由公式知，同轴电缆对射频信号有损耗，而且损耗大小和频率有关，频率越高损耗越大，也正因为如此，形成了电缆的倾斜特性，即其损耗和频率的关系呈现单值倾斜的曲线。倾斜特性在系统的设计中造成了不少麻烦，需要使用均衡网络来均衡成平坦特性，这个倾斜曲线，理论上可用下列公式表示：式中的L为损耗值以db为单位，f为频率以MHz为单位，脚标（L为低频，H为高频）表示不同的频率值及其相应的损耗值，这个公式在我们有线电视使用的频率范围内是相当正确的。提高工作频率，减小传输损耗，有两种途径：一是降低介质损耗，改进电缆结构，因而出现了各种不同形成的同轴电缆，如MC2同轴电缆，它是用空气作为介质的，QR1 TX发泡同轴电缆等，它们的寿命、机械性能、电气性能等都比早期的实心、藕芯电缆好。二是在电缆的传输电路中加放大器和均衡器进行斜率补偿和斜率控制。3. 温度特性电缆的损耗不仅与其结构，材料和工作频率有关，而且与环境温度有关。温度主要影响电缆的直流电阻及介质损耗。温度升高电缆的导体和介质的损耗增加；温度下降，这两种损耗降低。在同一频率，不同温度时，电缆的衰减常数按下式计算：αt＝［1＋（t－20）β］α20℃式中：αt—温度在t℃时电缆的衰减常数；α20℃—温度在20℃时衰减常数；ｔ—温度，单位为℃；β—在20℃时电缆的衰减温度系数，单位‰／℃ 4. 匹配与反射特性当信号源与传输线匹配时，能获得信号的最大传输。在CA TV传输系统中，除了要求各部件与电缆之间必须按阻抗匹配的要求级联外，还要求电缆的阻抗均匀性。理想电缆的阻抗值一直保持75Ω，但在电缆中总有一些杂质和结构不规则，引起电缆阻抗变化，产生反射，入射波和反射波在传输线上就形成了驻波，如果驻波周期性出现，就会对某一频率严重衰减，甚至会使某频道“神秘地消失”。尤其在湿气侵入电缆后，不仅会改变介电常数，引起阻抗失配，产生反射，而且会增加传输损耗，特别是主干线系统，湿气影响更大。三、温度变化对电缆特性的影响系统的工作性能随着温度变化主要是由于同轴电缆特性随温度变化而造成的。与此有很大关系的就是电缆的衰减与温度变化直接有关。温度一增加，电缆的损耗也就增加，如果这些变化没有得到补偿，则热天会使信号的电平降低而

噪声的影响增大，（尤其在系统的各个末端更是如此），而冷天则会使信号电平增高，而交扰调制就更加严重。在CATV行业内部，有一条定性估计温度对电缆衰减影响的基本经验规则：即温度每变化一度损耗则变化0.2％，即一般馈线的温度系数是0.2％／℃。温度变化对系统工作的影响可以清楚地通过下面的例子来说明。若有一个550MHz系统，两放大器之间电缆距离为22dB，若有5个放大器，总损耗为5×22＝110dB，如本地区气温一年变化范围为40℃∽-10℃，即15±25℃，其损耗要变化110×0.002×(±25)＝±5.5dB，即40℃时为115.5dB，-10℃时为104.5dB。对最低的Ds-1频道其损耗则小得多，即：式中：fL---系统最低频道频率；fH---系统最高频道频率；LL---电缆在最低频道频率损耗；LH---电缆在最高频道频率损耗。此时环境温度仍变化± 25℃时，其损耗变化应为34×0.002×(±25)＝±1.7dB。电缆再长，串接放大器再增加，其损耗的变化幅度会更大，就不能满足用户端频道间电平差不超过5.5dB的技术标准。这样在系统设计时，可以用损耗随温度变化与放大器输出电平的变化幅度进行比较，来验证系统设计的合理性。实际上如果系统电平仅比过载电平大，约大5dB，图象的质量就会由优秀降低到完全不能接受的地步。在另一极端情况下，如信号电平衰减约15dB,而又没有得到补偿，则图象质量也将因噪声而变坏到不堪接受的地步，（这在系统老化时会出现这种现象），因此放大器的工作窗口应调节在工作区域的中心，对噪声和过载有着相同的安全裕量。因此设法补偿电缆损耗跟随温度变化就变成了对任何一种电视系统提出的基本要求。再者一段电缆的输出信号即使在常温下是平坦的，到±25℃时就不平坦了，会产生(±5.5)－(±1.7)≈±3.8dB的倾斜度。这种情况说明了全同轴系统为什么一定要使用自动电平控制放大器的原因，放大器不但要补偿其损耗的变化，还要补偿其损耗的倾斜度的变化，才能使系统保持输出电平不变。这个要求加上要在整个通带和温度范围内，必须精确地跟踪实现补偿的要求，便成了为保证系统全年工作正常所必需解决的最苛刻的设计课题。如果干线系统没有这种补偿能力，那就需要按季节进行均衡调整。因此，象矿区各电视站这样的小系统，由于干线短，不需要使用自动电平控制放大器，但必须使用带温补和倾斜输出的放大器，这样会对系统有很大改善，并且还要保证每年的夏初和秋末对放大器进行两次均衡的调整，以确保系统的各项指标在正常的范围内，使系统正常运行。