数字信号相对模拟视频信号的电平设置

张 放

（有线电视技术专业委员会，上海 201103）

1 信号和电平的概念

1.1 电平的定义

为了避免混淆，对“电平”的含义必须明确加以定义[1]。在数字QAM信号中，“电平”是指在任意一个时间间隔中所测得信号的真实功率。另一方面，在模拟视频信号的情况下，“电平”是指在水平同步脉冲周期内所测得的已调制RF载波的真实功率，有时也被称为“峰值视频包络功率”。如果在一个经延伸的时间周期内，用一个被称作“视频滤波器”的电路对同一个已调制载波进行测量，那么所得之结果将是“平均”功率。

1.2 模拟和数字信号的幅度分布

首先假设将QAM信号电平设置成等同于模拟视频信号的平均功率[2-3]。诚然，即便如此，两种信号的幅度分布情况大不相同。这就是说，在同一瞬间两种信号的特定瞬时值截然不同。在同一个示波器上交替观察这两种信号就可以看出它们之间的差别。通过对模拟信号的行、场消隐脉冲的重复显示，就可对它进行测量。而数字信号则完全是随机的。从统计学角度来看，两种信号“密度函数的或然率”（Probability Densi⁃ty Functions，PDF）是不相似的。数字信号经常是呈现“高斯”（Gaussian）型的。

然而，当许许多多独立的信号被组合在一起时，整个信号的幅度分布将趋向于“高斯”分布。人们常用“中心限制理论”（Central Limit Theorem）来证实这一点（详尽的数学计算已不属于本文范围）。实际结论可以这么说，随着信号数目的增加，两种不同信号的“峰值”将越来越相似。这样，在激光发射机中经过峰值限幅，两种信号将更为近似了。本文所指大量模拟视频信号的组合，其数目约为大于20个。

1.3 模拟视频信号的峰值包络功率和平均功率的差别

一个模拟视频信号的峰值包络功率是等于未调制RF的载波功率，这是因为在水平同步脉冲周期内的调制深度为0。当载波被调制时，功率之减少取决于在白色峰值电平出现时的最大调制深度以及平均的图像电平（Average Picture Level，APL）。

对一个单一信号来说，APL的变化将跟随图像内容的变化。当节目内容不同时，APL的值将完全不同。但是，当一组图像信号被组合在一起后，APL的变化必将会减少。所以要选择一个适当的APL值。根据以上分析，选择APL为50%，这是因为图像的中间亮度在全白与全黑之间，这样的假设看来较为合理。另外，应考虑到有足够多的一组信号被组合在一起。

因而，在随后的计算中考虑的是一个模拟视频信号的平均功率有50%的APL。

1.4 场消隐期间的效应

在PAL制中，场消隐持续时间约占25行的时间。在场消隐期内不传视频信号，但其间有几“行”可能包含图文数据和测试信号等信息。由于有此场消隐期效应，APL更难计算。考虑到这个因素，在计算时可作一个小的调整。但如何来给这个调整作具体设定较难给出。通过大量的实际测试发现，在最差的情况下，因场消隐期效应引起的已调制信号的平均功率增加约为0.2 dB。

1.5 色度信号与音频信号的效应

由于色度信号与音频信号之幅度远低于各种同步信号之幅度，因此，对亮度信号的50%APL来说，它们的效应可以忽略不计。

1.6 电视制式标准的选择

以下各项计算的根据是采用PAL制（除PAL–I制外）特性标准。经过简单的各项修正可证明，如采用NTSC制特性标准，其结果也基本相同。对PAL–I制标准来说，差别较大（特别常涉及到调制深度），就需要另作计算。

2 数字与模拟信号电平差的计算

2.1 采用一般制式时的计算

图1展示了在行消隐期间一个模拟视频信号的时域响应过程。需要注意的是，标准已规定了各种电视信号的详细特征，行同步脉冲和消隐的持续时间在某一特定的信号电平上是唯一的。当然，从一个电平瞬间转换至另一个电平也是不可能的。

图1 行消隐期间的模拟信号

然而，为了简化计算，假设从行同步脉冲到行消隐电平之间的转换为瞬时转换，并且它们的持续时间是平均值。从图1中可见，行同步脉冲（B）的时间宽度取值为4.7 μs，整个行消隐持续期，包括消隐前沿（A）、行同步脉冲（B）以及消隐后沿（C）（后沿内包含色同步信号），总共为12 μs。

如果从同步顶点到峰值白电平之间总的视频信号幅度为1 V，设同步头峰值点作为参考点，其值设为0 V，则消隐沿为0.3 V，50%的APL值为0.65 V。

基带模拟视频信号对RF载波的调制采用负极性调制方式（大部分电视系统都采用负极性调制方式）。这意味着在行同步脉冲期间的RF载波幅度为最大。在PAL制式中，当图像信号处于峰值白电平时，“残留”（residual）的载波幅度是最大值的1/10，即0.1（要特别注意“幅度”与“功率”之区别）。图2展示的是在行消隐期间的已调制信号。

图2 行消隐期间的已调制RF载波信号示意图

相应于消隐电平的RF载波幅度导出过程为：

在基带信号中，同步头到峰值白电平为1 V，消隐信号出现在0.3 V处（见图1）。如果RF载波的最大幅度为1.0，其幅度变化可从1.0～0.1，即0.9的动态范围。将0.3乘以0.9，得到0.27。所以，消隐信号可表现出一个最大值为0.73（由1.0-0.27得）倍的RF载波电平。

类似地，相应于50%白电平的RF载波幅度导出过程为：

在基带信号中，50%白电平信号出现在0.65 V处（见图1）。把0.65乘以0.9，得到0.585。因此，50%白电平信号可表现出一个最大幅度为0.415（由1.0-0.585得）倍的RF载波电平。

在行同步脉冲期间，RF载波处于最大幅度值，即1 V。现在又如何来确定已调制载波的平均功率呢？这就需要测定在整个一个行周期中（64 μs），信号在3种电平（0.415，0.73，1.0）上各自的信号持续时间。

信号的3个持续时间如表1所示。

表1 信号的持续时间

以上计算都是以电压（V）为单位的，现在则应以功率为单位来计算。因功率与电压的平方成正比，则可按电压平方关系计算

瞬时平均功率之相对值=

因此，功率从最大值下降了10lg（0.274）=5.62 dB。换言之，一个被具有APL为50%的视频信号调制的RF载波，其平均功率比峰值包络功率或未调制载波的功率低5.62 dB。这就表明，对数字QAM信号来说，建议应用的平均功率电平应比模拟信号的峰值包络功率电平低约6 dB。这样就与模拟视频信号具有相同的功率电平了。

同样的方法也可用来分析在场消隐期间所增加的RF信号功率。诚然，如前所说有些电视系统常在场消隐期内插入文字、数据、测试信号等信息，有些系统则很少插入这些信息。在最差的情况下，假设不插入任何信息，则RF信号的平均功率被增加0.2 dB。这一点微小的调整可以忽略不计，而实际情况是，在场消隐期内插入测试信号是较为普遍的一种应用。

2.2 采用PAL-I制时的修正

在计算信号平均功率时，要考虑PAL–I制与其他制式的基本差别在于载波的调制深度。在PAL–I制中，与峰值白电平相应的残留载波幅度是最大值的1/5，即0.2，不同于其他PAL制的0.1，如图3所示。

图3 PAL–I制时行消隐期间的已调制RF载波信号示意图

用如前所述测定时间长度的方法来决定已调制载波的平均功率。这就是测定在整个行周期中（64 μs），信号在3种电平（0.48，0.76，1.0）时各自的信号持续时间。

信号的3个持续时间如表2所示。

表2 信号的持续时间

按电压平方关系计算

因此，功率从最大值下降了10lg（0.326 5）=4.86 dB。事实上，PAL–I制的最大调制深度与其他PAL制相比略小一点，结果造成调制信号的平均功率略大。现在的结论就是在PAL–I制系统中，数字QAM信号的电平设置可比峰值包络视频功率电平低5 dB。这样就与模拟视频信号具有相同的功率电平了。

实际上，在有线电视系统的应用中，采用降低6 dB的方法较为普遍，而不管其为何种电视制式。

3 QAM信号的测量和设置

3.1 正确测量QAM信号的幅度

HFC设备正常工作的最基本要求是下行RF电平要设置正确。大多数人对模拟频道的测试都已经很熟悉，使用频谱分析仪和电平表很容易做到，但要正确测量64QAM和256QAM就遇到了麻烦。首先，这些载波形式的幅度是8 MHz带宽的平均功率。其次，数字调制载波很像充满频带的噪声，这使测量变得复杂。

在模拟电视频道幅度测量中感兴趣的是已调频道的视频载波的瞬时同步峰值的均方根值（RMS）。那就是为什么电平表使用峰值检波的道理，那样的仪表就可以决定瞬时同步峰值和显示载波RMS幅度。峰值检波电平表对视频是最佳的，但对噪声和类噪声的信号则无法测量。

当用通常的电平表去测量噪声时，必须使用检波器校对因子来修正。因为电平表是在较窄的带宽下测量的，对视频载波可以取得最佳效果，但对噪声就不行了。对8 MHz带宽的调制载波测量必须取整个带宽的平均功率。很明显这个带宽要比电平表的测量带宽（MBW）宽得多。有些仪表已具备数字平均功率测量的功能。频谱分析仪提供了一个很方便的测量数字调制载波的方法。但是，如果不注意使用方法非常容易得到错误的结果。

从图4和图5可以看出，尽管信号没变，但由于频谱分析仪上的分辨率带宽（RBW）设置不同，在频谱仪屏幕上显示出的QAM信号相对模拟信号的幅度差是不一样的。

图4 RBW为100 kHz时QAM信号相对模拟信号的幅度差

图5 RBW为300 kHz时QAM信号相对模拟信号的幅度差

通过公式计算的方式可得到正确的QAM功率为

式中：PT是总功率；PRBW是光标点测量值（图4是90 dBμV，图5是 95 dBμV）；BWE信号带宽；BWR是分辨率带宽（RBW）（图4是100 kHz，图5是300 kHz)。

通过图4所得到的数据计算得

通过图5所得到的数据计算得

可见图4、图5中QAM信号强度都是109 dBμV。按国内大多数网络的设置，如果要求QAM信号比模拟信号低10 dB，则此时恰恰相对于模拟信号100 dBμV高出了9 dB，高于正常值19 dB。

3.2 正确设置QAM信号与模拟信号的电平差

通过上节分析可知，正确的设置见图6和图7。

图6 RBW为100 kHz时QAM信号相对模拟信号的实际幅度差为10 dB

图7 RBW为300 kHz时QAM信号相对模拟信号的实际幅度差为10 dB

PRBW的光标点测量值在图6是中71 dBμV，图7中是76 dBμV。根据图6中所得数据，依据式（3）得

根据图7中数据计算得

可见，这样的设置才是正确的。

4 数字平移后发射机电平的调整

在实际应用中，由于数字平移后模拟频道数大大减少，一般从60个减少到6个，而增加的QAM数字频道数约在30个左右，所以光发射机的输入总功率下降，时常会引起发射机显示输入过低告警。此时就需要增加发射机的RF输入功率。必须清楚地知道，这个功率是指发射机得到的RF输入总功率。一般会通过提高每频道电平来提高总功率。

4.1 计算平移前后的信号总功率

如果平移前模拟频道为60个，每频道的电平为15 dBmV，则有

这个功率就是平移前发射机得到的总功率。

如果平移后模拟频道为6个，每频道电平提高到23 dBmV，QAM频道为30个，QAM信号比模拟信号低10 dB，则有

这个总合成功率就是平移后发射机得到的总功率。可见，平移前后发射机得到的总功率基本相等，发射机工作状态没有改变，仍处在正常工作状态。

4.2 建议的调试方法

根据上节的计算可以看到，平移后如果把模拟信号电平提高8 dB，就可以保持光发射机得到的总功率与平移前一样。但也应该注意到，由此会带来3个问题：

1）要将前端原有的信号分配系统提高信号电平较困难，需要在前端增加前置放大器。

2）随着将来QAM频道的增加，需要降低信号电平，否则会引起发射机过载，信号质量变差。

3）无论是现在提高发射机的每频道输入电平还是将来随着QAM频道的增加而降低每频道电平，都会引起光站的输出电平变化，进而引起用户电平的变化。整个电缆分配网电平需要重新调整。

鉴于这3点，笔者建议在平移后不通过提高每频道电平的方法来提高发射机的总功率，而是采用如下3种方法：

1）有条件的可将整个频段内的QAM频道布满，不用的频道不加调制。将来仅需开启调制，电平无需调整。

2）关闭的且频点未被替换的模拟调制器继续保留，仅关闭调制，载波继续输出。将来根据QAM频道的增加而逐一替换。

3）用1台（也可2台或3台，根据具体情况）替换下的模拟调制器，放在频段最高点，调高其输出电平，使其与正在使用的模拟和数字信号的合成总功率与平移前一致。其输出电平的计算及总合成功率的计算方法与上节计算方法一样，区别的仅是此时是3个信号的合成，即在用模拟信号、QAM信号和这个仅供调试用模拟载波信号。将来随着QAM频道的增加，仅需通过降低这个模拟载波电平来保持总功率不变。而这个输出电平较高的模拟载波，由于处在频段的最高点，其产生的寄生杂波不会影响到频段内正常使用的频道。如果有多台替换下的模拟调制器可被用来放在频段的最高处用作调试用信号，则每台调制器的输出电平可相应降低。

总而言之，上述3种方法都是可使原来的模拟频道电平保持不变或很小的提高，从而无须对光站输出电平进行调整。图8和图9分别示意了上述方法1和方法3。

图8 平移后频段内空余频道用无调制QAM频道布满

图9 平移后用一个最高频点无调制模拟载波来提升总功率

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[1]LYONS R G.数字信号处理[M].3版.北京：电子工业出版社，2012.

[2]冷伟民，潘长勇，杨知行.一种改进的QAM信号时钟误差检测算法[J].电视技术，2008，32（7）：6-8.

[3]刘勤.浅析有线电视前端信号系统的构建[J].电视技术，2010，34（10）：77-79.