RF同轴电缆传输系统的设计与维护

1 RF同轴电缆的结构与传输特性1.1 结构
RF同轴电缆由内导体、绝缘体、外导体和护套4部分组成，绝缘体使内、外导体绝缘且保持轴心重合，这就是同轴电缆。内外导体由电介质（绝缘材料）隔开，电介质在很大程度上决定着同轴电缆的传输速度和损耗特性，常使用的绝缘材料是干燥空气、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等材料的混合物。物理发泡电缆因损耗小、频率特性好、不易进水得到优选应用。
1.2 传输特性
（1）同轴电缆内的电磁场分布
电场强度按正弦分布，在同轴电缆中传输的电波不会泄漏到电缆之外，在应用中，外导体通常是接地的，故具有良好的屏蔽作用，传输的电视信号不受外界杂波的干扰，里面的信号也不会辐射出去。
（2）趋肤效应
高频信号的电流流过电缆时，电流集中于导体表面而使导体有效横截面积减少、电阻值加大的现象称之为趋肤效应。因为有趋肤效应，同轴电缆中的电流只沿内导体的外侧和外导体的内侧流动，因此，电缆的许多性质取决于内导体的外径和外导体的内径，电缆内、外部的电磁场也不相互干扰。趋肤深度与频率?f?（MHz）的平方根成反比，因此，同轴电缆的导体损耗与频率的平方根成正比。
1.3 同轴电缆性能
（1）特性阻抗
特性阻抗?Z?c定义为在同轴电缆终端匹配的情况下，电缆上任意点电压与电流的比值。同轴电缆的特性阻抗由导体的直径和导体间介质决定，与电缆长度无关。在CATV系统中，同轴电缆的特性阻抗均为75 Ω。
（2）衰减常数?β?与温度系数
RF信号在同轴电缆中传输时的衰减量与电缆的尺寸、介电常数、工作频率有关。同轴电缆信号的衰减程度，以衰减常数（?β?）表示单位长度（如100 m）电缆对信号衰减的dB数。衰减常数与信号频率的平方根成正比，即在同一段电缆，信号频率越高，衰减常数越大；信号频率越低，衰减常数越小。温度系数表示温度变化对电缆损耗值的影响，温度上升，电缆的损耗值增大；温度下降，电缆的损耗值减小。温度系数定义为温度升高或降低1℃，电缆对信号衰减量增大或减小的百分数。衰减常数和信号的频率有很大的关系，也和温度系数关系密切。在CATV网络实际应用中，随着时间的增加，同轴电缆会老化,电缆的衰减特性改变很大，一般两年就要对系统进行一次调试，所以在做工程时要留出一定的余量。
2 射频传输线设计
RF传输线的功能是以同轴电缆为传输介质，利用放大器来补偿和均衡电缆的衰减特性和温度特性，使传送的信号保持适当的电平值。RF信号在电缆中传输的衰减量随传输距离延长而增大，RF同轴电缆的衰减特性使不同频率的信号在电缆中衰减的程度不同，因此，在RF传输线中，要对信号进行电平补偿和均衡，故要选用传输特性好的电缆和性能优良的放大器，由于使用了有源器件放大器，就要把系统的截噪比、交调的影响减少到最小。
2.1 传输线的组成
RF传输线由RF同轴电缆、放大器、衰减器、均衡器构成。
放大器在放大电路基础上，一般具有可调衰减器和可调均衡器，使放大器保持稳定的输出电平和适当的斜率。
衰减器可以适当调节输入、输出端信号电平，使其保持在适当的范围内。衰减器用电阻构成衰减网络，由于没有电抗元件，因此只有幅度的衰减而没有相移。连续可调式衰减器是放大器的一个重要组成部分，可调范围一般为0～20 dB，可以方便地调节放大器输入端的信号电平。
均衡器的作用是补偿电缆衰减倾斜特性，信号经过电缆传输后，高、低端频道的信号产生电平差，须用均衡器来补偿这个电平差，以保证输出电平稳定在一定的斜率内。电视信号进入系统传输后，电缆对信号的衰减程度与所传输信号的频率的平方根成正比，造成高端频道电平低的现象。要解决高低端电平差，一般是采用电平均衡补偿法，即在线路中根据信号传输距离和所用的电缆的衰减特性，利用放大器的可调均衡器来补偿电缆对各频道信号衰减的不均匀性，使输出信号保持在合适的斜率内。
放大器的作用是补偿和均衡电缆的损耗和频率失真，用来对信号进行长距离的传输，其特性是增益适中、输出电平中等、工作频带宽、有良好的频响特性和非线性失真性能，模块干线放大器具有较好的传输特性，其平坦度较优良。
温度补偿是利用负温度系数热放电阻来维持电平稳定的电子控制工作方法。它所用元件的温度特性与电缆的温度特性相反，即当温度下降时，电缆的衰减常数?β?变小，放大器的输入电平变大，相应温补元件衰减量变大，使放大电路的输入电平趋于稳定；当温度上升时，电缆的衰减常数?β?变大，放大器的输入电平变小，相应温补元件衰减量变小，使放大电路的输入电平趋于稳定。这样，系统传输就达到了温度补偿的目的。具有温补的干线放大器分为单温补式和双温补式，后者为最理想。工程设计时应选择具有温补电路的干线放大器，以方便技术维护。
2.2 放大器的级联间距
放大器级联的间距取决于放大器的增益、电缆的衰减特性和被传输信号的频率。干线放大器的增益一般在20～32 dB之间，输出电平在95～105 dB之间。两个放大器的间距(?L)可用下式计算：
L=GB
式中：L——传输间距(?m?)；
G——干放实际利用的增益(?dB?);
B——电缆的衰减常数(?dB/1
在工程设计中，干线放大器的增益应保留有一定的提升裕量，以便满足日后技术维护的需要。
2.3 传输线工作方式
根据放大器的输入、输出信号电平与信号频率的高低的相互关系，在工程上，可将传输干线分为全倾斜、平坦输出和半倾斜3种工作方式。
(1)全倾斜工作方式
全倾斜方式实质上是平坦输入方式。在输入端的信号中，电平值是一致的，而在输出端的信号中，高端的电平值高于低端的电平值。输入信号的电平值相等,有利于减小交调,但输出信号的斜率不能太大,应小于10 ?dB?。
(2)平坦输出工作方式
平坦输出方式和全倾斜方式相反。在干放的输出端的信号中，电平值是一致的，而在输入端的信号中，低端的电平值高于高端的电平值。这种工作状态，高端信号的载噪比会较低，且易出现交调，故应避免采用这种方式。
(3)半倾斜工作方式
半倾斜方式是上两种工作方式的折中。在干放的输入端的信号中，低端的电平值略高于高端的电平值，而在输出端的信号中，高端的电平值略高于低端的电平值。
在传输干线中，应尽量采用全倾斜工作方式或半倾斜工作方式。最低电平是指放大器的最低输入电平，最高电平是指干线放大器的最高输出电平。
3 分配网络设计
分配网络的设计任务是根据终端的频道的均衡来确定分配网络的组成形式及所用部件的规格和数量，其要求是保证终端的信号电平符合系统技术规范，所用的材料数量最少。
分配网络的设计方法基本有两种。一种是由前向后逐点进行计算，得出所用分配器、分支器和放大器的规格、数量，另一种是由后向前推进，逐点计算，得出所用部件的规格、数量，最后求出进入分配网络的电平值和用户终端的电平值。在设计中，抓住各分配点的信号电平变化是关键，因此就要了解清楚分配器的分配损耗、分支器的接入损耗和电缆的损耗量，设计时可参考下列数据：
二分配器4 dB三分配器6 dB
四分配器8 dB六分配器10 dB
一分支器8 dB二、三、四分支器10 dB
在实际应用中，每串接一个分支器，VHF―L频段电平下降1 dB，UHF频段电平下降3 dB。
3.1 分配网络的基本组成形式
(1)分配——分配形式。这种形式采用的部件是分配器。使用这种形式时，每个端口不能空载，以保持分配网络的匹配状态。分配器的反向隔离指标不高，若大量使用，个别部位出现故障时，易造成全分配网络的影响，因此在设计中要适当运用。
(2)分支——分支形式。这种分配网络使用的都是分支器，适用于用户数量不多、分布较分散及传输距离较远的分配网络，使用这种形式未端要保证网络的匹配。
(3)分配——分支形式。这种分配网络形式使用得最多。
(4)分支——分配形式。要获得各用户端的信号电平一致，须选用不同损失值的分支器。
其他分配网络方式还有分配——分支——分配形式和不平衡分配形式。
3.2 终端电平的确定
终端电平也称系统输出口电平。这个图像载波电平的范围不能过高，也不能过低。电平过低信号的载噪比会下降，图像会不稳定、雪花大；电平过高会有非线性失真，出现不同步、扭曲和互调、交调干扰。这个电平的控制应适宜，在70～83 dB间，任意频道间的增益差不大于12dB，相邻频道间的增益差不大于3dB为宜。
4 RF传输线技术维护
RF传输线维护的关键是放大器电平检测、调试和维护。干线放大器的输入电平不能低于76dB ，这样才能确保载噪比不低于系统的技术指标。同时，输入电平也不能过高，以免进入非线性工作区，产生交调和互调现象。放大器的输出电平不能高于设计值，这是为了避免交扰调制比和载波互调比变差。不宜在高输出电平下工作，可适当降低输出电平来改善交、互调指标，同时，应选择性能较好的模块干线放大器。
熟悉系统前端、传输干线和分配网络及其分布走向和各节点的电平值，有利于系统的维护。同时，应能分析故障情况、判断其出现部位，其方法是检查故障情况及区域，了解故障发生的时间及发生前的收视情况，排除故障时用倒推法测量怀疑点的电平值