電視信號射頻電平測量研究*

葉峻江 李春龍 何洪波

(廣東省計量科學(xué)研究院東莞計量院，東莞 523000)

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電視信號射頻電平測量研究*

葉峻江 李春龍 何洪波

(廣東省計量科學(xué)研究院東莞計量院，東莞 523000)

本文介紹使用測量接收機和頻譜分析儀建立電視信號射頻電平測量標(biāo)準(zhǔn)裝置，開展相關(guān)測量、檢定、校準(zhǔn)和量值傳遞。該電視信號射頻電平測量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在頻率48～1000MHz內(nèi)，測量信號電平范圍為-60～10dBm；測量不確定度U=(0.34～0.46)dB。滿足JJG 1057—2010檢定規(guī)程中輸出電平應(yīng)有有效的量值溯源要求。

電視信號射頻電平；電視場強；量值溯源；量值傳遞

0 引言

視頻信息是現(xiàn)代傳媒傳播的重要手段。網(wǎng)絡(luò)、微電子和計算機技術(shù)高速發(fā)展，令視頻信息成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)重要的媒體形式，在醫(yī)學(xué)影像、衛(wèi)星通信、工業(yè)監(jiān)控、交通監(jiān)控和廣播電視等領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。在無線電視發(fā)播和有線電視網(wǎng)絡(luò)中，電視信號射頻電平測量調(diào)試非常重要[1]，在電視網(wǎng)絡(luò)中電平過高或過低將引起放大器工作于非線性區(qū)。信號電平過低時，電視圖像將出現(xiàn)干擾或噪聲增大等現(xiàn)象，容易受到鄰頻道的干擾。信號過高時將引起放大器或電視接收機過載，導(dǎo)致圖像失真[2]。測量電視信號電平的儀器一般為電視電平表或電視場強儀。根據(jù)JJG 1057—2010《電視信號場強儀》對該類儀器進行檢定和校準(zhǔn)，以保證電視信號射頻電平測量調(diào)試結(jié)果可靠。規(guī)程要求，檢定用的電視測試發(fā)射接收機輸出電平應(yīng)依據(jù)有效的量值溯源和計量檢定校準(zhǔn)結(jié)果[3]。

本文介紹測量接收機和頻譜分析儀建立電視信號射頻電平測量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可為電視信號發(fā)生器、電視電平表提供有效的量值溯源結(jié)果。測量接收機和頻譜分析儀在各省市計量機構(gòu)普遍使用，提高了原有設(shè)備的利用率。

1 電視信號的調(diào)制和圖像載波電平

1.1 電視信號的調(diào)制

電視信號由圖像信號和伴音信號組成，處于基帶的信號視頻帶寬為6MHz，伴音信號的帶寬為15kHz?；鶐盘栒{(diào)制到射頻載波上進行遠(yuǎn)距離無線傳輸和多頻道發(fā)播，調(diào)制后的信號稱為射頻電視信號[1]。我國電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用負(fù)極性信號進行調(diào)制[4]。

1.2 圖像載波電平概念

我國電視制式為逐行倒相正交平衡調(diào)幅制(PAL-D)，載波采用殘留邊帶調(diào)幅(VSB-AM)。圖像內(nèi)容通過幅度調(diào)制來傳送，其內(nèi)容隨時間變化，令信道功率不斷變化。而模擬電視行/場同步脈沖電平不隨圖像的變化，故把同步頭峰值電平作為判別模擬電視信號電平強弱的標(biāo)準(zhǔn)。PAL-D圖像信號采用負(fù)極性調(diào)制，調(diào)制后圖像信號的幅度隨著亮度的增加而減少，黑電平(或行、場消隱電平)為電平滿幅度的75%，行、場同步信號處為電平滿幅度的100%，已調(diào)模擬信號的峰值出現(xiàn)該處。根據(jù)GB/T 6510—1996，將電視信號射頻載波電平定義為在75Ω終端上調(diào)制包絡(luò)處(同步頭)的圖像載波電壓的有效值(dBμV)[5]。

2 載波電平的測量

測量電視信號射頻電平的儀器一般為電視電平表或電視場強儀。JJG 1057—2010《電視信號場強儀》5.2.3.1中規(guī)定電視測試發(fā)射接收機輸出電平應(yīng)根據(jù)有效的量值朔源和計量檢定校準(zhǔn)結(jié)果。測量電平可以采用以下方法：

1)電視電平表法：電視電平表可以直接選定需要測試的頻道讀取電平數(shù)據(jù)。端口阻抗75Ω，與被測信號阻抗匹配。其電平測量準(zhǔn)確度低，通常最大允許誤差為±3dB，頻率響應(yīng)較差。

2)功率表：電平測量精度高，頻率范圍寬，頻率特性好，溯源方便。端口阻抗50Ω，與被測信號阻抗不匹配。測量低電平時受噪聲影響明顯，且不能選頻道測量。測得的是通帶內(nèi)的功率，不能直接測量同步頭電平。

3)示波器法：有較好的測量精度，頻率特性較好，1MΩ的輸入端口可以方便接入75Ω或50Ω的阻抗進行匹配。示波器可采用行、場同步觸發(fā)給出信號細(xì)節(jié)。示波器是時域測量儀器，不能選頻道測量。

4)CATV頻譜分析儀法：頻譜分析儀是頻域測量的通用器具，通過選擇中心頻率進行頻道選擇，使用零頻掃描，配合適當(dāng)?shù)姆直媛蕩挘梢越庹{(diào)出視頻信號包絡(luò)，實現(xiàn)選頻道測量。但測量精度較低。

5)測量接收機的調(diào)制電平表：測量精度高，頻率范圍很寬，頻率特性非常好，電平測量范圍+30～-127dBm，動態(tài)范圍達(dá)到150dB。但不能直接測量已調(diào)制信號的同步頭電平。

根據(jù)以上分析，頻譜分析儀可直接解調(diào)圖像的載波信號包絡(luò)，但其電平測量準(zhǔn)確度較低。使用測量接收機測量載波功率可獲得較高準(zhǔn)確度，但無法直接測量已調(diào)制圖像載波的同步頭信號峰值(包絡(luò))電平?？山Y(jié)合兩類儀器的優(yōu)勢進行測量，通過測試值比較和傳遞的辦法，將測量接收機功率計的精確功率測量結(jié)果傳遞給接收機調(diào)制電平表，保證接收機絕對功率測試值的準(zhǔn)確性[]。用該結(jié)果對頻譜分析儀的結(jié)果進行修正，得到準(zhǔn)確的結(jié)果。在測量過程中，頻譜儀的作用類似于指零儀，其短期穩(wěn)定度成為不確定度的來源之一。測量接收機和頻譜分析儀的輸入阻抗通常為50Ω，需增加阻抗轉(zhuǎn)換器，使之與電視信號發(fā)生器的75Ω阻抗匹配。測量接收機、阻抗轉(zhuǎn)換器和功率分配器均很方便獲得量值溯源。

其測量過程為：測量接收機的功率計對調(diào)制電平表進行自校準(zhǔn)，再用測量接收機和CATV頻譜分析儀零頻掃描功能同時測量未調(diào)制的載波信號電平，測量接收機測得電平Pr，頻譜分析儀測得電平Ps。得到頻譜儀的測量功率誤差ΔP=Ps-Pr。再用頻譜分析儀對已調(diào)制的射頻信號進行解調(diào)測量，移動游標(biāo)讀取解調(diào)包絡(luò)處同步頭位置的電平PT，減去頻譜儀的功率測量誤差ΔP，就得到準(zhǔn)確的電視信號射頻電平。再加上功率分配器和阻抗轉(zhuǎn)換器的插入損耗，計算出電視信號射頻圖像載波電平PTV，如下式：

PTV=PT-ΔP+PL1+PL2

式中，PT為CATV頻譜分析儀解調(diào)后的射頻信號(包絡(luò))同步頭處電平；PL1為射頻阻抗轉(zhuǎn)換器的插入損耗；PL2為功率分配器的插入損耗。

在該方法中，使用了測量接收機HP8902、CATV頻譜分析儀、Agilent的75Ω/50Ω阻抗轉(zhuǎn)換器11852B和功率分配器11667A。

3 測量裝置的構(gòu)成和量值溯源

3.1 測量裝置的構(gòu)成

電視信號射頻電平測量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)由測量接收機HP8902、CATV頻譜分析儀、Agilent的75Ω/50Ω阻抗轉(zhuǎn)換器11852B和功率分配器11667A構(gòu)成。標(biāo)準(zhǔn)裝置既可以校準(zhǔn)電視信號發(fā)生器、發(fā)射機，又可以校準(zhǔn)視頻電平表、場強儀的電視信號射頻電平。連接方式見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的連接

我國使用的是PAL-D制式電視，最低頻道DS1的圖像載波頻率為49.75MHz，無線發(fā)射最高頻道DS56的圖像載波頻率為855.25MHz有線電視最高頻率DS68的圖像載波頻率為951.25MHz。有線電視的前端放大器及干線放大器的射頻輸出電平通常為94～102dBμV，用戶端電平為65～75dBμV。測量接收機和CATV頻譜分析儀的頻率和電平測量量程遠(yuǎn)大于該范圍，可以滿足要求。

3.2 測量裝置的量值溯源

該裝置主要量值為電平、射頻阻抗和射頻衰減。這些量值均可溯源到國家基準(zhǔn)。量值溯源見圖2。

圖2 量值溯源圖

4 不確定度評定

有線電視的前端放大器及干線放大器的射頻輸出電平通常為94～102dBμV，用戶端電平為65～75dBμV。選取電平值為65dBμV和100dBμV評定該測量裝置的不確定度范圍。

4.1 A類評定

使用CATV頻譜儀在重復(fù)測量時和重復(fù)連接高頻電纜時讀數(shù)有變化，在重復(fù)條件下對電視信號射頻電平進行測量，經(jīng)統(tǒng)計計算得到測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1=0.083dB。

4.2 B類評定

使用8902測量接收機帶來的誤差影響：測量接收機的不確定度u2，由技術(shù)說明書可知由功率表和附加影響兩部分組成(B類評定)。包含以下分量：

1)功率表分辨力引起的不確定度分量u21

2)量程線性度u22

3)零點調(diào)節(jié)誤差u23

4)附加影響(零點漂移)引起的不確定度分量u24

5)噪聲造成的分量u25

6)探頭零位漂移造成的分量u26

7)校準(zhǔn)電平造成的分量，功率計在使用之前先要進行使用內(nèi)部校準(zhǔn)信號進行校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)信號的電平對測量造成影響u27

8)探頭校準(zhǔn)因子造成的分量u28

9)負(fù)載的反射系數(shù)造成的分量u29

10)參考振蕩器失配造成的分量u210

對上述各不確定度分量進行評定，結(jié)果見表1。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2為0.104dB；同樣計算測量65dBμV時的電平，標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2為0.184dB。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表(測量100dBμV時)

不確定度分量不確定度來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度(dB)u21分辨率0.00289u22量程線性度0.0115u23零點調(diào)節(jié)誤差0.00125u24零點漂移0.0000751u25噪聲0.00326u26探頭零位漂移0.000251u27校準(zhǔn)電平0.0300u28探頭校準(zhǔn)因子0.0497u29負(fù)載的反射系數(shù)0.0847u210參考振蕩器失配0.0104

4.3 插入損耗和平坦度的不確定度分量u3

11852B型75Ω/50Ω阻抗轉(zhuǎn)換器的不確定度分量u31根據(jù)校準(zhǔn)證書給出的插入損耗的不確定度分量U=0.08dB；k=2，故u31=0.04，功率分配器11667A插入損耗的校準(zhǔn)不確定度U=0.1dB；k=2故u32=0.05，在0.05GHz～1GHz平坦度為0.3dB，為矩形分布，其半寬為0.15dB，u33=0.15/1.732=0.087dB，不確定度分量u3為：

4.4 端口反射系數(shù)的不確定度分量u4

根據(jù)校準(zhǔn)證書給出的反射系數(shù)，在0.05～1GHz的50Ω端范圍內(nèi)，最大值為Γ1=0.013，該阻抗轉(zhuǎn)換器與功率分配器11667A連接，11667A反射系數(shù)為Γ2=0.018。該反射導(dǎo)致信號不能被完全吸收，產(chǎn)生失配引起的不確定度分量。根據(jù)功率測量理論分析，功率測量失配誤差可以按以下公式計算：

其誤差分布為反正弦分布，故u4=0.002dB

4.5 合成不確定度

100dBμV時

65dBμV時：

擴展不確定度:

U=kuc=0.34dB;k=2(100dBμV)

或

U=kuc=0.46dB;k=2(65dBμV)綜上所述，在被校準(zhǔn)儀表或電視電平表測量重復(fù)穩(wěn)定時，電壓駐波比VSWR≤1.5時，使用該電視信號射頻電平測量裝置進行測量的擴展不確定度為0.34dB，k=2(100dBμV)至0.46dB，k=2(65dBμV)。

5 結(jié)語

該測量裝置較好地解決了電視信號射頻電平的準(zhǔn)確測量，為電視信號發(fā)射裝置射頻電平計量和電視信號場強儀、射頻電平表等儀器計量提供了可行的量值溯源途徑。測量接收機和頻譜分析儀是計量機構(gòu)較為通用的儀器，在原有的投入中增加少量設(shè)備，即可經(jīng)濟開展電視信號射頻電平的測量、校準(zhǔn)或檢定。

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質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項課題(201010004)

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