对有线电视系统存在的非线性失真分析

任何模拟电路都不可能避免失真，有线电视系统中，高频传输通道内存在的交调、互调复合三次差拍比等非线性失真，对系统影响很大，非线性失真主要来源于各种放大器和激光器等中使用的非线性元件，而非线性元件一旦选定，它的各种指标就已确定（在给定状态下），因此有线电视系统的非线性失真性能主要取决于线路上的各类放大器。本文就放大器失真性能做一简要分析。

1放大器的非线性失真

失真原理及其分析方法

对于一个接有放大器的有线电视传输系统，由于放大器的工作频带宽工做频率高，输入为多频道信号，半导体器件的电抗参变效应的影响不能忽略。放大器放大频率范围宽（48.5MHZ~1GHZ）的多频信号时，它所表现出的电抗效应对低频段和高频段显然不同。但对于550MHZ一下的传输系统来说，放大器的电抗效应的影响不是太大，如果放大器的工作状态合适，它的相位非线性与振幅非线性相比将将为次要。此时作为一种近似分析，通常采用低频分析方法，其准确程度虽然稍差，但还是能满足工程设计的需要。

（2）放大器的非线性失真及其产物

① 频道间失真

放大器的传输性可用泰勒级数近似描述：

U出=K0+K1U入 +K2U2入 +K3U3入 ……. .(1)

式中K0为直流项，K1>K2>K3……..为级数展开式中的各项系数，它们分别代表非线性电路种的直流分量、增益、幅度失真和相位失真，其数值由特性曲线的性质及其器件的静态工作点偏压值来确定。为了分析方便，设输入信号为3个不同频道信号的图像载波，即以偶那个3个不同频率的余弦电压U入 =Acosα+Bcosβ+Ccosγ来表示。将U入带入（1）式，求出三次以内的非线性失真的产物（四次方项以上的系数很小，影响可有忽略不计），见表1

表1 输入3个频率信号时输出三次失真以内的非线性产物

从表1可以看出，由于放大器产生的非线性失真，使输出信号中除了包含与输入信号频率相同，幅度与之成比例的有用基波分量（表1种的第2项）外，还出现很多新的频率分量和新的产物。这些新的频率分量可以归纳两类：一类是输入信号的谐波及它们的组合频率（表中第4，5，7，8，9项），它们的幅度与输入信号的幅度既相关（互调）有不相关（谐波），这些频率分量落在有用电视频道内会造成对电视图像的感染，收视主观感觉是画面出现固定的垂直、水平或倾斜的条纹。干扰频率与图像载频越接近，网纹越粗，反之越细。从表1种还可以看出相同次失真产物（谐波、互调）的幅度并不相同，不同次失真产物（谐波、互调）的幅度也并不形态。当输入各频率信号的幅度相等，放大后输出的各频率信号的幅度也性等时，即放大器的幅频特性平坦，令A=B=C=D，可求出各次失真产物中的谐波和互调分量之间的幅度关系：

由此可见，在不考虑各失真分量数目的前提下，二次互调分量幅度比二次谐波分量幅度大6dB,三次互调（1）幅度比三次谐波分量幅度大9.5dB，三次互调分量（2）幅度比三次互调（1）幅度大6dB。由于这些非线性失真产物的幅度不等，对有用电视信号的干扰也不用，一般同次互调分量比谐波分量干扰严重，三次互调分量（2）比三系互调分量（1）干扰严重。

上面已经提到，放大器非线性失真产生的谐波及互调的数量与输入信号的多少有关。当输入信号增多时，谐波及互调分量的数目迅速增加，其增加的规律由表1可知，二次谐波数量为N，二次互调数量为N（N-1）,三次谐波分量为N，三次互调分量（1）为2N(N-1)，三次互调分量（2）的数量为2N(N-1)(N-2)/3.从失真产物的数量来看，随着传输数目的增多，三次失真产物的数量比二次失真产物的数量增加更为迅速。从产物的幅度来看，由于K2>K3>K4……Kn,使得二次失真产物的幅度比三次以上失真的幅度要大，所造成的干扰也就更为严重，对于这种干扰，我们可以在电路设计上采取一些措施，比如采用推挽放大电路可 使二次失真产物相互抵消，或使用有滤波功能的波段放大器，也可使用二次失真产物减少，因此，在传输频道数较多时，三次失真产物将成为主要的干扰源。根据中国有线电视系统中三次非线性失真最严重的频道中非线性的失真分布表（表2），可以看出在我过的12个标准频道系统中，三系失真产物最多的是9频道，其中三次谐波1项，三次互调3项，三次差拍29项，交调失真11项，显然交调失真较严重。但若传输59个频道（550MHz系统）三次失真项最多的是12频道（216.25MHz），其中三次谐波0项、三次互调45项，三次差拍1281项，交调失真58 项，三次差拍干扰要严重的多。三次差拍干扰在频道内的分布具有群集性，例如550MHz系统中的12频道内三次差拍项集中在15个频点，其中在图像载频附近有734项。因此在频道数较少使（例如十几个频道以下），主要考虑交调失真，因现在的频道资源、数量都较多，所以在频道数较多时，则应主要考虑三次差拍失真。

表 2

有线电视系统中放大器非线性产生的另一类新的产物是输出信号频率与输入信号频率相同，但幅度与输入信号幅度不成比例的失真项，它们的幅度与各输入信号的幅度有些相关（表1中第10项）有线不相关（表1中第6项）这些失真使输入信号各频谱分量间相对电平发生变化。其中第6项的幅度是3K3A 3/4,加入基波信号的幅度中，变成K1A+3K3A3/4,当K3为正时，相加后使放大器的增益降低，这就造成放大器的幅频特性变差。在第10项中虽然输入信号的频率与输出信号的频率相同，但每个输出信号的幅度上都有另一输入信号的频率相同，但每个输出信号的幅度上都有另一输入信号幅度的平方的因子，即3K3A(B2+C2)cosα/2，这就是交扰调制干扰。当输入为N个频道节目时，对任一个频道信号都有(N-1)个频道串入，而且这种串入相互的，即交扰调制干扰是相互的，当N个输入信号幅度为常量时，这种干扰仅仅影响基波信号幅度的大小，当N个输入信号幅度为常量时，这种干扰仅仅影响基波信号幅度的大小，当N个输入信号是调幅信号时，则会出现基波信号调制失真，它会使输入信号间的相对电平发生变化。当两个频道的行同步脉冲不同步时，屏幕上出现竖直白条，向左或向右缓慢移动。当交扰调制不太严重时，两信号的同步脉冲不分互相图像载波调制，出现同步脉冲极性反转，在电视画面上看到竖直白条干扰。当交扰调制严重时会有横条干扰和串像，在观看某一频道时，背景里将出现另一个画面缓慢移动，当多个频道间产生交扰调制时，则会在画面上产生多条雨刷干扰。对于此类失真只有外接校正电路或使放大器之间失真互补予以减小。

②频道内非线性失真

同一频道内非线性失真产物也可分成两类，其中三次失真以前的互调产物有的落在带内（fα-fβ+fγ）=fα+2.07MHz）造成对本频道的干扰，有的落在带外造成对其他频道的干扰。而同一频道内有交扰调制则表现为图像载波、色度副载波和伴音载波三者之间的相互干扰，伴音信号对图像信号的交调，使画面上出现固定网纹干扰，而图像信号对伴音信号的交扰调制使伴音信号产生寄生调幅，扬声器中产生场频哼声。图像信号和色度信号之间的交调表现在不同的亮度电平上的色度信号幅度或相位发生变化，使彩色图像的饱和度或色调发生变化，即颜色的浓淡程度或颜色发生变化，这就是系统产生微分增益失真和微分相位失真的原因。

2非线性失真指标同放大器工作电平的关系

放大器的非线性特性同其工作电平有关，工作电平越高，放大器输出特性曲线偏离线性越严重，非线性失真指标就越差。下面以二、三次失真为例定性地加以分析。

载波互调比

载波互调比是指载波电平有效值和互调产物电平有效值之比，用分贝表示，即

IMdB=20lg（载波电平有效值/互调产物电平有效值）(2)

二次失真产物造成的载波互调比用IM2表示，吧表1中的第项和第5项代入（2）式求得：

IM2=20lg（k1A/k2A2）

=20lg（2k1/3k3）-20lgA (3)

由(3)式可知，各频道的信号电平提高1dB

，则IM2降低1dB。

三次失真产物造成的载波互调比用IM3表示，同理可得：

IM3=20lg[K1A/(3K3A3/2)

=20lg(2K1/3k3)-40lgA (4)

由（4）式可见，各频道的信号电平提高1dB，则IM3降低2dB

（2）交扰调制比

交扰调制比是指需要的调制信号电平的峰峰值/其他频道转移过来的调制电平信号峰峰值之比，用分贝表示，即

CMdB=20lg（需要的调制信号电平的峰峰值/其他频道转移过来的调制电平信号峰峰值） （5）

将表1中的数值代入（5）式，得（简化为二信号输入）

CM2=20lg [(K1A）/(3K3AB2/2)]

=20lg（2K1/3K3）-40lgB （6）

由（6）式可知，放大器输出干扰电平降低1dB，则CM2提高2dB，而且CM2只与干扰频道电平有关，与扰频道电平无关。

(3)载波组合差拍比

载波组合差拍比也是由失真造成的，同载波互调比一样，输出电平提高1dB，载波组合3二次差拍比降低1dB，载波组合三次差拍比降低2dB。因为放大器等、光机等内的非线性特性同其工作电平有关，工作电平越高，放大器、激光器输出特性曲线偏离线性越严重，非线性失真指标就越差，故有线电视系统的非线性失真指标同放大器、激光器等的工作电平密切相关。在电缆系统中二次差拍比可通过一系列措施加以改善，故主要考虑三次差拍比的影响。

减少非线性失真的方法

交调、互调、载波组合三次差拍比等非线性失真指标是衡量有线电视系统优劣的照样指标，一般来说为了减少非线性失真，可有采用以下几种方法。

利用光纤取代电缆作为传输干线，是减少非线性失真的最好方法。光纤传输信号损耗及低，随着大光率发射机的普及应用几十至数百公里内不用中继放大，用光纤取代电缆，取消了干线放大器，也就没有了干线系统放大器的非线性失真，提高了整个系统的非线性失真指标。

选择合理的工作点，提高放大器的线性动态范围，也可减小系统非线性失真，这是因为放大器、光机的线性动态范围扩大后，放大传输设备的输出---输入特性曲线非常接近于直线，相应的失真就很小。

适当降低放大器的工作电平（保证载噪比指标的前提下）也可减小系统的非线性失真。

选用性能好的放大器可以滤除或抵消非线性失真。例如采用推挽放大器可能抵消部分偶次谐波失真，采用失真抵消级数的前馈放大器，可以是飞线性失真指标提高14~19dB。

改进频道设置方案，可以减少由于非线性失真而产生的新频率对有用频道的干扰。如采用增量关系相关（IRC）技术，即各频道图像载频差都是8MHz的整倍数，直观感觉上，CTB性能改善3~5dB。若采用谐波关系相关（HRC）技术，即各频道图像载频都是8MHz的整数倍，主观感觉上非线性失真指标性能得到9~10dB的改善。

随着数字新设备新技术的应用，非线性失真所带来的影响会越来越小，但在一定的范围内放大电路中都不可能避免非线性失真，有线电视传输系统中科学合理的应用放大传输设备，尽量的降低线路中非线性失真度对电视节目传输的影响,把高清的电视节目传输到千家万户！

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。