用户分配网络原理与设计

4.3.3 用户分配网络原理与设计

用户分配网络的主要任务是把有线电视台前端提供的、经系统干线传输来的全部高频电视信号通过网络分配到每个用户终端，而且要保证每个用户终端的电平值均符合规范要求，使用户终端电视机处于最佳工作状态。无论共用天线电视系统、卫星电视共用系统还是有线电视系统，它们的用户分配网络的原理与设计都是相同的。

1）网络基本结构

用户分配网络形式多样，通常要按建筑类型、用户分布情况选择。但其基本结构都是按信号传输、分配的格局来搭建的，组成网络的器件有分配器、分支器、终端盒以及同轴线缆。分配网络最基本的模型如图4.19所示。

图4.19　分配网络基本模型

CATV信号经放大器放大后，送入用户分配网络。分配网络通过二分配器分成两路输出，每路各通过三个分支器把信号送给各用户终端Q_mn。为了防止末端反射，在各支路的末端均接有75Ω的匹配电阻R0。

2）网络设计任务与要求

从网络基本模型中可以看出，被放大后的CATV信号P，经过了分配器、分支器，以不同的路径传输到各用户终端Q_mn。按照《有线电视广播系统技术规范》的要求，用户网络必须保证各终端电平符合规范要求，在60～80dBμV范围之内，使各用户电视机处于最佳工作状态。

这一设计任务和要求，可用一个非常简洁的公式来加以表达，即

Q_mn＝P-Z_mn　　　　　　　（4.3）

式中：Q_mn——用户终端电平（dBμV），应保持在60～80dBμV之间；

　P——CATV楼层放大器输出信号电平（dBμV）；

　Z_mn——各用户信号在传输路径中的衰减值（dBμV）。

虽然各用户终端都处于同一个网络中，然而CATV信号P是以各不相同的路径到达每一个用户终端的。因此，Z_mn也各不相同。在网络设计中，就是通过选择和计算信号路径中所产生的衰减值来满足用户终端的电平要求的。

从网络基本模型中不难看出，各终端信号路径中的信号衰减值由分配器的分配损耗、分支器中的插入损耗、分支损耗以及线缆衰减所组成。

为了掌握该网络的设计和计算，我们从分支器、分配器开始介绍。

3）分配器与分支器

（1）分配器

分配器是用户分配网络用来分配射频电视信号的器件，它能把一路输入信号均等地分成2路、3路、4路、6路输出，常用于放大器输出端，如前端主放大器输出端等。也能在一条干线上把主干线分成若干条支线来传输电视信号能量。图4.20给出了二分配器的传输示意。

图4.20　二分配器传输示意

分配器由无源器件组成，包括阻抗匹配器、功率分配器和高频补偿器件等。阻抗匹配器保证输入阻抗为75Ω，输出阻抗也为75Ω；功率分配器使用两个单孔磁芯和双线宽带传输线式变压器型结构，既具有宽频宽特性又保证功率均分；高频补偿器件用来使高频谐振获得输出补偿，同时减少输出端间的耦合，以提高相互的隔离度。衡量分配器优劣的性能参数有分配损耗、隔离度和反射损耗。

分配损耗——分配器输入信号功率与输出信号功率之比，通常用分贝表示。一般二分配器分配损耗为3.5～4dB，四分配器为7.5～8dB。

隔离度——如果在分配器的某一输出端加上信号（如在out 1端加上信号），该信号电平与其他输出端（如out 2上）信号电平之比称为隔离度，也以分贝来表示。隔离度越大，表示分配器各输出端的相互干扰越小。一般分配器的隔离度在18～20dB之间。

反射损耗——反射损耗是衡量各部件阻抗偏离75Ω标称阻抗大小的重要指标，反射损耗必须在规定的范围内才能保证阻抗匹配。VHF频段反射损耗要＞16dB，UHF频段要＞10dB。

由于各厂家生产的器件性能各不相同，在网络计算时需要查找不同品牌分配器的性能表，以便了解它们的具体参数。表4.9给出了国产东迅公司生产的DXP型各类分配器的性能能数。

表4.9　DXP型分配器性能参数

（2）分支器

分支器安装在传输网络的干线上，并从干线上取出一部分信号馈送给用户的电视机终端盒。因此，分支器既有干线输入端，又有干线输出端，还有一个或多个分支输出端。一分支器有1个分支输出端，二分支器有2个分支输出端，四分支器则有4个分支输出端。图4.21给出了二分支器的传输示意。当二分支器接入干线，从干线输入端in输入的信号，大部分通过干线输出端out传输给干线系统，小部分信号通过分支器b₁、b₂分支接头传输到用户电视机终端盒，以便与用户电视机相接。

图4.21　二分支器的传输示意

分支器实际上就是一个定向耦合器，可由分布参数组成，也可用集中参数组成，由于要求分配回路具有从甚高频到超高频这样的宽频带，一般都采用集中参数。在制造上按照使用环境条件不同，有金属盒与塑料盒、室内型与室外防水型之分，在高场强区要选用金属盒结构的器件，以防止射频电视直射波干扰而产生重影等故障。

衡量分支器的性能参数有插入损耗和分支损耗、隔离度和反射损耗。

插入损耗和分支损耗——插入损耗就是信号从干线输入端in到干线输出端out之间的传输损耗，即输入端信号电平与输出端信号电平之比，如用分贝表示，则为两端分贝之差。分支损耗是信号从干线输入端in到分支输出端b₁、b₂电平之比，如用分贝表示，则为两端分贝之差。插入损耗与分支损耗之间的关系如图4.22所示，插入损耗小，分支损耗就大；插入损耗大，分支损耗就小。

图4.22　插入损耗与分支损耗的关系

反向隔离度——是指分支输出b₁、b₂和干线输出out之间的损耗。当在分支输出端b₁或b₂上加入信号，该信号电平与干线输出端out的信号电平之比，如用分贝表示，则为两分贝之差。因此，为了使电视机本振反射辐射出来的信号不影响干线，反射隔离度的分贝数越大越好，一般在13～38dB之间。

相互隔离度——是表示分支输出端b₁、b₂之间的相互影响程度。即在一个分支输出端b₁上加信号后，该信号电平与其他分支输出端b₂的输出电平之比，如用分贝表示，则为两分贝数之差。可见，为了消除用户电视机之间的相互影响，相互隔离度分贝数越大越好。通常应大于18dB。

反射损耗——和分配器一样，反射损耗是衡量各部件阻抗偏离75Ω标称阻抗大小的重要指标，反射损耗必须在规定范围内才能保证阻抗匹配。VHF频段反射损耗要＞16dB，UHF频段要＞10dB。

分支器的选用是很讲究的，绝不能认为坏了可以随便换一个。如果损坏，必须更换一个同规格、同性能的分支器。在干线中各处配置的分支器规格是不一样的，在干线电平较高的地方需配置插入损耗小、分支损耗大的分支器；在干线电平低的地方需配置插入损耗大、分支损耗小的分支器。这样才能使各分支器输出端的信号电平尽可能接近，使每个用户终端盒都能达到电平为60～80dB的指标要求。

鉴于以上情况，厂家提供了各种规格、不同参数的分支器。就二分支器来说，有的插入损耗大，有的插入损耗小；有的分支损耗小，有的分支损耗大。其目的完全为了使用中便于配置。表4.10给出了国产东迅公司生产的DXZ型各类分支器的性能参数。

4）同轴电缆

有线电视的用户分配网络普遍使用的线缆是同轴电缆。同轴电缆由内导体（芯线）、外导体（屏蔽层）组成，处于内外同轴的状态。内外导体之间充填着绝缘材料。外导体有的用薄金属皮制成。外导体的外表面即最外层为保护层，一般用聚乙烯制成。电缆因结构、尺寸、材料的不同而具有不同的特性参数。

（1）特性阻抗

同轴电缆的特性阻抗Z_e，可由下式计算：

式中：D——外导体内径（mm）；

　d——内导体外径（mm）；

　ε——绝缘层的相对介电常数。

同轴电缆的特性阻抗有50Ω、75Ω、100Ω等，CATV系统采用75Ω的同轴电缆。

（2）高频损耗

单位长度的同轴电缆对信号的损耗β，可由下式计算：

式中：f——工作频率（MHz）；

　Z_c——特性阻抗（Ω）；

　D——外导体内径（cm）；

　d——内导体外径（cm）；

　k₁、k₂——由内、外导体的材料和形状决定的常数；

　ε——绝缘层的相对介电常数；

　tanδ≈2×10^-4。

式中的第一项是导体的高频损耗，第二项是绝缘体的介质损耗。由此可见，同轴电缆的损耗与工作频率的平方根成正比。

（3）屏蔽特性

同轴电缆的外导体应可靠接地，连接应保持有效的连续性，不允许有破损，这样才具有良好的屏蔽作用，使其传输的信号不受外界杂波干扰，同时也不会辐射出去干扰其他设备。

（4）频率衰减特性

CATV信号在同轴电缆中的衰减随频率的增加而增加，衰减量与频率的平方根成正比，其一般规律如图4.23所示。

图4.23　同轴电缆的频率衰减特性

目前我国CATV中用得比较多的是SYV聚乙烯绝缘同轴电缆和SDVC藕状聚乙烯绝缘同轴电缆，其主要性能指标如表4.11所示。

表4.11　常用同轴电缆技术性能

5）网络设计与计算

（1）分配网络组成方式

分配网络组成方式多种多样，归纳起来大致有三类，即全分配方式、全分支分式和混合方式。

①全分配方式。如图4.24所示，分配网络全部使用分配器的方式，称为全分配方式。图（a）中将放大器信号平均分配给8个用户，首先用二分配器把信号分成两路，然后再用四分配器把每一路信号分成四路输出。这种分配方式在住宅小区的主干分配网络中用得比较普遍。如果电缆的长度相同，则各输出端电平是相等的。图（b）是一种不均等的三路分配方式，首先用一个二分配器把一路信号等分成两路，然后将其中的一路再用一个二分配器等分成两路。这样共有三个输出端，其中一路分配损失为3.5dB，可向远处传输；其余两路分配损失为7dB，可满足近处的需要。

（a）等分方式

（b）不等分方式

图4.24　全分配方式

②全分支方式。如图4.25所示，分配网络全部使用分支器的方式，称为全分支方式。图（a）中放大器信号经一条主线路，分别串接了4个一分支器，分接给4个用户，这种方式又称为串接方式。在设计计算中，为了使各分支器的输出电平尽可能接近，满足60～80dB的要求，需要选用不同损耗的分支器。靠近主线路始端的分支器插入损耗应小一些，分支损耗应大一些；靠近终端的分支器插入损耗应大一些，分支损耗应小一些；在中间部分的分支器的插入和分支损耗则介于两者之间。为了使系统匹配，需要在主线路终端接入75Ω电阻，这种连接方式多用于楼层用户系统。图（b）是一种分支到分支的连接方式，它把前面分支器的支线作为后面分支器的主线路，因此这种电路的线路总损耗较大，多用于主干线信号电平较高的地方。

（a）串接方式

（b）分支到分支方式

图4.25　全分支方式

③混合方式。如图4.26所示，分配网络采用分配器与分支器混合连接的方式称为混合方式，又称“分配—分支”方式，它是前两种连接方式的综合。图（a）中首先经过分配器把放大器信号分配给若干路主线路，然后再通过不同分支衰减的分支器向用户终端提供符合规范要求的信号。有时一个用户室内，需要放置多台电视机，可采用图（b）的混合连接方式，在用户室内弱电箱里可加装四分配器、三分配器或二分配器。混合方式是智能楼宇普遍采用的方式。

（2）分配网络设计

分配网络设计是智能楼宇CATV设计的重要组成部分，其分布面广、点位多，是整个系统直接与用户终端相连的纽带和桥梁，其设计质量关系到用户的收视效果。

①设计依据和前提条件。分配网络设计必须遵循《有线电视广播系统技术规范》，符合《民用建筑电气设计规范》第15款共用天线电视系统部分的各项规定。根据建筑物的性质、功能要求进行设计。明确系统的功能以及功能范围。是单一功能，还是多功能齐备；其功能范围包括接收城市有线电视信号、建立共用天线电视系统、完成卫星电视接收器任务、接收调频广播信号等。熟悉所建工程对CATV收视点位的需求。了解前端的建筑位置、信号进线部位、进线方式、主干电缆布线要求与走向等。

（a）“分配—分支”方式

（b）“分支—分配”方式

图4.26　混合方式

②设计步骤和要求。分配系统是一个高电平的工作系统，分支、分配器件多，负载重，匹配性能要求高，插入损耗和电缆衰减大，输出电平有明确的指标要求，因此，电缆、器件的选择，设计、计算的要求十分明确，就是向用户提供优质、稳定的输出电平。

图4.27　分配网络电平数据的计算

分配系统设计步骤应按以下四步进行：认真领会设计依据，分析并深入了解设计任务的前提条件；首先设计出分配系统模型，初步选择电缆、分配器件、终端盒等部件；设计、计算分配网络的工作参数，绘制分配系统结构图和分配电平图，考虑到VHF和UHF频段不同，各项参数差别较大，通常都分别计算出两组电平数据；进行验算调整，反复进行修订，直至符合指标要求。

（3）设计、计算的具体方法

设计一套供两幢相距30m的6层楼房96户使用的CATV用户分配网络。要求电平为65～80dB。以8Ch为例，计算VHF频段的分配网络电平数据。其分配系统网络模型，如图4.27所示。已知CATV放大器8Ch的输出电平为105dBμV。首先把放大器的输出信号分成两路，每路供给一幢楼，然后把每路再分成四路，串接三种衰减不同的二分支器，其特性如表4.12所示。

表4.12　二分支器特性

二分配器选用DXP₂W，其分配损耗为3.5dB；四分配器选用DXP₄W，其分配损耗为7.5dB。两楼之间选用SDVC-75-7-4电缆，实测数据Ch₈衰减为0.07dB/m；其余各支、主线路均采用SDVC-75-5-4电缆，实测数据Ch₈衰减为0.1dB/m。

我们只选择较远的一幢楼房中的一路进行计算，其余各路大致相同。

Ch₈为VHF代表频道，第6层（6F）总分配损耗为

Z_6F＝7.5＋3.5＝11（dBμV）

传输电缆总损耗为

Z_CB6＝30×0.07＋10×0.1＝3.1（dBμV）

第6层（6F）用户端电平

Q_6F＝P-（Z_6F＋Z_CB6＋Z_F）＝105-（11＋3.1＋20）＝70.9（dBμV）

第5层（5F）传输电缆总损耗

Z_CB5＝30×0.07＋10×0.1＋3×0.1＝3.4（dBμV）

其用户电平

Q_5F＝P-（Z_6F＋Z_CB5＋Z_F＋Z_Z）＝105-（11＋3.4＋20＋0.7）＝69.9（dBμV）

同理，可计算得：

Q_4F＝72.9（dBμV）；Q_3F＝71.6（dBμV）；Q_2F＝74.3（dBμV）；Q_1F＝72.0（dBμV）。

【例4.1】　某18层住宅楼电视共用系统。

某18层住宅楼电视共用系统如图4.28所示。该建筑每层8户，每户设2个电视终端盒。由于每根电缆只能串接6个分支器，因此把楼层分为两段，第1～8层为下段，第9～18层为上段，采用三分配器1只，二分配器7只，其中5只二分配器一根电缆直接馈送到第8层，另一根电缆连接第18层分支器。这样从弱电井中自上而下共敷设10根同轴电缆，同轴电缆选用SYV-75-9，分支器选用SFZ型产品。在前端放大器输出电平为100/105dBμV（VHF/UHF）的情况下，可以保证各用户终端盒的电平均为67dBμV～74dBμV，符合电视共用系统的技术要求。

【例4.2】　某住宅小区有线电视楼外布线工程实例。

该住宅小区共18栋楼（编号为1～18），需接入城市有线电视网，信号引自LE4干线放大器，其输出电平为100/98dB（VHF/UHF），经150m长的同轴电缆由分支器9接入小区，如图4.29所示。

小区内把楼群分成4组，分别安装了4个楼放，即H₃₇～H₄₀，在小区干线上选用了10、12、18，3个一分支器，为4个楼放提供信号。其中：

H₄₀楼放输出接至1～8号楼；

H₃₉楼放输出接至9～10号楼；

H₃₈楼放输出接至11～14号楼；

H₃₇楼放输出接至15～18号楼。

每个楼放输入电平：H₃₇（68.9/71.5dB）、H₃₈（70.6/78.5dB）、H₃₉（68.1/78.1dB）、H₄₀（72.0/85.3dB）。只要各楼放的输入电平达到60dB以上，即可满足系统的要求。

图4.28　高层用户分配系统

图4.29　住宅小区楼外布线举例