葉峻江 李春龍 何洪波

(廣東省計(jì)量科學(xué)研究院東莞計(jì)量院，東莞 523000)

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電視信號(hào)射頻電平測(cè)量研究*

葉峻江 李春龍 何洪波

(廣東省計(jì)量科學(xué)研究院東莞計(jì)量院，東莞 523000)

本文介紹使用測(cè)量接收機(jī)和頻譜分析儀建立電視信號(hào)射頻電平測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，開展相關(guān)測(cè)量、檢定、校準(zhǔn)和量值傳遞。該電視信號(hào)射頻電平測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在頻率48～1000MHz內(nèi)，測(cè)量信號(hào)電平范圍為-60～10dBm；測(cè)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(hào)射頻電平；電視場(chǎng)強(qiáng)；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(jì)算機(jī)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(wú)線電視發(fā)播和有線電視網(wǎng)絡(luò)中，電視信號(hào)射頻電平測(cè)量調(diào)試非常重要[1]，在電視網(wǎng)絡(luò)中電平過(guò)高或過(guò)低將引起放大器工作于非線性區(qū)。信號(hào)電平過(guò)低時(shí)，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(hào)過(guò)高時(shí)將引起放大器或電視接收機(jī)過(guò)載，導(dǎo)致圖像失真[2]。測(cè)量電視信號(hào)電平的儀器一般為電視電平表或電視場(chǎng)強(qiáng)儀。根據(jù)JJG 1057—2010《電視信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)儀》對(duì)該類儀器進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，以保證電視信號(hào)射頻電平測(cè)量調(diào)試結(jié)果可靠。規(guī)程要求，檢定用的電視測(cè)試發(fā)射接收機(jī)輸出電平應(yīng)依據(jù)有效的量值溯源和計(jì)量檢定校準(zhǔn)結(jié)果[3]。

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

1 電視信號(hào)的調(diào)制和圖像載波電平

1.1 電視信號(hào)的調(diào)制

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

1.2 圖像載波電平概念

我國(guó)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(guò)幅度調(diào)制來(lái)傳送，其內(nèi)容隨時(shí)間變化，令信道功率不斷變化。而模擬電視行/場(chǎng)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(hào)電平強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)。PAL-D圖像信號(hào)采用負(fù)極性調(diào)制，調(diào)制后圖像信號(hào)的幅度隨著亮度的增加而減少，黑電平(或行、場(chǎng)消隱電平)為電平滿幅度的75%，行、場(chǎng)同步信號(hào)處為電平滿幅度的100%，已調(diào)模擬信號(hào)的峰值出現(xiàn)該處。根據(jù)GB/T 6510—1996，將電視信號(hào)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(cè)量

測(cè)量電視信號(hào)射頻電平的儀器一般為電視電平表或電視場(chǎng)強(qiáng)儀。JJG 1057—2010《電視信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)儀》5.2.3.1中規(guī)定電視測(cè)試發(fā)射接收機(jī)輸出電平應(yīng)根據(jù)有效的量值朔源和計(jì)量檢定校準(zhǔn)結(jié)果。測(cè)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(cè)試的頻道讀取電平數(shù)據(jù)。端口阻抗75Ω，與被測(cè)信號(hào)阻抗匹配。其電平測(cè)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(cè)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(cè)信號(hào)阻抗不匹配。測(cè)量低電平時(shí)受噪聲影響明顯，且不能選頻道測(cè)量。測(cè)得的是通帶內(nèi)的功率，不能直接測(cè)量同步頭電平。

3)示波器法：有較好的測(cè)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(jìn)行匹配。示波器可采用行、場(chǎng)同步觸發(fā)給出信號(hào)細(xì)節(jié)。示波器是時(shí)域測(cè)量?jī)x器，不能選頻道測(cè)量。

4)CATV頻譜分析儀法：頻譜分析儀是頻域測(cè)量的通用器具，通過(guò)選擇中心頻率進(jìn)行頻道選擇，使用零頻掃描，配合適當(dāng)?shù)姆直媛蕩?，可以解調(diào)出視頻信號(hào)包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)選頻道測(cè)量。但測(cè)量精度較低。

5)測(cè)量接收機(jī)的調(diào)制電平表：測(cè)量精度高，頻率范圍很寬，頻率特性非常好，電平測(cè)量范圍+30～-127dBm，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到150dB。但不能直接測(cè)量已調(diào)制信號(hào)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(hào)包絡(luò)，但其電平測(cè)量準(zhǔn)確度較低。使用測(cè)量接收機(jī)測(cè)量載波功率可獲得較高準(zhǔn)確度，但無(wú)法直接測(cè)量已調(diào)制圖像載波的同步頭信號(hào)峰值(包絡(luò))電平。可結(jié)合兩類儀器的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)試值比較和傳遞的辦法，將測(cè)量接收機(jī)功率計(jì)的精確功率測(cè)量結(jié)果傳遞給接收機(jī)調(diào)制電平表，保證接收機(jī)絕對(duì)功率測(cè)試值的準(zhǔn)確性[]。用該結(jié)果對(duì)頻譜分析儀的結(jié)果進(jìn)行修正，得到準(zhǔn)確的結(jié)果。在測(cè)量過(guò)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(lái)源之一。測(cè)量接收機(jī)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(hào)發(fā)生器的75Ω阻抗匹配。測(cè)量接收機(jī)、阻抗轉(zhuǎn)換器和功率分配器均很方便獲得量值溯源。

其測(cè)量過(guò)程為：測(cè)量接收機(jī)的功率計(jì)對(duì)調(diào)制電平表進(jìn)行自校準(zhǔn)，再用測(cè)量接收機(jī)和CATV頻譜分析儀零頻掃描功能同時(shí)測(cè)量未調(diào)制的載波信號(hào)電平，測(cè)量接收機(jī)測(cè)得電平Pr，頻譜分析儀測(cè)得電平Ps。得到頻譜儀的測(cè)量功率誤差ΔP=Ps-Pr。再用頻譜分析儀對(duì)已調(diào)制的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)測(cè)量，移動(dòng)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(cè)量誤差ΔP，就得到準(zhǔn)確的電視信號(hào)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(jì)算出電視信號(hào)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(hào)(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(cè)量接收機(jī)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(cè)量裝置的構(gòu)成和量值溯源

3.1 測(cè)量裝置的構(gòu)成

電視信號(hào)射頻電平測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)由測(cè)量接收機(jī)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(hào)發(fā)生器、發(fā)射機(jī)，又可以校準(zhǔn)視頻電平表、場(chǎng)強(qiáng)儀的電視信號(hào)射頻電平。連接方式見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的連接

我國(guó)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(wú)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(cè)量接收機(jī)和CATV頻譜分析儀的頻率和電平測(cè)量量程遠(yuǎn)大于該范圍，可以滿足要求。

3.2 測(cè)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(guó)家基準(zhǔn)。量值溯源見圖2。

圖2 量值溯源圖

4 不確定度評(píng)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(píng)定該測(cè)量裝置的不確定度范圍。

4.1 A類評(píng)定

使用CATV頻譜儀在重復(fù)測(cè)量時(shí)和重復(fù)連接高頻電纜時(shí)讀數(shù)有變化，在重復(fù)條件下對(duì)電視信號(hào)射頻電平進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1=0.083dB。

4.2 B類評(píng)定

使用8902測(cè)量接收機(jī)帶來(lái)的誤差影響：測(cè)量接收機(jī)的不確定度u2，由技術(shù)說(shuō)明書可知由功率表和附加影響兩部分組成(B類評(píng)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(diǎn)調(diào)節(jié)誤差u23

4)附加影響(零點(diǎn)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(jì)在使用之前先要進(jìn)行使用內(nèi)部校準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)信號(hào)的電平對(duì)測(cè)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(duì)上述各不確定度分量進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見表1。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2為0.104dB；同樣計(jì)算測(cè)量65dBμV時(shí)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(cè)量100dBμV時(shí))

不確定度分量不確定度來(lái)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(diǎn)調(diào)節(jié)誤差0.00125u24零點(diǎn)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(hào)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(cè)量理論分析，功率測(cè)量失配誤差可以按以下公式計(jì)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(shí)

65dBμV時(shí)：

擴(kuò)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(cè)量重復(fù)穩(wěn)定時(shí)，電壓駐波比VSWR≤1.5時(shí)，使用該電視信號(hào)射頻電平測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為0.34dB，k=2(100dBμV)至0.46dB，k=2(65dBμV)。

5 結(jié)語(yǔ)

該測(cè)量裝置較好地解決了電視信號(hào)射頻電平的準(zhǔn)確測(cè)量，為電視信號(hào)發(fā)射裝置射頻電平計(jì)量和電視信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)儀、射頻電平表等儀器計(jì)量提供了可行的量值溯源途徑。測(cè)量接收機(jī)和頻譜分析儀是計(jì)量機(jī)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(jì)開展電視信號(hào)射頻電平的測(cè)量、校準(zhǔn)或檢定。

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質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題(201010004)

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